TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HOÀNG TRUNG KIÊN XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ HẤP THỤ LÊN XUNG LAN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG ĐƠN MODE... 30 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆ
Mục đích nghiên cứu
Xây dựng hệ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hấp thụ và tán sắc lên xung lan truyền trong sợi quang đơn mode.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hấp thụ và tán sắc lên xung lan truyền trong sợi quang đơn mode
Đề tài trình bày quy trình lắp ráp thí nghiệm, khảo sát và đo lường các tham số liên quan đến ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên xung lan truyền trong sợi quang đơn mode Quá trình thí nghiệm được thiết kế kín, cho phép tái lập và kiểm soát các điều kiện đo, đồng thời sử dụng nguồn xung, máy phân tích phổ và cảm biến để xác định mức độ tán sắc ở các bước sóng và mức hấp thụ của sợi Dữ liệu thu thập được phân tích nhằm mô tả biến đổi biên độ, hình dạng và thời gian trễ của xung khi truyền qua sợi, từ đó xác định hệ số tán sắc nhóm và hệ số hấp thụ quang Kết quả nghiên cứu giúp hiểu rõ cơ chế lan truyền xung trong sợi quang đơn mode và đề xuất các biện pháp tối ưu hóa tín hiệu truyền thông quang học, giảm ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ để nâng cao chất lượng truyền tải.
- Nhận xét kết luận về vấn đề nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu đề tài
Sử dụng phương pháp thực nghiệm để tính toán ảnh hưởng của hấp thụ và tán sắc lên xung có bước sóng 1064nm lan truyền trong sợi quang đơn mode
TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG
Tổng quan về sợi quang
1.1.1 Quá trình phát triển của sợi quang
Sợi quang là tên gọi của những sợi dây được làm bằng thủy tinh, sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền thông tin đi với tốc độ ánh sáng Một số ý kiến cho rằng ánh sáng có thể truyền đi theo dây thủy tinh thực ra đã có từ năm 1840, khi hai nhà vật lý Colladon và Babinet trình bày một thí nghiệm sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền các tia sáng đi theo các tia nước phun ra từ một chùm nước Sinh viên y khoa người Đức tên là Lamm là người đầu tiên trình diễn thí nghiệm gửi một hình ảnh đi theo một bó sợi quang học, bằng cách sử dụng sợi quang học để chiếu hình ảnh của một bóng đèn điện đang thắp sáng lên một màn ảnh Trong thí nghiệm của mình, anh ưu tiên dùng sợi quang để quan sát và kiểm tra các bộ phận bên trong cơ thể người bệnh mà không cần phải mổ rạch da thịt người đó.
Năm 1954: A.C.S Van Heel, H.H Hopkins và à N.S Kanapy chế tạo ra sợi quang 2 lớp
Năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra laser làm tăng cường và tập trung nguồn sáng để cho vào sợi, các nhà nghiên cứu về sợi quang được thúc đẩy mạnh mẽ hơn và công nghệ sợi quang ngày càng trở thành một lĩnh vực công nghệ hiện đại và có ảnh hưởng lớn với các ngành công nghệ khác
Năm1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hệ thống thông tin quang hoạt động thành công và làm cho dung lượng tăng rất cao
Năm 1966, tại phòng thí nghiệm chuẩn viễn thông nước Anh, với hai kỹ sư trẻ là Charls Kuen Kao và George Hockman đã đưa ra khám phá mới về khả năng của sợi quang Nó có thể làm bằng thủy tinh hoặc nhựa trong suốt, linh hoạt và mỏng hơn cả sợi tóc Theo đó, một dữ liệu được chuyển thành xung ánh sáng, chuyển đi dọc theo sợi quang tới điểm xác định Vấn đề là chúng chỉ đi được một đoạn đường ngắn trước khi ánh sáng bắt đầu biến mất Theo thuật ngữ kỹ thuật, nó là tình trạng giảm cường độ theo từng dB/km (dB đơn vị dùng để đo mức cường độ âm thanh) Charles Kao đã theo dõi những sợi quang có sức chứa một gigaheztz (GHz) thông tin – tương đương với 200.000 đường điện thoại hay
200 kênh TV Qua quan sát, ông phát hiện ánh sáng đã thoát ra với độ suy hao 1.000 dB/km, đồng nghĩa tín hiệu chỉ còn chưa đến một nữa dù mới di chuyển vài mét Tiến sĩ Kao giải thích hiện tượng này không bắt nguồn từ bản chất của sợi thủy tinh mà liên quan đến khiếm khuyết bên trong vật liệu Nếu khắc phục được vấn đề này, tỷ lệ thất thoát ánh sáng giảm xuống khoảng 20dB/km Tuy nhiên, nghiên cứu này của Charles Kao không được giới khoa học thời bấy giờ chấp nhận Hoàn cảnh này có vẻ giống với trường hợp Galileo Galilei công bố thuyết Nhật tâm
Năm1966: Sản xuất ra sợi quang với độ suy hao 1000dB/km (Corning Glass)
Năm 1970, hãng sản xuất gốm sứ và thủy tinh Corning Glass Works của
Mỹ tuyên bố đã sản xuất một sợi quang SI vượt qua giới hạn 20 dB (17 dB/km) ở bước sóng 633 nm, phát ngôn này khiến thế giới giật mình và làm nổi bật vai trò của Charles Kao trong nghiên cứu về truyền dẫn quang học.
Năm 1972: Chế tạo ra sợi GI có độ suy hao 4dB/km
Năm 1975: Sợi quang, suy hao: 2dB/km (Corning Glass)
Năm 1976: Sợi quang có độ suy hao: 0,5dB/km ở λ =1,3μm (Nhật Bản)
Năm 1977: Sợi đa mode (850nm, IM/DD) 45-90Mb/s
Năm1977: Sợi đa mode (850nm, IM/DD) 45-90Mb/s
Năm 1979: Sợi quang với suy hao: 0,2dB/km ở λ =1,55μm (Nhật Bản) Năm 1980: Sợi đơn mode (1300nm, IM/DD) 140-280Mb/s
Năm 1982: Sợi SM có độ suy hao 0,16dB/km (≈ tiệm cận giới hạn lý thuyết) do Corning Glass sản xuất
Năm 1983: Sợi đơn mode (SM) được xuất xưởng tại Mỹ
Năm 1984: Sợi đơn mode (1550nm, coherent) 2,5Gb/s
Năm 1988: Một mạng tuyến đường dài mới với tốc độ truyền dẫn 10Gbit/s trên chiều dài 80,1km dùng sợi dịch tán sắc và laser hồi tiếp phân bố do công ty NEC thiết lập
Năm 1992: Sợi đơn mode/DWDM (C-band, IM/DD) 400Gb/s
Năm 2001: Sợi đơn mode/DWDM+RA (C&L band, IM/DD) 2400Gb/s Ngày nay, sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi, độ suy hao của sợi này chỉ còn khoảng 0,14dB/km ở bước sóng 1550nm
1.1.2 Các ứng dụng của sợi quang
Ngành nghề ứng dụng đầu tiên của sợi quang là y khoa, dùng để nội soi, hiển thị hình ảnh, chẩn đoán và chữa bệnh Bằng việc phối hợp với các phương pháp chẩn đoán khác, các sợi quang có thể giúp phân tích các thành phần của máu, tính được tốc độ lưu chuyển của máu, xác định được áp suất máu và áp suất thẩm thấu của màng tế bào, đo được nồng độ tồn tại của các độc tố, hormon và các loại thuốc chữa bệnh bên trong cơ thể người
Sợi quang được ứng dụng nhiều trong ngành thông tin liên lạc Các hệ thống bên trong mạng máy tính sử dụng các sợi cáp quang để tăng nhanh thời gian chuyển thông tin dùng cho việc vận hành và sắp xếp các tệp tin Ánh sáng truyền đi trong sợi cáp quang có thể vượt qua hàng trăm km trước khi một điện áp bổ sung cần thiết phải được đưa vào tín hiệu và đó là một cải thiện vượt trội rất có ý nghĩa so với hệ thống quy ước truyền tin nhờ dòng điện Truyền thông tin nhờ ánh sáng theo cáp quang không tổn hao hoặc tổn hao rất ít vì nhiệt so với dùng các mạch điện, do đó không cần đến hệ thống làm nguội cồng kềnh Dùng ánh sáng cũng không bị hiện tương giao thoa sóng điện làm méo tín hiệu như thường xảy ra trong truyển thông tin bằng điện Sợi cáp quang rất mềm, dễ uốn cong còn dây đồng thì tăng điện trở khi bị uốn Ngoài ra, cáp sợi quang có giá thành rẻ hơn dây đồng nhiều lần Quan trọng hơn là sợi quang có thể mang nhiều thông tin đi hơn dây đồng Một sợi cáp quang kèm theo sự giúp đỡ của laser điều biến có thể chuyển được các cuộc gọi điện thoại và các chương trình truyền hình
Trong cáp sợi quang, thông tin được mã hóa thành xung ánh sáng và nhờ đặc tính truyền dẫn của sợi quang mà xung sáng này có thể được truyền đi trên một khoảng cách xa Sau khi đến đầu nhận, xung sáng được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu thông tin để xử lý hoặc lưu trữ Quá trình này cho phép truyền dữ liệu với băng thông cao, mức suy hao thấp và ứng dụng rộng rãi trong mạng internet và các hệ thống truyền thông hiện đại.
Sợi quang có nhiều công dụng trong viễn thám Trong một số ứng dụng, các cảm biến chính là sợi quang Trong các trường hợp khác, sợi quang được sử dụng để kết nối với một bộ cảm biến sợi quang Một lợi ích lớn của cảm biến bên ngoài là khả năng của chúng “đến” những nơi không thể tiếp cận thông thường được
Bên cạnh các ứng dụng truyền thông nổi bật của cáp quang, cảm biến quang được xem là một hướng ứng dụng mới đầy tiềm năng của sợi quang, mở ra cơ hội phát triển mạnh mẽ cho các thiết bị cảm biến sợi quang trong tương lai.
Sợi quang có thể được sử dụng để truyền tải điện năng bằng cách sử dụng một “tế bào quang điện” để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng Dù phương pháp này truyền tải điện không hiệu quả như những dây dẫn thông thường, nó đặc biệt hữu ích trong các tình huống mà không thể sử dụng dây dẫn kim loại như trong các trường hợp sử dụng gần các máy MRI (máy sản xuất ra từ trường mạnh) Một ví dụ khác là cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử trong các ăng-ten công suất lớn và các thiết bị đo được sử dụng trong các thiết bị truyền tải điện cao áp
Một sợi quang pha tạp với một số nguyên tố đất hiếm như erbium có thể được dùng để tăng cường cường độ tia laser và khuếch đại quang Để cung cấp tín hiệu khuếch đại, một phần ngắn của sợi pha tạp được nối vào một đoạn sợi quang thông thường Các nguồn bơm cho sợi pha tạp ở bước sóng laser thứ hai được ghép vào dòng tín hiệu, và cả hai bước sóng của ánh sáng được truyền qua sợi pha tạp để chuyển năng lượng từ nguồn bơm đến các tín hiệu Quá trình khuếch đại diễn ra nhờ phát xạ kích thích.
Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang
1.2.1 Phương trình sóng và sự lan truyền xung trong sợi quang
Khi ánh sáng hay trường điện từ bất kỳ truyền trong môi trường dẫn quang (sợi quang), nó sẽ chịu tác dụng của nhiều hiệu ứng khác nhau, đặc biệt hiệu ứng phi tuyến đối với xung ngắn và cực ngắn
Như chúng ta đã biết, các hiện tượng sóng điện từ, quá trình lan truyền của trường quang học trong sợi quang được mô tả bởi hệ phương trình Maxwell
Trong đó: E là vectơ cường độ điện trường
D là vectơ cảm ứng điện
H là vectơ cường độ từ trường
B là vectơ cảm ứng từ
J là vectơ mật độ dòng ρ là mật độ điện tích tự do Đối với môi trường như sợi quang thì không có điện tích tự do nên
J = và = 0 Các vectơ cảm ứng liên hệ với các vectơ cường độ trường qua các hệ thức sau:
Với ε0 là hằng số điện môi chân không và μ0 là hằng số từ môi chân không, P và M lần lượt là vectơ phân cực điện môi và từ môi tương ứng Đối với sợi quang, M = 0 và vectơ phân cực điện P liên hệ tuyến tính với trường điện E qua P = ε0 χe E, từ đó D = ε0 E + P = ε0 εr E, với εr = 1 + χe.
Với là độ cảm điện của chất điện môi cho trước Trong trường hợp chung có thể là tenxo bậc hai
Ta biết rằng tại một điểm, một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra điện trường tại chính điểm đó; ngược lại, một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra từ trường Quá trình này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ Nói cách khác, sự biến thiên của từ trường và sự biến thiên của điện trường có mối quan hệ mật thiết với nhau, tạo thành một trường thống nhất là trường điện từ thỏa mãn hệ phương trình Maxwell Các công thức trong hệ Maxwell có thể ghép lại thành một phương trình vectơ mô tả quá trình truyền sóng, được gọi là phương trình sóng.
Vectơ phân cực có thể viết:
Trong đó: Phân cực tuyến tính P r t L ( , )phụ thuộc tuyến tính vào E và phân cực phi tuyến P NL ( , ) r t phụ thuộc tuyến tính vào E , thông qua các biểu thức:
Biến đổi Fourier E(r,t) qua hệ thức:
Cũng như tương tự đối với P(r,t) và sử dụng phương trình (1.7) và (1.8) ta có:
Trong đó ( , ) r là hằng số điện môi:
= + (1.14) với ( , ) r là biến đổi Fourier của χ(r, ω) Nhìn chung ε(r, ω) là phức, phần ảo và phần thực của nó liên hệ tới chỉ số chiết suất n và hệ số hấp thụ α
= là vận tốc của ánh sáng trong chân không
Sử dụng các phương trình (1.14), (1.15) ta có:
Cả hai đại lượng n và α đều phụ thuộc tần số Sự phụ thuộc tần số của n dẫn đến hiện tượng tán sắc vật liệu trong sợi quang
Vì mất mát thấp của sợi thủy tinh, ta có thể đơn giản hóa bằng cách bỏ số hạng n^2 trong ε Từ phương trình (1.13) và mối quan hệ D = ε E, khi n(r, ω) độc lập với tọa độ r của lõi và vỏ, ta thu được cách mô tả đồng nhất các trường điện từ giữa lõi và vỏ, từ đó rút ngắn quá trình phân tích và tối ưu hóa thiết kế sợi thủy tinh dựa trên n(ω) không phụ thuộc vị trí.
Từ phương trình (1.13) và (1.18) ta có:
+ = (1.19) với k0 là hệ số sóng không gian tự do:
= = (1.20) với λ là bước sóng trong chân không ở tần số ω Giải phương trình (1.15) ta tìm được n
1.2.2 Sự lan truyền các xung ngắn trong sợi quang
Khi một xung quang học lan truyền trong sợi quang thì cả hai hiệu ứng tán sắc và phi tuyến sẽ ảnh hưởng lên phổ và hình dạng của chúng Các xung quang học có độ rộng xung của nó cỡ ps gọi là xung ngắn trong sợi quang Nếu không tính đến hao phí trên sợi quang khi các xung ngắn lan truyền trong sợi, nghĩa là chúng ta chỉ xét sự lan truyền của các xung quang học trong các sợi quang tán sắc phi tuyến
Từ phương trình (1.8) và (1.9) ta thu được:
Trong quang học, trường quang thỏa mãn điều kiện chuẩn đơn sắc, nghĩa là nó được xem như tổng hợp của các sóng phẳng đơn sắc có tần số trung tâm ω0 và độ động phổ Δω thỏa mãn, cho phép ánh sáng được mô tả như một trường đơn sắc gần đúng Tập hợp các sóng này có tần số phân bố quanh ω0 với biên độ và pha được sắp xếp sao cho độ rộng phổ Δω là đủ nhỏ để bỏ qua sự phân tán tần số lớn Việc xác định và áp dụng điều kiện chuẩn đơn sắc giúp phân tích và dự báo sự lan truyền của ánh sáng, tương tác với vật liệu và thiết kế các hệ quang học, từ xử lý tín hiệu đến mô phỏng trường điện từ.
, phản ứng phi tuyến của môi trường với sóng là tức thời Khi đó, sự lan truyền của hàm bao được mô tả bởi phương trình [1]:
= = và vg là vận tốc nhóm của xung
= = − là độ tán sắc vận tốc nhóm
= = là hệ số phi tuyến, Aeff là tiết diện hiệu dụng của sợi quang, ω0 là tần số góc trung tâm của xung
= là chiết suất phi tuyến Để đơn giản ta xét trong hệ tọa độ chuyển động cùng với xung (chuyển động với vân tốc bằng vận tốc nhóm vg), bằng cách đưa vào biến g
Bằng cách biến đổi phương trình này ta được phương trình gọi là phương trình Schrodinger phi tuyến (NLSE) [1]:
(1.23) Đây là phương trình mô tả sự lan truyền xung ngắn trong sợi quang, số hạng thứ hai mô tả một cách không chính xác hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm, còn số hạng thứ ba mô tả hiệu ứng biến điệu pha
Nếu sự hao phí là đáng kể thì phương trình mô tả quá trình lan truyền của xung ngắn trong sợi quang có dạng [1]:
(1.24) với α là hệ số hấp thụ có biểu thức ở phương trình (1.17)
1.2.3 Sự lan truyền các xung cực ngắn Đa số các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang liên quan đến việc sử dụng các xung cực ngắn với độ rộng xung nó cỡ femto giây, lúc đó phương trình Schrodinger phi tuyến không còn chính xác nữa Do đó, chúng ta cần tìm phương trình chính xác hơn để mô tả sự lan truyền của các xung ngắn
Các xung ngắn có phổ rộng có thể so sánh với tần số mang của tín hiệu, do đó hiệu ứng tán sắc trở nên mạnh hơn và cần được tính toán trong quá trình mô hình hóa sự lan truyền Điều này đòi hỏi ta phải xem xét các thành phần tán sắc bậc cao xuất hiện trong phương trình lan truyền để dự đoán chính xác sự biến đổi pha và biên độ theo thời gian và khoảng cách.
Thời gian (độ rộng) của các xung cực ngắn có thể so sánh được với thời gian của các quá trình nguyên tử vì vậy trong các quá trình phi tuyến cần phải tính đến khai triển bậc cao Với giả thiết sự đáp ứng tức thời của môi trường đối với trường quang học là không còn chính xác nữa, do đó phải bổ sung các số hạng diễn tả sự trễ của môi trường
Với các đặc tính đã nêu ở trên, phương trình lan truyền xung cực ngắn được gọi là phương trình Schrödinger suy rộng (GNLSE) Xem xét trong hệ quy chiếu chuyển động theo vận tốc nhóm v_g cho phép mô tả sự tương tác phi tuyến và phân tán ảnh hưởng đến xung, và nó có dạng [1].
= là kết quả do khai triển bậc ba của hệ số lan truyền và nó biểu diễn hiệu ứng tán sắc bậc ba Nó sẽ trở nên quan trọng đối với các xung cực ngắn vì độ rộng phổ của chúng là rộng
TR gọi là thời gian đặc trưng cho khuếch đại Raman (thường cỡ 5fs)
Số hạng với hệ số tỉ lệ 1/ω0 là kết quả mang lại từ đạo hàm bậc nhất của thành phần phân cực phi tuyến, nó đặc trung cho hiệu ứng tự dựng xung.
Tán sắc và hấp thụ đối với sợi quang đơn mode
1.3.1 Tán sắc đối với sợi quang đơn mode
1.3.1.1 Khái niệm và phân loại tán sắc
Tán sắc quang học là hiện tượng tín hiệu dọc theo sợi quang bị méo do hai thành phần chính: tán sắc nội mode và hiệu ứng trễ giữa các mode Việc khảo sát vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn cho thấy tán sắc phụ thuộc vào bước sóng, nên dãn xung tín hiệu xảy ra trong mỗi mode và tăng lên khi độ rộng phổ của nguồn phát tăng Độ rộng phổ là dải các bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu trên đó, và quá trình dãn xung được mô tả qua các mối liên hệ giữa tán sắc và độ rộng phổ Vì vậy, độ rộng nguồn phát càng lớn thì độ dãn xung và méo tín hiệu càng lớn do sự đóng góp của cả tán sắc nội mode và tán sắc giữa các mode vào tổng biến dạng tín hiệu truyền qua sợi quang.
Trong đó, L là độ dài sợi dẫn quang, τn là sự trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài, λs là bước sóng trung tâm và σλ là độ rộng trung bình bình phương (r.m.s) của phổ nguồn phát [2] Như vậy tán sắc tổng hợp trên sợi dẫn quang gồm tán sắc giữa các mode (tán sắc mode) và tán sắc bên trong mode, trong đó tán sắc bên trong mode gồm tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng Do vậy có thể thấy tổng cộng tán sắc trên sợi dẫn quang gồm: Tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng
Trong sợi đa mode, tán sắc mode tồn tại vì các mode trong sợi này sẽ lan truyền theo các đường đi khác nhau, làm cho quãng đường và thời gian truyền của các mode khác nhau và do đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi Các sợi đơn mode không có tán sắc mode Tán sắc vật liệu là do sự thay đổi về chỉ số khúc xạ của vật liệu lõi tạo nên và là hàm của bước sóng, khiến vận tốc nhóm của các mode phụ thuộc vào bước sóng Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ khoảng 80% năng lượng ở lõi, còn 20% năng lượng ở vỏ, do đó ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn ở trong lõi Ở trong sợi đơn mode cần quan tâm đến sự phụ thuộc của tán sắc dẫn sóng vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode β là một hàm số của a.
, nhưng nó thường bỏ qua trong sợi đa mode
Tán sắc tổng hợp ở sợi đa mode như sau:
Tán sắc tổng được xác định bằng căn bậc hai của tổng bình phương tán sắc mode và tán sắc bên trong mode: Tán sắc tổng = sqrt((tán sắc mode)^2 + (tán sắc bên trong mode)^2) Với sợi quang đa mode gradient, do chiết suất lõi giảm dần từ trục sợi ra phía vỏ, các tia sáng có đường đi gần ranh giới lõi–vỏ sẽ phản xạ và truyền với vận tốc nhanh hơn các tia gần trục, từ đó cân bằng thời gian lan truyền và giảm méo tín hiệu ở sợi đa mode Còn đối với sợi đơn mode, sẽ không có tán sắc mode và chỉ tồn tại tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng Bây giờ, chúng ta hãy xem xét và phân tích tán sắc trong sợi đơn mode.
1.3.1.2 Tán sắc vận tốc nhóm
Trong sợi quang đơn mode mặc dù không tồn tại tán sắc mode, nhưng sự dãn xung không hoàn toàn mất đi do vận tốc nhóm của mode cơ bản phụ thuộc vào tần số hay bước sóng Nói cách khác các thành phần phổ khác nhau của xung quang lan truyền ở vận tốc nhóm khác nhau gây ra tán sắc vận tốc nhóm (GVD) hay còn gọi là tán sắc sắc thể (tán sắc màu)
Vận tốc nhóm là vận tốc tại đó năng lượng trong một xung quang lan truyền dọc sợi Do xung quang gồm nhiều thành phần phổ nên vận tốc nhóm vg lan truyền của một thành phần phổ xác định tại tần số ω như sau: g v d d
= (1.27) trong đó β là hằng số lan truyền dọc trục sợi
Thời gian trễ tính trên một đơn vị chiều dài của thành phần phổ đó tới đầu cuối sợi quang là:
= = vào phương trình (1.27), thì ta có g g v c
= n trong đó n gọi là chiết suất nhóm được xác định bởi:
Sự phụ thuộc của vận tốc nhóm vào tần số sẽ dẫn đến sự dãn xung trong quá trình lan truyền Nếu Δω là độ rộng phổ của xung quang thì độ dãn xung trên một đơn vị chiều dài được xác định [4]:
= được gọi là hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD xác định mức độ dãn xung khi lan truyền trong sợi
Trong hệ thống thông tin quang, độ rộng phổ tần thường được xác định bởi dải bước sóng Δλ phát xạ từ nguồn quang được điều biến Bằng cách thay
= − vào phương trình (1.30) ta có được:
D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/(nm.km), nó cho biết mức độ dãn xung ánh sáng khi lan truyền tính trên một đơn vị độ rộng phổ và trên một đơn vị chiều dài sợi Một cách tương tự, giới hạn đơn giản về băng tần hay tốc độ truyền dẫn có thể xác định [5]:
Biểu thức (1.33) đưa ra một sự ước lượng cấp biên độ của tích BL cho các sợi quang đơn mode Đối với các sợi thuỷ tinh tiêu chuẩn, giá trị của D là tương đối nhỏ trong vùng gần bước sóng 1310nm (có thể đạt tới xấp xỉ
Với các laser bán dẫn, độ rộng phổ Δλ dao động từ 2–4 nm ngay cả khi laser hoạt động ở một vài mode dọc Với đặc tính này, tích BL của các hệ thống thông tin quang có thể vượt quá 10 Gbit·s·km Thực tế, các hệ thống truyền dẫn thường vận hành ở tốc độ 2 Gbit/s với khoảng 40–50 km Tích BL của sợi đơn mode có thể vượt trên 1 Tbit/s khi sử dụng các laser bán dẫn đơn mode có Δλ dưới 1 nm.
Khi bước sóng hoạt động chệch khỏi vùng 1310 nm thì tham số tán sắc D có thể thay đổi đáng kể Sự phụ thuộc của D vào bước sóng được chi phối từ sự phụ thuộc của chỉ số mode n vào tần số Như vậy từ biểu thức (1.32) ta có thể viết D như sau:
= − = − + (1.34) Trong biểu thức này có sử dụng đến công thức (1.30) Sử dụng điều kiện ngưỡng của tần số chuẩn thì có thể viết D như sau:
Trong đó DM và DW tương ứng là tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng a Tán sắc vật liệu
Nguyên nhân gây tán sắc vật liệu chủ yếu là sự biến thiên chiết suất của thủy tinh, vật liệu được dùng để chế tạo sợi quang, theo tần số quang ω Nguồn gốc tán sắc gắn liền với các tần số cộng hưởng đặc trưng của vật liệu, tại đó vật liệu hấp thụ bức xạ điện từ Khi vượt xa các tần số cộng hưởng của môi trường, chiết suất n(ω) có thể được ước lượng gần đúng bằng phương trình Sellmeier [5], cho phép dự đoán sự biến đổi của n với ω và hỗ trợ thiết kế sợi quang cũng như các hệ thống quang học.
Trong đó ω_j là tần số cộng hưởng và B_j là cường độ dao động Phương trình (1.36) có thể biểu diễn theo bước sóng nếu sử dụng quan hệ λ_j = 2πc/ω_j Đối với sợi thủy tinh tinh khiết M = 3 với các hệ số B1 = 0,6961663 và B2 = 0,4079426.
B = và 1 = 0, 0684043àm , 2 = 0,1162414àm và 3 = 9,896161àm Hỡnh 1.1 cho thấy sự phụ thuộc của n và ng vào bước sóng của sợi thủy tinh tinh khiết Để tính tán sắc vật liệu, ta sử dụng phương trình (1.29) tính độ trễ nhóm phụ thuộc vào bước sóng: d d d d d d
(1.38) Độ trễ của mỗi thành phần bước sóng trong tán sắc vật liệu liên quan đến chiết suất vật liệu phụ thuộc vào bước sóng có thể thấy được khi thay
Từ phương trình (1.39), mức độ dãn xung do tán sắc vật liệu gây ra hay hệ số tán sắc vật liệu có thể được xác định:
Hình 1.1: Đồ thị chiết suất, chiết suất nhóm và tán sắc vật liệu của một sợi thủy tinh [5, tr 63]
XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ HẤP THỤ LÊN XUNG LAN TRUYỀN TRONG SỢI
Xây dựng hệ thí nghiệm về khảo sát ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên
2.1.1 Mục đích thí nghiệm Để nghiên cứu về các đặc trưng của sợi quang và quá trình lan truyền xung, chúng tôi tiến hành thiết kế và lắp ráp hệ thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên sự lan truyền xung trong sợi quang đơn mode
Chúng tôi lắp ráp hệ thí nghiệm về khảo sát ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên xung lan truyền trong sợi quang đơn mode như hình 2.1 sơ đồ thực nghiệm:
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên sự lan truyền xung trong sợi quang đơn mode
Hình 2.2: Ảnh chụp sơ đồ lắp đặt hệ thống thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên xung lan truyền trong sợi quang đơn mode
- SRC: Nguồn phát xung laser 1064 nm Để nghiên cứa sự lan truyền xung trong sợi quang nên chúng tôi sử dụng nguồn phát xung laser 1064nm
Hình 2.3: Ảnh chụp nguồn phát xung laser 1064nm
- Kính lọc Thorlabs KNDC-100C-4M - Bộ lọc ND liên tục được thay đổi, ỉ100 mm, OD: 0 - 4.0: Để thay đổi cường độ của nguồn laser chiếu vào sợi quang
Hình 2.4: Ảnh chụp kính lọc
- Vật kính L 10X, 20X, 40X: Là một thấu kính hội tụ dùng để hội tụ chùm song song từ nguồn laser chiếu tới để cho vào sợi quang
Hình 2.5: Ảnh chụp vật kính
- Fiber: Sợi quang học đơn mode dùng trong truyền tải mạng cáp quang internet Sợi này gồm 3 lớp, lớp trong cùng là lớp lõi trong suốt có chiết suất n2, tiếp theo là lớp vỏ trong suốt có chiết suất n1 (n2> n1), ngoài cùng là lớp đệm được sơn xanh phủ bên ngoài
Hình 2.6: Ảnh chụp sợi quang đơn mode
- CCD camera tương ứng với bước sóng đầu vào của sợi quang: Đặt sau sợi quang để chùm sáng đi vào CCD camera
Hình 2.7: Ảnh chụp CCD camera
- Máy vi tính có cài phần mềm của CCD camera: CCD camera kết nối máy tính có cài phần mềm của CCD camera cho ta hình ảnh rõ nét của tiết diện đầu ra của sợi quang trên màn hình của máy tính
Hình 2.8: Ảnh chụp máy tính có cài phần mềm của CCD camera
Phổ kế Avantes spectrometer kết nối với máy tính và được điều khiển bằng phần mềm Avasoft 8.5.1.0, cho phép hiển thị và phân tích phổ của xung sáng với giải phổ từ 850 nm đến 1800 nm.
Hình 2.9: Ảnh chụp phổ kế avantes spectromecter
Hình 2.10: Ảnh chụp máy tính có cài phần mềm Avasolt 8.5.1.0 kết nối với phổ kế
- OSA: Dụng cụ đo công suất nguồn ra với 2 thang đo là 5mW và 500mW
Hình 2.11: Ảnh chụp dụng cụ đo công suất OSA
- Dụng cụ bóc, tách vỏ sợi quang ( kéo, kìm chuyên dụng)…
Hình 2.12: Ảnh chụp kéo bóc tách sợi quang
- Dụng cụ cắt sợi quang
Hình 2.13: Ảnh chụp dao cắt sợi quang
- Thẻ detector card VRC2 400 – 640 nm và 800 – 1700 nm: Dùng để kiểm tra ánh sáng đã vào sợi quang chưa vì laser dùng trong thí nghiệm là laser 1064nm là ánh sáng không nhìn thấy
Hình 2.14: Ảnh chụp thẻ detector card
- XYZ satge: Bộ điều chỉnh tịnh tiến XYZ
Hình 2.15: Ảnh chụp bộ điều chỉnh tịnh tiến XYZ
- G1, G2: Bản giữ cố định sợi quang
Hình 2.16: Ảnh chụp bản giữ cố định sợi quang
- Bước 1: Bóc, tách vỏ và cắt sợi quang
+ Dùng dụng cụ bóc, tách vỏ sợi quang (kéo, kìm chuyên dụng)…
+ Cắt sợi quang, tạo lát cắt phẳng (sợi quang bị cắt phải bị đứt ngay tại vị trí của lưỡi dao cắt)
- Bước 2: Điều chỉnh ánh sáng vào lõi sợi quang
+ Mở khóa bật nguồn laser từ vị trị trí 0 → 1 rồi đợi khoảng 2 đến 3 phút bật nút on/off của laser
+ Lắp đặt sợi quang theo sơ đồ hình vẽ
Hình 2.17: Sơ đồ cho ánh sáng vào sợi quang
XYZ stage 2 fiber XYZ stage 1
+ Điều chỉnh XYZ stage 1 để ánh sáng vào lõi sợi quang
+ Dùng thẻ detector card đặt ở phía đầu ra của sợi quang để kiểm tra ánh sáng đã vào lõi sợi quang chưa
+ Khi ánh sáng đã vào lõi sợi quang, lắp CCD camera có kết nối máy tính phía sau sợi quang như sơ đồ hình vẽ
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối đầu ra của sợi quang với CCD camera
+ Điều chỉnh XYZ stage 2 để thu được ảnh rõ nét của tiết diện đầu ra của sợi quang trên màn hình của máy tính Quan sát hình ảnh để kiểm tra sự tập trung của ánh sáng vào lõi sợi quang
+ Khi hình ảnh rõ nét nhất của tiết diện đầu ra của sợi quang trên màn hình của máy tính thì ta chụp ảnh lưu lại từ phần mềm
Bước 3: Tính độ mất mát của sợi quang bằng phổ kế Avantes spectromecter
+ Đo chiều dài của sợi quang cần khảo sát
+ Điều chỉnh cho ánh sáng vào bên trong lõi sợi quang thì ta thay CCD camera bằng phổ kế avantes spectromecter như hình vẽ
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối đầu ra của sợi quang với phổ kế avantes spectromecter
+ Mở phần mềm Avasolt 8.5.1.0 rồi điều chỉnh XYZ stage 1 và 2 sao cho ánh sáng vào trong lõi sợi quang có cường độ lớn nhất mà ta có thể thu được
Để tối ưu cường độ laser, đặt kính lọc K ở giữa nguồn phát xung laser SRC và vật kính L, sau đó điều chỉnh XYZ stage 1 để cường độ giảm xuống khoảng một nửa so với mức ban đầu Giữ cố định đầu vào của sợi quang, rồi điều chỉnh XYZ stage 2 ở đầu ra của sợi quang để ánh sáng vào lõi sợi quang đạt được cường độ lớn nhất có thể thu được Lưu lại kết quả đo được.
+ Giữ cố định đầu vào, cắt sợi quang ngắn lại từng mét một rồi điều chỉnh đầu ra sợi quang sao cho ánh sáng vào trong lõi sợi quang có cường độ lớn nhất mà ta có thể thu được I(z) Ta lưu các kết quả đo được lại
+ Tiến hành đo nhiều lần như vậy cho đến 1m cuối cùng
+ Sau khi đã đo với sợi quang chỉ còn 1m cuối cùng thì ta tiến hành đo cường độ của đầu vào sợi quang, bằng cách ta đo sợi quang còn khoảng một đoạn 10cm và giữ cố định đầu vào như lúc đầu để xem như các mất mát do các yếu tố bên ngoài là như nhau, thì đó chính là cường độ của đầu vào sợi quang I(0)
+ Tính độ mất mát theo công thức:
+ Tính sai số của phép đo và so sánh với các số liệu thực tế về suy hao của sợi quang
Bước 4: Tính độ mất mát của sợi quang bằng dụng cụ đo công suất OSA
+ Đo chiều dài của sợi quang cần khảo sát
+ Điều chỉnh cho ánh sáng vào bên trong lõi sợi quang thì ta thay CCD camera bằng dụng cụ đo công suất OSA như hình vẽ
Hình 2.20: Sơ đồ kết nối đầu ra của sợi quang với thiết bị đo công suất OSA
+ Dùng máy đo công suất của ánh sáng đầu ra của sợi quang P(z)
+ Giữ cố định đầu vào, cắt sợi quang ngắn lại từng mét một và đo công suất đầu ra ứng với mỗi lần cắt Ta lưu các kết quả đo lại
+ Tiến hành đo nhiều lần như vậy cho đến 1m cuối cùng
+ Sau khi đã đo với sợi quang chỉ còn 1m cuối cùng thì ta tiến hành đo công suất của đầu vào sợi quang, bằng cách ta đo sợi quang còn khoảng một đoạn 10cm và giữ cố định đầu vào như lúc đầu để xem như các mất mát do các yếu tố bên ngoài là như nhau, thì đó chính là công suất của đầu vào sợi quang P(0)
+ Tính độ mất mát theo công thức: 10
+ Tính sai số của phép đo và so sánh với các số liệu thực tế về suy hao của sợi quang
Bước 5: Khảo sát sự ảnh hưởng của tán sắc của sợi quang bằng phổ kế Avantes spectromecter
+ Đo chiều dài của sợi quang cần khảo sát
+ Điều chỉnh cho ánh sáng vào bên trong lõi sợi quang thì ta thay CCD camera bằng phổ kế avantes spectromecter như hình vẽ
Mở phần mềm Avasolt 8.5.1.0 và điều chỉnh XYZ stage 1 và XYZ stage 2 để đạt được cường độ ánh sáng vào lõi sợi quang ở mức lớn nhất có thể Đặt kính lọc K giữa nguồn phát xung laser SRC và vật kính L, rồi điều chỉnh XYZ stage 1 sao cho cường độ giảm xuống khoảng một nửa so với ban đầu Giữ cố định đầu vào của sợi quang và tiếp tục điều chỉnh XYZ stage 2 tại đầu ra của sợi để tối ưu hóa tín hiệu và ổn định kết quả.
K quang sao cho ánh sáng vào trong lõi sợi quang có cường độ lớn nhất mà ta có thể thu được Ta lưu kết quả vừa đo đó
Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên xung có bước sóng
2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của sự hấp thụ lên xung có bước sóng 1064nm lan truyền xung trong sợi quang đơn mode
- Khảo sát đo đạc với sợi quang thương mại đơn mode với chiều dài ban đầu là 20m kết quả thu được:
Hình 2.21: Ảnh chụp ánh sáng đã vào sợi quang
Hình 2.22: Ảnh chụp phổ của xung thu được lan truyền trong sợi quang
Hình 2.23: Phổ của xung lan truyền trong sợi quang với các chiều dài khác nhau: (a) đầu vào sợi quang, (b) đầu ra sợi quang dài 11m, (c) đầu ra sợi quang dài 12m,(d) đầu ra sợi quang dài 13m, (e) đầu ra sợi quang dài 14m, (f) đầu ra sợi quang dài 15m, (g) đầu ra sợi quang dài 16m, (h) đầu ra sợi quang dài 17m, (i) đầu ra sợi quang dài 18m, (k) đầu ra sợi quang dài 19m và (l) đầu ra sợi quang dài 20m
Bảng 2.1: Bảng số liệu thu được về cường độ đầu vào và đầu ra của xung lan truyền trong sợi quang với các chiều dài z khác nhau của sợi quang
Chiều dài sợi quang z(m) Cường độ I(μW/cm 2 ) Đầu vào của sợi quang 51585,36246
Vì cùng một dây sợi quang nên tiết diện ngang của sợi quang là như nhau tại mọi vị trí, do vậy từ công thức (1.56) ta xác định độ suy hao của sợi quang theo cường độ chùm sáng đầu ra của sợi quang dài z (km) là I(z) và cường độ chùm sáng đầu vào của sợi quang là I(0) :
- Giá trị trung bình độ suy hao của sợi quang đối với bước sóng 1064nm:
- Đánh giá sai số của phép đo suy hao của sợi quang:
+ Với sai số tuyệt đối
+ Sai số tuyệt đối trung bình của phép đo độ suy hao của sợi quang
= (2.4) Với cường độ đầu vào của xung lan truyền trong sợi quang là:
I(0) = 51585,36246(μW/cm 2 ) và cường độ đầu ra của xung lan truyền trong sợi quang I(z) ứng với các chiều dài khác nhau của sợi quang đo được từ thực nghiệm ở bảng 2.1, thì ta tính được độ suy hao của sợi quang và sai số tuyệt đối của phép đo độ suy hao như bảng 2.2 sau đây:
Bảng 2.2: Độ suy hao của sợi quang và sai số tuyệt đối của phép đo độ suy hao với cường độ đầu vào là I(0)Q585,36246 (μW/cm 2 )
Cường độ I(μW/cm 2 ) Độ suy hao α(dB/km)
Sai số tuyệt đối của phép đo độ suy hao
- Độ suy hao của phép đo sợi quang α = 0,97377 ± 0,33816 (dB/km)
Từ hình 2.23 và các kết quả thu được ở các bảng số liệu 2.1 và 2.2 chúng ta thấy sự suy hao của xung lan truyền trong sợi quang tăng khi lan truyền trên quảng đường dài hơn và chúng tôi đã tính toán được độ suy hao của xung khi lan truyền trong sợi quang với các độ dài khác nhau Điều này giúp chúng ta nhìn nhận thấy ảnh hưởng của các đặc tính nội tại bên trong của sợi quang và các yếu tố bên ngoài chẳng hạn như do uốn cong đã ảnh hưởng đến quá trình lan truyền xung trong sợi quang Kết quả tính toán cho ta thấy độ suy hao của phép đo này là khá lớn (thực tế vùng suy hao thấp từ 0,2 đến 0,6 dB/km, đó là các ánh sáng có bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng) nhưng vì bước sóng ánh sáng được sử dụng để lan truyền trong sợi quang mà chúng tôi khảo sát là 1064nm không trùng với các bước sóng được dung trong hệ thống truyền thông tin quang và các kết quả này một phần cũng do các yếu tố chủ quan và khách quan trong quá trình tiến hành khảo sát của chúng tôi
2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của sự tán sắc lên xung có bước sóng 1064nm lan truyền xung trong sợi quang đơn mode
Khảo sát đo đạc với sợi quang thương mại đơn mode có chiều dài ban đầu 20 m cho kết quả về độ rộng xung tăng lên do sự ảnh hưởng của tán sắc lên xung lan truyền trong sợi quang đơn mode, được thể hiện trong bảng số liệu 2.3.
Bảng 2.3: Bảng số liệu thu được về cường độ đầu vào và đầu ra của xung lan truyền trong sợi quang với các chiều dài z khác nhau của sợi quang
Chiều dài sợi quang z(m) Cường độ I(μW/cm2) Độ rộng xung ∆λ(nm) Đầu vào của sợi quang 51585,36246 12,530
Thời gian kéo dài xung ∆t(L) theo chiều dài L của sợi quang [1]:
Độ rộng xung Δλ ~ Δt(L), nên đồ thị Δλ theo chiều dài L của sợi quang có dạng giống như hình 2.24 (đường lý thuyết) Từ số liệu thực nghiệm thu được với công thức (2.5) ta có thể vẽ đồ thị so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết về độ rộng xung Δλ theo chiều dài L sợi quang.
Hình 2.24: Đồ thị so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết về độ rộng xung ∆λ theo chiều dài L sợi quang
Nhờ so sánh đồ thị độ rộng xung theo chiều dài L giữa đường lý thuyết và đường thực nghiệm, ta thấy hai đường tương đồng, chứng tỏ hệ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tán sắc lên sự lan truyền xung trong sợi quang mà chúng tôi lắp ráp và tiến hành đã thành công Sự khớp giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm này xác nhận mô hình tán sắc và phương pháp đo được triển khai hiệu quả, từ đó mở rộng khả năng tối ưu hóa thiết kế sợi quang và ứng dụng trong truyền thông quang.
Từ bảng số liệu 2.3 ta thấy khi sợi quang càng dài thì độ rộng xung lan truyền trong sợi quang càng bị rộng ra Từ số liệu thực nghiệm thu được ta vẽ được đồ thị so sánh độ rộng xung giữa phổ đầu vào của sợi quang và phổ đầu ra của sợi quang dài 20m với công suất đầu vào là không đổi như hình 2.25
Trong Hình 2.25, đồ thị so sánh độ rộng xung được thể hiện để đánh giá sự biến đổi của xung qua sợi quang Hình a (màu đỏ) trình bày phổ của xung đầu vào của sợi quang, còn hình b (màu đen) trình bày phổ của xung đầu ra sau khi đi qua một sợi quang dài 20 m So sánh hai phổ này giúp nhận diện sự biến dạng và mức độ phân rã tín hiệu do truyền tín hiệu qua sợi quang, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho thiết kế và tối ưu hóa hệ thống truyền quang.
Nhìn vào hình 2.25, phổ của xung đầu vào có độ rộng nhỏ hơn phổ của xung đầu ra Do đó, khi sợi quang càng dài, độ rộng xung càng tăng và các xung được tán sắc làm cho chúng dãn ra Hiện tượng này thể hiện rõ sự ảnh hưởng của chiều dài sợi quang lên độ rộng xung và hoàn toàn phù hợp với lý thuyết về tán sắc trong truyền tín hiệu quang.
Từ hình 2.24 và hình 2.25 chúng tôi thấy rằng khi xung lan truyền trong sợi quang càng dài thì độ rộng xung sẽ càng lớn dẫn đến việc méo tín hiệu và sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu Điều này cho chúng ta thấy là phải lựa chọn các môi trường sao cho sự tán sắc này nhỏ hơn và các phương pháp xử lý khi xung lan truyền không bị méo bằng cách lắp các trạm bù tán sắc.
Sai số trong trong quá trình đo đạc
Trong quá trình đo đạc, sai số chủ yếu xuất phát từ hai nguồn chính: sai số khách quan do các yếu tố bên ngoài và khó kiểm soát, và sai số chủ quan liên quan đến phương pháp đo và quy trình thực hiện Sai số khách quan đến từ biến đổi điều kiện môi trường, thiết bị đo có sai số, và hiệu chuẩn chưa hoàn hảo, còn sai số chủ quan lại liên quan tới người đo và cách thức tiến hành đo, như lựa chọn phương pháp đo, cách đọc kết quả và sự sai lệch trong thao tác Nhận diện đúng hai nguồn này giúp tối ưu hóa quá trình đo đạc, cải thiện thiết bị và chuẩn hóa phương pháp đo, từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả.
2.3.1 Sai số do khách quan
Trong đo phổ quang, hai nguồn hấp thụ chủ yếu ảnh hưởng tới tín hiệu là sự hấp thụ ở đầu vào của dây cáp phổ kế và sự hấp thụ của không khí ở đầu ra sợi quang (giữa sợi quang và đầu vào dây cáp phổ kế) Sự hấp thụ tại đầu vào của dụng cụ đo làm giảm cường độ tín hiệu và có thể gây lệch biên độ và hệ số truyền Sự hấp thụ của không khí ở vùng giữa sợi quang và đầu vào dây cáp phổ kế cũng làm biến đổi biên phổ và độ ổn định của tín hiệu đo được Hiểu rõ hai hiện tượng này giúp tối ưu hóa cấu hình hệ đo, nâng cao độ chính xác, độ lặp lại và giảm nhiễu bằng cách kiểm soát khoảng cách nối, chất lượng tiếp xúc, điều kiện môi trường và lựa chọn vật liệu phù hợp cho dây cáp phổ kế.
- Do tán xạ ở từ đầu vào đến đầu thu phổ kế
- Do thay đổi công suất của nguồn
- Các đặc tính của detector nhiễu điện
- Ngoài ra luôn luôn xuất hiện sai số chủ quan của người đo máy có liên quan đến việc tính các chỉ số theo thang mật độ quang hay độ truyền quang
2.3.2 Sai số do chủ quan (Sai số do phương pháp đo)
- Loại sai số này chủ yếu là do người thực hiện đo chưa nắm vững các thao tác, các bước tiến hành từ đó dẫn tới sai số như:
+ Do việc cắt sợi quang chưa tạo ra lát cắt phẳng và lát cắt không ở ngay vị trí của lưỡi dao cắt
+ Do điều chỉnh sợi quang chưa nằm đúng vào tiêu điểm của vật kính + Do điều chỉnh đầu ra của sợi quang chưa vào hết đầu vào của dây cáp thu phổ kế
+ Do điều chỉnh cường độ đầu vào cũng như đầu ra chưa được maximum nhất
+ Do trong quá trình đo làm cho dây cáp của phổ kế không được thẳng và bị uốn cong liên tục
+ Do trong quá trình làm thí nghiệm sợi quang bị uốn cong
Do các dụng cụ đo cần thiết như đầu nối thiết bị, dây đo và đặc biệt là bộ nối quang chưa được làm sạch trước khi đo, kết quả đo có thể bị sai lệch hoặc biến động bất thường Vì vậy, việc làm sạch đầy đủ các đầu nối và bộ nối quang trước khi tiến hành đo là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại của phép đo, đồng thời giảm thiểu nhiễu và sai số do bụi, dầu hoặc oxit tích tụ trên bề mặt liên kết.
+ Do ảnh hưởng của các nguồn sáng khác (như ánh sáng của máy tính, ánh sáng bóng đèn, ánh sáng mặt trời vào phòng thí nghiệm)
+ Do trong quá trình lưu số liệu (số liệu luôn nhảy liên tục)
Trong chương này chúng tôi đã xây dựng được hệ thí nghiệm khảo sát sự suy hao và sự tán sắc của xung khi lan truyền trong sợi quang
Chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm khảo sát được sự suy hao và sự tán sắc của xung lan truyền trong sợi quang với các chiều dài khác nhau Kết quả chúng tôi đã thấy rằng khi xung lan truyền trong sợi quang càng dài thì sự suy hao càng lớn và khi đó sự mở rộng xung cũng càng lớn ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng xung lan truyền trong sợi quang
Trong khuôn khổ của luận văn chúng tôi đã trình bày tổng quan về sợi quang và các yếu tố đặc trưng của sợi quang
Chúng tôi đã tiến hành lắp ráp thành công hệ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên xung lan truyền trong sợi quang đơn mode Từ hệ thí nghiệm này chúng tôi đã khảo sát sự suy hao của xung khi lan truyền trong sợi quang đơn mode và kết quả cho thấy rằng khi xung lan truyền trong sợi quang đơn mode thì sự hấp thụ gây nên độ suy hao trong sợi quang, mặc dù kết quả thí nghiệm có lớn hơn so với lý thuyết nhưng vẫn trong phạm vi cho phép Việc tính toán được độ suy hao của xung lan truyền trong sợi quang giúp cho ta tính được các khoảng cách để lắp các thiết bị khuếch đại tín hiệu, nhằm mục đích trong quá trình lan truyền tín hiệu sẽ không bị yếu đi Cũng từ hệ thí nghiệm trên chúng tôi cũng đã khảo sát được ảnh hưởng của tán sắc gây nên độ dãn xung trong quá trình lan truyền xung, mặc dù sự dãn xung này là nhỏ không đáng kể (chiều dài sợi quang mà chúng tôi khảo sát là ngắn) Nó sẽ là đáng kể nếu quá trình lan truyền xung trên quảng đường dài hàng km, khi đó độ dãn xung là lớn và gây nên sự méo tín hiệu khi lan truyền
Hệ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tán sắc và hấp thụ lên sự lan truyền xung trong sợi quang đơn mode mà chúng tôi lắp ráp ở trên có thể dùng trong công việc giảng dạy hoặc trong các bài thí nghiệm dành cho sinh viên, học viên cao học khi nghiên cứu về các đặc trưng của sợi quang và quá trình lan truyền xung.