1 I. Các đặc tính cơ bản của sợi quang
1. Suy hao trong truyền dẫn của sợi quang
Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết
kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên
một tuyến thong tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn quang với sợi
quang, giữa sợi quang với sợi quang giữa sợi qung với đầu thu quang và sợi
quang với các thiết bị khác trên tuyến như khuếch đại quang hay các thiết bị xen
rẽ kênh v.v… cũng có thển coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó
quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao quang.Các
suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng
bằng nhiều cách khác nhau. Đáng chú ý hơn là suy hao do bản chất bên trong
của sợi. Trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ánh sang, bản than sợi dẫn quang
cũng bị suy hao, làm cho cường độ tín hiệu bị yếu đi khi qua một cự ly lan
truyền ánh sang nào đó.Nguyên nhân suy hao cơ bản trong sợi quang là suy hao
do hấp thụ, suy hao do tán sắc và các suy hao do bức xạ ánh sang. Trong các suy
hao trên, suy hao do hấp thụ có lien quan tới vật liệu chế tạo sợi trong đó bao
gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện tử. Suy hao do tán xạ
có lien quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi. Cuối
cùng, suy hao bức xạ do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra.
1.1 Hệ số suy hao
Công thức tổng quát về sự thay đổi công suất ánh sang P được truyền trong sợi
quuang đưa ra bởi luật Beer:
dP/dz=-αP (2-56)
với α là hệ số suy hao
Nếu P là công suất phát vào sợi quang có chiều dài là L,P là công suất đầu ra thì
từ (2-56) ta có:
P
out

=P
in
và α=0
dB/km.
Trong thực tế, suy hao của sợi quang cũng rất nhỏ. Sợi đơn mode với đường
kính lõi dk= 9,4 µm, Δ= 1,9×10ˉ³, bước sóng cắt là 1,1 µm thì suy hao của sợi ở
bước sóng 1,55 µm là 0,2dB/km.
Suy hao của bản than sợi chủ yếu phụ thuộc vào sự hấp thụ vật liệu và tán xạ
Rayleigh.Chúng ta sẽ xem xét các nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang.
1.2 Suy hao do hấp thụ của vật liệu trong sợi quang.
Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng tạo nên bản chất suy hao của sợi
quang. Hấp thụ nảy sinh là do ba cơ chế khác nhau gây ra.
a. Suy hao do hấp thụ của tạp chất.
Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có mặt của tạp chất có trong vật
liệu sợi. Trong thủy tinh thông thường các tạp chất như nước và các ion kim loại
chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao như các ion kim loại sắt, crom, coban,
đồng.v.v…, và các ion OHˉ của nước. Sự có mặt của các hợp chất này làm cho
suy hao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi quang mà chế tạo như các lăng kính thông
thường thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km. Các sợi quang trước đây với lượng
tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) có suy hao trong khoảng từ 1 đến 10 dB/km.
Sự hấp thụ của ion OHˉ
Sự có mặt của các phần tử nước đã làm cho suy hao trội hẳn lên. Liên kết OHˉ
đã hấp thụ ánh sang ở bước song khoảng 2,7 µm, với tác động của Silic nó tạo ra
đỉnh hấp thụ ở bước sóng ג= 945, 1240 và 1380 nm như hình 2-8.
Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó là các cửa sổ truyền dẫn 850
nm, 1300 nm, và 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền tín
hiệu ánh sáng.
Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20 dB/km, sự có mặt của nước phải thấp hơn
vài phần tỷ.Giá trị này có thể đạt được nhờ chế tạo sợi quang bằng phương pháp
đọng hơi hóa chất bên ngoài (Outside Chemical Vapour Deposition-VAD), cho


dụng để chế tạo sợi quang có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng bước sóng
hồng ngoại xa 10÷20 µm, khá xa vùng bước sóng hiện nay sử dụng cho thông
tin quang là từ 0,8÷1,6 µm trong vùng gần hồng ngoại. Tuy vậy đuôi hấp thụ
của nó vẫn có ảnh hưởng suy hao ở các bước sóng ở gần bước sóng 1,6µm. Và
từ bước sóng 1,6 µm trở nên thì suy hao tăng rất nhanh theo bước sóng. Ngoài ra
ở những bước sóng nhỏ hơn 0,8µm còn có ảnh hưởng của hiện tượng cộng
hưởng hấp thụ cực tím.
c. Hấp thụ cực tím.
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, mặc dù đây là trạng thái
hấp thụ vật liệu, nhưng tác động tương tác xảy ra trong nguyên tử, quan điểm
này chính xác hơn trong phạm vi phân tử. Lúc này bờ cực tím của các dải hấp
thụ điện tử của cả hai vật liệu kết tinh và không kết tinh có quan hệ như sau:


=C
 


(2-59)
Công thức trên được đưa ra bởi Urbach, trong đó C và E
0
là các hằng số được
cho bởi thực tế và E là năng lượng photon. Vì E tỷ lệ nghịch với bước sóng ג,
cho nên đặc tính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng
của bước sóng. Thực tế thì suy hao cực tím nhỏ hơn so với suy hao tán xạ trong
vùng hồng ngoại. Đối với sợi SiO
2
đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0,14 µm, tuy



ג




 








(2-60)
Ở đây n là chỉ số chiết suất của lõ sợi, kB là hằng số Boltzman, β
T
là hệ số
nén đẳng nhiệt của vật liệu, T
f
là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ
đông lại thành thủy tinh.

Đơn vị tính của α
scat
là Neper. Đổi sang dB trong trường hợp tính toán suy
hao công suất thì ta nhân giá trị này với 10=4,343.
Đối với các loại thủy tinh nhiều thành phần tán xạ này được tính:

lan truyền trong lõi sợi bị suy hao. Có hai loại uốn cong là uốn cong vĩ mô
(Macrobending Losses) và uốn cong vi mô (Microbending Losses).
a.Uốn cong vĩ mô (Macrobending Losses).
Uốn cong có bán kính lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi, chẳng hạn
như trường hợp trên ta uốn cong sợi một góc nào đó.
Khi sợi quang bị uốn cong có bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng
tăng.Tất nhiên không thể tránh khỏi uốn cong sợi qaung trong quá trình chế tạo
7 lắp đặt.Nhưng nếu giữ bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính uốn cong tối
thiểu thì suy hao bị uốn cong không đáng kể. Người ta quy định bán kính uốn
cong tối thiểu Rmin là:
Rmin=
²


Như vậy chúng ta cần chú ý đến Rmin để không làm tăng suy hao của sợi.
Thông thường bán kính tối thiểu do nhà đề nghị sản xuất từ 30 nm đến 50 nm.

b. Uốn cong vi mô (Microbending Losses).
Là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫy nhiên, trường hợp này xảy ra trong lúc sợi
được bọc thành cáp. Khi sợi bị chèn ép tạo ra những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ
uốn cong khoảng vài nm) thì suy hao của sợi cũng tăng lên do tia sáng bị lệch
trục.
Một cách chính xác hơn sự phân bố bị xáo trộn khi qua những chỗ uốn cong vi
mô và dẫn tới một phần năng lượng ánh sáng bị phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi vào
lớp vỏ và bị suy giảm dần theo hàm mũ.
1.5 Phổ suy hao của sợi quang.
Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn trong mối tương quan theo

9 Giá trị suy hao bé nhất là αmin=2÷3 dB/km.
Vùng này bị hạn chế bởi đỉnh suy hao ở ג= 0,95 µm, mặc dù hiện nay không sử
dụng loại sợi công tác ở bước sóng này nữa. Đây là vùng dành cho các sợi đa
mode SI và GI, để ứng dụng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn với tốc độ
truyền dẫn chỉ khoảng vài chục Mbit/s.
Vùng truyền dẫn thứ hai: ג=1÷1,3 µm.
10
Thực ra có thể nói ở vùng bước sóng ג=1,3 µm, bị giới hạn ở các đỉnh suy hao ở
ג=1,24 µm và ג=1,38 µm. Tại bước sóng ג=1,310 µm có αmin=0,35 dB/km, và
tán xạ vật liệu không còn. Do đó sử dụng sợi đa mode GI và sợi đơn mode cho
các hệ thống truyền dẫn cự li xa với tốc độ hang Gbit/s đi xa hang mấy chục
Kilomet.
Vùng truyền dẫn thứ ba: ג=1,5÷1,7 µm
Thực chất là nằm ở vùng ג=1,55 µm, bị giới hạn bởi đỉnh suy hao hấp thụ ở
ג=1,38 µm và ngưỡng hấp thụ cộng hưởng tại ג=1,6 µm. Vùng này có suy hao bé
ở bước sóng ג=1,55 µm có thể đạt tới αmin=0,16 dB/km.
Vùng này chủ yếu dùng cho sợi đơn mode, cho các hệ thống truyền dẫn cự li xa
với tốc độ truyền dẫn lên tới hang nghìn Gbit/s và cự li hang tram kilomet.
Trong thực tế các sợi đơn mode và đa mode được chế tạo cho một bước sóng
truyền dẫn xác định, khi đó nó đã được tối ưu cho bước sóng đó về cả đặc tính
tán xạ và cả đặc tính suy hao do đó đường biểu diễn phổ suy haoc của nó sẽ





ps/km.
Với t1 là độ rộng xung đầu vào (50%).
Với t2 là độ rộng xung đầu ra (50%).

Trong sợi quang có 3 loại tán xạ và tán sắc cơ bản:
- Tán xạ mode.
- Tán xạ vật liệu.
- Tán sắc mode phân cực.
12 2 Hiện tượng tán xạ Mode.
Hiên tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode, các thành phần ánh sáng truyền nhờ các
mode riêng rẽ với thời gian khác nhau nên có sự chênh lệch thời gian sinh ra méo xung
(dãn xung). Dạng xung ở máy thu phụ thuộc vào 2 yếu tố sau:

+ Thành phần công suất từ nguồn phát quang được ghép vào sợi quang.
+ Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi.

Trong sợi SI, các tia ứng với mỗi mode chạy theo đường zích zắc với độ dài khác nhau
trong đó tia song song với trục sợi quang có độ dài ngắn nhất. Vì chiết suất n1 của
thủy tinh chế tạo từ ruột không thay đổi nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành
phần như nhau. Vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền của các tia là khác nhau. Các
tia đến đầu sợi không cùng một lúc và có sự chênh lệch về thời gian gây ra dãn xung.

Tia 1 là tia dài nhất có độ dài: d1=


Nên: t1=




Thời gian truyền tia 2: t2=


=



=



13 Vậy thời gian giữa hai đường truyền là:     



-


.



hay còn gọi là trễ nhóm vi sai bắt nguồn từ PMD và sinh ra các ảnh hưởng mà ta
đồng nhất tán sắc vật liệu với PMD bậc 2. Trong sợi đơn mode phép dịch tán sắc
có bước sóng bằng 0 tại 

=1300nm, tại đó kĩ thuật cơ sở là tán sắc vật liệu và
tán sắc ống dẫn sóng. Sự kiểm soát hệ số khúc xạ có thể đặt trong vùng bước
sóng 1300/1550nm. Sau đây ta sẽ xem sét kĩ hơn về 2 nguyên nhân chính gây ra
2 loại tán sắc này.
Ta đã biết chiết suất của vật liệu thủy tinh chế tạo biến đổi theo bước sóng tín
hiệu lan truyền, tức là n = n(λ). Nếu nguồn bức xạ phát ra sóng ánh sáng với duy
nhất một bước sóng 

thì không có hiện tượng chênh lệch thời gian truyền dẫn
giữa các thành phần của xung ánh sáng theo công thức:
V =


= const
Ở bước sóng 

chúng lan truyền với vận tốc V=c/n(

)=const. Thế nhưng
nguồn phát quang như diode phát quang LED hoặc Laser không chỉ bức xạ một
14 vạch phổ tương ứng với bước sóng 

, mà chúng còn bức xạ một dải phổ quanh

= D(λ)..L
Với L: chiều dài đường truyền.
λ : độ rộng bang tần của sóng ánh sáng.
Tán sắc ống dẫn sóng
Tán sắc ống dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng
ở trong lõi, vì vậy cần 20% ánh sáng trong vỏ nhanh hơn năng lượng trong lõi.
Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode  là
một hàm số của


, nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần được
quan tâm ở sợi đơn mode.
Tương tự tán sắc màu, tán sắc dẫn sóng
Dw
là một thành phần đóng góp vào
tham số tán xạ D, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V( tham số V) của sợi
quang được xác định như sau:
Dw = -













Vì tán sắc ống dẫn sóng
Dw
phụ thuộc vào các tham số sợi như bán kính lõi a và
sự khác nhau về chỉ số chiết suất  nên cho phép có thể thiết kế sợi để sao cho
 được dịch kề sát tới bước sóng 1550nm. Các sợi như vậy được gọi là sợi tán
sắc dịch chuyển.
Như vậy, nếu gọi D là hệ số tán sắc vật liệu. Ta có:
D =
Dw + Dm
Với
Dw
và
Dm
tương ứng là tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc màu.
5 Đặc tính cơ học của sợi quang
Như ta đã biết sợi quang rất nhỏ và mảnh, vật liệu chế tạo lại là thủy tinh càng
gây ấn tượng rằng sợi rất dễ gãy vỡ.Nhưng thực tế sợi quang ngày nay có thể
chịu được những ứng suất và lực căng lớn trong quá trình bọc cáp.Quá trình lắp
đặt cũng như khai thác tại các môi trường khác nhau trong mạng lưới viễn
thông.Vì thế ngoài các đặc tính truyền dẫn, đặc tính cơ học của nó cũng rất quan
trọng trong quá trình đưa sợi vào khai thác trong hệ thống thông tin quang. Các
tính chất cơ học đặc trưng cho sợi dẫn quang thể hiện ở lúc chế tạo cáp,lắp đặt
cáp, và trong suốt quá trình khai thác sợi quang.
16

17 có thứ nguyên sẽ phụ thuộc vào cấu trúc hình học của vết nứt.Ở thủy tinh, vết
nứt trên mặt nghiêm trọng nhất là Y=

.Từ phương trình trên ta có kích cỡ của
vết nứt lớn nhất.Giá trị lớn nhất của K sẽ phụ thuộc vào thành phần thủy tinh
nhưng dự kiến nằm trong dải (0.6-0.9 MN
3/2
cm
).
Nhìn chung trên sợi dẫn quang có chứa nhiều vết rạn nứt có sự phân bố ngẫu
nhiên cho nên lực gãy đứt của sợi phải được nhìn nhận theo quan điểm thống kê.
Nếu gọi F(

,L) là xác suất tích lũy, L là chiều dài sợi bị giới hạn dưới một
ứng suất

, và giả thiết rằng các vết nứt là độc lập được phân bố ngẫu nhiên
trên sợi dẫn quang và sự gãy đứt xảy ra tại những vết nứt nghiêm trọng nhất.Ta
có
F(

,L)= 1-
()LN
e




đầu.Từ đây dẫn đến dạng phương trình Weibull:
F(

,L)= 1-exp[
0
1
L
0
m





]

Ngược lại với sức bền độ mỏi có liên quan đến sự lớn dần của các vết nứt hiện
có trên sợi quang dưới các điều kiện độ ẩm và ứng suất sức căng.Sự lớn dần của
vết nứt làm cho sợi bị đứt ở ứng suất thấp hơn so với ứng suất dùng để kiểm tra
độ bền của sợi.Vết nứt như hình 2-18 sẽ cắt thông qua sợi do có sự ăn mòn hóa
học của vật liệu sợi tại đầu mút vết nứt.Nguyên nhân đầu tiên gây ra sự ăn mòn
là do sự xuất hiện của các phần tử
2
0H
từ môi trường ngoài thâm nhập vào, nó
làm giảm sức bền của mối liên kết phân tử Si
2
0
trong thủy tinh. Tuy nhiên thực
tế ngày nay các loại vỏ bọc dùng cho sợi được bọc ngay trong quá trình chế tạo

cấp.Các biện pháp bọc sợi được trình bày như sau:
1.1 Bọc chặt sợi
19 Sợi dẫn quang sau khi bọc sơ cấp sẽ được bọc chặt ,vỏ bọc chặt cho sợi sẽ làm
tăng lực cơ học của sợ,và chống lại ứng suất bên trong .Các sợi quang dẫn có thể
được bảo vệ riêng bằng các lớp vật liệu đơn hoặc kép.Hình 2-23 mô tả loại vỏ
bọc chặt.
Các sợi trong hình 2-23a và 2-23b được bọc riêng , đường kính vỏ bọc bảo vệ
chặt lớn nhất có thể lên đến 900µm.Trường hợp vỏ bọc ở hình 2-23b phù hợp và
bảo vệ sợi tốt hơn, sợi ở đây được bọc bằng hai lớp ,lớp vỏ chất dẻo cứng ở bên
ngoài và lớp chất dẻo mềm ở phía trong.
20

Hình 2-23c và 2-23d là bọc bảo vệ dạng băng có từ 4 đến 12 sợi được sắp xếp
song song với nhau và bên ngoài là lớp bảo vệ chất dẻo.
Ở môi trường nhiệt độ thấp, sự co lại của chất dẻo ở lớp bảo vệ có thể gây ra sự
co quang trục và vi uốn cong sợi,từ đó suy hao sợi có thể tăng lên.Từ sự tăng
suy hao như vậy có thể rút ra hai cách bảo vệ sợi :
+ Thứ nhất là tối ưu hóa việc ưu hóa việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa
chọn vật liệu tương ứng với độ dày của vỏ và đồng thời giữ cho sợi càng thẳng
càng tốt
+ Thứ hai là bọc xung quanh sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự

này là giới hạn bởi vì còn phải tính đến bán kính cong có thể chấp nhận được
của các sợi .Hình 2-25 mô tả rõ điều này :
22
Trên lí thuyết ,sợi quang trong ống với đường kính trong khoảng 4mm có thể có
độ dài thêm lớn nhất khoảng 1% (bán kính cong của sợi nhỏ nhất là 50mm). Tùy
vào số lượng sợi có trong ống ,giá trị này có thể xuống thấp hơn.
Độ dài thêm của sợi giúp cho sợi không phải chịu sức căng trong nhiều trường
hợp sử dụng.Điều này là tối quan trọng đối với cáp vì phải chịu sức kéo trong
suốt quá trình vận hành.
Nhiều sợi trong cấu trúc nửa buộc chặt (FlexTubeᵀᴹ)
Trường hợp đặc biệt của cấu trúc bọc lỏng là cấu trúc FlexTubeᵀᴹ.Ở trong
trường hợp này các sợi quang được bọc bao quanh bởi các chất nhựa jelly.Theo
cách này, đường kính của cáp được giảm nhỏ và khả năng chịu nhiệt độ cao hơn.
Hình 2-26 là sự so sánh giữa bọc lỏng sợi thong thường vớiFlexTubeᵀᴹ.
Trong cấu trúc FlexTubeᵀᴹ đường kính chỉ còn 1.4mm và độ dày của lớp bọc là
0.2mm.Khi đem so sánh với sợi bọc lỏng thông thường thì tổng số đoạn vắt chéo
giảm khoảng 70%.
23