CHƯƠNG 2:
SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
2.1 Giới thiệu chương
Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật thì cáp quang và sợi
quang càng ngày càng được phát triển nhằm ph
ù hợp với các môi trường
khác nhau như dưới nước, trên đất liền, treo tr
ên không, và đặc biệt gần đây
nhất là cáp quang treo trên đường dây điện cao thế, ở bất kỳ đâu thì cáp
quang và s
ợi quang cũng thể hiện được sự tin cậy tuyệt đối.
2.2 Sợi quang
2.2.1 Đặc tính của ánh sáng
Để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang thì trước
hết ta phải tìm hiểu đặc tính của ánh sáng. Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ
là các đặc tính cơ bản của ánh sáng (được tr
ình bày ở hình 2.1). Như ta đã
bi
ết, ánh sáng truyền thẳng trong môi trường chiết suất khúc xạ đồng nhất.
Còn hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng có thể xem xét trong trường
hợp có hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất, các tia sáng được
truyền từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn vào môi trường có chỉ số chiết
suất nhỏ thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa
hai môi trường. Các tia sáng khi qua v
ùng ranh giới này bị đổi hướng nhưng
vẫn tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì đó gọi là tia khúc xạ còn
ngược lại, nếu tia sáng nào đi trở về lại môi trường ban đầu thì gọi là tia
ph
ản xạ. Theo định luật Snell ta có quan hệ:

2211
a)
Tia khúc xạ
Pháp tuyến
1

Tia tới
Pháp tuyến
Tia khúc xạ
Tia phản xạ
2

2
n
1
n
Tia tới
12
nn 
b
Ө
1
Ө
2
Pháp tuyến
Pháp tuyến
2
n
1

Ө
1
Ө
2
Pháp tuyến
Pháp tuyến
2
n
1
n
2
n
1
n
21


Tia tới c) Tia phản xạ Tia tới d)
12
nn 
Hình 2.1: Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
2.2.2.1 Sợi quang
Sợi quang là sợi mảnh dẫn ánh sáng, gồm hai chất điện môi trong
suốt nhưng khác nhau về chiết suất. Lõi sợi cho ánh sáng truyền qua còn lớp
vỏ bao quanh lõi và có đường kính tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể.

S
ợi quang được phân loại bằng cách khác nhau và được trình bày như sau:
Lõi sợi
vỏ sợi
Hình 2.2: Cấu trúc tổng thể của sợi.
2.2.3 Suy giảm tín hiệu trong sợi quang
Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan
trọng nhất của sợi quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy
phát và máy thu. Mặt khác, do việc khó lắp đăt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ
lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi quang có ảnh hưởng rất lớn trong việc
quyết định giá thành của hệ thống.
Suy hao tín hiệu trong sợi quang có thể do ghép nối giữa nguồn
phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang và giữa sợi quang
với đầu thu quang, bên cạnh đó quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho
phép cũng tạo ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi,
do đó có thể l
àm giảm chúng bằng nhiều biện pháp khác nhau. Tuy nhiên,
v
ấn đề chính ở đây ta xét đến suy hao do bản chất bên trong của sợi quang.
2.2.3.1 Suy hao tín hiệu
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra
out
P
của sợi có chiều dài L và công suất quang đầu vào
in
P
. Tỷ số công suất
này là một hàm của bước sóng. Người ta thường sử dụng

để biểu thị suy
hao tính theo dB/km.


s
ự có trong vật liệu sợi. Trong thủy tinh, các tạp chất như nước
và các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó
là các ion sắt, crom, đồng và các ion OH. Sự có mặt của các tạp
chất này làm cho suy hao đạt tới giá trị rất lớn. Các sợi dẫn quang
trước đây có suy hao trong khoảng từ 1 đến 10dB/km. Sự có mặt
của các phân tử nước đã làm cho suy hao tăng hẳn lên. Liên kết
OH đ
ã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2700nm và cùng tác
động qua lại cộng hưởng với Silic, nó tạo ra các khoảng hấp thụ
ở 1400nm, 950nm v
à 750nm. Giữa các đỉnh này có các vùng suy
hao th
ấp, đó gọi là các cửa sổ truyền dẫn 850nm, 1300nm,
1550nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng để truyền ánh sáng
như trong h
ình vẽ dưới đây:

Hình 2.3 Đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang đối
với các quy chế suy hao.
 Hấp thụ vật liệu: Ta thấy rằng ở bước sóng dài thì sẽ suy hao
nh
ỏ nhưng các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và
s
ẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, trường hợp này gọi là
h
ấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết
hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng nó vẫn
có ảnh hưởng và ở đây nó kéo dài tới vùng bước sóng 1550nm
làm cho vùng này không giảm suy hao một cách đáng kể.

ỉ số chiết suất.
k
B
: hằng số Boltzman.

T

: hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu.
T
f
: nhiệt độ hư cấu (là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định
về mật độ bị đông lại thành thủy tinh).
2.2.3.4 Suy hao do uốn cong sợi
Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất
kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện
tượng phát xạ ánh sáng ra ngo
ài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong
lõi sợi đã bị suy hao. Có hai loại uốn cong sợi:
 Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn
tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi.
 Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên và
thường bị xãy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp.
Hi
ện tượng uốn cong có thể thấy được khi góc tới lớn hơn góc tới
hạn ở các vị trí sợi bị uốn cong. Đối với loại uốn cong vĩ mô (thường gọi là
u
ốn cong) thì hiện tượng suy hao này thấy rất rõ khi phân tích trên khẩu độ
số NA nhỏ như hình (2.4)