Trong truyền thông quang học, ống dẫn sóng quang cần thiết để truyền tín hiệu quang-khoảng cách xa là ống dẫn sóng điện môi hình trụ được gọi là sợi quang (hoặc đơn giản làsợi quang). Sợi quang là một ống dẫn sóng điện môi hoạt động ở tần số quang, dẫn năng lượng ánh sáng truyền dọc theo hướng song song với trục của nó.
Cấu trúc và phân loại sợi quang
△Nguyên lý dẫn đường của sợi quang
Cấu trúc của sợi quang:
Sợi quang (OF) là một loại sợi điện môi trong suốt dùng để dẫn ánh sáng. Một sợi quang thực tế bao gồm nhiều lớp điện môi trong suốt. Cấu trúc điển hình của sợi quang, như trong Hình 2-1, có thể được chia thành ba lớp: lõi có chiết suất cao hơn, lớp bọc có chiết suất thấp hơn và lớp phủ bên ngoài. Cấu trúc của lõi và lớp bọc đáp ứng yêu cầu dẫn ánh sáng, kiểm soát sự truyền sóng ánh sáng dọc theo lõi; lớp phủ chủ yếu phục vụ chức năng bảo vệ (vì nó không dẫn ánh sáng nên nó có thể được nhuộm bằng nhiều màu khác nhau).
(Hình 2-1 Cấu trúc của một sợi quang điển hình)
(1) Lõi sợi quang Lõi sợi nằm ở trung tâm của sợi quang (đường kính 5~80µm). Thành phần của nó là silicon dioxide-có độ tinh khiết cao, được thêm vào một lượng nhỏ chất tạp chất như germanium dioxide và photpho pentoxide. Mục đích của việc thêm những lượng nhỏ chất pha tạp này là để tăng chỉ số khúc xạ (n) của lõi sợi một cách thích hợp. Đối với sợi quang truyền thông, đường kính lõi là 5~10µm (sợi đơn mode) hoặc 50~80µm (sợi đa mode).
(2) Lớp bọc: Lớp bọc nằm xung quanh lõi sợi (đường kính của nó khoảng 125 μm) và thành phần của nó cũng là silicon dioxide có độ tinh khiết cao-chứa một lượng rất nhỏ chất pha tạp. Vai trò của chất pha tạp (chẳng hạn như boron trioxide) là làm giảm chỉ số khúc xạ quang học (n2) của lớp bọc một cách thích hợp, làm cho nó thấp hơn một chút so với chỉ số khúc xạ của lõi sợi. Để đáp ứng các yêu cầu dẫn ánh sáng khác nhau, lớp ốp có thể được chế tạo dưới dạng một lớp hoặc nhiều lớp.
(3) Lớp ngoài cùng của sợi quang được phủ là lớp phủ bao gồm acryit, cao su silicon và nylon, làm tăng độ bền cơ học và tính linh hoạt của sợi quang. Lớp phủ thường được chia thành lớp phủ chính và lớp phủ thứ cấp. Lớp phủ thứ cấp là một lớp vật liệu nhiệt dẻo bổ sung được áp dụng trên lớp phủ chính, do đó nó còn được gọi là lớp phủ. Đường kính ngoài của sợi quang được phủ thường khoảng 1,5 cm.
Độ dày của lõi sợi, sự phân bố chiết suất của vật liệu lõi và chiết suất của vật liệu bọc đóng vai trò quyết định trong đặc tính truyền của sợi quang. Vật liệu ốp thường là vật liệu đồng nhất có chiết suất không đổi. Nếu có nhiều lớp ốp thì chiết suất của mỗi lớp ốp là khác nhau. Chiết suất của lõi sợi có thể đồng đều hoặc có thể thay đổi dọc theo bán kính lõi r. Do đó, hàm phân bố chiết suất n(r) dọc theo bán kính thường được sử dụng để mô tả sự thay đổi chiết suất lõi.
Phân loại sợi quang:
Đây là bản dịch tiếng Anh của văn bản từ hình ảnh:
"Hiện nay, có nhiều loại sợi quang, nhưng phương pháp phân loại của chúng thường được chia thành 4 loại: phân loại theo phân bố chiết suất sợi, phân loại theo chế độ truyền, phân loại theo bước sóng làm việc và phân loại theo vật liệu vỏ và vỏ. Ngoài ra, theo thành phần của các thành phần sợi quang, ngoài sợi quang silica được sử dụng phổ biến nhất, còn có sợi quang florua và sợi quang nhựa.
(1) Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ của sợi: có thể chia thành Sợi chỉ số bậc (SIF) và Sợi chỉ số phân cấp (GIF).
1.Cáp quang chỉ số bậc: đề cập đến lõi sợi và vùng vỏ trong đó phân bố chiết suất đồng đều, giá trị là một hằng số và phân bố chiết suất thể hiện cấu trúc phân lớp giống như bậc. Sự biến đổi của chỉ số khúc xạ giống như bước-. Sự phân bố chiết suất của sợi quang chỉ số bước được thể hiện trong Hình 2-2.
Biểu thức phân bố chiết suất của nó là:
n(r) = {n₁(r Nhỏ hơn hoặc bằng a₁)
{n₂ (a₁< r Nhỏ hơn hoặc bằng a₂)
Sợi quang chỉ số bước là một dạng cấu trúc ban đầu của sợi quang. Sau này, trong sợi quang đa mode, nó dần dần được thay thế bằng sợi quang chỉ số được phân loại (vì sợi quang chỉ số được phân loại có thể làm giảm đáng kể sự phân tán màu sắc phương thức mà sợi quang đa mode có). Tuy nhiên, việc sử dụng nó để truyền ánh sáng xung trong sợi quang vẫn còn tương đối phổ biến. Hiện tại, khi sợi quang đơn mode dần thay thế sợi quang đa mode làm sản phẩm chính của sợi quang thương mại, cấu trúc sợi quang chỉ số bước đã trở thành dạng cấu trúc duy nhất của sợi quang đơn mode - nó phải giống như bước.
2. Sợi quang có chỉ số phân cấp: là sợi quang có phân bố chiết suất thay đổi theo bán kính r. Khi khoảng cách từ tâm tăng dần và giảm dần, bán kính dần dần nhỏ lại. Quy tắc biến thiên của nó thường tuân theo quy tắc lũy thừa lũy thừa. Khi đến giao diện lõi sợi và lớp bọc, nó bị cắt cụt theo các giá trị tương ứng với lớp bọc; trong vùng phủ, sự phân bố chiết suất của nó là đồng đều, nghĩa là n₂. Sự phân bố chiết suất của sợi quang chiết suất được phân loại được thể hiện trong Hình 2-3."
Phân bố chiết suất của nó được biểu diễn như sau:
"Trong phương trình, g là số phân bố chiết suất; nó đại diện cho các giá trị khác nhau ở các phân bố chiết suất khác nhau; n₁ là chiết suất ở tâm lõi sợi; n₂ là chiết suất của lớp bọc; a₁ là bán kính lõi; Δ là chênh lệch chiết suất tương đối, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Lý do chính làm giảm độ phân tán đa phương thức của sợi quang chỉ số được phân loại là vì nó làm giảm độ phân tán phương thức, kéo dài khoảng cách truyền và tăng công suất truyền.
(2) Phân loại theo phương thức truyền dẫn:Có thể được chia thành Sợi đa chế độ (MMF) và Sợi đơn chế độ (SMF). Đúng như tên gọi, sợi quang đa mode có thể truyền nhiều chế độ, trong khi sợi quang-chế độ đơn chỉ có thể truyền chế độ cơ bản và chế độ điện trường. Người ta thường tin rằng thế hệ giải pháp truyền dẫn mới nên được ưu tiên bởi-cáp quang đơn mode vì nó có thể truyền xa hơn nhiều so với cáp quang đa mode. Khi độ suy hao và phân tán của môi trường truyền là như nhau, khả năng mang thông tin sau khi điều chế{6}chế độ đơn sẽ cao hơn nhiều so với sau khi điều chế đa chế độ.
Trong các điều kiện bước sóng làm việc nhất định, sợi quang có nhiều chế độ truyền và các chế độ sợi này là sợi quang đa mode. Chỉ số khúc xạ phương thức của sợi quang đa mode xấp xỉ bằng chỉ số khúc xạ của lõi sợi và số lượng chế độ xấp xỉ tỷ lệ với bình phương của V (tần số chuẩn hóa). Vì vậy, nó còn được gọi là sợi quang đa mode được phân loại. Sau đó, nó dần dần trở thành sợi quang chỉ số được phân loại.
Trong các điều kiện bước sóng làm việc nhất định, nếu chỉ có một chế độ truyền trong cáp quang thì chế độ đó được gọi là cáp quang-chế độ đơn. Sợi quang chế độ đơn{2}}chỉ có thể truyền chế độ cơ bản (chế độ trục) và không có sự phân tán đa phương thức khi truyền ở chế độ này. So với cáp quang đa mode có số lượng lớn-chế độ bậc cao hơn, điều này rất hữu ích cho các hệ thống truyền thông cáp quang-tốc độ cao.
(3) Phân loại theo bước sóng làm việc: Có thể chia thành sợi quang có bước sóng ngắn- và sợi quang có bước sóng dài-.
1.Cáp quang có bước sóng ngắn-: Trong giai đoạn đầu phát triển truyền thông cáp quang, bước sóng thường được sử dụng là trong khoảng 0,6 ~ 0,9 μm. Lý do chính vào thời điểm đó là do các nguồn sáng laser bán dẫn và máy dò hoạt động ở dải bước sóng này đã tương đối hoàn thiện và sợi quang có bước sóng ngắn-là sản phẩm chính. Hiện nay, nó hiếm khi được sử dụng.
2.Sợi quang có bước sóng dài{1}}: Khi công việc nghiên cứu tiếp tục, khi đi vào các dải bước sóng 1,31 μm và 1,55 μm, hai dải bước sóng này cho thấy các đặc tính suy hao thấp, độ phân tán bằng 0 và suy hao uốn tối thiểu. Do đó, công việc nghiên cứu đã dần chuyển sang hai dải bước sóng này và các sợi quang có hiệu suất tốt hơn đã xuất hiện. Thực tiễn đã chứng minh rằng ở bước sóng 1,0 ~ 2,0 μm, sợi quang có độ suy hao thấp hơn so với sợi quang có bước sóng ngắn-.
(4)Sợi quang có bước sóng dài-đặc biệt thích hợp cho truyền thông sợi quang ở khoảng cách-dài, dung lượng-cao do những ưu điểm của chúng như độ suy giảm thấp và băng thông rộng.
1.Sợi quang thông thường: là sợi quang có lõi sợi được pha tạp gecmani, lớp bọc và phân bố chiết suất của lõi được kết hợp theo một tỷ lệ nhất định. Vì loại sợi quang này có đặc tính tốt và tương đối dễ sản xuất nên nó đã trải qua nhiều thế hệ cải tiến.
Điều này là do hệ số giãn nở cao của vật liệu có nguyên liệu là germani. Ở nhiệt độ thấp, nó sẽ co lại và nứt. Hiện tượng lưỡng chiết ứng suất sẽ xảy ra, làm tăng thêm tính bất đối xứng cho sợi quang.
2.Sợi quang dịch chuyển-phân tán: Đề cập đến sợi quang trải qua quá trình xử lý nhiệt sau khi pha tạp gecmani, di chuyển điểm phân tán 0-thành một bước sóng chứ không phải ba hoặc ba lần bước sóng.
Quá trình sản xuất loại sợi quang này tương đối phức tạp. Trong đó, đường kính lõi phải phù hợp với mức độ pha tạp để tối ưu hóa sợi quang. Vì vậy, nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi”.
