Sau đótruyền tín hiệu quang họcmột khoảng cách nhất định xuyên qua sợi quang, chúng bị suy giảm và biến dạng, khiến các xung tín hiệu quang đầu vào và đầu ra khác nhau. Điều này biểu hiện dưới dạng suy giảm biên độ và mở rộng dạng sóng của các xung quang. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự suy hao và phân tán trong sợi quang. Suy hao và tán sắc là những thông số quan trọng nhất mô tả đặc tính truyền dẫn của sợi quang, hạn chế khoảng cách truyền dẫn và dung lượng của hệ thống. Phần này chủ yếu thảo luận về cơ chế và đặc điểm của sự mất mát và phân tán sợi quang.
★Đặc điểm của sợi quang (phần 2)
Đặc tính suy hao của sợi quang
Suy hao sợi quang dẫn đến suy giảm tín hiệu, do đó suy hao sợi quang còn gọi là suy hao. Khi khoảng cách trong sợi quang tăng lên, cường độ tín hiệu ánh sáng giảm dần, như sau: P(z)=P(0) /10 - (4) trong đó P(z) là công suất quang ở khoảng cách truyền z; P(0) là công suất quang đầu vào của sợi quang, tức là công suất quang được đưa vào tại z=0; (λ) là hệ số suy giảm sợi quang ở bước sóng tính bằng dB/km; và L là khoảng cách truyền.
Khi t=L, hệ số suy giảm sợi được xác định là
(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]
Khi bước sóng làm việc λ là dB, nếu hệ số suy giảm được đo bằng đơn vị dB trên km thì A(λ) (đơn vị là dB) được biểu thị như sau:
A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]
Truyền thông sợi quang đã phát triển cùng với những cải tiến liên tục trong sản xuất sợi quang, đặc biệt là giảm tổn thất sợi quang. Suy hao sợi quang là một trong những yếu tố chính quyết định khoảng cách chuyển tiếp trong hệ thống thông tin sợi quang. Nhiều yếu tố góp phần gây ra tổn thất sợi, chủ yếu là tổn thất hấp thụ, tổn thất tán xạ và tổn thất bổ sung, và cơ chế gây ra những tổn thất này khá phức tạp. Cuộc thảo luận sau đây sử dụng sợi quang silica làm ví dụ để minh họa các nguyên nhân gây mất mát khác nhau.
Mất hấp thụ
Mất hấp thụ chủ yếu bao gồm hấp thụ nội tại, hấp thụ tạp chất (gốc OH) và hấp thụ khiếm khuyết cấu trúc. Sự hấp thụ nội tại bao gồm sự hấp thụ tia hồng ngoại và tia cực tím.
Hấp thụ hồng ngoại là sự hấp thụ năng lượng ánh sáng gây ra bởi sự cộng hưởng phân tử khi ánh sáng đi qua thủy tinh thạch anh có thành phần SiO2. Ví dụ: đỉnh hấp thụ của Si-O là 9,1 μm, 12,5 μm và 21,3 μm và mức suy hao hấp thụ của sợi quang cao tới 10 dB/km ở mức 9,1 μm. Hấp thụ tia cực tím là năng lượng được hấp thụ khi các electron bị kích thích chuyển sang mức năng lượng cao hơn bằng sóng ánh sáng. Sự hấp thụ này xảy ra ở vùng tia cực tím và do đó thường được gọi là sự hấp thụ tia cực tím. Vật liệu thủy tinh chứa các ion kim loại chuyển tiếp như sắt và đồng, cũng như các ion OH{10}}. Sự hấp thụ tạp chất là sự mất mát do sự hấp thụ năng lượng ánh sáng bởi các bước electron tạo ra bởi dao động ion dưới sự kích thích của sóng ánh sáng. Ví dụ: ở mức 1,39 μm, độ suy giảm là 60 dB/km khi nồng độ ion OH- là 1 × 10⁻⁶.
Mất mát tán xạ
Suy hao tán xạ là tổn thất tỏa năng lượng ánh sáng ra khỏi sợi quang dưới dạng tán xạ. Nguyên nhân là do mật độ-không đồng đều trong sợi. Các loại tổn thất tán xạ chính trong sợi quang bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Brillouin kích thích, tán xạ Raman kích thích, các khiếm khuyết cấu trúc bổ sung và tán xạ uốn cong và tán xạ rò rỉ.
Trong quá trình sản xuất sợi quang, chuyển động nhiệt của các phân tử trong thủy tinh nóng chảy gây ra sự dao động về mật độ và chiết suất trong cấu trúc của nó, từ đó gây ra sự tán xạ ánh sáng. Sự tán xạ gây ra bởi các hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng được gọi là tán xạ Rayleigh; tán xạ gây ra bởi các hạt có cùng bước sóng với ánh sáng gọi là tán xạ Mie.
Tán xạ Rayleigh là nguyên nhân chính gây mất sợi. Tán xạ Rayleigh biểu hiện một tính chất tỷ lệ với 1/λ của bước sóng ngắn, tức là R=K/λ. Hằng số tỷ lệ K có liên quan đến cấu trúc và thành phần của thủy tinh. Nói chung, nhiệt độ chuyển thủy tinh càng cao và thành phần của nó càng phức tạp thì tổn thất do tán xạ Rayleigh càng lớn.
Sự tán xạ Rayleigh bị ảnh hưởng bởi cường độ ánh sáng tới. Mặt khác, tán xạ Brillouin kích thích và tán xạ Raman kích thích xảy ra khi mật độ năng lượng ánh sáng vượt quá một giá trị cao nhất định và được tạo ra bởi sự tương tác giữa ánh sáng và môi trường.
Tổn thất bổ sung
Suy hao bổ sung (hoặc tổn hao ứng dụng) là tổn hao bắt nguồn từ các nguồn bên ngoài, chẳng hạn như tổn hao do xoắn sợi hoặc áp lực ngang trong quá trình xây dựng, lắp đặt và vận hành, dẫn đến sự uốn cong-vĩ mô và-uốn vi mô của sợi.
Nguyên nhân gây mất chất xơ được tóm tắt trong hình:
| Loại | Danh mục phụ- | Chi tiết / Mô tả |
|---|---|---|
| Mất hấp thụ | Hấp thụ nội tại | • Hấp thụ hồng ngoại • Hấp thụ tia cực tím |
| Hấp thụ bên ngoài | Gây ra bởi các tạp chất như Fe, Cu, kim loại chuyển tiếp và sự hấp thụ rung động của OH⁻ | |
| Mất tán xạ | Tán xạ tuyến tính | |
| - tán xạ Rayleigh | Tán xạ bởi các hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng quang học | |
| - Mie tán xạ | Tán xạ bởi các hạt có kích thước tương đương với bước sóng quang học | |
| Tán xạ phi tuyến | ||
| - Sự tán xạ Brillouin được kích thích | Xảy ra khi mật độ công suất quang vượt quá ngưỡng thấp hơn | |
| - tán xạ Raman kích thích | Xảy ra khi mật độ công suất quang vượt quá ngưỡng cao hơn | |
| Mất thêm | - | Tổn thất do vi uốn, uốn vĩ mô, kéo giãn, nén và biến dạng cơ học |
Đặc tính tán sắc của sợi quang
Trong vật lý, tán sắc đề cập đến hiện tượng ánh sáng có các màu khác nhau bị phân tán sau khi đi qua một môi trường trong suốt. Một chùm ánh sáng trắng bị tách thành một dải bảy màu sau khi đi qua lăng kính. Điều này là do thủy tinh có chiết suất khác nhau đối với các màu khác nhau (tần số khác nhau hoặc bước sóng khác nhau). Bước sóng càng dài (hoặc tần số càng thấp) thì chiết suất của thủy tinh càng thấp; bước sóng càng ngắn (hoặc tần số càng cao) thì chiết suất càng cao. Nói cách khác, chiết suất của thủy tinh là hàm của tần số (hoặc bước sóng) của sóng ánh sáng. Khi ánh sáng trắng gồm nhiều màu khác nhau tới ở cùng một góc θ, theo định luật khúc xạ (n=sinθ/n²), các màu ánh sáng khác nhau sẽ có góc khúc xạ khác nhau do các giá trị n² khác nhau, do đó tách các màu ánh sáng khác nhau, dẫn đến sự tán sắc. Vì n=c/n (trong đó c là tốc độ ánh sáng, c=3 × 10⁻⁶ m/s), rõ ràng là các màu sắc khác nhau của ánh sáng truyền đi với tốc độ khác nhau trong thủy tinh.
Trong lý thuyết truyền dẫn sợi quang, ý nghĩa của thuật ngữ “tán sắc” đã được mở rộng. Trong sợi quang, tín hiệu được truyền và truyền bằng sóng ánh sáng ở nhiều chế độ hoặc tần số khác nhau. Khi tín hiệu đến thiết bị đầu cuối, các chế độ hoặc tần số khác nhau của sóng ánh sáng sẽ gặp phải sự khác biệt về độ trễ truyền dẫn, gây ra hiện tượng méo tín hiệu. Hiện tượng này được gọi chung là sự phân tán. Đối với tín hiệu số, sự phân tán gây ra sự mở rộng xung sau khi truyền đi một khoảng cách nhất định qua sợi quang. Trong trường hợp nghiêm trọng, các xung liên tiếp sẽ chồng lên nhau, tạo thành sự giao thoa giữa các ký hiệu. Do đó, độ phân tán xác định băng thông truyền của cáp quang và giới hạn tốc độ truyền hoặc khoảng cách bộ lặp của hệ thống. Sự phân tán và băng thông là những đặc tính giống nhau của sợi quang được mô tả từ những góc độ khác nhau.
Dựa trên các nguyên nhân gây tán sắc, tán sắc sợi quang chủ yếu được chia thành: tán sắc phương thức, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc chế độ phân cực, sẽ được giới thiệu dưới đây.
Chế độ phân tán
Sự phân tán phương thức thường tồn tại trong sợi đa mode. Do nhiều chế độ cùng tồn tại trong sợi đa chế độ và tốc độ truyền nhóm của các chế độ khác nhau dọc theo trục sợi là khác nhau, nên chắc chắn chúng sẽ đến đầu cuối vào các thời điểm khác nhau, dẫn đến chênh lệch độ trễ thời gian và hình thành sự phân tán đa chế độ, do đó gây ra độ rộng xung mở rộng. Xung mở rộng do phân tán phương thức được thể hiện trong Hình 2-10. Đối với sợi quang-chế độ đơn lý tưởng, vì chỉ có một chế độ (chế độ cơ bản - chế độ LP hoặc HE) được truyền đi nên không có sự phân tán phương thức nhưng vẫn tồn tại sự phân tán chế độ phân cực.
Bây giờ, chúng tôi ước tính độ phân tán phương thức tối đa của sợi quang đa chế độ chỉ mục bước. Sự phân tán phương thức của sợi đa chế độ chỉ mục bước-được hiển thị trong Hình 2-11. Trong sợi quang đa mode chỉ số bước-, hai tia truyền nhanh nhất và chậm nhất lần lượt là tia ① truyền dọc theo trục và tia ② tới ở góc tới hạn bằng 0 độ. Do đó, độ phân tán chế độ tối đa trong sợi đa mode chỉ số bước là chênh lệch thời gian giữa thời gian của tia ② (Tmax) và thời gian của tia ① (Tmin) để đến điểm cuối, ΔTmux: ΔTmux = Ttối đa / Tphút
Theo quang học hình học, trong một sợi quang có chiều dài L, gọi tốc độ của các tia sáng ① và ② dọc theo trục lần lượt là c/n và sinθ·c/n. Do đó, độ phân tán phương thức của sợi quang là ...
Trong các sợi quang được dẫn hướng yếu (sợi có nivà nikhác nhau rất ít), A=(ni- n)/n. Nếu Δ=1%, ni= 1.5 đối với sợi quang silica và chiều dài sợi là 1 km thì độ phân tán đa phương thức tối đa ΔTmcó thể được tính là 50 ns. Do đó, rõ ràng là chiều dài sợi càng dài thì sự phân tán đa phương thức càng nghiêm trọng; và chênh lệch chiết suất tương đối Δ càng lớn thì sự phân tán đa phương thức càng nghiêm trọng.
Phân tán vật liệu
Do chiết suất của vật liệu sợi quang thay đổi theo bước sóng ánh sáng nên vận tốc nhóm ở các tần số khác nhau của tín hiệu quang cũng khác nhau, gây ra chênh lệch độ trễ truyền, một hiện tượng được gọi là tán sắc vật liệu. Sự phân tán này phụ thuộc vào đặc tính bước sóng của chiết suất của vật liệu sợi quang và độ rộng đường truyền của nguồn sáng.
Trong các hệ thống truyền thông sợi quang kỹ thuật số, ánh sáng đầu ra từ nguồn sáng thực tế không phải là một bước sóng duy nhất mà có một dải phổ nhất định. Vì chiết suất của vật liệu sợi là hàm số của bước sóng nên tốc độ truyền ánh sáng bên trong nó (λ)=c/n(λ) cũng thay đổi theo bước sóng. Khi xung ánh sáng phát ra từ nguồn sáng có độ rộng phổ nhất định xuất hiện trên một sợi quang-chế độ đơn và lan truyền, các xung ánh sáng có bước sóng khác nhau sẽ có tốc độ truyền khác nhau, dẫn đến chênh lệch độ trễ thời gian khi chúng đến đầu ra, do đó gây ra hiện tượng mở rộng xung. Đây là cơ chế phân tán vật chất.
Nếu vận tốc nhóm được biết là u=da/dB thì độ trễ nhóm trên mỗi đơn vị độ dài là T=1/v,=n,/c. Do đó, độ phân tán vật liệu của sợi quang có chiều dài L là...
Trong công thức, c là tốc độ ánh sáng trong chân không; λ là chiết suất của lõi sợi; λ là bước sóng ánh sáng; và Aλ là độ rộng phổ phổ của nguồn sáng, trong đó Aλ=λ - λ, biểu thị dải bước sóng có tâm tại A. Nói chung, hệ số tán sắc được sử dụng để đo cường độ tán sắc. Hệ số phân tán D (đơn vị: ps/(nm·km)) được định nghĩa là...
Có thể thấy, hệ số tán sắc là độ tán sắc gây ra bởi một nguồn sáng có độ rộng vạch phổ đơn vị truyền trong một đơn vị chiều dài của sợi quang. Nếu biết hệ số tán sắc vật liệu của sợi quang thì độ tán sắc vật liệu có thể dễ dàng tính toán bằng ΔTm=DmAAL.
Ví dụ 2-1: Giả sử hệ số tán sắc vật liệu cực đại của sợi quang ở bước sóng 1,31m là D=3.5ps/(nm·km). Nếu sử dụng tia laser bán dẫn có bước sóng trung tâm 1,31µm để tạo ra ánh sáng truyền có độ rộng phổ λ=4nm, hãy tính độ phân tán vật liệu do ánh sáng này truyền trong chiều dài 1km của sợi quang gây ra.
Lời giải: Độ phân tán vật liệu của sợi quang có thể được tính dễ dàng như sau:
Tm = DmLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps
Như đã thấy trong Ví dụ 2-1, độ phân tán vật liệu tương đối nhỏ, thậm chí còn nhỏ hơn độ phân tán phương thức của sợi quang đa mode chỉ số bước. Cũng cần lưu ý rằng hệ số tán sắc của sợi quang (không chỉ hệ số tán sắc vật liệu) có thể dương hoặc âm. Trong sợi quang, độ trễ nhóm (A) tăng theo bước sóng sóng mang; nói cách khác, sóng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn lan truyền nhanh hơn. Trong trường hợp này, hệ số tán sắc là âm, gọi là tán sắc âm; ngược lại, sóng ánh sáng có bước sóng dài hơn lan truyền chậm hơn sóng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn.
Ở đây hệ số phân tán là dương, gọi là độ phân tán dương. Rõ ràng, nếu hai sợi quang có dấu hệ số tán sắc ngược nhau được hợp nhất với nhau thì độ tán sắc của vật liệu sẽ được cải thiện.
sự phân tán ống dẫn sóng
Sự phân tán ống dẫn sóng ΔTw đề cập đến một chế độ dẫn hướng cụ thể trong sợi quang. Các bước sóng khác nhau có hằng số pha khác nhau, dẫn đến vận tốc nhóm khác nhau và do đó bị phân tán. Sự phân tán ống dẫn sóng cũng liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau như các thông số cấu trúc của sợi quang và sự chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc; do đó, nó còn được gọi là phân tán cấu trúc.
Phân tán chế độ phân cực
Phân tán chế độ phân cực là một loại phân tán duy nhất dành cho sợi quang{0}chế độ đơn. Bởi vì các sợi-chế độ đơn thực sự truyền hai chế độ phân cực trực giao lẫn nhau nên điện trường của chúng bị phân cực dọc theo hướng x và y tương ứng.
Băng thông sợi quang
Sự phân tán và băng thông của sợi quang mô tả cùng một đặc tính. Trên thực tế, sự tán sắc mô tả mức độ mà xung ánh sáng mở rộng dọc theo trục thời gian sau khi truyền; đó là sự mô tả các đặc tính của sợi quang trong miền thời gian. Mặt khác, băng thông mô tả đặc tính này trong miền tần số. Trong miền tần số, đối với tín hiệu điều chế, sợi quang có thể được coi là bộ lọc thông thấp. Khi các thành phần tần số cao-của tín hiệu điều chế đi qua nó, chúng sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Nghĩa là, nếu biên độ của tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều chế) không đổi mà chỉ có tần số thay đổi thì biên độ của tín hiệu đầu ra sau khi truyền qua sợi quang sẽ thay đổi theo tần số của tín hiệu điều chế (tín hiệu đầu vào). TTU-T khuyên bạn nên chỉ định băng thông của cáp quang là [băng thông trên km].
