Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang

Báo cáo đợc bố cục theo nội dung sau: Chơng I : Cơ bản về hệ thống thông tin quangChơng II : Lý thuyết chung về sợi dẫn quangChơng III : Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quangChơng I

quan trọng không thể thiếu đợc, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xãhội, giúp con ngời nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoahọc kĩ thuật rất đa dạng và phong phú.

Trong lĩnh vực viễn thông nhờ các thành tựu của công nghệ bán dẫn

điện tử, công nghệ thông tin, những phát minh quang học, vi ba số … đã tạo đã tạonên bớc nhảy vọt rất kỳ diệu Dựa trên những thành quả đó, kĩ thuật thông tinquang ra đời và phát triển rất nhanh chóng

Thông tin quang với nhiều công nghệ khác nhau đã đợc phát triển, đápứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lợng và chất lợng, tạo nhiềuthuận lợi trong miền thời gian cũng nh không gian, chắc chắn trong tơng laithông tin quang sẽ hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin

tự nhiên của con ngời

Mục tiêu của bản báo cáo này là nghiên cứu những nguyên lý cơ bản

về thông tin quang Báo cáo đợc bố cục theo nội dung sau:

Chơng I : Cơ bản về hệ thống thông tin quangChơng II : Lý thuyết chung về sợi dẫn quangChơng III : Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quangChơng IV : Các linh kiện biến đổi quang điện

Xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Vũ Sơn, các thầy cô giáo đãdạy dỗ trong suốt quá trình học tập và giúp đỡ em hoàn thành bản báo cáonày tuy nhiên do thời gian, tài liệu cũng nh khả năng còn hạn chế, bản báocáo này không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự thông cảm, đóng góp

ý kiến của các thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2006Sinh viên thực hiện : Trần Quốc HoànChơng I : hệ thống thông tin quang

I Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) làmột trong những phát minh lớn nhất thế kỷ XX Trên cơ sở lý thuyết bức xạkích thích của Einstein và quan sát bằng thực nghiệm bức xạ kích thích của

Fabricant (GS trờng đại học năng lợng Matxcova_1940), Townes_nhà vật lý

Mỹ đã phát minh ra máy khuyếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích.Tháng 2/1960, Maiman chế tạo ra laser Rubi-Laser đầu tiên trên thế giới.Tháng 6/1960, Javan chế tạo ra laser khí He_Ne Từ đó đã dấy lên một caotrào nghiên cứu chế tạo và ứng dụng laser Đến nay, laser đã đợc chế tạo vàứng dụng rộng rãi trong hầu khắp cácc nghành khoa học công nghệ và y tế.Nhng ứng dụng quan trọng nhất là thông tin cáp sợi quang

Về lý thuyết, nguồn laser có khả năng truyền dẫn băng rộng cực lớn(10 triệu kênh TV) nên trong đầu năm 1960, ngời ta đã thực hiện một số cácthí nghiệm sử dụng các kênh ánh sáng không khí (HTTTQ khí quyển) đểtruyền tín hiệu Kết quả thu đợc khá khả thi tuy nhiên các hệ thống thông tinkhí quyển có nhợc điểm là chi phí rất cao cộng với môi trờng không khíkhông ổn định do chịu nhiều tác động của ma, sơng mù, tuyết,

Đồng thời với các thực nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợiquang vì chúng có thể tạo ra những kênh thông tin tin cậy và linh hoạt hơnkênh không khí :

+ Ban đầu suy hao là vô cùng lớn (trên 1000dB/km)

+ 1966 : Kao Hockman và Wertst phán đoán những giá trị suy hao lớnnày là do độ không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang

+ 1970 Kapron Keck và Maurer chế tạo ra sợi Silic có suy hao20dB/km Tại giá trị này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thểsánh với hệ thống cáp đồng Do đó đã đa công nghệ sóng ánh sáng vào thực

II Mô hình hệ thống.

Cấu trúc điển hình của một tuyến thông tin sợi quang đợc mô tả trênhình 2 Các phần tử chính bao gồm : nguồn sáng, sợi quang và bộ tách sóngquang (đi kèm là các mạch điều khiển, khuyếch đại, khôi phục tín hiệu) Cácphần tử phụ bao gồm : Bộ lặp (đầu cuối và đờng dây) và các bộ tách ghép(add/drop) Nói chung, tín hiệu điện (phát ra từ điện thoại, đầu cuối số liệu,máy Fax, .) đợc biến đổi thành tín hiệu quang thông qua bộ biến đổi

điện/quang (E/O) Khi đó, các mức tín hiệu đợc biến đổi thành tín hiệuquang tơng ứng, mức “0 và 1” của tín hiệu điện đợc biến đổi thành tắt/bậtcủa án sáng và đa tín hiệu này vào sợi quang Các tín hiệu truyền lan trong

Tách sóng trực tiếp sợi đơn mode1550nm

Hệ thống 5Gbps, 233km với 5 bộ KĐ quang

Bộ lặp

Thu quang

Khôi phục tín hiệu

Sợi quang

Hình 2 : Cấu trúc điển hình của tuyến thông tin sợi quang

sợi quang tới đầu thu, tại đây tín hiệu sẽ đợc biến đổi quang/điện (O/E),khôi phục lại tín hiệu ở phía phát.

+ Bộ E/O chính là các linh kiện phát sáng nh LED, LD

+ Bộ O/E chính là các linh kiện thu ánh sáng nh phôtdiode

+ Bộ lặp : biến đổi, tái tạo tín hiệu nhằm bù đắp sự suy hao trong quátrình truyền dẫn

+ Bộ tách/ghép : tách/ghép tín hiêu đa tới từ thiết bị khác

III Đặc điểm thông tin quang.

Hệ thống thông tin quang có một số u điểm so với các hệ thống sửdụng cáp đồng cổ điển do sử dụng các đặc tính của sợi quang, linh kiện thuquang, phát quang

1) Đặc điểm chủ yếu của sợi cáp quang.

a/ Suy hao thấp : suy hao của cáp quang thấp hơn so với cáp song

hành kim loại hoặc cáp đồng trục

b/ Độ rộng băng : cáp sợi quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số

cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục, mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào sợicáp quang

c/ Đờng kính sợi nhỏ, trọng lợng nhẹ : cáp sợi quang nhỏ về kích

th-ớc, nhẹ về trọng lợng so với cáp đồng Một sợi cáp quang có cùng đờng kínhvới cáp kim loại có thể chứa một số lợng lớn lõi sợi quang hơn số lợng lõikim loại cùng cỡ Các đặc điểm này của sợi có u điểm rất lớn khi lắp đặt cáp

Suy hao

dB/km

Tần số (MHz) Sợi quang đơn mode (10/125μm)

Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi (50/125μm)

Cáp song hành

(0,65 mmΦ)

Cáp kim loại Cáp đồng trục (2,695mmΦ)

Cáp sợi quang (bước sóng 1,3μm)

Sợi quang đa mode chiết suất bậc

Hình 3: Các đặc tính truyền dẫn của cáp quang và cáp kim loại

d/ Đặc tính cách điện : bởi vì thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp

sợi quang không chịu ảnh hởng của điện từ trờng bên ngoài (cáp diện caothế, sóng vô tuyến và truyền hình) đặc tính này có một số u thế rất lớn trongmột số các ứng dụng cụ thể Như vậy không cần thiết phải tách cáp thông tin

ra khỏi các thiết bị gây ra cảm ứng điện từ trường, bảo vệ an toàn cho côngnhân cũng như ổn định chất lượng thông tin

e/ Tiết kiệm tài nguyên : thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất

sợi quang So với cáp kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn.Hơn nữa,một số lợng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất đợc một đoạn cáp quang dài

2) Ưu điểm của các linh kiện thu phát quang.

+ Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tínhiệu tốc độ cao và băng rộng

+ Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao

+ Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện cókhả năng phát xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảochất lượng truyền dẫn

Trong hệ thống thông tin quang, khoảng cách giữa các trạm lặp có thểlên tới vài chục kilomet do sự kết hợp giữa các đặc điểm suy hao thấp, băngrộng , linh kiện phát quang có công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao Sốlượng trạm lặp đường dây giảm đi đáng kể so với số lượng trạm lặp cáp kimloại cổ điển, một vài tuyến điện thoại có thể liên lạc với nhau trực tiếp khôngthông qua bất cứ trạm lặp nào Hệ thống thông tin sợi quang thực tế rất kinh

tế, độ tin cậy cao đồng thời dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng

Hơn nữa, truyền dẫn ghép kênh dung lượng lớn cho phép thực hiệncác dịch vụ truyền video đang có nhu cầu phát triển lớn Điều này sẽ làm chogiá thành dịch vụ giảm thấp

SVTH : Trần Quốc Hoàn

Ch¬ng II : lý thuyÕt chung vÒ sîi dÉn quang

I Cơ sở quang học.

Trong hệ thống th«ng tin quang, th«ng tin được truyền tải bằng ¸nhs¸ng Chóng ta sẽ nghiªn cứu tới c¸c đặc tÝnh của ¸nh s¸ng v× rất cần thiết đểhiểu được sự lan truyền của ¸nh s¸ng trong sợi quang vµ nguyªn lý của daođộng laser

1) Phổ sãng điện từ.

C¸c bøc x¹ ®iÖn tõ nãi chung cã cïng b¶n chÊt tù nhiªn vµ cã thÓ xem

nh sãng h¹t tÝnh chÊt sãng h¹t næi bËt trong tõng vïng Ngêi ta ph©n chia c¸cvïng cña sãng ®iÖn tõ theo c¸c th«ng sè nh sau:

Một đặc điểm quan trọng kh¸c của ¸nh s¸ng lµ : vận tốc lan truyềnthay đổi theo chiết suất của m«i trường mµ ¸nh s¸ng lan truyền qua Vận tốc

¸nh s¸ng trong khong khÝ lµ c = 300.000 km/s (chÝnh x¸c lµ 2,9979 x 108 m/svới vận tốc nµy ¸nh s¸ng cã thể đi 7,5 vïng quanh tr¸i đất trong thời gianmột gi©y) Trong m«i trường cã chiết suất khóc xạ lín th× vận tốc ¸nh s¸ng

lµ vas = c/n , trong m«i trường kh«ng khÝ th× chiết suất khóc xạ bằng 1

a/ Định luật phản xạ vµ khóc xạ ¸nh s¸ng.

C¸c định luật về ba đặc tÝnh cơ bản của ¸nh s¸ng cã thể giải thÝch bằnghiện tượng thực tế về vận tốc ¸nh s¸ng vµ một nguyªn lý truyền ¸nh s¸ngtheo đường thẳng cã thời gian ngắn nhất khi so s¸nh với rất nhiều đườngtruyền kh¸c nối giữa hai điểm (nguyªn lý nµy gọi lµ nguyªn lý Fecma)

+ Phản xạ

XÐt tia s¸ng AO đi tới mặt gương (h×nh 4)

Tại O, tia s¸ng bị phản xạ, tia phản xạ OB

Ta cã : gãc tới Φi = gãc phản xạ Φr

+ Khóc xạ

XÐt tia s¸ng đi từ m«i trường cã chiết suất

n1 tới m«i trường cã chiết suất n2 (h×nh 5)

Ta cã định luật Snell :

n1 sinΦ1 = n2 sinΦ2

Hai c«ng thức trªn chÝnh lµ định luật phản xạ vµ khóc xạ ¸nh s¸ng

b/ Hiện tượng phản xạ toµn phần.

XÐt tia s¸ng đi từ m«i trường cã chiết suất n1 tới m«i trường cã chiếtsuất n2 < n1 (h×nh 6)

Khi đó, nếu ta tăng dần góc tới Φ1 thì góc khúc xạ sẽ tiến dần tới 900

Φ1 → Φc thì Φ2 = 900

Φc : được gọi là góc tới hạn

Tất cả các tia sáng có góc tới Φ1 > Φc thì các tia sáng sẽ không điđược vào môi trường chiết suất n2 nữa mà bị phản xạ tại mặt phân cách →hiện tượng phản xạ toàn phần

áp dụng định luật Snell ta có : sinΦc =

n2

n1

Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản

xạ toàn phần

3) Chiết suất của môi trờng.

Chiết suất môi trờng trong suốt đợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánhsáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trờng ấy

n = c/vTrong đó n : là chiết suất của môi trờng có đơn vị

c : là vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s)

v : là vận tốc ánh sáng trong môi trờng (m/s)

II Sự truyền ánh sáng trong sợi quang.

1) Nguyên lý truyền dẫn chung.

Trong hệ thống thông tin quang sợi, ánh sáng được truyền theo suốtsợi quang giới hạn trong lõi vì có hiện tượng phản xạ toàn phần

(1) (2)

với ∆ =

n12−n22

2 n12 (độ lệch chiết suất tương đối)

sinΦmax được gọi là khẩu độ số (NA)

Các tia sáng có góc tới lớn hơn góc Φmax sẽ không lan truyền đượctrong sợi quang do bị khúc xạ vào vỏ sợi tại mặt phân cách vỏ / lõi [ tia (1) ]

Các tia sáng có góc tới nhỏ hơn góc Φmax sẽ lan truyền được trong sợiquang nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần

Như vậy khẩu độ số (NA) cho ta biết điều kiện để đưa ánh sáng vàosợi quang : các tia sáng muốn lan truyền được trong sợi quang phải có góctới nằm trong hình nón có góc đỉnh = 2Φmax , NA là thông số cơ bản tác độngđến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang Với cùng một đườngkính lõi sợi NA càng lớn sẽ cho hiệu suất ghép càng cao

+ Sợi SI ta có : sinΦmax = √n12−n22 = n

1 √2Δ

+ Sợi GI ta có : sinΦmax =

n0.√2 Δ.√1−(r a)2

Trong đó : + no là chiết suất lớn nhất của lõi sợi quang

+ a là bán kính lõi sợi quang+ r là khoảng cách giữa trục sợi quang và điểm đưa tiasáng vào sợi

NA của sợi GI thay đổi theo r Nói cách khác nó phụ thuộc vào độchênh lệch của chiết suất vỏ sợi và chiết suất nội bộ (hàm số theo bán kính )lõi sợi

III Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.

Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suấtlớn và một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhng có chiết suất nhỏ hơn Chiếtsuất của lớp bọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán

1) Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI_Step-Index).

+ Chiết suất nhảy bậc là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiếtsuất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt nh hình bậc thang Các tiasáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theocác đờng khác nhau

+ Nhợc điểm của dạng chiết suất này : với các tia sáng có góc tới khácnhau sẽ đợc truyền với thời gian khác nhau trên cùng một cự ly Khi cho mộttia sáng hẹp đi vào sợi quang sẽ nhận đợc một tia sáng rộng hơn ở đầu bênkia gọi là hiện tợng tán sắc

2) Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI_Graded-Index).

+ Sợi GI có chiết suất hình parabol

+ Đờng truyền trong sợi GI cũng không bằng nhau nhng do cấu tạocủa sợi nên vận tốc truyền cũng thay đổi theo Vì vậy độ tán sắc của sợi GInhỏ hơn nhiều so với sợi SI

3) Các dạng chiết suất khác.

Hai dạng chiết suất SI và GI đợc dùng phổ biến, ngoài ra còn có một

số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biịet nh :

a/ Dạng giảm chiết suất lớp bọc.

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớnphải thêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiếtsuất lớp bọc nhằm bảo đảm độ lệch chiết suất nhng có chiết suất lõi n1 khôngcao

b/ Dạng dịch độ tán sắc.

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bớc sóng gần 1300nm.Ngời ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bớc sóng 1550nm

c/ Dạng san bằng tán sắc.

Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng

b-ớc sóng Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ áp dụng trong thínghiệm, cha đa ra thực tế

IV Sợi đơn mode và sợi đa mode.

Có hai hớng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang Một hớngdùng lý thuyết tia sáng và một hớng dùng lý thuyết sóng ánh sáng Thông th-ờng lý thuyết tia đợc áp dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung Song cũng cónhững khái niệm không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác,ngời ta phải dùng đến lý thuyết sóng Mode sóng là một trong những kháiniệm đó; số mode truyền đợc trong sợi quang phụ thuộc vào các thông số kỹthuật của sợi

1) Sợi đa mode (MM_Multi-Mode).

n 1

Hình 10: truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất giảm dần

GI_MM

Sợi đa mode có đờng kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và sốmode N cũng lớn

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125àm) là :

+ Đờng kính lõi : d = 2.a = 50àm+ Đờng kính lớp bọc : D = 2.b = 125àm+ Độ lệch chiết suất : Δ = 0,01 = 1%

+ Chiết suất lõi n1 = 1,46Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc giảm dần

2) Sợi đơn mode (SM_Single-Mode).

Khi giảm kích thớc lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền đợctrong sợi gọi là sợi đơn mode Trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơnmode khi :

- Sợi SI có V ≤ 2,405

- Sợi GI có V ≤ 3,518

Sợi SM_GI hầu nh không sử dụng trong thực tế

Vì chỉ có một mode truyền sóng trong sợi nên độ tán sắc do nhiều ờng truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảybậc

đ-Các thông số của sợi đơn mode thông dụng :

+ Đờng kính lõi sợi : d = 2.a = 9 ữ 10àm+ Đờng kính lớp bọc : D = 2.b = 125àm+ Độ lệch chiết suất Δ = 0,003 = 0,3%

+ Chiết suất lõi sợi : n1 = 1,46

So sánh những nét nổi bật của hai loại sợi này Độ tán sắc của sợi đơnmode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể cả loại sơi GI), đặc biệt ở bớcsóng λ = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ≈ 0 ) Do đó dảithông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thớc lõi của sợi đơn mode quánhỏ nên đòi hỏi kích thớc của linh kiện quang cũng phải tơng đơng và các

SVTH : Trần Quốc Hoàn

thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu nàyngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode đang đợc dùng phổ biến.

Chương III : CáC THôNG SỐ và cấu trúc CỦA SỢI QUANG

I Suy hao của sợi quang.

1) Định nghĩa.

+ Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan

trọng nhất vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máythu Do đó ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống

+ Định nghĩa : đại lượng suy hao trong sợi quang

α=−10 lg P2

P1 [dB]

P1 là công suất quang đầu vào của sợi có độ dài L

P2 là công suất quang đầu ra của sợi có độ dài L

2) Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang.

Là do sự hấp thụ của vật liệu làm sợi, sự tán xạ quang và khúc xạquang chỗ sợi bi uốn cong

a/ Suy hao hấp thụ.

+ Nguyên nhân :

- Do bản thân sợi quang : suy hao thuần tuý do bản thân sợi quangbao gồm suy hao hấp thụ cực tím và suy hao hấp thụ hồng ngoại Đỉnh hấpthụ của hai suy hao này lần lượt tại 1m và 10m (suy hao lớn nhất) Cácloại suy hao này giảm rất nhanh tại các bước sóng không phải là bước sónghấp thụ đỉnh Suy hao này đạt giá trị nhỏ nhất trong dải λ = 1,0m - 1,6m

- Do cã tạp chất trong thuỷ tinh lµm sợi quang : trong những giaiđoạn đầu ph¸t triển sợi quang, những tạp chất g©y nªn suy hao lµ c¸c ion kimloại như ion sắt, đồng, crom Tuy nhiªn hiện nay chủ yếu lµ ion hydroxyl(OH-) g©y ra suy hao C¸c tạp chất nµy g©y ra suy hao từ 1 - 10 dB/km C¸csợi quang cã mức OH- cao g©y ra c¸c đỉnh hấp thụ tại λ = 1400, 950, 725nm

b/ Suy hao t¸n xạ Rayleigh.

+ T¸n xạ Rayleigh lµ hiện tượng ¸nh s¸ng bị t¸n xạ theo c¸c hướngkh¸c nhau khi nã gặp phải một vật nhỏ cã kÝch thước kh«ng qu¸ lớn so vớibước sãng ¸nh s¸ng

+ Mật độ vật liệu kh«ng đồng đều trong sợi quang dẫn đến sự kh«ngđồng đều về chiết suất khóc xạ lµ nguyªn nh©n g©y nªn t¸n xạ Rayleightrong sợi quang

+ Độ lớn suy hao do t¸n xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với λ4 Do đã khi

¸nh s¸ng lan truyền với λ lớn th× suy hao trở nªn nhỏ

+ Độ lớn suy hao do t¸n xạ Rayleigh tỷ lệ thuận với nhiệt độ nungnãng sợi khi kÐo sợi Do vậy nếu giảm nhiệt độ nung nãng → giảm t¸n xạRayleigh

c/ Suy hao t¸n xạ do cấu tróc sợi quang kh«ng đồng nhất.

+ C¸c sợi quang thực tế kh«ng thể cã tiết diện mặt cắt ngang trßn lýtưởng vµ cấu tróc h×nh trụ dọc suốt vỏ vµ lâi sợi

+ Tại bề mặt biªn giữa vỏ vµ lâi sợi đ«i chỗ cã sự gồ ghề g©y nªn ¸nhs¸ng t¸n xạ vµ một vµi chỗ ph¸t xạ ¸nh s¸ng ra ngoµi g©y ra suy hao quang

d/ Suy hao cong.

Lµ c¸c suy hao bức xạ g©y nªn do sợi quang bị uốn cong Với sợiquang bị uốn cong, c¸c tia s¸ng cã gãc tới vượt qu¸ một gãc giới hạn nhấtđịnh sẽ bị ph¸t xạ ra ngoµi vỏ g©y ra suy hao Do vậy trong việc thiết kế c¸c

SVTH : TrÇn Quèc Hoµn

hệ thống thông tin sợi quang phải chú ý đến việc giữ bán kính cong sao cho

lớn hơn một giới hạn cho phép xác định

e/ Suy hao vi cong.

Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi

quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ (khoảng vài m), làm tăng suy hao

quang → chú ý đến sản xuất cấu trúc sợi để bảo vệ sợi chống lại các áp lực

bên ngoài

f/ Suy hao hàn nối.

+ Nếu hai sợi quang được hàn nối với nhau nhưng không đợc gắn

hoàn toàn đồng nhất thì phần ánh sáng đi ra khỏi sợi này sẽ không đi vào sợi

kia và bị phát xạ ra ngoài gây nên suy hao quang

+ Nguyên nhân

- Tồn tại khe hở nhỏ giữa hai sợi quang

- Bề mặt chỗ hàn không đồng nhất

- Lõi trục sợi quang lệch nhau

g/ Suy hao ghép nối sợi quang và các linh kiện quang.

+ Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang

được xác định bằng khẩu độ số NA LD và LED có độ rộng chùm sáng khác

nhau, khi ghép nối vào sợi quang thì LD có đặc điểm về suy hao tốt hơn (suy

hao ít hơn) so với LED (ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập chung chùm

sáng) Ngoài ra sợi SM và sợi GI cũng có những đặc điểm khác nhau về suy

hao ghep nối vì chúng có đường kính lõi khác nhau (dSM < dGI)

+ Ghép nối sợi quang với 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

Lệch trục

bề mặt không đồng nhất

Hình 11

bị trải rộng ra Tuy nhiªn sự kh¸c nhau về suy hao do nguyªn nh©n chïms¸ng nở rộng th× nhỏ hơn rất nhiều so với suy hao ghÐp bản th©n nã

+ Hệ số phản xạ giữa sợi quang (n1) vµ kh«ng khÝ (n0)

R = [n1 −n0

n1+n0 ]2.

100%

3) Đặc tuyến suy hao.

Suy hao trong sợi quang lµ một hµm số của bước sãng λ Sợi quangđược sử dụng trong c¸c h th ng th«ng tin s i quang lµm vi c ba vïngệ thống th«ng tin sợi quang lµm việc ở ba vïng ống th«ng tin sợi quang lµm việc ở ba vïng ợi quang lµm việc ở ba vïng ệ thống th«ng tin sợi quang lµm việc ở ba vïng ở ba vïng

bư c sãng c«ng t¸c cã suy hao nh nh t Ba vïng nµy ỏ nhất Ba vïng nµy được gọi lµ ba cửa ất Ba vïng nµy được gọi lµ ba cửa đượi quang lµm việc ở ba vïngc g i lµ ba c aọi lµ ba cửa ửa

s quang : th nh t, th hai vµ th ba cã c¸c bứ nhất, thứ hai vµ thứ ba cã c¸c bước sãng trung t©m tương ất Ba vïng nµy được gọi lµ ba cửa ứ nhất, thứ hai vµ thứ ba cã c¸c bước sãng trung t©m tương ứ nhất, thứ hai vµ thứ ba cã c¸c bước sãng trung t©m tương ư c sãng trung t©m tươngng

Cã hai lo¹i t¸n s¾c : + T¸n s¾c mode

Nguyên nhân do xung ánh sáng vào mặc dù chỉ có một bớc sóng đơnnhng lan truyền trong sợi có nhiều mode khác nhau, tốc độ lan truyền khácnhau Do đó ở đầu ra của sợi quang các xung bị giãn rộng ra hơn (so vớixung đầu vào) => hiện tợng này gọi là hiện tợng tán sắc mode

Tán sắc mode làm giới hạn độ rộng băng truyền dẫn của sợi đa mode.Bởi vậy trong các tuyến thông tin sợi quang có dung lợng lớn đòi hỏi đặctính băng truyền dẫn rộng thì không dùng sợi đa mode mà chỉ dùng sợi đơnmode vì sợi đó chỉ truyền duy nhất một mode nên loại bỏ đợc tán sắc mode

b/ Tán sắc bớc sóng.

ánh sáng sử dụng trong thông tin sợi quang không hoàn toàn là ánhsáng đơn sắc mà là ánh sáng có các bớc sóng đợc phân bố trong 1 dải hẹp

Trong môi trờng sợi quang, chiết suất khúc xạ của nó biến đổi theo

b-ớc sóng, do đó tốc độ truyền dẫn ánh sáng cũng biến đổi theo bb-ớc sóng Vìvậy, các thành phần của ánh sáng có bớc sóng khác nhau sẽ không tới đầu ra

(a) : chuỗi xung đầu vào

ra mực Ẽờ thẩm thấu nẾy còn biến Ẽỗi theo bợc sọng Kết quả Ình sÌng thay

Ẽỗi theo bợc sọng => hiện tùng tÌn s¾c cấu trục

Sùi Ẽa mode thỨ tÌn mode lẾ chũ yếu, sùi ẼÈn mode khẬng cọ tÌn s¾c mode Sùi ẼÈn mode thỨ tÌn s¾c bợc sọng lẾ chũ yếu, sùi Ẽa mode lẾ 1 giÌ trÞnhõ

3) ườ tÌn s¾c tỗng cờng.

ườ tÌn s¾c tỗng cờng Ẽùc tÝnh theo cẬng thực :

Dt = √ (Dmod2 +D chr2 ) Vợi Dcht = Dmax + DWg

Trong Ẽọ : Dchr_ ườ tÌn s¾c s¾c thể (Chomatic Dispersion)

DWg_ườ tÌn s¾c ộng dẫn sọng (Waveguide Dispersion)

Dmat_ườ tÌn s¾c chất liệu (Material Dispersion)

4) ườ tÌn s¾c cũa mờt vẾi sùi Ẽặc biệt.

Sùi dÞch tÌn s¾c : VỨ Ẽờ suy hao cũa bợc sọng 1550nm chì bÍng phẪnnữa so vợi suy hao ỡ bợc sọng 1300nm, nàn ỡ tuyến cÌp quang Ẽầu Ẽởng dẾihay sữ dừng bợc sọng nẾy, nhng Ẽờ tÌn s¾c ỡ bợc sọng 1550nm lỈi lợn ưểgiải toả trỡ ngỈi nẾy ta lẾm theo hai cÌch :

+ Giảm bề rờng phỗ cũa nguổn quang Ẽể giảm tÌn s¾c chất liệu :

Dmat = dmat.Δλ+ DÞch Ẽiểm cọ tÌn s¾c bÍng 0 Ẽến bợc sọng 1550nm (sùi cọ Ẽùc tÌns¾c bÍng 0 tỈi bợc sọng 1550nm gồi lẾ sùi tÌn s¾c dÞch chuyển

Bước sóng nhỏ nhất mà tại đó sợi quang làm việc như sợi đơn modeđược gọi là bước sóng cắt

λc =

π d

2, 405√n12−n22

( Sợi SI )(Sợi SM_GI hầu như không sử dụng trong thực tế)

λc là 1 trong những thông số cơ bản đặc trưng cho các sợi quang đơn mode.Trên thực tế bớc sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn congcủa sợi quang Sợi quang càng nhỏ thì λc càng nhỏ và ngợc lại

IV Đường kính trường mode.

+ Năng lượng của trường mode được phân bố trên tiết diện ngang củasợi quang theo quy luật hàm mũ Sự phân bố tương đối của cường độ trường( I / Imax ) là một hàm số của bán kính và bước sóng

+ Vì sợi quang đơn mode có đường kính lõi và chênh lệch chiết suấtkhúc xạ nhỏ, do vậy việc xác định một cách rõ ràng biên của lớp lõi và vỏtheo phương pháp quang rất khó khăn Để thuận tiện chúng ta sử dụngđường kính mode

+ Để đặc trưng cho sợi đơn mode người ta định nghĩa đường kínhtrường mode được tính gần đúng theo công thức :

Đờng kính trường mode

r/a

I / I max

1 1/e

λ/λ c =1,2

λ/λ c =2,4

a : Đường kính lõi

r : khoảng cách từ tâm lõi e: Hằng số logarit tự nhiên

Hình 15 : Đường kính trường mode

Cấu trúc của cáp phải đợc thoả mãn yêu cầu chính là bảo vệ sợi quang,

đ-ợc chế tạo phù hợp một mục đích sử dụng của viễn thông bao gồm: cáp treo,cáp chôn trực tiếp, cáp thả biển, cáp trong nhà

Mỗi loại có một vài chi tiết đặc biệt ngoài cầu trúc chung của cáp

2) Cách sắp xếp.

Sợi quang: Các sợi quang đã đợc bọc lớp phủ và lớp vỏ sắp xếp theo thứ

tự nhất định Lớp vỏ có thể ở dạng đệm lỏng, đệm khít, đệm tổng hợp, băngdẹt

Thành phần chịu lực trung tâm Băng quấn (Plaste)

Sợi quang Lớp đệm mỏng

Hình 16 : Cấu trúc tổng quát của cáp quang