CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
5
-
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
2.1 Giới thiệu chương
Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật thì cáp quang và sợi quang
càng ngày càng được phát triển nhằm phù hợp với các môi trường khác nhau như
dưới nước, trên đất liền, treo trên không, và đặc biệt gần đây nhất là cáp quang treo
trên đường dây điện cao thế, ở bất kỳ đâu thì cáp quang và sợi quang cũng thể hiện
được sự tin cậy tuyệt đối.
2.2 Sợi quang
2.2.1 Đặc tính của ánh sáng
Để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang thì trước hết ta
phải tìm hiểu đặc tính của ánh sáng. Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ là các đặc
tính cơ bản của ánh sáng (được trình bày ở hình 2.1). Như ta đã biết, ánh sáng
truyền thẳng trong môi trường chiết suất khúc xạ đồng nhất. Còn hiện tượng phản
xạ và khúc xạ ánh sáng có thể xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác
nhau về chỉ số chiết suất, các tia sáng được truyền từ môi trường có chỉ số chiết suất
lớn vào môi trường có chỉ số chiết suất nhỏ thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng
tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường. Các tia sáng khi qua vùng ranh giới này
bị đổi hướng nhưng vẫn tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì đó gọi là tia
khúc xạ còn ngược lại, nếu tia sáng nào đi trở về lại môi trường ban đầu thì gọi là
tia phản xạ. Theo định luật Snell ta có quan hệ:
2211
φ
φ
SinnSinn
=
(2.1)
với 1
φ
là góc tới và 2
φ
là góc khúc xạ.
2.2.2 Đặc tính cơ học của sợi dẫn quang
Sợi dẫn quang rất nhỏ, vật liệu chế tạo chủ yếu là thuỷ tinh cho ta cảm
giác dễ vỡ. Tuy nhiên, thực tế lại ngược lại hoàn toàn, sợi quang lại có thể chịu
được những ứng suất và lực căng trong quá trình bọc cáp. Điều đó chứng tỏ rằng,
ngoài các đặc tính truyền dẫn của sợi quang thì các đặc tính cơ học của nó cũng
đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình đưa sợi quang vào khai thác trong hệ
thống thông tin quang.
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
6
-
Hình 2.1: Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
2.2.2.1 Sợi quang
Sợi quang là sợi mảnh dẫn ánh sáng, gồm hai chất điện môi trong suốt
nhưng khác nhau về chiết suất. Lõi sợi cho ánh sáng truyền qua còn lớp vỏ bao
quanh lõi và có đường kính tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể.
Sợi quang được phân loại bằng cách khác nhau và được trình bày như sau:
a)
Tia khúc xạ
Pháp tuyến
1
φ
Tia tới
Pháp tuyến
Tia khúc xạ
Tia phản xạ
2
φ
2
n
1
n
Tia tới
12 nn
<
b
Ө1
Ө2
Pháp tuyến Pháp tuyến
2
n
1
n
2
n
1
n
21
φφ
>
Tia tới c) Tia phản xạ Tia tới d)
12 nn
<
a)
Tia khúc xạ
Pháp tuyến
1
φ
Tia tới
Pháp tuyến
Tia khúc xạ
Tia phản xạ
2
φ
2
n
1
n
Tia tới
12 nn
<
b
Ө1
Ө2
Pháp tuyến Pháp tuyến
2
n
1
n
2
n
1
n
21
φφ
>
Tia tới c) Tia phản xạ Tia tới d)
12 nn
<
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
7
-
Cấu trúc tổng thể của sợi quang gồm: Lõi thủy tinh hình trụ tròn và vỏ thủy
tinh bao quanh lõi. Lõi thủy tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thủy tinh có tác
dụng tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ. Muốn vậy thì chi số
chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ.
Hình 2.2: Cấu trúc tổng thể của sợi.
Phân loại theo vật liệu điện môi
Sợi quang thạch anh
Sơi quang thủy tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa liệu
Phân loại theo mode truyễn dẫn
Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode
Phân loại theo phân bố chiết suất
khúc xạ
Sợi quang chiết suất phân bậc
Sợi quang chiết suất biến đổi đều
Phân loại theo vật liệu điện môi
Sợi quang thạch anh
Sơi quang thủy tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa liệu
Phân loại theo mode truyễn dẫn
Sợi quang đơn mode
Sợi quang đa mode
Phân loại theo phân bố chiết suất
khúc xạ
Sợi quang chiết suất phân bậc
Sợi quang chiết suất biến đổi đều
Lõi sợi
vỏ sợi
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
8
-
2.2.3 Suy giảm tín hiệu trong sợi quang
Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan trọng nhất
của sợi quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu.
Mặt khác, do việc khó lắp đăt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu
trong sợi quang có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống.
Suy hao tín hiệu trong sợi quang có thể do ghép nối giữa nguồn phát
quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu
quang, bên cạnh đó quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy
hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm
chúng bằng nhiều biện pháp khác nhau. Tuy nhiên, vấn đề chính ở đây ta xét đến
suy hao do bản chất bên trong của sợi quang.
2.2.3.1 Suy hao tín hiệu
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra out
P của
sợi có chiều dài L và công suất quang đầu vào in
P. Tỷ số công suất này là một hàm
của bước sóng. Người ta thường sử dụng
α
để biểu thị suy hao tính theo dB/km.
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
out
in
P
P
Llog
10
α
(2.2)
Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần
như không có suy hao, khi đó inout PP
.
2.2.3.2 Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang
Hấp thụ ánh sáng trong sợi dẫn quang là yếu tố quan trong trong việc tạo
nên bản chất suy hao của sợi dẫn quang. Hấp thụ nảy sinh do ba cơ chế khác nhau
gây ra.
¾ Hấp thụ do tạp chất: Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có
trong vật liệu sợi. Trong thủy tinh, các tạp chất như nước và các ion kim
loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion sắt, crom,
đồng và các ion OH. Sự có mặt của các tạp chất này làm cho suy hao
đạt tới giá trị rất lớn. Các sợi dẫn quang trước đây có suy hao trong
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
9
-
khoảng từ 1 đến 10dB/km. Sự có mặt của các phân tử nước đã làm cho
suy hao tăng hẳn lên. Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng
khoảng 2700nm và cùng tác động qua lại cộng hưởng với Silic, nó tạo
ra các khoảng hấp thụ ở 1400nm, 950nm và 750nm. Giữa các đỉnh này
có các vùng suy hao thấp, đó gọi là các cửa sổ truyền dẫn 850nm,
1300nm, 1550nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền ánh
sáng như trong hình vẽ dưới đây:
Hình 2.3 Đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang đối
với các quy chế suy hao.
¾ Hấp thụ vật liệu: Ta thấy rằng ở bước sóng dài thì sẽ suy hao nhỏ
nhưng các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ
ánh sáng có bước sóng dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu.
Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài
vùng bước sóng sử dụng, nhưng nó vẫn có ảnh hưởng và ở đây nó kéo
dài tới vùng bước sóng 1550nm làm cho vùng này không giảm suy
hao một cách đáng kể.
Hấp thụ điện tử: 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.