Nội dung

Ch−¬ng 3 HÖ thèng th«ng tin quang 3.1. HÖ thèng th«ng tin sîi quang 3.1.1. CÊu tróc hÖ thèng th«ng tin sîi quang CÊu tróc c¬ b¶n cña hÖ thèng th«ng tin quang m« t¶ ë h×nh 3.1. TÊt c¶ c¸c tÝn hiÖu ®iÖn tõ m¸y ®iÖn tho¹i, tõ c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi, sè liÖu fax ®−a ®Õn ®−îc biÕn ®æi sang tÝn hiÖu quang qua mét bé biÕn ®æi ®iÖn quang E/O (c¸c møc tÝn hiÖu ®iÖn ®−îc biÕn ®æi thµnh c−êng ®é s¸ng). C¸c tÝn hiÖu ®iÖn nhÞ ph©n "0" vµ "1" ®−îc biÕn ®æi ra ¸nh s¸ng d¹ng "kh«ng" vµ "cã" vµ sau ®ã ®−îc göi vµo c¸p quang. C¸c tÝn hiÖu truyÒn qua sîi quang c«ng suÊt bÞ gi¶m vµ d¹ng sãng (®é réng xung) bÞ d·n ra. NÕu c«ng suÊt vµ d¹ng sãng ®Õn n¬i nhËn (víi kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh) vÉn b¶o ®¶m trong møc ®é quy ®Þnh, nã sÏ ®−îc ®−a ®Õn bé biÕn ®æi quang-®iÖn O/E. Bé biÕn ®æi quang-®iÖn sÏ biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thu ®−îc thµnh tÝn hiÖu ®iÖn vµ kh«i phôc l¹i nguyªn d¹ng tÝn hiÖu cña m¸y ®iÖn tho¹i, fax… ®Ó göi ®i. TÝn hiÖu ®· kh«i phôc ®−îc truyÒn ®Õn c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi cña chÆng truyÒn dÉn. H×nh 3.1: CÊu h×nh cña hÖ thèng th«ng tin sîi quang Bé biÕn ®æi ®iÖn-quang E/O lµ c¸c linh kiÖn ph¸t quang nh− diode ph¸t quang (LED) hay laser diode. Bé biÕn ®æi quang-®iÖn O/E chÝnh lµ photo diode. Khi kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn gi÷a tr¹m nguån vµ ®Ých lín h¬n giíi h¹n quy ®Þnh (®èi víi tõng lo¹i sîi quang) tÝn hiÖu sÏ bÞ biÕn d¹ng vµ suy gi¶m tíi møc khã håi phôc l¹i chÝnh x¸c. Lóc ®ã cÇn cã c¸c tr¹m lÆp (repeater: tiÕp søc) gi÷a ®−êng truyÒn ®Ó b¶o ®¶m, tÝn hiÖu tr¹m ®Ých cã thÓ håi phôc chÝnh x¸c. C¸c tr¹m lÆp nµy sÏ biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thu ®−îc thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, råi dïng khuÕch ®¹i ®iÖn tö khuÕch ®¹i lªn vµ söa d¹ng nh− tÝn hiÖu ®iÖn ban ®Çu. TÝn hiÖu nµy sÏ qua bé biÕn ®æi ®iÖn- quang 50 E/O, thµnh tÝn hiÖu quang vµ tiÕp tôc ®−îc truyÒn qua sîi quang tíi ®Ých. Tãm l¹i lµ viÖc söa d¹ng vµ t¨ng c−êng c«ng suÊt cña tÝn hiÖu quang ®−îc thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p ®iÖn. 3.1.2. §Æc ®iÓm cña th«ng tin sîi quang HÖ thèng th«ng tin quang cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n hÖ thèng sö dông c¸p ®ång do sö dông c¸c ®Æc tÝnh cña sîi quang, linh kiÖn thu quang ph¸t quang. Sîi quang cã nh÷ng −u ®iÓm sau: - Suy hao cña c¸p quang thÊp h¬n nhiÒu so víi c¸p kim lo¹i. - C¸p sîi quang ho¹t ®éng ë tÇn sè rÊt cao so víi c¸p kim lo¹i, do ®ã ®é réng b¨ng lín h¬n nhiÒu. - KÝch th−íc rÊt nhá, träng l−îng nhÑ h¬n c¸p ®ång.Cïng mét kÝch th−íc nh− c¸p kim lo¹i, c¸p sîi quang chøa sè lâi sîi quang lín h¬n sè lâi sîi kim lo¹i vµ nhÑ h¬n nhiÒu. Do vËy viÖc l¾p ®Æt c¸p ®¬n gi¶n. - Do sîi quang cÊu tróc b»ng c¸c chÊt c¸ch ®iÖn nh− thñy tinh hoÆc chÊt dÎo, nªn chèng nhiÔu cao, chóng kh«ng chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn tõ tr−êng ngoµi. Kh«ng chÞu t¸c dông cña m«i tr−êng nh− nhiÖt ®é, ®é Èm vµ hãa häc. Do vËy rÊt thuËn lîi khi cho c¸p xuèng m«i tr−êng biÓn. C¸c bé biÕn ®æi O/E vµ E/O cã nh÷ng −u ®iÓm sau: - Cã kh¶ n¨ng biÕn ®æi O/E vµ E/0 tèc ®é cao, nªn sö dông thuËn lîi trong th«ng tin tèc ®é cao vµ b¨ng réng. - HiÖu suÊt biÕn ®æi quang-®iÖn cao vµ kÝch th−íc l¹i nhá. - C¸c linh kiÖn cã thÓ ph¸t x¹ c«ng suÊt quang lín, vµ ®é nh¹y cña m¸y thu cao, nªn cã thÓ cho phÐp t¨ng kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn. MÆc dï c¸c hÖ thèng th«ng tin sîi quang gÆp ph¶i hai khã kh¨n c¬ b¶n: gi¸ thµnh khi x©y dùng hÖ thèng cao, kü thuËt l¾p ®Æt ®ßi hái kh¾t khe (khíp nèi c¸c sîi quang) ®ßi hái tr×nh ®é chuyªn nghiÖp cao, song nã vÉn ®ang ®−îc ph¸t triÓn nhanh vµ quan t©m rÊt nhiÒu. Th«ng tin quang nh− ph©n tÝch ë trªn cã thÓ tãm t¾t l¹i nh÷ng −u ®iÓm chÝnh: - Cã thÓ cho phÐp kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c tr¹m tíi vµi chôc km. Mét sè tuyÕn ®iÖn tho¹i cã thÓ liªn l¹c trùc tiÕp kh«ng cÇn tr¹m lÆp. Nã rÊt thÝch hîp víi th«ng tin ë kho¶ng c¸ch lín, ®Þa h×nh phøc t¹p, nói cao vµ biÓn s©u. - Khèi l−îng th«ng tin thùc hiÖn rÊt lín, tèc ®é truyÒn t¶i còng lín. Cho phÐp thùc hiÖn nhiÒu dÞch vô nh− truyÒn h×nh sè, vµ nhiÒu dÞch vô mµ c¸p ®iÖn kh«ng thùc hiÖn ®−îc. - TÝnh chçng nhiÔu cao vµ b¶o mËt tèt lµ hai yªu cÇu rÊt quan träng trong th«ng tin. Ng−êi ta ®· tÝnh to¸n vÒ kinh tÕ khi sö dông hÖ thèng sîi quang ®Ó th«ng tin, thùc tÕ hiÖu qu¶ h¬n nhiÒu so víi sö dông c¸p ®iÖn. Bëi lÏ hÖ thèng rÊt bÒn, Ýt háng hãc, tån t¹i rÊt l©u, hiÖu qu¶ truyÒn tin l¹i lín. ThËm chÝ ngay c¶ c¸c m¹ch ®iÖn tho¹i trong chung c− còng cho thÊy hiÖu qu¶ kinh tÕ cña hÖ thèng. 3.2. §Æc ®iÓm cña ¸nh s¸ng trong th«ng tin sîi quang 3.2.1 Phæ ®iÖn tö ¸nh s¸ng dïng trong c¸c m¹ng sîi quang lµ mét lo¹i n¨ng l−îng ®iÖn tõ. N¨ng 51 l−îng nµy d−íi d¹ng sãng cã thÓ lan truyÒn trong ch©n kh«ng, kh«ng khÝ vµ xuyªn qua mét vµi d¹ng vËt liÖu nh− thñy tinh v.v… Mét thuéc tÝnh quan träng cña bÊt kú sãng n¨ng l−îng vµo lµ b−íc sãng λ. λ lµ kho¶ng c¸ch sãng lan truyÒn ®−îc trong mét chu kú T. TÊt c¶ c¸c sãng tõ gi¶i radio, sãng viba, radar, ¸nh s¸ng nh×n thÊy, tia X, tia gamma ®Òu lµ sãng ®iÖn tõ. TËp hîp tÊt c¶ sãng ®iÖn tõ, tõ b−íc sãng dµi ®Õn b−íc sãng ng¾n gäi lµ phæ ®iÖn tõ. TÊt c¶ chóng ®Òu lan truyÒn trong ch©nkh«ng víi vËn tèc C=300.000 km/s (chÝnh x¸c lµ 2,9979 x 108/s). Trong m«i tr−êng cã chiÕt suÊt khóc x¹ lµ n, th× vËn tèc ¸nh s¸ng sÏ lµ v=c/n; m«i tr−êng kh«ng khÝ coi chiÕt suÊt khóc x¹ n=1. Gi¶i sãng tõ 400nm ®Õn 700 nm lµ ¸nh s¸ng nh×n thÊy (1nm=10-9m). ¸nh s¸ng cã b−íc sãng lín gÇn 700nm cã mÇu ®á. C¸c sãng mµ m¾t kh«ng nh×n thÊy ®−îc dïng ®Ó truyÒn d÷ liÖu cã b−íc sãng lín h¬n 700nm mét chót, ®−îc gäi lµ hång ngo¹i. B−íc sãng ¸nh s¸ng dïng ®Ó truyÒn d÷ liÖu trong sîi quang lµ 850nm, 1310nm, 1550nm. C¸c b−íc sãng nµy truyÒn trong sîi quang tèt h¬n c¸c b−íc sãng kh¸c. 3.2.2 C¸ch lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang Sãng ®iÖn tõ ph¸t ra tõ mét nguån, chóng di chuyÓn theo mét ®−êng th¼ng. C¸c ®−êng th¼ng nµy ®i ra tõ nguån gäi lµ c¸c tia. C¸c tia s¸ng truyÒn th¼ng trong m«i tr−êng ®ång nhÊt (chiÕt suÊt n ®ång nhÊt) bÞ ph¶n x¹ hoÆc khóc x¹ t¹i biªn ng¨n c¸ch hai m«i tr−êng cã chiÕt suÊt n kh¸c nhau. Sù truyÒn th¼ng, khóc x¹ vµ ph¶n x¹ lµ 3 ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña ¸nh s¸ng. §Æc ®iÓm n÷a còng rÊt quan träng lµ vËn tèc truyÒn cña ¸nh s¸ng gi¶m khi chiÕt suÊt t¨ng. n2 n1 i A a) Tia tíi tia khóc x¹ r B b) HiÖn t−îng ph¶n x¹ H×nh 3.2 Tia s¸ng qua 2 miÒn cã chiÕt suÊt kh¸c nhau Gi¶ sö cã tia tíi A ®i tõ m«i tr−êng cã chiÕt suÊt lµ n1, qua m«i tr−êng cã chiÕt suÊt lµ n2 víi n1>n2. Khi qua biªn gi÷a hai m«i tr−êng, t¹i 0 nã sÏ bÞ lÖch h−íng t¹o ra tia khóc x¹ B. Gäi ϕi lµ gãc tíi, ϕt lµ gãc ph¶n x¹, theo ®Þnh luËt khóc x¹ ta cã: n1=sinϕi=n2sinϕt (3.1) v× n1>n2 nªn ϕt>ϕi NÕu t¨ng ϕi th× ϕt còng t¨ng, ϕi t¨ng ®Õn lóc ϕt=90o, th× sÏ x¶y ra hiÖn t−îng ph¶n x¹ toµn phÇn, tia s¸ng kh«ng cßn ®i vµo m«i tr−êng cã chiÕt suÊt n2 mµ bÞ ph¶n x¹ trë l¹i. Gãc tíi t−¬ng øng víi lóc b¾t ®Çu x¶y ra hiÖn t−îng toµn phÇn gäi lµ gãc tíi h¹n ϕc. Tõ (3.1) ta cã n1sinϕc=1 KÓ tõ ®©y tia tíi A t¹o ra tia ph¶n x¹ B víi gãc ph¶n x¹ ϕr=ϕi . H×nh 3.3 m« t¶ cÊu tróc sîi quang, bao gåm mét m«i tr−êng (chÊt ®iÖn m«i) gäi lµ lâi, lâi nµy ®−îc bao quanh b»ng mét chÊt ®iÖn m«i kh¸c, gäi lµ vá, cã chiÕt suÊt nhá h¬n chót Ýt so víi lâi. Trong hÖ thèng th«ng tin sîi quang, ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn theo suèt sîi quang giíi h¹n trong lâi v× cã hiÖn t−îng ph¶n x¹ toµn phÇn. 52 H×nh 3.3. ¸nh s¸ng truyÒn dÉn bÞ giíi h¹n trong lâi. 3.2.3 Nguån s¸ng sö dông trong th«ng tin sîi quang ¸nh s¸ng lµ sãng ngang dao ®éng vu«n gãc víi ph−êng truyÒn sãng. ¸nh s¸ng lan truyÒn trong m«i tr−êng ®ång nhÊt lµ sãng ®iÖn tõ cã c−êng ®é ®iÖn tr−êng vµ tõ tr−êng thay ®æi theo ph−¬ng vu«ng gãc víi ph−¬ng sãng lan truyÒn. TËp hîp tÊt c¶ c¸c ®iÓm cã cïng mét c−êng ®é ®iÖn tr−êng t¹i mét thêi ®iÓm t¹o ra mÆt ®¼ng pha. ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi quang dùa trªn nguyªn t¾c ph¶n x¹ toµn phÇn gi÷a c¸c mÆt biªn. Muèn tån t¹i ®−îc, chóng ph¶i lµ nguån s¸ng kÕt hîp. §Ó hiÓu tÝnh kÕt hîp cña nguån s¸ng, ta xÐt mét sãng ngang lan truyÒn däc theo sîi d©y bÞ ghim cè ®Þnh ë hai ®Çu h×nh 3.4. Tõ h×nh 3.4 cho thÊy mét sãng bÞ giíi h¹n ë hai biªn, sau khi lÆp l¹i c¸c ph¶n x¹ c¸c sãng lan truyÒn theo h−íng ng−îc l¹i vµ chång lªn c¸c sãng kh¸c (h×nh 3.4.a vµ 3.4.b). HiÖn t−îng sãng nµy chång lªn sãng kia gäi lµ sù giao thoa. Trong c¸c tr−êng hîp nµy biªn ®é sãng ®−îc t¨ng lªn do giao thoa. NÕu gäi l lµ chiÒu dµi cña sîi d©y, tr−êng hîp h×nh 3.4.a t−¬ng øng víi l=λ/2, h×nh 3.5.b t−¬ng øng víi l=2λ/2. Cßn tr−êng hîp h×nh 3.4.c t−¬ng øng víi l≠nλ/2 (n=1,2,3…). C¸c sãng ph¶n x¹ kh«ng chång lªn nhau. Chóng cã pha dao ®éng kh¸c nhau t¹i c¸c ®iÓm trªn d©y. Chóng triÖt tiªu nhau ®Õn møc biªn ®é cña sãng thu ®−îc gi¶m tíi gi¸ trÞ 0. VËy khi tháa m·n ®iÒu kiÖn: l=nλ/2 (víi n=1,2,3…) (3.2) tøc lµ ®é dµi cña sîi d©y b»ng béi sè nguyªn lÇn nöa b−íc sãng th× sãng ®−îc duy tr× vµ t¹o ra sãng ®øng. C¸ch dao ®éng cña d©y t−¬ng øng víi mét sãng ®øng gäi lµ mét mode dao ®éng cña d©y. Hai ®Çu d©y (h×nh 3.4.a) cïng víi trung ®iÓm cña d©y (h×nh 3.4.b) gäi lµ nót sãng ®øng. T¹i c¸c nót nµy, biªn ®é cña dao ®éng lu«n b»ng 0 vµ c¸c nót kh«ng chuyÓn dÞch theo thêi gian. Diode ph¸t quang (LED) vµ laser diode(LD) t¹o nªn c¸c nguån s¸ng cïng pha nh©n t¹o, bëi v× sù ph¸t x¹ ¸nh s¸ng c−ìng bøc cña c¸c nguyªn tö cïng mét pha. ¸nh s¸ng mµ cã sãng cïng pha víi sãng kh¸c theo mÆt th¼ng ®øng víi ph−¬ng truyÒn sãng ®−îc gäi lµ ¸nh s¸ng kÕt hîp kh«ng gian. ¸nh s¸ng do LED vµ LD t¹o ra lµ ¸nh s¸ng kÕt hîp kh«ng gian, ®ãng vai trß rÊt quan träng, bëi v× sîi quang truyÒn t¶i tÝn hiÖu trªn mét mode truyÒn dÉn trong lâi chÞu ¶nh h−ëng cña giao thoa. ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ c¸c ®Ìn th«ng th−êng, kh«ng cã tÝnh kÕt hîp kh«ng gian, nªn kh«ng thÓ dïng cho th«ng tin quang. Ngoµi tÝnh kÕt hîp kh«ng gian, cßn mét yÕu tè kh¸c ®Ó t¨ng tÝnh kÕt hîp cña ¸nh s¸ng, ®ã lµ b−íc sãng duy nhÊt. Mét ¸nh s¸ng liªn tôc cã b−íc sãng ®¬n ®−îc coi lµ kÕt hîp trong miÒn thêi gian. ¸nh s¸ng cã tÝnh kÕt hîp ë miÒn thêi gian, hiÖn t−îng giao thoa cµng t¨ng thªm. 53 C¸c ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ c¸c ®Ìn ®iÖn th−êng lµ ¸nh s¸ng tr¨ng kh«ng ®¬n s¾c (gåm 7 mµu) nªn kh«ng cã tÝnh kÕt hîp thêi gian. ¸nh s¸ng cã tÝnh kÕt hîp c¶ miÒn kh«ng gian vµ thêi gian chÝnh lµ ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ laser. Kh«ng mét nguån s¸ng nµo trong tù nhiªn cã tÝnh kÕt hîp vÒ kh«ng gian, thêi gian nh− ¸nh s¸ng cña laser. H¬n n÷a, khi ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang, do sù nhiÔm x¹, c¸c tia s¸ng cã xu h−íng táa ra. Dïng tia laser cho qua mét thÊu kÝnh, cã møc tËp trung rÊt cao, thuËn lîi khi ®−a ¸nh s¸ng vµo c¸p sîi quang cã ®−êng kÝnh nhá. C¸c tÝn hiÖu trong th«ng tin quang ngµy nay lµ c¸c tÝn hiÖu ®iÒu biªn (thay ®æi c−êng ®é s¸ng). ViÖc chÕ t¹o ®−îc c¸c LD cã tÝnh kÕt hîp thêi gian cao, cã thÓ ®−îc thùc hiÖn ®iÒu pha, t¹o ra c«ng nghÖ th«ng tin dung l−îng siªu lín. Dạng sóng thu được do chồng chất a) phương thức cơ bản b) dạng sóng thu được do chồng chất Dạng sóng thu được do chồng chất 3 1 3 1 2 Sóng đi về bên phải Sóng đi về bên trái 2 Tại điểm buộc chặt, sóng đưa tới bị loại trừ do có hiện tượng phản xạ c) trường hợp không tạo ra sóng đứng H×nh 3.4. Sãng ®øng sinh ra ë sîi d©y 2 ®Çu cè ®Þnh 3.3 Sîi quang 3.3.1 Sîi quang vµ c¸ch lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang Sîi quang 54 Sîi quang lµ sîi m¶nh dÉn ¸nh s¸ng, bao gåm hai chÊt ®iÖn m«i trong suèt kh¸c nhau (®iÖn m«i nh− thñy tinh hoÆc nhùa). Mét phÇn (n»m gi÷a sîi) cho ¸nh s¸ng truyÒn trong ®ã gäi lµ lâi, phÇn cßn l¹i lµ líp nh− bao quanh lâi. Sîi quang ®−îc cÊu t¹o sao cho ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn dÉn chØ trong lâi sîi, b»ng ph−¬ng ph¸p sö dông hiÖn t−îng ph¶n x¹ toµn phÇn. HiÖn t−îng nµy ®−îc t¹o nªn do cÊu tróc líp phñ cã chiÕt suÊt nhá h¬n lâi kho¶ng (0,2÷0,3). §−êng kÝnh líp phñ kho¶ng 0,1 mm, cßn lâi cã ®−êng kÝnh nhá h¬n nhiÒu, cì tõ 10 ®Õn 60 µm. So víi b−íc sãng truyÒn t¶i, nã lín h¬n kho¶ng vµi chôc lÇn. §−êng kÝnh nµy ®−îc x¸c ®Þnh tïy theo yªu cÇu truyÒn dÉn vµ ®Æc tÝnh c¬ häc. §−êng lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang ¸nh s¸ng tõ nguån ph¸t quang bÞ khuÕch t¸n do nhiÔu x¹. Muèn ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang cÇn ph¶i ®−îc tËp trung l¹i. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ ¸nh s¸ng tËp trung ®Òu cã thÓ ®−a vµo sîi mµ chØ mét phÇn cã gãc tíi n»m trong mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh míi cã thÓ ®−a vµo. H×nh 3.5 Gãc nhËn cña sîi quang T¹i ®iÓm ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang, chia thµnh 3 m«i tr−êng liÒn nhau, cã chiÕt suÊt kh¸c nhau. §ã lµ m«i tr−êng kh«ng khÝ, lâi vµ líp phñ, t−¬ng øng víi chiÕt suÊt n0=1, n1, n2. Gäi gãc nhËn lín nhÊt lµ θmax, lµ gãc më ®èi víi tia tíi sè (2) lµ tia t¹o ra tia tíi h¹n, cã gãc tíi h¹n θc (t¹i mÆt ph©n c¸ch lâi vµ líp phñ). T¹i biªn cña kh«ng khÝ vµ lâi, lâi vµ líp phñ, theo ®Þnh luËt khóc x¹ cã: sinθmax=n1θc sin(90 o − θ c ) = cos θ c = n2 n1 v× n1≈n2, gãc më lín nhÊt sÏ lµ: (3.3) sin θ max = n12 − n 22 = n1 2∆ Víi ∆ = n1 − n 2 lµ ®é lÖch chiÕt suÊt t−¬ng ®èi. n1 sinθmax cho ta biÕt ®iÒu kiÖn ®−a ¸nh s¸ng vµo sîi quang. Nã lµ th«ng sè c¬ b¶n quyÕt ®Þnh ®Õn hiÖu suÊt ghÐp nèi gi÷a nguån s¸ng vµ sîi quang: vÝ dô: n1=1,475; n2=1,46 (®é lÖch chiÕt suÊt t−¬ng ®èi lµ 1%) th× sinθmax=0,21 NÕu biÕt ®−êng kÝnh lâi vµ sinθmax, th× x¸c ®Þnh ®−îc l−îng ¸nh s¸ng vµo lâi sîi. 55 3.3.2. Mode lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang C¸c tia s¸ng ®−a vµo sîi quang víi c¸c gãc n»m trong gãc më lín nhÊt cña sîi sÏ ®−îc truyÒn däc theo lâi sîi b»ng c¸ch lÆp l¹i c¸c ph¶n x¹ toµn phÇn t¹i biªn cña lâi vµ líp phñ. Nh−ng gãc ph¶n x¹ t¹i biªn ph¶i tháa m·n c¸c ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh, míi cã giao thoa sãng ¸nh s¸ng. Thùc tÕ, lâi sîi quang cã cÊu tróc h×nh trô, nh−ng ®Ó tiÖn kh¶o s¸t, ta coi chóng lµ h×nh èng vu«ng. Sù ph¶n x¹ t¹i biªn cã thÓ quan s¸t ®−îc qua ®−êng ®i cña tia s¸ng h×nh. V× ph©n bè ®iÖn vµ tõ cã d¹ng gièng nhau, ta chØ xÐt ph©n bè ®iÖn tr−êng vµ suy ra tõ tr−êng t−¬ng øng. Khi xÐt ®Õn mÆt ®¼ng pha cña ®iÖn tr−êng cã mét sè mÆt ®¼ng pha t−¬ng øng víi ¸nh s¸ng tíi vµ mét sè t−¬ng øng víi sãng ph¶n x¹, chóng chång lªn nhau h×nh 3.5.b. V× vËy ¸nh s¸ng tíi vµ ph¶n x¹ giao thoa nhau. xa cã c−êng ®é ®iÖn tr−êng ë h−íng biªn biÕn ®æi mét l−îng b¨ng béi n cña π trong mét chu kú, t¹i chu kú nµy ¸nh s¸ng ®i qua kho¶ng c¸ch n λ /2 (n=1,2,3...) Tr¸i l¹i, víi nh÷ng tia s¸ng cã gãc θ n»m trong kho¶ng θ 0 < θ < θ1 th× kh«ng t¹o ra sãng ®øng. Bëi vËy c¸c gãc ph¶n x¹ cho phÐp ¸nh s¸ng truyÒn trong sîi quang bÞ giíi h¹n trong mét sè gi¸ trÞ nhÊt ®Þnh. §−êng truyÒn cña ¸nh s¸ng, t¹o cho ¸nh s¸ng lan truyÒn ®−îc trong sîi quang, t−¬ng øng víi gãc ph¶n x¹ x¸c ®Þnh, còng nh− ph©n bè ®iÖn tr−êng x¸c ®Þnh ®−îc gãc lµ mode lan truyÒn. Mode lan truyÒn lµ con ®−êng mµ tia s¸ng cã thÓ theo khi ®i trong sîi. Sè l−îng c¸c mode lan truyÒn bÞ giíi h¹n do ®iÒu kiÖn ph¶n x¹ toµn phÇn vµ ph©n bè ®iÖn tr−êng x¸c ®Þnh. C¸c mode cã tªn lµ lan truyÒn bËc 0, bËc 1, bËc 2 vµ bËc (N-1), theo tr×nh tù b¾t ®Çu tõ gãc θ nhá nhÊt. 3.3.3 Sè l−îng mode lan truyÒn vµ b−íc sãng c¾t NÕu gäi sè mode lan truyÒn trong sîi quang lµ N, th× mode lan truyÒn bËc cao nhÊt lµ (N-1), t−¬ng øng víi gãc ph¶n x¹ gÇn b»ng gãc tíi h¹n. NÕu gäi gãc tíi h¹n lµ θ c th× sè l−îng 2a sin θ c ≥ N mode lan truyÒn lín nhÊt N ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn λ 2 [N = 0,1,...( N − 1)] (3.4) Trong ®ã θ c ®−îc tÝnh theo (3.1) sin θ max sin θ c = = n1 v×: λ= nªn: N≤ n12 − n22 n1 λ0 n1 4a λ0 (3.5) n12 − n22 Tõ (3.5) cho thÊy sè mode lan truyÒn phô thuéc vµo kÝch th−íc a cña lâi, b−íc sãng lan truyÒn λ0 vµ sù chªnh lÖch vÒ chiÕt suÊt n1, n2. Khi tÝnh theo biÓu thøc (3.5), sÏ lÊy N lµ sè nguyªn gÇn nhÊt víi kÕt qu¶. VÝ dô 1: cho n1=1,475; n2=1,46; 2a = 50 µm ; sÏ tÝnh ®−îc N=16 56 λ = 1,3µm Sîi quang cã sè l−îng mode lan truyÒn nhiÒu (lín h¬n 1) nh− vËy ®−îc gäi lµ sîi ®a mode. VÝ dô 2: cho n1=1,463; n2=1,46; 2a = 10 µm ; λ = 1,3µm th× N=1. Tr−êng hîp nµy chØ tån t¹i mét mode lan truyÒn bËc 0, sîi quang chØ cã mét mode lan truyÒn gäi lµ sîi ®¬n mode. §èi víi mét sîi quang ®· cho, tøc lµ cã n1, n2, vµ a x¸c ®Þnh, sè mode lan truyÒn N sÏ phô thuéc vµo b−íc sãng λ . Do vËy sîi quang cã thÓ ®−îc sö dông nh− sîi ®¬n mode ë b−íc sãng nµy, th× ®èi víi b−íc sãng ng¾n h¬n, nã kh«ng cßn lµ sîi ®¬n mode n÷a. B−íc sãng nhá nhÊt mµ t¹i ®ã sîi quang lµm viÖc nh− sîi ®¬n mode ®−îc gäi lµ b−íc sãng c¾t vµ ký hiÖu λ c . λc ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh sau: (3.6) λc = 4a n12 − n 22 TÝnh to¸n trªn ¸p dông cho tr−êng hîp èng dÉn sãng lµ vu«ng (ph¼ng), trong thùc tÕ èng dÉn sãng lµ h×nh trô, th×: λc = 2π .a n1 − n 2 2,405 (3.7) B−íc sãng c¾t lµ mét trong nh÷ng th«ng sè c¬ b¶n, ®Æc tr−ng cho sîi quang ®¬n mode. VÝ dô 3: sîi quang cã c¸c th«ng sè: n1=1,463; n2=1,46; 2a = 10 µm sÏ cã λc = 1,22 µm Sîi quang nµy kh«ng thÓ sö dông nh− mét sîi ®¬n mode víi c¸c b−íc sãng λc < 1,22µm . 3.4. Ph©n lo¹i vµ cÊu tróc sîi quang 3.4.1 Ph©n lo¹i sîi quang Sîi quang ®−îc ph©n lo¹i theo 3 c¸ch sau ®©y: Theo vËt liÖu sö dông, theo mode truyÒn dÉn, theo ph©n bè chiÕt suÊt. Ph©n lo¹i theo vËt liÖu ®iÖn m«i: Theo vËt liÖu ®iÖn m«i sö dông th× sîi quang gåm 3 lo¹i: Sîi quang th¹ch anh Sîi quang th¹ch anh kh«ng nh÷ng chØ chøa th¹ch anh nguyªn chÊt (SiO2), mµ cßn cã c¸c t¹p chÊt thªm vµo nh− Ge, B vµ F v.v... ®Ó lµm thay ®æi ®ä chiÕt suÊt khóc x¹. Sîi quang thuû tinh ®a vËt liÖu, chøa thµnh phÇn chñ yÕu lµ soda lime, thuû tinh hoÆc thñy tinh boro-silicat v.v... Sîi quang b»ng nhùa: vËt liÖu s¶n xuÊt sîi quang b»ng nhùa, silicon resin, acrelic resin (tøc lµ polymethyl metha crylate: PMMA), th−êng ®−îc sö dông nhiÒu . §èi víi m¹ng l−íi viÔn th«ng, sîi quang thuû tinh th¹ch anh ®−îc dïng nhiÒu nhÊt, bëi v× nã cã kh¶ n¨ng cho s¶n phÈm cã ®é suy hao nhá, c¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn æn ®Þnh trong thêi gian dµi. C¸c sîi b»ng nhùa th−êng ®−îc sö dông ë nh÷ng n¬i cÇn truyÒn dÉn cù ly ng¾n, khã ®i c¸p b»ng m¸y mãc, thuËn tiÖn trong sö dông l¾p ®Æt thñ c«ng (dÔ hµn, kh«ng ph−¬ng h¹i khi bÞ bÎ cong) mÆc dï lo¹i nµy cã ®Æc tÝnh truyÒn dÉn kÐm. 57 Ph©n lo¹i theo mode lan truyÒn Nh− ph©n tÝch ë trªn, mét sîi quang x¸c ®Þnh, ë b−íc sãng dµi, nã sÏ ho¹t ®éng theo mode lan truyÒn ®¬n mode, nh−ng ë b−íc sãng ng¾n h¬n b−íc sãng c¾t λc , sîi quang l¹i ho¹t ®éng nh− sîi ®a mode. V× vËy ®øng vÒ mÆt nguyªn t¾c kh«ng thÓ coi sîi nµo lµ ®a mode, sîi nµo lµ ®¬n mode. Tuy nhiªn, do ¸nh s¸ng hång ngo¹i sö dông trong th«ng tin s«i ë 3 b−íc sãng: 850nm, 1310nm, 1550nm (1nm=10-9m). MÆt kh¸c ®−êng kÝnh lâi sîi quang còng n»m trong mét kho¶ng tõ 8,5 µm ®Õn 100 µm . V× vËy trong thùc tÕ, ng−êi ta chia sîi quang thµnh 2 lo¹i: ®¬n mode vµ ®a mode. Sîi quang ®a mode Nh− ta ®· biÕt phÇn cña mét sîi quang , mµ qua ®ã ¸nh s¸ng di chuyÓn ®−îc gäi lµ lâi cña sîi. C¸c tia s¸ng chØ cã thÓ ®i vµo trong lâi, nÕu gãc cña nã n»m trong ph¹m vi gãc tíi h¹n cña sîi. Khi tia s¸ng ®· vµo trong lâi, cã mét sè ®−êng ®i mµ tia s¸ng cã thÓ theo c¸c ®−êng ®i nµy ®−îc gäi lµ mode. NÕu ®−êng kÝnh cña lâi ®ñ lín, ®Ó cã nhiÒu ®−êng ®i, mµ tia s¸ng cã thÓ theo th× sîi quang nh− vËy ®−îc gäi lµ sîi ®a mode. Sîi ®¬n mode cã ®−êng kÝnh ®ñ nhá, sao cho chØ cho phÐp tia s¸ng di chuyÓn theo mét con ®−êng duy nhÊt bªn trong sîi. Th«ng th−êng cã 5 phÇn cÊu t¹o thµnh c¸p sîi quang. PhÇn lâi cña sîi lµ phÇn tö truyÒn dÉn ¸nh s¸ng n»m ë gi÷a cña c¸p. TÊt c¶ ¸nh s¸ng ®Òu ®i qua lâi. Lâi ®−îc lµm b»ng nhùa hoÆc thñy tinh. Bao quanh lâi lµ líp phñ lµm b»ng thñy tinh hoÆc nhùa nh−ng víi hÖ sè chiÕt suÊt khóc x¹ nhá h¬n. C¸p quang ®a mode tiªu chuÈn lµ lo¹i ®−îc dïng phæ biÕn trong c¸c LAN. C¸p quang ®a mode dïng sîi cã ®−êng kÝnh lâi lµ 62,5 hay 50 micron vµ líp phñ cã ®−êng kÝnh lµ 125 micron. C¸c lo¹i nµy ®−îc gäi lµ 62,5/125 hay 50/125. Nguån s¸ng sö dông víi sîi ®a mode lµ nguån ph¸t ra tõ diode ph¸t quang (LED) hång ngo¹i, hay laser bøc x¹ bÒ mÆt. LED rÎ h¬n vµ an toµn h¬n laser, nh−ng LED kh«ng thÓ cho phÐp truyÒn ¸nh s¸ng ®i xa b»ng laser. Sîi ®a mode cã thÓ truyÒn tÝn hiÖu ®i xa ®Õn 2 km. Sîi quang ®a mode l¹i chia lµm hai lo¹i: Lo¹i cã chiÕt suÊt thay ®æi râ rµng gi÷a lâi vµ líp phñ thµnh bËc vµ lo¹i cã chiÕt suÊt thay ®æi dÉn tõ t©m lâi ra ®Õn biªn giíi líp phñ. ChiÕt suÊt miÒn gÇn t©m lâi lµ lín nhÊt, gi¶m dÇn khi cµng ra biªn. §èi víi sîi ®a mode cã chiÕt suÊt nh¶y bËc t¹i biªn gi÷a lâi vµ líp phñ: H×nh 3.6a Sîi quang ®a mode cã n nhÈu bËc vµ tia s¸ng truyÒn trong nã Trong tr−êng hîp nµy c¸c tia s¸ng 1,2,3 ph¸t ra tõ mét xung ¸nh s¸ng hÑp ®i theo 3 ®−êng kh¸c nhau. §−êng cña tia 1 Ýt gÊp khóc nhÊt, nªn ®Õn ®Ých víi ®é dµi ng¾n nhÊt, nªn ®Õn sím nhÊt. C¸c tia 2 vµ 3 ®i theo ®−êng gÊp khóc nhiÒu h¬n, qu·ng ®−êng ®Õn ®Ých xa h¬n, nªn ®Õn chËm h¬n. Tia 3 sÏ ®Õn ®Ých chËm nhÊt. KÕt qu¶ lµ tõ 58 xung ¸nh s¸ng hÑp tõ nguån ph¸t ®i, ë ®Ých sÏ nhËn ®−îc xung cã ®é réng lín h¬n vµ bÞ biÕn d¹ng. §èi víi sîi ®a mode, cã chiÕt suÊt, gi¶m dÇn tõ t©m lâi ra biªn: CÊu tróc nµy ®−îc m« ta cô thÓ ë h×nh 3.6b: H×nh 3.6b Lâi cã chiÕt suÊt thay ®æi dÇn vµ ®−êng tia s¸ng gi¶ sö tia 1 t−¬ng øng víi mode thÊp nhÊt, ph¶n x¹ t¹i miÒn gÇn trôc t©m cña lâi. Tia 2 cã gãc më lín h¬n, kh«ng ph¶n x¹ t¹i líp trong mµ ph¶n x¹ t¹i líp 2. Tia 3 cã gãc më lín h¬n n÷a, sÏ ph¶n x¹ t¹i biªn cña lâi vµ líp phñ. Ta biÕt r»ng tèc ®é lan truyÒn sãng tØ lÖ nghÞch víi chiÕt suÊt n. Tia 1 ®i qu·ng ®−êng ng¾n nhÊt, nh−ng truyÒn trong mäi tr−êng chiÕt suÊt lín nhÊt, tèc ®é truyÒn nhá nhÊt. Tia 3 ®i qu·ng ®−êng xa nhÊt nh−ng tèc ®é truyÒn lín nhÊt. NÕu biÕn ®æi chiÕt suÊt thÝch hîp th× c¸c tia sÏ ®Õn ®Ých cïng mét thêi gian mÆc dï ®i qu·ng ®−êng kh¸c nhau. D¹ng chiÕt suÊt thay ®æi ph©n bè theo d¹ng gÇn nh− parabol, cã ®é lÖch thêi gian gi÷a c¸c tia lµ nhá nhÊt. C¸c sîi ®a mode cã vá bäc mµu da cam, nh−ng ®«i khi còng cã mµu kh¸c. Sîi ®¬n mode Sîi ®¬n mode cã c¸c thµnh phÇn cÊu thµnh gièng nh− sîi ®a mode. Vá cña sîi ®¬n mode th−êng cã mµu vµng. Kh¸c biÖt chñ yÕu gi÷a hai lo¹i sîi ®¬n vµ ®a mode lµ sîi ®¬n mode chØ cho mét mode s¸ng lan truyÒn qua lâi cã ®−êng kÝnh nhá h¬n rÊt nhiÒu. Lâi cña sîi ®¬n mode cã ®−êng kÝnh lµ 9 µm vµ líp phñ 125 µm , víi cÊu tróc nµy ®−îc coi lµ 9/125. Nguån s¸ng sö dông víi sîi ®¬n mode chñ yÕu lµ laser hång ngo¹i. Tia s¸ng ®i vµo lâi víi gãc rÊt hÑp. C¸c xung ¸nh s¸ng mang d÷ liÖu trong sîi ®¬n mode ®−îc truyÒn chñ yÕu theo mét ®−êng gÇn th¼ng ngay vµo gi÷a lâi. §iÒu nµy gia t¨ng rÊt nhiÒu vÒ tèc ®é vµ cù ly th«ng tin. Víi kÕt cÊu ®ùac biÖt nh− vËy, sîi ®¬n mode cã tèc ®é truyÒn sè liÖu cao vµ cù ly th«ng tin lín h¬n nhiÒu so víi sîi ®a mode. Sîi ®¬n mode cã thÓ truyÒn sè liÖu xa hµng chôc km. Nh−ng laser vµ sîi ®¬n mode ®¾t h¬n LED vµ sîi ®a mode. C¸p sîi quang cã 5 thµnh phÇn cÊu thµnh, bao gåm: lâi, líp phñ, líp ®Öm, vËt liÖu gi÷ bÒn vµ vá c¸p b¶o vÖ. Lâi vµ líp phñ ®Òu lµm b»ng thñy tinh, hoÆc nhùa. Xung quanh líp phñ lµ vËt liÖu ®Öm, th−êng lµ nhùa nh»m b¶o vÒ cho lâi vµ líp phñ kh«ng bÞ h− háng. Bao quanh líp ®Öm lµ vËt liÖu bÒn ®Ó tr¸nh sù gi·n c¸p khi khi kÐo sîi c¸p ®Ó l¾p ®Æt. VËt liÖu bÒn th−êng lµ kevlar. Vá bäc ngoµi nh»m chèng sù trÇy x−íc vµ c¸c h− háng kh¸c. 3.4.2 C¸c tham sè c¬ b¶n cña sîi quang C¸c tham sè c¬ b¶n ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc sîi quang lµ ®−êng kÝnh lâi sîi, ®−êng kÝnh 59