Chương Sợi quang Sợi quang thành phần hệ thống thông tin quang sợi, chịu trách nhiệm dẫn ánh sáng mang thông tin dựa tượng phản xạ nội toàn phần Mặc dù tượng phản xạ toàn phần biết từ 1854, sợi quang ý đến từ năm 1950 có suy hao lớn (~ 1000 dB/km) Từ 1970 có đột phá kỹ thuật chế tạo sợi quang suy hao thấp (< 20 dB/km), sợi quang bắt đầu quan tâm sử dụng cho mục đích thông tin mở kỷ nguyên thông tin quang sợi Chương tập trung vào khái niệm đặc điểm sợi quang sử dụng hệ thống thông tin Các đặc tính truyền dẫn quan trọng sợi quang mô tả phân tích chương 2.1 Cấu tạo phân loại sợi quang 2.1.1 Cấu tạo sợi quang Sợi quang ống dẫn sóng điện môi hoạt động tần số quang Cấu tạo sợi quang có dạng hình trụ tròn bao gồm hai lớp lớp lõi sợi có chiết suất n1 lớp vỏ sợi bao bọc quanh lõi có chiết suất n2 mô tả hình 2-1 Do ánh sáng truyền sợi quang dựa nguyên lý phản xạ toàn phần nên chiết suất lớp vỏ phải nhỏ chiết suất lớp lõi (n2 < n1) Mặc dù mặt nguyên lý, lớp vỏ không cần thiết cho việc truyền ánh sáng sợi sử dụng cho số mục đích giảm suy hao tán xạ hấp thụ bề mặt lõi, cải thiện đặc tính dẫn sóng sợi quang Lõi Lớp vỏ Lớp bọc đệm Hình 2-1 Cấu trúc sợi quang Bên cạnh hai lớp lõi vỏ sợi, sợi quang sử dụng thực tế bọc thêm một vài lớp bọc đệm vật liệu polyme có tính đàn hồi cao Việc bọc thêm lớp bọc đệm nhằm mục đích gia cường thêm cho sợi 18 quang giảm khuyết tật bề mặt sợi quang, đảm bảo khả sử dụng môi trường thực tế 2.1.2 Phân loại sợi quang Có nhiều kiểu sợi quang khác có nhiều cách phân loại sợi quang Nhìn chung sợi quang phân loại dựa yếu tố sau: - Dựa vào vật liệu chế tạo - Dựa vào số lượng mode truyền dẫn - Dựa vào mặt cắt chiết suất Dựa vào vật liệu chế tạo,các loại sợi quang thường chế tạo từ hai loại vật liệu suốt thủy tinh nhựa Các sợi quang sử dụng viễn thông chế tạo từ thủy tinh cho phần lõi vỏ Các sợi quang nhựa thường có kích thước lớn suy hao cao nhiều so với sợi thủy tinh, có độ bền học tốt Một số loại sợi chế tạo có lõi làm thủy tinh, lớp vỏ làm nhựa Do dựa hai loại vật liệu khác nên cửa sổ truyền dẫn có suy hao thấp loại không giống Sợi chiết suất biến đổi Sợi chiết suất bậc Lớp đệm Lớp vỏ Lõi Khoảng cách chiếu tâm Khoảng cách chiếu tâm Hình 2-2 Mặt cắt ngang mặt cắt chiết suất sợi chiết suất bậc sợi chiết suất biến đổi 19 Dựa vào biến đổi chiết suất lõi hay dạng mặt cắt chiết suất, sợi quang phân thành hai loại chính: sợi chiết suất bậc (SI – step index) sợi chiết suất biến đổi (GI – graded index) mô tả hình 2-2 Trong sợi chiết suất bậc, chiết suất lõi sợi số hay không thay đổi toàn mặt cắt lõi sợi Như chiết suất thay đổi tiếp giáp lõi vỏ tạo thay đổi dạng bậc Còn sợi chiết suất biến đổi, chiết suất lõi biến đổi theo khoảng cách từ tâm sợi biên tiếp giáp với xu hướng chiết suất tâm lõi lớn giảm dần phía biên lõi vỏ Dựa theo số lượng mode truyền, sợi quang có hai loại là: sợi đa mode hỗ trợ nhiều mode truyền sợi sợi đơn mode hỗ trợ mode truyền Khái niệm mode truyền đề cập đến phần sau Do sợi quang sử dụng viễn thông sợi thủy tinh nên dựa hai yếu tố mặt cắt chiết suất số lượng mode, sợi quang phân thành ba loại sợi chính: sợi đa mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi sợi đơn mode Hình 2-3 cho thấy đặc điểm cấu trúc ba loại sợi quang Các đặc tính truyền dẫn ba loại sợi đề cập chi tiết phần sau Mặt cắt chiết suất Mặt cắt sợi quang quỹ đạo tia Kích thước điển hình Sợi đơn mode Sợi đa mode chiết suất bậc Sợi đa mode chiết suất biến đổi Hình 2-3 So sánh cấu trúc loại sợi quang sử dụng viễn thông Ngoài cách phân loại sợi quang trên, sợi quang phân loại theo nhiều cách khác tùy theo mục đích sử dụng hay tính sợi Nếu dựa vào đặc tính truyền dẫn sợi quang có thêm loại sợi dịch tán sắc (DSF) có đặc tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn, sợi bù tán sắc (DCF) sử dụng để bù ảnh hưởng tán sắc, sợi trì phân cực cho phép trì trạng thái 20 phân cực tín hiệu lan truyền, sợi phi tuyến (HNLF) có hệ số phi tuyến cao dùng ứng dụng xử lý tín hiệu quang Dựa vào cấu trúc đặc biệt có loại sợi tinh thể photonic (PCF) hay gọi sợi vi cấu trúc có lớp vỏ vùng lõi vài trường hợp chứa lỗ không khí chạy dọc theo sợi Sự xếp cấu trúc PCF xác định đặc tính dẫn ánh sáng sợi 2.2 Truyền sóng ánh sáng sợi quang 2.2.1 Mô tả theo quang hình học Quá trình dẫn ánh sáng sợi quang hiểu cách đơn giản qua lý thuyết quang hình Mặc dù lý thuyết mô tả gần cho trình dẫn sóng ánh sáng sử dụng sợi có bán kính lõi a lớn nhiều so với bước sóng ánh sáng  Do lý thuyết thường sợi quang đa mode a Sợi chiết suất bậc (SI) Trong sợi chiết suất bậc, chế truyền dẫn ánh sáng mô tả bởi lý thuyết tia hình 2-4 Tia sáng vào lõi sợi từ môi trường có chiết suất n0 góc i so với trục sợi Do chiết suất môi trường thường nhỏ chiết suất lõi sợi nên tia sáng bị khúc xạ phía trục sợi với góc khúc xạ r xác định qua định luật Snell: n0 sin  i  n1 sin  r (2.1) Tia sáng sau tới bề mặt tiếp giáp lõi vỏ với góc tới  Nếu góc tới nhỏ góc tới hạn c tia sáng bị khúc xạ vỏ, lớn góc tới hạn tia sáng phản xạ toàn phần lõi sợi lan truyền sợi quang Góc tới hạn xác định qua định luật Snell: sin c  n2 n1 (2.2) Như có tia sáng vào sợi có góc >c bị giam hãm sợi thông qua phản xạ toàn phần Từ hai phương trình (2.1) (2.2), góc lớn tia sáng vào bị giam hãm sợi xác định bởi: n0 sin  i  n1 cos c  n12  n22  12 (2.3) 𝑟 =  − 𝑐 sử dụng Phương trình (2.3) định nghĩa độ số (Numerical apature - NA) sợi chiết suất bậc: 21 NA  n1 2  , 12   n1  n2  n1 (2.4)  độ lệch chiết suất tương đối lõi vỏ Vì độ số liên quan đến góc vào sợi quang lớn tia sáng nên đặc trưng cho khả tiếp nhận ánh sáng sợi quang ảnh hưởng đến hiệu suất ghép cặp công suất quang sợi Tia không dẫn Chiết suất lõi n1 Tia dẫn Chiết suất vỏ n2 Hình 2-4 Mô tả quang hình chế lan truyền ánh sáng sợi SI Đứng quan điểm lý thuyết tia, mode sợi quang xem loại tia sáng lan truyền sợi góc xác định Như ánh sáng vào sợi đa mode chiết suất bậc lan truyền nhiều mode hay nói cách khác lan truyền nhiều tia sáng với góc lan truyền khác Do chiết suất lõi sợi chiết suất bậc không thay đổi nên tia sáng thẳng lõi phản xạ toàn phần bề mặt lõi vỏ tạo quỹ đạo tia sáng có dạng đường zig-zac Các tia lan truyền góc khác có quãng đường khác gây tán sắc mode làm méo dạng xung quang lan truyền Có loại tia sáng lan truyền sợi quang: tia kinh tuyến (tia thẳng) tia xiên Các tia kinh tuyến tia bị giam hãm mặt phẳng qua trục tâm sợi Một tia kinh tuyến xác định phản xạ toàn phần dọc theo sợi quang mặt phẳng đơn Các tia xiên không bị giam hãm mặt phẳng đơn qua tâm mà có đường dạng xoáy ốc dọc theo sợi quang mô tả hình 2-5 Mặc dù sợi hỗ trợ tia xiên, tia thường dễ bị tán xạ khỏi sợi chỗ bị uốn cong hay khuyết tật chúng trải qua suy hao lớn so với tia kinh tuyến 22 Quỹ đạo tia chiếu bề mặt đầu sợi Quỹ đạo tia Hình 2-5 Mô tả hình học lan truyền tia xiên sợi quang SI b Sợi chiết suất biến đổi Sợi chiết suất biến đổi có chiết suất lõi giảm dần theo khoảng cách từ tâm sợi Một cách tổng quát, mặt cắt chiết suất sợi mô tả bởi:   n1  (r / a) ; n( r )    n1 (1  )  n2 ra (2.5) ra  hệ số mặt cắt chiết suất xác định dạng biến đổi mặt cắt chiết suất lõi sợi, a bán kính lõi sợi, r khoảng cách xuyên tâm Hầu hết sợi chiết suất biến đổi có dạng mặt cắt parabol hay  = Do chiết suất biến đổi bên lõi nên độ số sợi chiết suất biến đổi hàm vị trí mặt cắt lõi sợi Khẩu độ số vị trí r xác định bởi:    n (r )  n22 NA(r )    0  12  NA(0)  (r / a) ; ra ra (2.6) NA(0) độ số tâm sợi  NA(0)  n (0)  n22  12   n12  n22  12  n1 2 (2.7) Như độ số sợi GI giảm dần từ NA(0) xuống đến r dịch từ trục sợi tới biên lõi vỏ Sự biến đổi chiết suất lõi làm cho tia sáng lõi sợi không truyền thẳng mà bị uốn cong Quỹ đạo tia mô tả gần phương trình: d r dn  dz n dr (2.8) 23 r khoảng cách tia so với trục Đối với trường hợp  = 2, nghiệm phương trình (2.8) có dạng: 𝑟 = 𝑟0 cos 𝑝𝑧 + (𝑟0 𝑝)sin⁡ (𝑝𝑧) (2.9) p = (2/a2)1/2 r0 r0’ vị trí hướng tia vào sợi tương ứng Như sợi GI quỹ đạo tia sáng có dạng đường cong hình sin mô tả hình 2-6 Phương trình (2.9) cho thấy tia phục hồi vị trí hướng ban đầu chúng khoảng cách z = 2m/p, m la số nguyên Do mặt nguyên tắc, sợi mặt cắt parabol không biểu thị tán sắc mode Trong thực tế, sợi chiết suất biến đổi có tán sắc mode nhỏ nhiều so với sợi chiết suất bậc Cũng sợi SI, có hai loại tia gồm tia kinh tuyến tia xoắn hỗ trợ lan truyền sợi Các tia xoắn không qua trục sợi bị uốn cong lan truyền tạo thành vòng xoắn chiếu mặt cắt lõi sợi Hình 2-6 Quỹ đạo tia sáng sợi GI 2.2.2 Lý thuyết truyền sóng Để hiểu chất mode truyền ánh sáng đặc tính truyền dẫn kháctrong sợi quang, đặc biệt sợi đơn mode, lý thuyết truyền sóng sử dụng hệ phương trình Maxwell cần sử dụng a Hệ phương trình Maxwell Cũng tất tượng sóng điện từ, trình lan truyền trường quang sợi mô tả hệ phương trình Maxwell Trong môi trường điện môi điện tích tự do, hệ phương trình có dạng: (2.10) (2.11) (2.12) 24 (2.13) E H vec tơ cường độ điện trường từ trường tương ứng, D B vec tơ cảm ứng điện từ tương ứng Các vec tơ cảm ứng liên hệ với vec tơ cường độ trường qua hệ thức sau: (2.14) (2.15) 0 số điện môi chân không, µ0 số từ môi hay độ từ thẩm chân không, P M vec tơ phân cực điện từ tương ứng Đối với sợi quang M = vec tơ phân cực điện P điều kiện tuyến tính liên hệ với E qua: (2.16) Hệ số cảm ứng điện  nhìn chung tensor hạng hai, môi trường đẳng hướng thủy tinh chế tạo sợi rút gọn thành đại lượng vô hướng Các phương trình (2.1)-(2.7) cung cấp hệ thức tổng quát cho việc nghiên cứu trình truyền sóng sợi quang Để thuận tiện biến đổi sử dụng đại lượng điện trường E đại lượng H có biến đổi tương tự Bằng việc lấy curl ptr (2.10) sử dụng ptr (2.11), (2.14) (2.15), phương trình sóng tiêu chuẩn thu được: (2.17) tốc độ ánh sáng chân không định nghĩa c = (µ00)-1/2 Lấy khai triển Fourier E(r,t) qua hệ thức: (2.18) tương tự P(r,t) sử dụng ptr (2.16), ptr (2.17) viết miền tần số sau: (2.19) số điện môi phụ thuộc tần số định nghĩa sau: (2.20) 25 (𝐫, ) khai triển Fourier (r,t) Một cách tổng quát, (r,) phức Các thành phần thực ảo liên hệ với chiết suất n hệ số hấp thụ  qua biểu thức:   n  ic 2 2 (2.21) Sử dụng ptr (2.20) (2.21), n  liên hệ với  sau: 1/ n  1  Re ~  (2.22)    nc Im ~ (2.23) Re Im ký hiệu cho phần thực ảo tương ứng Cả hai đại lượng n  phụ thuộc tần số Sự phụ thuộc tần số n liên quan đến hiệu ứng tán sắc vật liệu sợi quang Trước giải phương trình (2.19), số gần thực để đơn giản hóa phương trình Trước hết,  lấy phần thực thay n2 suy hao nhỏ sợi quang thủy tinh Thứ hai, n(r,) độc lập với tọa độ không gian r lõi vỏ sợi SI, ta sử dụng đẳng thức: (2.24) ptr (2.12) hệ thức 𝑫 = 𝑬được sử dụng để đặt  𝑬 = Ptr (2.24) cho sợi GI biến đổi chiết suất xảy cỡ độ dài dài bước sóng Bằng cách sử dụng (2.24) vào (2.19), ta thu được: (2.25) hệ số sóng không gian tự k0 định nghĩa sau: k0   c  2  (2.26)  bước sóng trường quang chân không dao động tần số  Một phương trình sóng cho đại lượng vec tơ cường độ từ trường H thu theo cách tương tự Các phương trình sóng cần giải để thu mode sợi quang b Các mode sợi quang Một mode quang xem nghiệm phương trình sóng thỏa mãn điều kiện biên phù hợp có thuộc tính dạng phân bố lượng không gian không thay đổi lan truyền Các mode sợi quang phân loại thành mode dẫn, mode dò mode xạ Các mode dò bị giam hãm 26 phần lõi dễ bị suy hao xạ công suất khỏi lõi lan truyền, mode xạ không bị giam hãm lõi mà bị xạ vỏ Do mode dẫn mode mong đợi để truyền dẫn ánh sáng sợi quang Để xác định mode sợi quang, xét trường hợp sợi SI hệ tọa độ trụ cho hình 2-7 Vec tơ cường độ điện trường từ trường hệ tọa độ trụ là: (2.27) Lõi sợi Trục sợi Chiều sóng lan truyền Hình 2-7Hệ tọa độ trụ phân tích lý thuyết truyền sóng sợi SI Phương trình sóng (2.25) hệ tọa độ trụ trở thành: (2.28) toán tử Laplace có dạng: 2      2 2  r   r r  r  r  z (2.29) Phương trình tương tự thu H Vì có hai thành Ez Hz độc lập, thành phần khác Er, E, Hr H thu từ thành phần Do vậy, phương trình sóng cho thành phần z thu từ (2.28):  E z E z  E z  E z     n k 02 E z  2 r r r  r z (2.30) với chiết suất có dạng: n ; n( r )    n2 ; ra ra (2.31) 27 10 THz cho thấy hình 2-40 Bản chất băng rộng nhiều đỉnh phổ chất vô định hình thủy tinh Cụ thể hơn, mức lượng dao động phân tử thủy tinh gộp lại với hình thành dải băng Kết tần số Stokes s khác với tần số bơm p dải rộng Hệ số khuyếch đại lớn xảy dịch Raman 𝑅 = 𝑝 − 𝑠 khoảng 13 THz Giá trị đỉnh gR khoảng 1x10-13 m/W bước sóng µm Giá trị định cỡ tuyến tính theo p sinh 𝑔𝑅 ≈ 6𝑥10−13 m/W 1,55 µm Mức ngưỡng công suất Pth xác định công suất tới nửa công suất bơm truyền cho trường Stokes đầu sợi quang có độ dài L sau g R Pth Leff Aeff  16 (2.149) Hệ số khuyếch đại Raman (x10-13 m/W) Nếu Aeff = 50 µm2  = 0,2 dB/km, Pth khoảng 570 mW gần 1,55 µm Các trạng thái dao động Trạng thái Độ dịch tần số (THz) Hình 2-40 (a) Phổ khuyếch đại Raman thủy tinh nóng chảy 𝑝 = 1µm (b) Giản đồ mức lượng trình SRS Cả hai hiệu ứng SBS SRS ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang, đặc biệt hệ thống đa kênh gây xuyên nhiễu, sử dụng để thiết kế khuyếch đại quang sợi hệ thống 2.6.3Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến Các hiệu ứng điều chế pha phi tuyến sinh phụ thuộc chiết suất vào cường độ tín hiệu quang Nguồn gốc vật lý hiệu ứng nằm đáp ứng phi điều hòa điển tử trường quang sinh cảm ứng điện phi tuyến Chiết xuất sợi thủy tinh bao gồm thành phần phi tuyến xác định sau   nj  n j  n2 P Aeff , j = 1, (2.150) 73 𝑛2 hệ số chiết suất phi tuyến, P công suất quang Aeff diện tích hiệu dụng Giá trị 𝑛2 khoảng 2,6x10-20 m2/W sợi thủy tinh biến đổi theo tạp chất sử dụng lõi sợi Vì giá trị nhỏ 𝑛2 nên phần chiết suất phi tuyến bé (< 10-12 mức công suất mW) Tuy tác động lên hệ thống thông tin quang sợi tuyến khoảng cách lớn Cụ thể dẫn tới hiệu ứng tự điều chế pha điều chế pha chéo Hình 2-41 Sự biến đổi theo thời gian gây SPM: (a) độ dịch pha NL (b) độ chirp tần cho xung Gauss (đường đứt nét) siêu Gauss (đường liền) a Quá trình tự điều chế pha Ảnh hưởng chiết suất phi tuyến xem xét qua phụ thuộc số lan truyền vào công suất viết sau:      k0 n2 P Aeff    P (2.151)  = 2𝑛2 (𝐴𝑒𝑓𝑓 ) hệ số phi tuyến có giá trị thường dải từ đến W-1/km phụ thuộc vào giá trị Aeff bước sóng Pha tín hiệu quang tăng tuyến tính theo z, số hạng  tạo dịch pha phi tuyến xác định L L 0  NL       dz   P z dz  Pin Leff (2.152) 𝑃 𝑧 = 𝑃𝑖𝑛 exp(−𝑧) giải thích cho suy hao sợi quang Trong hệ thống thực tế, Pin thay đổi theo thời gian làm cho NL biến đổi theo thời gian theo dạng tín hiệu quang Vì điều chế pha phi tuyến thân tín hiệu gây nên gọi tự điều chế pha (SPM) Rõ ràng SPM gây chirp tần tỉ lệ với đạo hàm 𝑑𝑃𝑖𝑛 𝑑𝑡 phụ thuộc vào dạng xung Hình 2-41 cho thấy biến đổi 74 dịch pha phi tuyến chirp tần xung 𝑃𝑖𝑛 𝐿𝑒𝑓𝑓 = trường hợp xung Gauss (m = 1) xung siêu Gauss (m = 3) Chirp tần gây SPM mở rộng phổ tác động đến dạng xung thông qua GVD Để SPM không ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang, cần thiết giữ 𝑁𝐿 ≪ (mức cho phép lớn 0,1) b Quá trình điều chế pha chéo Sự phụ thuộc chiết suất vào cường độ dẫn tới tượng phi tuyến khác gọi điều chế pha chéo (XPM) Quá trình xảy hai nhiều kênh bước sóng phát đồng thời sợi quang Trong hệ thống vậy, dịch pha phi tuyến kênh xác định không phụ thuộc vào công suất kênh mà vào công suất kênh khác Độ dịch pha kênh thứ j    jNL  Leff  Pj  2 Pm   m j  (2.153) Hệ số (2.153) có nguồn gốc theo dạng độ cảm ứng điện phi tuyến XPM hiệu suất gấp hai lần SPM mức công suất Sự dịch pha tổng cộng phụ thuộc vào công suất tất kênh biến đổi từ bit sang bit khác phụ thuộc vào mẫu bít kênh lân cận Nếu giả sử kênh có công suất độ dịch pha trường hợp tệ mà tất kênh mang bit đồng thời tất xung xếp chồng lên xác định  jNL   2M  1Pj (2.154) Nó khó để ước tính tác động XPM lên hệ thống thông tin quang sợi có mặt GVD Thực tế xung kênh bước sóng khác lan truyền tốc độ khác tán sắc Sự dịch pha XPM xảy hai xung xếp chồng mặt thời gian Nếu kênh cách xa chúng xếp chồng thời gian ngắn nên XPM bỏ qua Còn không xung kênh lân cận xếp chồng đủ dài để hiệu ứng XPM tích lũy ảnh hưởng đến hệ thống 2.6.4 Trộn bốn sóng Hiện tượng phi tuyến gọi trộn bốn sóng (FWM) có nguồn gốc từ (3) Nếu ba trường quang có tần số sóng mang 1, 2 3 kết hợp đồng thời sợi quang, (3) sinh trường thứ tư có tần số 4 liên hệ với tần số khác qua hệ thức 4 = 1 ± 2 ± 3 Trong thực tế tổ hợp đòi hỏi phối hợp 75 pha Thường tổ hợp 4 = 1 + 2 − 3 quan tâm ảnh hưởng đến hệ thống đa kênh dễ phối hợp pha kênh hoạt động sát bước sóng tán sắc không Khi 1 = 2 ta có trình FWM suy biến mô tả hình 2-42 Hình 2-42 Quá trình trộn bốn sóng (a) trường hợp suy biến (b) trường hợp không suy biến Điều kiện phối hợp pha bắt nguồn từ yêu cầu bảo toàn xung lượng trình Vì tất bốn sóng lan truyền chiều nên độ sai lệch pha viết thành    3    4    1    2  (2.155) () số lan truyền trường quang tần số  Trong trường hợp suy biến 1 = 2 , 3 = 1 +  3 = 1 −  ,  khoảng cách kênh Sử dụng khai triển Taylor ptr.(2.103), độ lệch pha xác định đơn giản ∆= 2 2 Quá trình FWM phối hợp pha hoàn toàn 2 = Khi 2 nhỏ trình xảy truyền công suất từ kênh sang kênh lân cận gần Quá trình truyền công suất không gây suy hao công suất kênh mà gây xuyên âm làm suy giảm nghiêm trọng hiệu hệ thống Tuy nhiên FWM sử dụng ứng dụng xử lý tín hiệu quang tách kênh quang, chuyển đổi bước sóng hay làm liên hợp pha quang 2.7 Cáp sợi quang 2.7.1 Chế tạo sợi quang Như đề cập phần 2.1.2 hầu hết sợi quang sử dụng viễn thông sợi thủy tinh Loại thủy tinh suốt sử dụng chủ yếu chế tạo sợi quang thủy tinh ôxit silic (SiO2) có chiết suất 1,458 850 nm Để tạo hai loại vật liệu khác chút chiết suất cho phần lõi vỏ sợi quang số 76 tạp chất B2O3, GeO2 hay P2O5 thêm vào thủy tinh SiO2 Phụ thuộc vào loại tạp chất thêm vào mà chiết suất thủy tinh tăng thêm hay giảm so với vật liệu tinh khiết ban đầu thấy hình 2-43 Một số ví dụ thành phần sợi quang như: Lõi GeO2-SiO2; vỏ SiO2 - Lõi P2O5-SiO2; vỏ SiO2 - Lõ SiO2; Vỏ B2O3-SiO2 - Lõi GeO2-B2O3-SiO2; vỏ B2O3-SiO2 Chiết suất - Nồng độ pha tạp (% mol) Hình 2-43 Sự biến đổi chiết suất theo nồng độ pha tạp thủy tinh SiO2 Có hai kiểu kỹ thuật chế tạo sợi quang: Kỹ thuật chế tạo nóng chảy trực tiếp (1 giai đoạn) kỹ thuật chế tạo sợi từ phôi (2 giai đoạn) Kỹ thuật chế tạo nóng chảy trực tiếp kỹ thuật truyền thống ban đầu sử dụng để sản xuất sợi quang cách làm nóng chảy thành phần thủy tinh tinh chế để kéo trực tiếp thành sợi quang Mặc dù kỹ thuật cho phép kéo sợi liên tục việc nạp nguyên liệu thành phần đầu vào nồi nung chảy, thường sử dụng cho thủy tinh có điểm nóng chảy thấp khó điều khiển để đảm bảo sợi quang kéo đồng gây ảnh hưởng đến tính sử dụng sợi Do phương pháp hai giai đoạn sử dụng bao gồm giai đoạn đầu chế tạo phôi sợi giai đoạn hai thực kéo sợi quang từ phôi sản xuất Quá trình chế tạo phôi sợi quang thực qua trình ôxy hóa pha hay phương pháp lắng đọng pha hóa chất Trong trình này, hóa chất clorua kim loại (VD: SiCl4 GeCl4) có độ tinh khiết cao phản ứng hóa học với ôxy để hình thành hạt muội SiO2 Các hạt muội tập hợp bám bề mặt thủy tinh dạng khối kỹ thuật thông thường sử dụng khác sau thiêu kết (chuyển thành dạng thủy tinh đồng 77 nhiệt nung) để hình thành ống thủy tinh Thanh ống thủy tinh gọi phôi có kích thước điển hình khoảng 10 – 25 mm đường kính dài khoảng 60-120 cm Cấu trúc phôi tương tự cấu trúc sợi quang kéo sau khác kích thước Bốn kỹ thuật thông thường sử dụng để chế tạo phôi là: - Phương pháp lắng đọng pha bên (OVD) - Phương pháp lắng đọng pha theo trục (AVD) - Phương pháp lắng đọng pha bên (MCVD) - Phương pháp lắng đọng pha hoạt tính plasma (PCVD) Thanh phôi sợi Ốc nạp phôi Buồng khí trơ bảo vệ khỏi khí ôxy tránh ôxy hóa carbon Lò nung carbon Điều khiển tốc độ kéo sợi Hộp cộng hưởng có phản xạ đồng tiêu cự Lò xo điều chỉnh Hình 2-44 Hệ thống kéo sợi quang từ phôi Giai đoạn tiếp theo, sợi quang kéo từ phôi việc sử dụng hệ thống thiết bị kéo sợi hình 2-44.Phôi nạp xác vào lò nung gọi 78 lò kéo Tại đầu phôi mềm tới điểm để kéo thành sợi mỏng tức sợi quang Tốc độ quay trống sợi đáy tháp lò kéo xác định tốc độ kéo sợi Vì định độ dày hay kích thước sợi quang, tốc độ quay xác cần phải đảm bảo Một giám sát kích thước sợi quang sử dụng mạch vòng hồi tiếp để điều chỉnh tốc độ Để bảo vệ sợi quang thủy tinh khỏi nhiễm bẩn nước bụi lớp bọc đàn hồi từ vật liệu polymer thực cho sợi kéo Độ dày lớp bọc bảo vệ thường khoảng 250 µm 2.7.2 Cáp sợi quang Để sử dụng thực tế, sợi quang trần sau sản xuất tiếp tục bện thành cáp sợi quang để đảm bảo độ bền học sử dụng.Một đặc tính học quan trọng cáp sợi quang tải trục cho phép lớn lên cáp yếu tố xác định độ dài cáp lắp đặt cách đảm bảo Trong cáp đồng than dây dẫn đồng nói chung thành phần mang tải cáp độ dãn dài lớn 20% mà không bị gãy Nói cách khác, sợi quang khỏe bị gãy mức kéo dãn 4%, sợi quang điển hình có độ kéo dãn gãy sợi khoảng 0,5 – 1% Vì độ mỏi tĩnh xảy nhanh mức ứng suất 40% độ dãn cho phép chậm mức 20%, nên độ dãn sợi trình sản xuất lắp đặt cáp cần giới hạn mức 0,1 – 0,2% Vỏ cáp Thành phần gia cường dạng sợi Thành phần gia cường bọc đệm Băng quấn giấy/nhựa Khối chứa sợi quang Dây dẫn đồng cách điện Lớp vỏ PVC/Polyurethane Hình 2-45 Một ví dụ cấu trúc cáp sợi quang điển hình Cấu trúc cáp phụ thuộc vào loại ứng dụng mà cáp sử dụng, có nguyên tắc chung cho thiết kế cáp sợi quang Một cấu trúc cáp sợi quang bao gồm thành phần sau: lõi cáp, thành phần gia cường, chất độn vỏ cáp Thành phần gia cường giúp bảo vệ sợi quang khỏi tác động học giữ ổn định cho cáp lắp đặt sử dụng Có hai loại thành phần gia cường tùy thuộc 79 vào vị trí chúng cáp thành phần gia cường trung tâm thành phần gia cường bao xung quang Thường dây thép sử dụng làm thành phần gia cường cho cáp Nhưng số ứng dụng đòi hỏi cấu trúc không kim loại để tránh hiệu ứng cảm ứng điện từ để giảm trọng lượng cáp, thành phần gia cường phi kim loại sợi tổng hợp có độ bền kéo căng cao sử dụng Một loại sợi quen thuộc Kevlar, vật liệu nylon tổng hợp mầu vàng mềm dai thuộc họ sợi chung gọi aramit Quá trình chế tạo cáp tốt cách ly sợi quang khỏi thành cáp khác thành phần gia cường, giữ cho chúng sát với trục trung tâm cáp cho phép sợi dịch chuyển tự cáp bị gập kéo căng Phần lõi cáp bao gồm sợi quang bọc đệm bện xoắn quanh thành phần gia cường trung tâm đặt vào lõi có rãnh xoắn sẵn có làm từ vật liệu nhựa Có số kiểu xoắn sợi quang lõi cáp như: kiểu S (xoắn thuận), kiểu Z (xoắn nghịch) kiểu hỗn hợp SZ Việc xoắn sợi giúp đảm bảo giảm tác động bên lên sợi làm cho chiều dài thực tế sợi quang dài so với chiều dài cáp Tùy thuộc vào số lượng sợi mà phần lõi xếp theo dạng lớp hay theo dạng đơn vị Các dải băng nhựa giấy sử dụng để quấn bao bọc phần lõi để giữ ổn định cấu trúc lõi gắn kết nhóm sợi quang với Ống nhựa nhiệt dẻo Sợi quang thủy tinh Lớp bọc đệm (250 m) Lớp đệm (900 m) (b) Mặt trước Sợi quang Mặt bên Sợi tơ gia cường (a) Vỏ cáp (đường Các sợi bọc đệm (c) (đường kính 250 m) kính ~ 2,4 mm) Lớp bọc nhựa Hình 2-46 Các kiểu bọc đệm sợi quang (a) Bọc đệm chặt, (b) bọc đệm lỏng, (c) bọc đệm dạng băng dẹt Trước bện xoắn, sợi quang cần bọc đệm thêm cho sợi quang trần Có hai kiểu bọc đệm sợi quang: bọc đệm chặt bọc đệm lỏng Các cáp với sợi bọc đệm chặt thường sử dụng nhà, cácsợi bọc đệm lỏng sử dụng cấu trúc cáp trời Một kiểu cấu trúc bọc đệm dạng băng dẹt, dạng mở rộng bọc đệm chặt Trong cấu trúc đệm chặt ví dụ hình 2-46(a), sợi quang trần có lớp bọc đệm 250 µm tiếp tục bọc thêm lớp đệm nhựa ôm sát sợi với độ dày cỡ 900 µm Trong cấu 80 trúc đệm lỏng, sợi quang trần bọc ống nhựa dẻo có đường kính lớn nhiều đường kính sợi trần ví dụ hình 2-46(b) Trong cấu trúc này, sợi quang dịch chuyển tự ống đệm bảo vệ sợi khỏi kéo căng cấu trúc cáp gây số yếu tố thay đổi nhiệt độ, lực tải tác động Trong trường hợp cáp nhiều sợi, để đơn giản việc hàn nối cáp, nhà thiết kế hay lựa chọn cấu trúc dải băng dẹt Trong kiểu cấu trúc này, nhiều sợi quang đồng chỉnh xác với bọc lớp đệm nhựa để hình thành dải băng dài liên tục Số lượng sợi dải băng thường dải từ đến 12 sợi Các dải băng xếp chồng lên để hình thành khối hay bó sợi với số lượng lớn (VD: 144 sợi) Các lớp bọc đệm ống đệm sợi quang thường đánh mầu khác cấu trúc cáp nhiều sợi để giúp dễ dàng nhận biết xác sợi quang trình lắp đặt hàn nối Chất độn dạng chất gel hay mỡ sử dụng để điền đầy ống đệm lỏng hay khoảng trống cáp có khả chống ẩm, chống thấm nước không phản ứng hóa học với thành phần khác khó cháy Vỏ cáp bao bọc toàn cấu trúc cáp cần có đặc tính lý hóa học tốt đảm bảo độ bền ép ứng suất kéo căng tác động lên cáp để sợi bên lõi không bị hỏng Lớp vỏ bảo vệ cáp khỏi cọ sát mài mòn, độ ẩm, dung môi hóa chất, dầu chất nhiễm bẩn khác Tuy thuộc vào loại cáp ứng dụng mà có kiểu vỏ cáp khác cấu trúc Vật liệu sử dụng để làm vỏ cáp thường sử dụng loại nhựa polymer PVC (Polyvinylclorua), PU (Polyurethan) hay PE (Polyethylene) Vật liệu PE thường hay sử dụng cho vỏ cáp trời Phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể cáp quang mà cấu trúc cáp có đặc điểm riêng Các cáp sợi quang phân loại theo nhiều cách khác theo mục đích sử dụng theo điều kiện lắp đặt Cấu trúc đệm lỏng Thành phần gia cường trung tâm Cấu trúc đệm lỏng Các băng quấn bọc Băng thép cuộn sóng Chất độn chặn nước Lớp vỏ PE Lớp vỏ PE Chất độn điền đầy chặn nước Thành phần gia cường (các dây thép) Các băng quấn bọc chất chống ẩm Lớp vỏ PE Băng quấn bọc vỏ chì Lớp vỏ PE Lớp đệm (sợi tơ + nhựa đường) Bọc dây thép mạ điện Lớp vỏ bảo vệ Hình 2-47 Ví dụ cấu trúc cáp sợi quang (a) Cáp trời, (b) Cáp quang biển 81 2.7.3 Hàn kết nối sợi quang a Các yếu tố ảnh hưởng đến suy hao mối nối sợi quang Có số yếu tố ảnh hưởng đến suy hao mối nối hai đầu sợi quang bao gồm chất lượng mặt cắt đầu sợi, vị trí tương đối hai đầu sợi độ lệch tham số hai sợi quang Bề mặt phẳng nhẵn Đầu sợi phẳng nhẵn Bề mặt bị sứt mẻ Đầu lồi Hình 2-48 Ví dụ đầu sợi quang cắt không đảm bảo Các đầu sợi quang trước kết nối chuẩn bị đảm bảo chất lượng tốt để giảm thiểu suy hao kết nối Một đầu sợi quang tốt cần đảm bảo với bề mặt phẳng nhẵn vuông góc với trục sợi Chất lượng đầu sợi xác định chủ yếu qua bước cắt đầu sợi, việc cắt đầu sợi không tốt làm cho đầu sợi bị sứt mẻ ghồ ghề ví dụ hình 2-48 gây suy hao lớn kết nối Hình 2-49 Các lỗi đồng chỉnh xảy kết nối (a) Lệch tâm, (b) Khe hở, (c) Lệch trục Diện tích lõi xếp chồng Lõi sợi phát Lõi sợi thu Công suất ghép Công suất bị Hình 2-50 Sự lệch tâm khe hở hai đầu sợi quang Trong trình kết nối hai đầu sợi quang, vị trí tương đối hai đầu sợi liên quan đến trình đồng chỉnh ảnh hưởng có nghĩa đến chất lượng hàn nối Có ba kiểu lỗi đồng chỉnh hai đầu sợi cho thấy hình 2-49 bao gồm lệch tâm, khe hở lệch trục Sự lệch tâm xảy trục hai sợi bị lệch khoảng d yếu tố thường gặp thực tế Sự lệch tâm làm giảm diện tích xếp chồng hai bề mặt đầu sợi cho thấy hình 2-50(a) 82 dẫn tới giảm lượng công suất quang ghép cặp từ sợi sang sợi Khe hở xảy sợi đồng chỉnh thẳng hàng trục có khe hở s hai đầu sợi làm cho phần công suất quang số mode bậc cao bị chặn sợi thu gây suy hao cho thấy hình 2-50(b) Khi trục hai sợi bị lệch góc mối nối phần công suất quang khỏi sợi đầu nằm góc tiếp nhận sợi thu bị mát Mức tổn hao so sánh qua thực nghiệm gây lỗi đồng chỉnh thể qua hình 2-51 sợi đa mode GI hai đường kính lõi 50 55 µm Ở độ lệch tâm khoảng khe hở chuẩn hóa theo bán kính sợi a, độ lệch trục chuẩn hóa theo độ số cực đại sợi Hình 2-51 cho thấy ba lỗi đồng chỉnh suy hao chiếm nhiều gây lệch tâm Trong thực tế độ lệch trục chuẩn hóa hàn nối đạt nhỏ 1% (tương đương 1o) mức suy hao tất lỗi nên nhỏ 0,5 dB Trong trường hợp hàn nóng chảy, suy hao khe hở bỏ qua, connector hai đầu sợi cách khe hở nhỏ để tránh cọ sát vào gây hỏng kết nối Khoảng cách khe hở thường phạm vi từ 0,025 đến 0,1 mm Độ lệch trục (góc) chuẩn hóa, /arcsin NA(0) Chỉ lệch Do lệch góc s/a = Chỉ khe hở Độ lệch tâm chuẩn hóa d/a khoảng cách s/a Hình 2-51 So sánh thực nghiệm suy hao (theo dB) lỗi đồng chỉnh Một yếu tố ảnh hưởng đến suy hao hàn nối khác biệt thông số hai sợi kết nối khác đường kính lõi, khác đường kính vỏ, khác độ số hay có độ méo khác mô tả hình 2-52 Đây 83 coi yếu tố khách quan sợi quang gây Sự khác biệt tham số không tránh khỏi kết nối sợi quang từ nhà sản xuất khác Sai khác đường kính lõi Sai khác NA Không đồng tâm Sai khác đường kính vỏ Méo elip Hình 2-52 Mô tả khác biệt thông số sợi quang ảnh hưởng đến suy hao hàn nối b Hàn nóng chảy Kỹ thuật hàn nóng chảy sử dụng để nối vĩnh viễn hai sợi quang với dọc tuyến truyền dẫn Hai đầu sợi quang sau làm cắt đảm bảo yêu cầu đặt vào giữ sợi rãnh chữ V máy hàn nóng chảy hình 2-53 Các đầu sợi đưa vào gần đồng chỉnh thủ công tự động Hiện hầu hết máy hàn nóng chảy có khả tự động đồng chỉnh đầu sợi nhờ hệ thống camera giám sát đo kiểm tự động máy hàn Đầu hàn nóng chảy laser hồ quang điện Đầu sợi quang để hàn Khay giữ sợi vi chỉnh Hình 2-53 Kỹ thuật hàn nóng chảy sợi quang Sau đồng chỉnh tốt, hai đầu sợi đốt nóng tia hồ quang điện xung laser đến mức đầu sợi bị nóng chảy tức gắn kết với Quá trình đốt nóng thực qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu đầu sợi đốt nóng mức công suất thấp để làm đầu sợi trước đốt nóng giai đoạn sau với mức công suất lớn để làm nóng chảy đầu sợi Kỹ thuật tạo mối hàn có suy hao thấp (có giá trị trung bình điển hình nhỏ 0,06 dB) c Connector quang 84 Sử dụng connector quang để kết nối có suy hao lớn so với mối hàn nóng chảy lại cho phép khả tháo lắp cách linh hoạt hệ thống Có nhiều loại connector quang khác sử dụng ứng dụng khác tiến triển theo phát triển hệ thống Một loại connector quang tốt có suy hao ghép nối thấp, ổn định sử dụng, độ tin cậy cao dễ dàng tháo lắp Hình 2-54 cho thấy số loại connector quang điển hình sử dụng hệ thống thông tin quang Các đầu connector quang kết nối với qua adapter quang tương ứng hình 2-55 Hiện suy hao trung bình kết nối connector quang cỡ 0,3 dB Thông thường kết nối connector quang thực qua tiếp xúc vật lý (PC), có phần nhỏ ánh sáng bị phản xạ đầu sợi kết nối gây ảnh hưởng đến hệ thống Trong số hệ thống yêu cầu phần ánh sáng phản xạ điểm kết nối phải nhỏ, connector quang có đầu vát nghiêng (APC) sử dụng Hình 2-54 Một số loại connector quang điển hình Hình 2-55 Một số loại adapter tương ứng để kết nối connector quang 85 Câu hỏi/bài tập chương 1/ Cấu tạo chung sợi quang cách phân loại sợi quang sử dụng viễn thông ? 2/ Khẩu độ số sợi quang ? Giữa độ số sợi SI sợi GI có khác biệt ? 3/ Thế mode ánh sáng ? Số lượng mode truyền dẫn sợi quang phụ thuộc vào yếu tố nào? Khi sợi quang truyền mode ? 4/ Quá trình truyền ánh sáng sợi đa mode chiết suất bậc có khác biệt với trình truyền ánh sáng sợi đa mode chiết suất biến đổi? 5/ Tại chế tạo sợi quang đơn mode, giá trị V sợi thường lựa chọn khoảng – 2,4? 6/ Trong sợi quang có nguyên nhân gây suy hao? Phổ suy hao sợi quang thủy tinh có đặc điểm gì? 7/ Suy hao uốn cong sợi quang hạn chế cách gì? 8/ Tán sắc ảnh hưởng lên tín hiệu lan truền sợi quang ? 9/ Tại sợi MM-GI có tán sắc mode nhỏ so với sợi MM-SI? Sợi MM-GI thường có mặt cắt chiết suất để tán sắc mode nhỏ nhất? 10/ Trong sợi quang đơn mode có loại tán sắc nào? Để giảm ảnh hưởng loại tán sắc có biện pháp gì? 11/ Đặc tính tán sắc sợi quang dịch tán sắc DSF, sợi quang bù tán sắc DCF sợi quang tán sắc phẳng có khác đặc tính tán sắc sợi đơn mode chuẩn ? 12/ Chứng minh xung Gauss chirp tần bị nén xung ban đầu sợi đơn mode 2C < Hãy xác định biểu thức độ rộng xung nhỏ chiều dài sợi tương ứng 13/Hiệu ứng phi tuyến SPM sợi quang có ảnh hưởng xấu hay tốt lên tín hiệu lan truyền ? 14/ Cho sợi quang có đường kính lõi 50 µm hoạt động bước sóng 850 nm Biết sợi có độ lệch chiết suất 2% với chiết suất lớp vỏ n2 = 1,45 a/ Hãy tính số lượng mode sợi giả sử sợi có mặt cắt chiết suất bậc b/ Hãy tính số lượng mode sợi giả sử sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ số mặt cắt chiết suất  = 86 c/ Hãy tính số lượng mode sợi giả sử sợi có mặt cắt chiết suất biến đổi với hệ số mặt cắt chiết suất  = 2,5 15/ Hãy xác định mức độ dãn xung gây tán sắc mode sợi cho tập 13 16/ Cho sợi quang đơn mode có độ lệch chiết suất 0,2% với chiết suất lõi n1 = 1,474 Hãy xác định đường kính sợi quang biết sợi hoạt động đơn mode bước sóng lớn µm 17/ Hãy tính tốc độ bít giới hạn cho tuyến sợi quang đơn mode 50 km bước sóng 1,3 1,55 m có xung đầu vào bị giới hạn khai triển với độ rộng FWHM 100 ps Giả sử 2 = -20 ps2/km 3 = 0,1 ps3/km bước sóng 1,3 1,55 m tương ứng (Cũng giả sử V