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
𝐿log10 𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛 =10
𝐿log10 (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=C𝑒𝐸 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
3ג4(𝑛2−1)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 10log𝑒=4,343.
Đối với các loại thủy tinh nhiều thành phần tán xạ này được tính:
𝛼 = 8𝜋3
3ג4(𝜕𝜕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.