Các đặc tính cơ bản của sợi quang

1 I. Các đặc tính cơ bản của sợi quang 1. Suy hao trong truyền dẫn của sợi quang Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên một tuyến thong tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang giữa sợi qung với đầu thu quang và sợi quang với các thiết bị khác trên tuyến như khuếch đại quang hay các thiết bị xen rẽ kênh v.v cũng có thển coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao quang.Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiều cách khác nhau. Đáng chú ý hơn là suy hao do bản chất bên trong của sợi. Trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ánh sang, bản than sợi dẫn quang cũng bị suy hao, làm cho cường độ tín hiệu bị yếu đi khi qua một cự ly lan truyền ánh sang nào đó.Nguyên nhân suy hao cơ bản trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tán sắc và các suy hao do bức xạ ánh sang. Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ có lien quan tới vật liệu chế tạo sợi trong đó bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện tử. Suy hao do tán xạ có lien quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi. Cuối cùng, suy hao bức xạ do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra. 1.1 Hệ số suy hao Công thức tổng quát về sự thay đổi công suất ánh sang P được truyền trong sợi quuang đưa ra bởi luật Beer: dP/dz=-αP (2-56) với α là hệ số suy hao Nếu P là công suất phát vào sợi quang có chiều dài là L,P là công suất đầu ra thì từ (2-56) ta có: Pout=P in exp(-αL) (2-57) Hay α(dB/km)=- 10 𝐿 log10 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 = 10 𝐿 log10 ( 𝑃𝑖𝑛 𝑃𝑜𝑢𝑡 ) (2-58) 2 Và đơn vị của α được tính theo dB/km. Các sợi quang thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao và lúc đó Pout=Pin và α=0 dB/km. Trong thực tế, suy hao của sợi quang cũng rất nhỏ. Sợi đơn mode với đường kính lõi dk= 9,4 µm, Δ= 1,9×10ˉ³, bước sóng cắt là 1,1 µm thì suy hao của sợi ở bước sóng 1,55 µm là 0,2dB/km. Suy hao của bản than sợi chủ yếu phụ thuộc vào sự hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh.Chúng ta sẽ xem xét các nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang. 1.2 Suy hao do hấp thụ của vật liệu trong sợi quang. Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng tạo nên bản chất suy hao của sợi quang. Hấp thụ nảy sinh là do ba cơ chế khác nhau gây ra. a. Suy hao do hấp thụ của tạp chất. Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có mặt của tạp chất có trong vật liệu sợi. Trong thủy tinh thông thường các tạp chất như nước và các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao như các ion kim loại sắt, crom, coban, đồng.v.v, và các ion OHˉ của nước. Sự có mặt của các hợp chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi quang mà chế tạo như các lăng kính thông thường thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km. Các sợi quang trước đây với lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) có suy hao trong khoảng từ 1 đến 10 dB/km. Sự hấp thụ của ion OHˉ Sự có mặt của các phần tử nước đã làm cho suy hao trội hẳn lên. Liên kết OHˉ đã hấp thụ ánh sang ở bước song khoảng 2,7 µm, với tác động của Silic nó tạo ra đỉnh hấp thụ ở bước sóng ג= 945, 1240 và 1380 nm như hình 2-8. Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó là các cửa sổ truyền dẫn 850 nm, 1300 nm, và 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng. Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20 dB/km, sự có mặt của nước phải thấp hơn vài phần tỷ.Giá trị này có thể đạt được nhờ chế tạo sợi quang bằng phương pháp đọng hơi hóa chất bên ngoài (Outside Chemical Vapour Deposition-VAD), cho phép người tạo ra sợi có sự tập trung OHˉ dưới 0,8ppb. Với mức tạp chất này, đường cong suy hao sẽ trơn lên và không còn tồn tại các đỉnh và các khe suy hao nữa, kết quả này tạo ra suy hao sợi nhỏ hơn 0,2 dB/km tại bước sóng 1550 nm. 3 Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại. Các tạp chất trong thủy tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là Sắt(Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).v.v..Mức độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/Km cần phải có thủy tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9). b.Hiện tượng tự hấp thụ (Hấp thụ do bản thân vật liệu). Do các nguyên tử có cấu tạo vỏ điện tử và do mối lien quan giữa năng lượng và tần số bức xạ quang nên các nguyên tử của vật liệu sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng. Như thế vật liệu cư bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất bé, hoặc hầu như không có suy hao. Còn ở một số bước sóng nhất định sẽ có hiện tượng cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và bị chuyển hóa thành nhiệt năng, đó là hấp thụ vật liệu. Thủy tinh thạch anh (SiO2) hiện nay được sử 4 dụng để chế tạo sợi quang có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng bước sóng hồng ngoại xa 10÷20 µm, khá xa vùng bước sóng hiện nay sử dụng cho thông tin quang là từ 0,8÷1,6 µm trong vùng gần hồng ngoại. Tuy vậy đuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh hưởng suy hao ở các bước sóng ở gần bước sóng 1,6µm. Và từ bước sóng 1,6 µm trở nên thì suy hao tăng rất nhanh theo bước sóng. Ngoài ra ở những bước sóng nhỏ hơn 0,8µm còn có ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng hấp thụ cực tím. c. Hấp thụ cực tím. Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn, mặc dù đây là trạng thái hấp thụ vật liệu, nhưng tác động tương tác xảy ra trong nguyên tử, quan điểm này chính xác hơn trong phạm vi phân tử. Lúc này bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu kết tinh và không kết tinh có quan hệ như sau: 𝛼𝑢𝑣=C𝑒 𝐸 𝐸0⁄ (2-59) Công thức trên được đưa ra bởi Urbach, trong đó C và E0 là các hằng số được cho bởi thực tế và E là năng lượng photon. Vì E tỷ lệ nghịch với bước sóng ג, cho nên đặc tính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bước sóng. Thực tế thì suy hao cực tím nhỏ hơn so với suy hao tán xạ trong vùng hồng ngoại. Đối với sợi SiO2 đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0,14 µm, tuy nhiên đuôi suy hao của nó kéo dài khoảng 1 µm, vì vậy cũng gây ra suy hao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn. 1.3 Suy hao do tán xạ Rayleigh. Suy hao do tán xạ trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ trong lõi sợi gây ra. Đó là do những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi. Như vậy trong cú trúc lõi sợi sẽ bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn và mật độ phân tử thấp hơn mức trung bình. Ngoài ra do thủy tinh còn được tạo ra từ vài loại oxit như: SiO2, GeO2, và 𝑃2𝑂5cho nên sự thay đổi thành phần vẫn có thể xảy ra. Hai yếu tố này làm nảy sinh sự thay đổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánh sáng hây còn gọi là tán xạ Rayleigh. Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa với khi bước sóng của ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ. Trong thực tế, suy hao này làm giảm đi một phần tư công suất của bước sóng, và vì thế hệ thống làm việc ở bước sóng dài sẽ được quan tâm ngày một nhiều. 5 Đối với thủy tinh thuần khiết, suy hao tán xạ tại bước sóng ג do sự bất ổn định về mật độ gây nên có thể được cho bởi công thức sau: 𝛼𝑠𝑐𝑎𝑡 = 8𝜋3 3ג 4 (𝑛 2 − 1)2𝑘𝐵𝑇𝑓𝛽𝑇 (2-60) Ở đây n là chỉ số chiết suất của lõ sợi, kB là hằng số Boltzman, βT là hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu, Tf là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ đông lại thành thủy tinh. Đơn vị tính của αscat là Neper. Đổi sang dB trong trường hợp tính toán suy hao công suất thì ta nhân giá trị này với 10log 𝑒=4,343. Đối với các loại thủy tinh nhiều thành phần tán xạ này được tính: 𝛼 = 8𝜋3 3ג 4 (𝜕𝜕𝛿 ) Với: Ở đây là sự thăng giáng về mật độ và C1 là sự thăng giáng về sự tập trung của thành phần thủy tinh thứ i. Sự thăng giáng về mật độ và thành phần lớn hay nhỏ thường là không thể biết được, do đó chúng phải được xác định thông qua các số liệu tán xạ thực nghiệm. Do tán xạ Rayleigh phụ thuộc theoג nên nó giảm mạnh theo chiều tăng của bước sóng. Nhìn chung giá trị suy hao này lớn đáng kể ở vùng bước sóng dưới 1 µm. 6 Kết hợp các suy hao hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu (trong bước sóng hồng ngoại), hấp thụ điện tử, suy hao tán xạ Rayleigh thu được kết quả như trên hình 2-9. Suy hao của sợi đa mode thường là cao hơn sợi đơn mode, đó cũng là kết quả của sự tập trung tạp chất cao hơn và kèm theo sự suy hao tán xạ lớn hơn sợi đa mode. 1.4 Suy hao do uốn cong sợi. Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu). Khi bất kì một sợi quang nào đó bị uốn congtheo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi bị suy hao. Có hai loại uốn cong là uốn cong vĩ mô (Macrobending Losses) và uốn cong vi mô (Microbending Losses). a.Uốn cong vĩ mô (Macrobending Losses). Uốn cong có bán kính lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi, chẳng hạn như trường hợp trên ta uốn cong sợi một góc nào đó. Khi sợi quang bị uốn cong có bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng.Tất nhiên không thể tránh khỏi uốn cong sợi qaung trong quá trình chế tạo 7 lắp đặt.Nhưng nếu giữ bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính uốn cong tối thiểu thì suy hao bị uốn cong không đáng kể. Người ta quy định bán kính uốn cong tối thiểu Rmin là: Rmin= 3.𝑛² 4𝜋(𝑛−𝑛) Như vậy chúng ta cần chú ý đến Rmin để không làm tăng suy hao của sợi. Thông thường bán kính tối thiểu do nhà đề nghị sản xuất từ 30 nm đến 50 nm. b. Uốn cong vi mô (Microbending Losses). Là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫy nhiên, trường hợp này xảy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp. Khi sợi bị chèn ép tạo ra những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong khoảng vài nm) thì suy hao của sợi cũng tăng lên do tia sáng bị lệch trục. Một cách chính xác hơn sự phân bố bị xáo trộn khi qua những chỗ uốn cong vi mô và dẫn tới một phần năng lượng ánh sáng bị phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi vào lớp vỏ và bị suy giảm dần theo hàm mũ. 1.5 Phổ suy hao của sợi quang. Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn trong mối tương quan theo bước sóng, người ta nhận được phổ suy hao của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tính suy 8 hao của nó, nhưng đều thể hiện được những đặc tính suy hao chung như đã phân tích ở trên. Trên hình vẽ 2-12 cho thấy đường suy hao mẫu của sợi quang thủy tinh thạch anh có pha hoạt chất GeO2, với độ tạp chất ion OHˉ vào khoảng 0,5 phần triệu. Từ đặc tuyến trên hình vẽ người Ta chọn thủy tinh thạch anh cho vùng công tác ở vùng bước sóng có suy hao nhỏ từ ג=0,8 µm đến ג=1,7 µm, là vùng hồng ngoại gần. Một số nhận xét từ đặc tuyến này như sau: - Ở vùng bước sóng ג=1,55 µm có suy hao bé nhất. Dịch chuyển về phía bước sóng nhỏ hơn thì suy hao lại tăng do tán xạ, còn về bước sóng lớn hơn thì suy hao lại tăng do suy hao tự hấp thụ của vật liệu. - Ở vùng bước sóng từ ג=0,9 µm đến ג=1,55 µm có các đỉnh suy hao do cộng hưởng của suy hao tán xạ Rayleigh. Nếu áp dụng công nghệ và phương pháp chế tạo sợi tiên tiến, thì có thể loại trừ đỉnh suy hao do cộng hưởng hấp thụ ở ג=0,95 µm. - Ở vùng bước sóng từ ג=0,8 µm đến ג=1 µm, suy hao tán xạ là chủ yếu, chỉ có ảnh hưởng của một phần của suy hao do hấp thụ. - Khi giảm được hàm lượng OHˉ thì hạ được giá trị suy hao xuống ở các vùng bước sóng kể trên. Chẳng hạn nếu giảm OHˉ xuống đến 0,2 phần triệu thì có thể đạt giá trị suy hao 2,1dB/km ở bước sóng ג=0,85 µm và giá trị suy hao nhỏ hơn 0,2dB/km ở vùng bước sóng ג=1,55 µm. - Trong kĩ thuật thông tin quang dùng sợi thủy tinh thạch anh, thì sử dụng ba vùng bước sóng có suy hao bé gọi là ba vùng truyền dẫn hay ba cửa sổ, nằm giữa các bước sóng ג= 0,8÷1,7 µm. - Vùng truyền dẫn thứ nhất: ג=0,8÷0,9 µm. 9 Giá trị suy hao bé nhất là αmin=2÷3 dB/km. Vùng này bị hạn chế bởi đỉnh suy hao ở ג= 0,95 µm, mặc dù hiện nay không sử dụng loại sợi công tác ở bước sóng này nữa. Đây là vùng dành cho các sợi đa mode SI và GI, để ứng dụng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn với tốc độ truyền dẫn chỉ khoảng vài chục Mbit/s. Vùng truyền dẫn thứ hai: ג=1÷1,3 µm. 10 Thực ra có thể nói ở vùng bước sóng ג=1,3 µm, bị giới hạn ở các đỉnh suy hao ở ג=1,24 µm và ג=1,38 µm. Tại bước sóng ג=1,310 µm có αmin=0,35 dB/km, và tán xạ vật liệu không còn. Do đó sử dụng sợi đa mode GI và sợi đơn mode cho các hệ thống truyền dẫn cự li xa với tốc độ hang Gbit/s đi xa hang mấy chục Kilomet. Vùng truyền dẫn thứ ba: ג=1,5÷1,7 µm Thực chất là nằm ở vùng ג=1,55 µm, bị giới hạn bởi đỉnh suy hao hấp thụ ở ג=1,38 µm và ngưỡng hấp thụ cộng hưởng tại ג=1,6 µm. Vùng này có suy hao bé ở bước sóng ג=1,55 µm có thể đạt tới αmin=0,16 dB/km. Vùng này chủ yếu dùng cho sợi đơn mode, cho các hệ thống truyền dẫn cự li xa với tốc độ truyền dẫn lên tới hang nghìn Gbit/s và cự li hang tram kilomet. Trong thực tế các sợi đơn mode và đa mode được chế tạo cho một bước sóng truyền dẫn xác định, khi đó nó đã được tối ưu cho bước sóng đó về cả đặc tính tán xạ và cả đặc tính suy hao do đó đường biểu diễn phổ suy haoc của nó sẽ khác dạng với dạng tổng quát như trên hình 2-12. - Trên hình 2-13 là một ví dụ cho một sợi quang đa mode GI, được tối ưu cho truyền dẫn ở bước sóng ג=1,3 µm. Đặc tuyến biểu thị độ rộng băng truyền dẫn cho thấy ở tại ג=1,3 µm sợi có tán xạ bé nên có độ rộng bang tần truyền dẫn lớn nhất, và cũng có suy hao bé nhất ở đó. - Sợi đơn mode thì có đặc điểm tồn tại bước sóng giới hạn. Bên trên bước sóng này thì sợi làm việc ở chế độ đơn mode, còn ở bên dưới nó thì ở chế 11 độ đa mode. Trên hình 2-14 là ví dụ đặc tuyến suy hao của một sợi đơn mode có bước sóng giới hạn nằm trong khoảng ג=1,110÷1,270 µm, tại bước sóng ג=1,310 µm sợi có thể làm việc ở chế độ đơn mode. 2. Đặc tính tán sắc của sợi quang. 2.1. Khái niệm. Tán xạ là hiện tượng các bước sóng khác nhau lan truyền trong sợi quang với vận tốc khác nhau, do đó gây nên hiện tượng dãn xung tín hiệu. Các xung ánh sáng được phát dọc theo sợi bị rộng ra. Nếu các xung lân cận bị dãn ra tới một lúc nào đó sẽ phủ lên nhau thì việc tách và thu các xung này ở đầu thu sẽ không dễ dàng. Lúc này, tín hiệu thu sẽ sai đi và dẫn tới lỗi bit BER. Vì vậy, tán xạ sẽ hạn chế cự ly đường truyền cũng như tốc độ truyền dẫn. Hệ thống tán xạ của sợi quang của sợi quang được tính bằng ps/nm.Km. Còn tham số tán xạ trong luồng quang được tính bằng ps/nm, tức là độ dãn xung tín hiệu khi truyền qua sợi quang với độ rộng phổ nguồn phải là 1 nm. Theo biểu thức toán học thì tán xạ được xác định theo độ dãn xung độ dài sợi: Tán xạ = √𝑡22−𝑡12 𝐿 ps/km. Với t1 là độ rộng xung đầu vào (50%). Với t2 là độ rộng xung đầu ra (50%). Trong sợi quang có 3 loại tán xạ và tán sắc cơ bản: - Tán xạ mode. - Tán xạ vật liệu. - Tán sắc mode phân cực. 12 2 Hiện tượng tán xạ Mode. Hiên tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode, các thành phần ánh sáng 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 máy thu phụ thuộc vào 2 yếu tố sau: + Thành phần công suất từ nguồn phát quang được ghép vào sợi quang. + Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi. Trong sợi SI, các tia ứng với mỗi mode chạy theo đường zích zắc với độ dài khác nhau trong đó tia song song với trục sợi quang có độ dài ngắn nhất. Vì chiết suất n1 của thủy tinh chế tạo từ ruột không thay 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 sợi không cùng một lúc và có sự chênh lệch về thời gian gây ra dãn xung. Tia 1 là tia dài nhất có độ dài: d1= 𝐿 cos 𝜃1 Tia 2 là tia ngắn nhất có độ dài: d2= L Thời gian truyền của tia 1 là: t1= 𝑑1 𝑣 = 𝐿 cos 𝜃𝑐 𝑐 𝑛1 = 𝐿𝑛1 𝑐.cos 𝜃𝑐 (v= 𝑐 𝑛1 : vận tốc ánh sáng trong lõi) Mà: cos 𝜃𝑐 = sin 𝜃1 = 𝑛1 𝑛2 Nên: t1= 𝐿.𝑛12 𝐶.𝑛2 Thời gian truyền tia 2: t2= 𝑑 𝑣 = 𝐿 𝐶 𝑛1 = 𝐿.𝑛1 𝐶 13 Vậy thời gian giữa hai đường truyền là: ∆𝑡 = 𝑡1 − 𝑡2 = 𝐿.𝑛12 𝐶.𝑛2 - 𝐿.𝑛1 𝐶 .( 𝑛1−𝑛2 𝑛2 ) Hay: 𝐿.𝑛1 𝐶 ∆𝑡= 𝐿 𝐶 𝑛1∆ Với ∆ = 𝑛1−𝑛2 𝑛2 là độ lệch chiết suất tương đối Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi cũng chính là độ trải xung do tán sắc mode (loai SI). 3. Tán sắc vật liệu. 3.1 Khái niệm. Tán sắc vật liệu đơn giản giản là các ánh sáng có bước sóng khác nhau lan truyền với tốc độ khác nhau. Nguồn quang trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao là các laser có bề rộng phổ ∆𝜆>0. Các xung được điều chế sẽ làm tang độ rộng phổ. Như vậy mỗi thành phần bước sóng do các diode laser phát ra se có vận tốc khác nhau. 3.2 Nguyên nhân của tán sắc vật liệu Trong sợi đơn mode, tán sắc vật liệu là kết quả từ sự ảnh hưởng cơ bản lẫn nhau giữa tán sắc màu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc màu bắt nguồn từ sự phụ thuộc phi tuyến trên bước sóng của hệ số khúc xạ và vận tốc nhám tương ứng. Tán sắc ống dẫn sóng được bắt nguồn từ mối quan hệ của bước sóng phụ thuộc vào vận tốc nhóm tới phổ nguồn và sự khác nhau giữa tham số giữa lõi và nguồn của sợi. Một thành phần nhỏ nữa là PMD bậc 2 (sẽ được giới thiệu ở phần sau) hay còn gọi là trễ nhóm vi sai bắt nguồn từ PMD và sinh ra các ảnh hưởng mà ta đồng nhất tán sắc vật liệu với PMD bậc 2. Trong sợi đơn mode phép dịch tán sắc có bước sóng bằng 0 tại 𝜆0 =1300nm, tại đó kĩ thuật cơ sở là tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Sự kiểm soát hệ số khúc xạ có thể đặt trong vùng bước sóng 1300/1550nm. Sau đây ta sẽ xem sét kĩ hơn về 2 nguyên nhân chính gây ra 2 loại tán sắc này. Ta đã biết chiết suất của vật liệu thủy tinh chế tạo biến đổi theo bước sóng tín hiệu lan truyền, tức là n = n(λ). Nếu nguồn bức xạ phát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng 𝜆𝑐 thì không có hiện tượng chênh lệch thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xung ánh sáng theo công thức: V = 𝑐 𝑛 = const Ở bước sóng 𝜆0 chúng lan truyền với vận tốc V=c/n(𝜆0)=const. Thế nhưng nguồn phát quang như diode phát quang LED hoặc Laser không chỉ bức xạ một 14 vạch phổ tương ứng với bước sóng 𝜆0 , mà chúng còn bức xạ một dải phổ quanh bước sóng 𝜆0 , trong đó phổ của LED là phổ biến thiên liên tục gồm vô số vạch phổ, còn trong đường bao diode Laser gồm một số vạch phổ nằm giữa bước sóng rìa. Ta có hệ số tán sắc Dm: Dm = 𝜆2 𝑐 . 𝛿𝜆 𝜆 . 𝑑2𝑛 𝑑𝜆2 Trong đó: n: chỉ số khúc xạ. λ: bước sóng. Độ dãn xung ánh sáng đầu vào của máy thu chính là độ lệch thời gian truyền nhóm. 𝜏 = |∆𝑡𝑛| = D(λ).∆𝜆.L Với L: chiều dài đường truyền. ∆λ : độ rộng bang tần của sóng ánh sáng. Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, vì vậy cần 20% ánh sáng trong vỏ nhanh hơn năng lượng trong lõi. Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode 𝛽 là một hàm số của 𝑎 𝜆 , nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần được quan tâm ở sợi đơn mode. Tương tự tán sắc màu, tán sắc dẫn sóng Dw là một thành phần đóng góp vào tham số tán xạ D, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V( tham số V) của sợi quang được xác định như sau: Dw = - 2𝜋∆ 𝜆2 [ 𝑛2𝑔 2 𝑛2⍵ 𝑉𝑑2(𝑉𝑏) 𝑑𝑉 + 𝑑𝑛3𝑔 𝑑⍵ 𝑑(𝑉𝑏) 𝑑𝑉 ] Ở đây 𝑛2𝑔 là chỉ số nhóm của vật liệu vỏ, b là hằng số lan truyền chuẩn. Tham số ∆ được giả thiết mà không phụ thuộc vào tần số. Do cả hai đạo hàm là dương nên Dw là âm trong toàn bộ vùng bước sóng 0 ÷1.6µm. Điều này khác nhiều so với tán sắc màu Dm có cả giá trị âm và tương đương với bước sóng ở thấy hay cao hơn λzd . Tác động chính của tán sắc dẫn sóng là để dịch bước sóng λzd đi một lượng 30÷ 40nm nhằm thu được giá trị tán sắc tổng hợp D bằng 0 tại gần 15 1310nm. Nó cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu trong vùng bước sóng 1,3÷ 1,6µm. nơi hấp dẫn nhất cho các hệ thống thông tin quang. Giá trị tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm trong dải 15÷ 18ps/nm.km ở gần bước sóng 1,55µm. Vùng bước sóng này đang được quan tâm rất nhiều vì có suy hao sợi nhỏ nhất. Khi mà giá trị tán sắc D cao sẽ là hạn chế đặc tính của hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm. Vì tán sắc ống dẫn sóng Dw phụ thuộc vào các tham số sợi như bán kính lõi a và sự khác nhau về chỉ số chiết suất ∆ nên cho phép có thể thiết kế sợi để sao cho 𝜆𝑧𝑑 được dịch kề sát tới bước sóng 1550nm. Các sợi như vậy được gọi là sợi tán sắc dịch chuyển. Như vậy, nếu gọi D là hệ số tán sắc vật liệu. Ta có: D = Dw + Dm Với Dw và Dm tương ứng là tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc màu. 5 Đặc tính cơ học của sợi quang Như ta đã biết sợi quang rất nhỏ và mảnh, vật liệu chế tạo lại là thủy tinh càng gây ấn tượng rằng sợi rất dễ gãy vỡ.Nhưng thực tế sợi quang ngày nay có thể chịu được những ứng suất và lực căng lớn trong quá trình bọc cáp.Quá trình lắp đặt cũng như khai thác tại các môi trường khác nhau trong mạng lưới viễn thông.Vì thế ngoài các đặc tính truyền dẫn, đặc tính cơ học của nó cũng rất quan trọng trong quá trình đưa sợi vào khai thác trong hệ thống thông tin quang. Các tính chất cơ học đặc trưng cho sợi dẫn quang thể hiện ở lúc chế tạo cáp,lắp đặt cáp, và trong suốt quá trình khai thác sợi quang. 16 Lúc bọc cáp và lắp đặt trên tuyến nó có thể tác động theo kiểu xung lực hoặc từ từ, khi khai thác các tải trọng lúc này thường thay đổi rất chậm, có thể do ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi, bất ổn định của môi trường lắp đặt.Sợi được chế tạo từ thủy tinh gây ra cảm giác sợ sẽ rất dễ gãy vỡ.Tuy nhiên cũng phải thấy rằng ứng suất phá vỡ theo chiều dọc của sợi thủy tinh cũng được so sánh ngang với sợi kim loại.Lực liên kết phân tử trong sợi quang đã chi phối đến sức bền thực sự của nó. Sợi thủy tinh có độ dài ngắn có thể chịu ứng suất kéo lên đến 14Gpa trong khi đó thép cũng chỉ chịu được 20Gpa.Sự khác biệt lớn nhất giữa sợi quang và sợi dẫn kim loại là sợi quang không thể co dãn như sợi kim loại khi đến ngưỡng đứt.Ví dụ dây đồng dãn 20% khi tới ngưỡng đứt còn sợi quang là 1%. Trên thực tế sự tồn tại những tập trung ứng suất ở bề mặt của các vết nứt hoặc vết rạn sẽ giới hạn độ dài trung bình của các sợi dẫn quang dài nằm trong dải từ 700Mpa-3500Mpa.Lực gẫy đứt của độ dài sợi đã cho được xác định nhờ vào kích cỡ và cấu trúc hình học của vết nứt nghiêm trọng nhất trên sợi. Hình 2-18 là giả định một kiểu vết nứt cơ học, ở đây vết nứt có dạng ellipse và như vậy quy về dạng chung có tên là vết rạn Griffith, nếu gọi độ rộng vết nứt là W , độ sâu là X và bán kính đầu mút là  thì sức bền trong sợi thủy tinh có mối quan hệ sau: K=Y. . X Ở đây cường độ ứng suất K được cho dưới dạng ứng suất  có đơn vị áp dụng cho sợi là megaposcal, độ sâu của vết rạn X tính bằng mm, và hằng số Y không 17 có thứ nguyên sẽ phụ thuộc vào cấu trúc hình học của vết nứt.Ở thủy tinh, vết nứt trên mặt nghiêm trọng nhất là Y=  .Từ phương trình trên ta có kích cỡ của vết nứt lớn nhất.Giá trị lớn nhất của K sẽ phụ thuộc vào thành phần thủy tinh nhưng dự kiến nằm trong dải (0.6-0.9 MN 3/2cm ). Nhìn chung trên sợi dẫn quang có chứa nhiều vết rạn nứt có sự phân bố ngẫu nhiên cho nên lực gãy đứt của sợi phải được nhìn nhận theo quan điểm thống kê. Nếu gọi F( ,L) là xác suất tích lũy, L là chiều dài sợi bị giới hạn dưới một ứng suất  , và giả thiết rằng các vết nứt là độc lập được phân bố ngẫu nhiên trên sợi dẫn quang và sự gãy đứt xảy ra tại những vết nứt nghiêm trọng nhất.Ta có F( ,L)= 1- ( )LNe  Với N( ) là số tích lũy các vết nứt trên một đơn vị độ dài có một sức bền nhỏ hơn  . DạngN( ) thông dụng là dạng phương trình được Weibull rút ra từ kinh nghiệm: N( ) = 0 1 L 0 m         Với m, 0 , 0L là các hằng số liên quan đến sự phân bố sức bền quán tính ban đầu.Từ đây dẫn đến dạng phương trình Weibull: F( ,L)= 1-exp[ 0 1 L 0 m         ] Ngược lại với sức bền độ mỏi có liên quan đến sự lớn dần của các vết nứt hiện có trên sợi quang dưới các điều kiện độ ẩm và ứng suất sức căng.Sự lớn dần của vết nứt làm cho sợi bị đứt ở ứng suất thấp hơn so với ứng suất dùng để kiểm tra độ bền của sợi.Vết nứt như hình 2-18 sẽ cắt thông qua sợi do có sự ăn mòn hóa học của vật liệu sợi tại đầu mút vết nứt.Nguyên nhân đầu tiên gây ra sự ăn mòn là do sự xuất hiện của các phần tử 20H từ môi trường ngoài thâm nhập vào, nó làm giảm sức bền của mối liên kết phân tử Si 20 trong thủy tinh. Tuy nhiên thực tế ngày nay các loại vỏ bọc dùng cho sợi được bọc ngay trong quá trình chế tạo sợi có đủ khả năng bảo vệ sợi chống lại sự ăn mòn từ môi trường bên ngoài. Một yếu tố không kém phần quan trọng khác trong quá trình khi xem xét đặc tính cơ học của sợi quang là độ mỏi động. Khi cáp sợi quang được đặt vào trong 18 đường ống cáp,nó phải chịu những ứng suất liên tục lặp đi lặp lại do tác động của việc dâng cáp lên.Cáp treo cũng chịu sự tác động của gió.Lý thuyết và thực tế chứng minh rằng thời gian dẫn tới cáp bị hư hỏng dưới các điều kiện như vậy liên quan đến ứng suất cho phép lớn nhất. II. Cáp sợi quang Để đưa được sợi quang vào môi trường thực tế của mạng Viễn thong các sợi cần thiết phải kết hợp lại thành cáp với các cấu trúc phù hợp với môi trường lắp đặt.Cấu trúc cáp sợi quang rất đa dạng và khác nhau tại nhiều điểm.Tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể và dựa vào môi trường lắp đặt mà cáp quang cũng có tên tương tự như cáp kim loại là : cáp chôn trực tiếp dưới đất, cáp kéo trong cống, cáp treo ngoài trời,cáp đặt trong nhà,cáp nối giữa các thiết bị ,cáp ngập nước ,cáp thả biển. Đối với từng loại cáp khác nhau sẽ có những thiết kế khác nhau nhưng các nguyên lí cơ bản về thiết kế đều phải có trong mọi loại cáp .Đặc thù về cấu trúc sợi quang có được là do có đặc tính cơ học của sợi thủy .Một đặc tính cơ học quan trọng là tải trọng là tải trọng quanh trục cho phép lớn nhất trên cáp vì yếu tố này sẽ xác định độ dài của cáp được đặt. 1. Các biện pháp bảo vệ sợi Trước khi tiến hành bọc cáp , sợi dẫn quang thường được bọc một lớp áo để bảo vệ sợi trong khi chế tạo cáp ,dây là lớp bọc sơ cấp , đường kính lớp bọc sơ cấp vào khoảng 250µm.Sợi đã được bọc sơ cấp chính là sản phẩm sau cùng trong quá trình chế tạo sợi dẫn quang.Sau đó các sợi này sẽ được bọc thành cáp và có thể dưới dạng bọc chặt hoặc bọc lỏng. Để tránh suy hao do vi uốn cong và tăng cường bảo vệ sợi.Sợi dẫn quang có thể được bọc bảo vệ bằng cả lớp bọc thứ cấp.Các biện pháp bọc sợi được trình bày như sau: 1.1 Bọc chặt sợi 19 Sợi dẫn quang sau khi bọc sơ cấp sẽ được bọc chặt ,vỏ bọc chặt cho sợi sẽ làm tăng lực cơ học của sợ,và chống lại ứng suất bên trong .Các sợi quang dẫn có thể được bảo vệ riêng bằng các lớp vật liệu đơn hoặc kép.Hình 2-23 mô tả loại vỏ bọc chặt. Các sợi trong hình 2-23a và 2-23b được bọc riêng , đường kính vỏ bọc bảo vệ chặt lớn nhất có thể lên đến 900µm.Trường hợp vỏ bọc ở hình 2-23b phù hợp và bảo vệ sợi tốt hơn, sợi ở đây được bọc bằng hai lớp ,lớp vỏ chất dẻo cứng ở bên ngoài và lớp chất dẻo mềm ở phía trong. 20 Hình 2-23c và 2-23d là bọc bảo vệ dạng băng có từ 4 đến 12 sợi được sắp xếp song song với nhau và bên ngoài là lớp bảo vệ chất dẻo. Ở môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ có thể gây ra sự co quang trục và vi uốn cong sợi,từ đó suy hao sợi có thể tăng lên.Từ sự tăng suy hao như vậy có thể rút ra hai cách bảo vệ sợi : + Thứ nhất là tối ưu hóa việc ưu hóa việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa chọn vật liệu tương ứng với độ dày của vỏ và đồng thời giữ cho sợi càng thẳng càng tốt + Thứ hai là bọc xung quanh sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự co nhiệt 1.2.Bọc lỏng sợi 21 Sợi có thể đặt trong cáp sau khi chỉ được bọc sơ cấp một lớp dẻo có mầu rất mỏng .Ở trường hợp này,các sợi được đặt trong ống hoặc các rãnh hình chữ V có trên lõi chất dẻo (lõi có khe).Các ống và các rãnh có kích thước lớn hơn nhiều so với sợi dẫn quang để các sợi có thể nằm tự do hoàn toàn trong nó . Kỹ thuật bọc lỏng sợi cho phép bảo vệ sợi tránh được các ứng suất bên trong .Mỗi một ống hoặc rãnh có thể chứa một hoặc một nhóm sợi quang, khoảng trống dư trong ống hoặc rãnh có thể trống hoặc được độn chất jelly. Hình 2-24 chỉ ra một số kiểu cấu trúc bọc lỏng .Với ống bảo vệ đơn, tức là trong chỉ có một sợi quang , thì đường kính ngoài của ống thường vào khoảng 1÷ 2 mm.Còn trong ống chứa nhiều sợi sẽ có đường kính phụ thuộc vào số sợi nằm trong ống (ống chứa 10 sợi dẫn quang sẽ có đường kính khoảng 3mm). Ở trường hợp sợi nằm trong khe của lõi cáp,kích thước khe cũng phụ thuộc vào số sợi có ở trong nó. Trong cấu trúc bọc lỏng ,các sợi nằm trong ống hay khe đều được bảo vệ rất tốt.Cần chú ý rằng cáp có cấu trúc bọc lỏng cũng có thể chứa các sợi có vỏ bọc thứ cấp ,đây là sự kết hợp các ưu điểm của bọc lỏng với ưu điểm của bọc thứ cấp.Giải pháp này ít dùng trong sợi đơn, mà hầu hết dùng trong các sợi ở dạng băng. Về nguyên tắc cơ bản nói chung thì vẫn thế, trong những ứng dụng đặc biệt như xây dựng một dây dẫn trung tâm (không có một độ dài thừa nào vì bện sợi) hoặc cho những sợi cáp sẽ tiếp tục được kéo dài ra trong quá trình vận hành.Những sợi này sẽ được đưa vào trong ống với một độ dài thêm không đổi, điều này đạt được là nhờ các sợi quang sẽ được đặt vào ống the một hình xoắn ốc .Theo cách này độ dài của sợi sẽ lớn hơn độ dài của ống.Tuy nhiên độ lớn của độ dài thêm này là giới hạn bởi vì còn phải tính đến bán kính cong có thể chấp nhận được của các sợi .Hình 2-25 mô tả rõ điều này : 22 Trên lí thuyết ,sợi quang trong ống với đường kính trong khoảng 4mm có thể có độ dài thêm lớn nhất khoảng 1% (bán kính cong của sợi nhỏ nhất là 50mm). Tùy vào số lượng sợi có trong ống ,giá trị này có thể xuống thấp hơn. Độ dài thêm của sợi giúp cho sợi không phải chịu sức căng trong nhiều trường hợp sử dụng.Điều này là tối quan trọng đối với cáp vì phải chịu sức kéo trong suốt quá trình vận hành. Nhiều sợi trong cấu trúc nửa buộc chặt (FlexTubeᵀᴹ) Trường hợp đặc biệt của cấu trúc bọc lỏng là cấu trúc FlexTubeᵀᴹ.Ở trong trường hợp này các sợi quang được bọc bao quanh bởi các chất nhựa jelly.Theo cách này, đường kính của cáp được giảm nhỏ và khả năng chịu nhiệt độ cao hơn. Hình 2-26 là sự so sánh giữa bọc lỏng sợi thong thường vớiFlexTubeᵀᴹ. Trong cấu trúc FlexTubeᵀᴹ đường kính chỉ còn 1.4mm và độ dày của lớp bọc là 0.2mm.Khi đem so sánh với sợi bọc lỏng thông thường thì tổng số đoạn vắt chéo giảm khoảng 70%. 23