Tài liệu Cơ sở lý thuyết về sợi quang

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin được phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thông tin trên toàn thế giới. Các mạng thông tin điện hiện đại có cấu trúc điển hình gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh… Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên không tổ chức được các luồng kênh cực lớn. Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã có thể tạo ra được các hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nước trên thế giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thôngthế giới là cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, và đường truyền dẫn quốc tế. Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hoàn thành vô hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấu hình Ring. Và trong giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp quang hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những ưu điểm siêu việt của cáp sợi quang. Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn quang được chế tạo thành cáp sợi quang. Sợi quang với các thông số của nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi phải xác định chính xác các thông số của nó. Thông thường, thông số của sợi quang đã được xác định do nhà sản xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi công, lắp đặt, sử dụng… ta cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyến cáp sợi quang như : suy hao toàn tuyến, suy hao trung bình, suy hao hàn nối, suy hao ghép, khoảng cách của cuộn cáp sử dụng, khoảng cách của toàn tuyến… Trong đó, quan trọng nhất là phải xác định một cách tương đối chính xác của sự cố xảy ra trên tuyến. Một trong các phương pháp để xác định của thông số trên đang được sử dụng rộng rãi là sử dụng thiết bị OTDR để đo. Trong bản đồ án này, nêu ra các phương pháp đo, trong đó giới thiệu các phương thức đo được bằng OTDR, đồng thời cũng nêu ra những yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo. Với thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản đồ án này còn có nhiều thiếu sót, rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo. CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG 1.1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin quang. Thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sơm, từ xa xưa con người đã biết sử dụng lửa và phản chiếu ánh sáng để báo hiệu cho nhau và đây có thể coi là một hình thức thông tin bằng ánh sáng sơm nhất. Sau đó, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay. Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay, các hệ thống thông tin quang được coi là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh trên mạng lưới viễn thông các nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và cự ly truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất. Ở nước ta ta, các hệ thống thong tin quang đã được phát triển rộng khắp cả nước trong những năm gần đây, và đang đóng vai trò chủ đạo trong mạng truyền dẫn hiện tại. Để có được vị trí như ngày nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua sự phát triển nhanh chóng đáng ghi nhớ của nó. Vào năm 1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong líchử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng. Vào thời điểm đó, hàng loạt các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó. Tuy nhiên, chi phí cho các công việc này quá tốn kém, kinh phí cho việc sản xuất các thành phần thiết bị để vượt qua được các cản trở do điều kiện thời tiết tự nhiên đã gây ra là con số khổng lồ. Chính vì vậy chưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới. Bên cạnh đó, một hướng nghiên cứu khác đã tạo được hệ thống truyền tin đáng tin cậy hơn thông tin qua khí quyển là sự phát minh ra sợi dẫn quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù có suy hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) đã tạo ra được một mô hình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn. Năm 1966 Kao và một số nàh khoa học khác đã tìm ra bản chất suy hao của sợi dẫn quang. Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20 dB/km vào năm 1970. Suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lượt ra đời. Cho tới đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300mm. Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ tới < 0,2 dB/km tại bươcsongs 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong những năm qua. Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát triểnát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tinâcps kim loại là : -Suy hao truyền dẫn rất nhỏ. -Bằng tần truyền dẫn lớn. -Không bị ảnh hưởng của nhiếu điện từ -Có tính bảo mật tín hiệu thông tin. -Có kích thước và trọng lượng nhỏ. -Sợi có tính cách điện tốt. -Tin cậy và linh hoạt. -Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có. Do các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cà việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng được mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên lục địa, vượt đại dương v.v… Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp với các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, châu Âu hay Nhật Bản. Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng cả tín hiệu tương tự (analog) và số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nước lấy cáp quang là môi trường truyền dẫn chính trong mạng lưới viễn thông của họ. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đôtj phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao. 1.1.2. Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang. Cho tới nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lưới dưới cấu trúc truyền khác nhau. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất như vậy, ta có thế xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần chính như hình 1.1 dưới đây : Bộ phát quang Mạch điều khiển Tín hiệu điện vào Nguồn phát quang Sợi quang Bộ thu quang Đầu thu quang Chuyể n đổi tín hiệu Tín hiệu điện ra Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang. Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo gồm có nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (Connector). Các mối hàn, các bộ ghép nối quang, chia quang vấcc trạm lặp, tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Tương tự như cápđồng, cáp sợi quang được khai thác với những điều kiện lắp đặt khác nhau. Chúng có thể được trao ngoài trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cổng, đặt dưới biển. Tuỳ thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét tới vài kilomet. Tuy nhiên đôi khi thi công, các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể, chẳng hạn như cáp đượ kéo trong cống sẽ không thể cho phép dài được, cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho treo hoặc chôn trực tiếp. Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến được lắp đặt. Sợi quang có cấu trúc rất mảnh. Nó được cấu tạo chủ yếu bằng vật liệu thuỷ tinh. Dạng của sợi quang là hình ống trụ gồm hai lớp thuỷ tinh lồng vào nhau và có độ đồng tâm cao. Đường kính của lõi dẫn ánh sáng vào khoảng 50m đối với sợi đơn mode. Đường kính ngoài của lớp vỏ phản xạ thông thường vào khoảng 125m cho cả 2 loại sợi. Có ba loại sợi quang là sợi đa mode chỉ số chiết suất phân bậc, sợi đa mode chỉ số chiết suất gradien, và sợi quang đơn mode. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1300nm, 1550nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, cửa sổ thứ hai và cửa sổ thứ ba tương ứng. Thiết bị phát quang có nhiệm vụ phát ánh sáng mang tín hiệu vào đường truyền sợi quang. Cấu trúc thiết bị phát quang gồm có nguồn phát quang, mạch điều khiển điện, và mạch tiếp nhận tín hiệu đầu vào. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng đioe phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Tín hiệu ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi códạng tương tự sẽ được tiếp nhận để đưa vào phần điều khiển. Mạch điều khiển thực hiện biến đổi tín hiệu điện dưới dạng điện áp thành xung dòng. Cuốicùng nguồn phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành tín hiệu quang tương ứng và phát vào sợi quang. Hình 1.2 là sơ đồ khối của thiết bị phát quang. Tín hiệu vào Clock vào Mã hoá Điều khiển Nguồn phát Sợi quang Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị phát quang Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện trực tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiôt PIN và photodiode thác APD đều có thểư dụng làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nênghiên cứuác bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang đầu vào của các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Yếu tố quan trọng nhất phản ánh hiệu suất làm việc của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit của hệ thống; điều này tưng tự như tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tương tự. Sau khi tín hiệu quang được tách tại bộ tách sóng quang, tín hiệu điện thu được tại đầu ra photodiode sẽ được khuếch đại và khôi phục trởvề dạng tín hiệu như ở đầu vào thiết bị phát. Như vậy sơ đồ của thiết bị thu quang sẽ có thể được mô tả như hình 1.4 sau : Sợi quang tách sóng photodiode Khuếch đại Điều chỉnh Quyết định Trích Clock Giải mã Tín hiệu ra Clock ra Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị thu quang sô. 1.1.3. Những ưu điểm và ứng dụng của thông tin sợi quang. So với dây kim loại, sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là : -Suy hao thấp : Cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận và do đó giảm được số trạm tiếp vận. -Dải thôgn tin rất rộng : có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. -Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ : dễ lắp đặt và chiếm ít chỗ. -Hoàn toàn cách điện : không chịu ảnh hưởng của sấm sét. -Không bị can nhiễu bởi trường điện từ : vẫn hoạt động trong vùng có nhiễu điện từ mạnh. -Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên. Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinhtế hơn so với sợi kim loại với cùng dung lượng và cự ly. Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác. Vị trí của sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạn hiện nay bao gồm : -Mạng đường trục Quốc gia. -Đường trung kế. -Đường cáp thả biển liên quốc gia. -Đường truyền số liệu. -Mạng truyền hình. Và sắp tới, mạng viễn thông Việt Nam sẽ đưa vào sử dụng. -Thuê bao cáp sợi quang. -Mạng số đa dịch vụ ISDN. 1.2. LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG. 1.2.1. Nguyên lý truyền anhsangs trong sợi quang. 1.2.1.1. Chiết suất của môi trường. Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường ấy. n C V n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị. C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s V : vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s. Vì V  C nên n  1. Chiết suất của một môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền trong nó. Các nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra anhsangs trong một khoảng hẹp chứ không phải chỉ có một bước sóng. Do đó vận tốc truyền của nhóm ánh sáng này được gọi là vận tốc nhóm Vnh và chiết suốt môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm : n nh. n nh n   dn d 1.2.1.2. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt ngăn cách với môi trường 2 thì tia sáng tách thành 2 tia mới : một tia phản xạ lại môi trường 1 và một tia khúc xạ sang môi trường 2. Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới như sau : -Càng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới). -Góc phản xạ bằng góc tới : ’ 1 = 1 . -Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell : n 1 sin 1 = n 1 sin 2 . Hình 1.5. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng. 1.2.1.3. Sự phản sạ toàn phần. Từ công thức Senll đã nêu trên ta thấy : -Nếu n 1 < n 2 thì  1 >  2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến -Nếu n 1 > n 2 thì  1 <  2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến hơn. Trường hợp n 1 > n 2 , nếu tăng  1 thì  2 cũng tăng và  2 luôn lớn hơn  1 . Khi  2 = 90 0 , tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì  1 được gọi là góc tới hạn :  th ; nếu tiếp tục tăng  1 >  th thì không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 1.6). Hiện tượng này được gọi là sự phản xạ toàn phần. Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng (công thức Snell)với  2 = 90 0 có thể tích được góc tới hạn  th . Sin th  n2 n1 hay  th arcSin n2 n1 Hình 1.6. Sự phản xạ toàn phần. 1.2.2. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. 1.2.2.1. Nguyên lý truyền dẫn chung. Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n 1 và một lớp vỏ phản xạ(Clalding) cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất n 2 với n 1 > n 2 (hình 1.7), ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ phản xạ . Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn. Hình 1.7. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. 1.2.2.2. Khẩu độ số NA. Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn  th (hình 1.8). Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA : NA = Sin  th . Hình 1.8. Đường truyền của tia sáng với góc tới khác nhau. Áp dụng công thức Snell tính NA : Tại điểmA đối với tia 2 : n o sin max = n 1 sin(90 0 -  th ) mà n 0 = 1 (chiết suất của không khí sin (90 0 -  th ) = cos th ) n22 n Sin(90   th  1  sin  th  1  2 ; viSin th  2 n1 n1 0 Do đó : 2 NA  Sin max  n12  n22 n1 2 Trong đó   n12  n22 n1  n2  : độ lệch chiết suất tương đối. 2n12 n1 Độ lệch chiết suất tương đối  có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013 (tức là từ 0,2% đến 1,3%). 1.2.3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang. Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục của sơi ra). Sự biến thiến chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau, và đường biểu diễn như trên hình 1.9. 1  rg2 n [1  [ ] ] n r  1 a n 2 ; r  a (trong lõi) ; a < r  b (lớp bọc) Trong đó : n 1 : là chiết suất lớn nhất ở lõi n 2 : là chiết suất lớp bọc.  n1  n2 n1 : độ chênh lệch chiết suất. r : Khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất. a : bán kính lõi sợi. b : bán kính lớp bọc. g : số mũ quyết định dạng biến thiến , g  1. Các giá trị thông dụng của g : g = 1 : dạng tam giác. g = 2 : dạng parabol g  : dạng nhảy bậc. Hình 1.9. Các dạng phân bố chiết suất. 1.2.3.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI). Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau như hình 1.10. Hình 1.10 : truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (CI). Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến một hiện tượng. Khi đưa một xung ánh sáng vào một đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, là hiện tượng tán sắc. Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần. 1.2.3.2. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI). Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol. 1  r22 n [1  ( ) ] ; r a n ( r )  1 a n ; a  r b 1 Vì chiết suóât thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần như hình 1.11 sau : Hình 1.11. Truyền ánh sáng trong sợi GI. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất. Nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol (g = 2) thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI . Ví dụ : độ chênh lệch thời gian truyền 1 km chỉ khoảng 0,1ns. Cần lưu ý rằng góc mở  ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính r vì n 1 là hàm n 1 (r). r Sin ( r )  n1 ( r )  n22  NA 1  ( ) 2  NA a Trên trục sợi : r = 0 thì  (O) =  max . Trên mặt giao tiếp r = a thì  (a) = 0. 1.2.3.3. Các dạng chiết suất khác . Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến. Ngoài ra còn một số dạng chiết suất khác nằhm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như : *Dạng giảm chiết suất lớp bọc : (Hình 1.12.a). Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này tang suy hao. Dạng giảm chiết suất lỡp bọc nhằm đảm bảo độ lệch chiết suất  nhưng có chiết suất lõi n 1 không cao. *Dạng dịch độ tán sắc : (Hình 1.12b). Như đã biết, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang sẽ triệt tiêu ở bước sóng gần 1300 nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 1.12b. *Dạng san bằng tán sắc. Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng. Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh, như hình 1.12.c. Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới áp dụng trong thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế. Hình 1.12 : Các dạng chiết suất đặc biệt. 1.2.4. Sợi đa mode và đơn mode : Có hai hướng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang : một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Thường thường lý thuyết tia sáng được áp dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung. Song cũng có những khái niệm không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lý thuyết sóng. Mode là một trong những khái niệm đó. Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ có thể áp dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang để xác định biểu thức sóng truyền trong nó. Dựa trên biểu thức sóng đã xác định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn của sóng. Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải phương trình maxwell mà chỉ nêu lên các thông số rút ra từ kết quả có liên quan đến đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Một Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi. Khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode. Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng. Các mode được ký hiệu LP V với v = 0, 1, 2, 3, .... và  = 1, 2, 3, ... Mode thấp nhất là LP 01 . Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc các thông số của sợi, trong đó có thừa số V. V  2n  .a.NA k .a.NA Trong đó : a : là bán kính lõi sợi.  : là bước sóng. K  2n  : là số sóng. NA : là khẩu độ số. Một cách tổng quát, số mode N truyền được trong sợi tính gần đúng như sau : N  V2 g . 2 g 2 Trong đó : V : là thừa số v. g : là số mũ trong hàm chiết suất. Số mode truyền được trong sợi chiết suất nhảy bậc (SI). với g   là : N V2 2 Với chiết suất giảm dần (GI) có g = 2 thì số mode V  V2 4 Ví dụ : một sợi quang loại GI (g = 2), với a = 25 m , NA = 0,2 ở bước sóng  = 1 m có thừa số V là : 2 V  .25m.0,2 10 31,4 1m Số mode truyền trong sơi này là : N V 2 31,4 2  247. 4 4 Sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là sợi đa mode và sợi chỉ truyền một mode được gọi là sợi đơn mode. 1.2.4.1. Sợi đa mode (mm : multi - mode). Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số mode N cũng lớn. Các thông số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125 m) là : -Đường kính lõi : d = 2a = 50m -Đường kính lớp bọc : D = 2b = 125m -Độ lệch chiết suất :  = 0,01 = 1% -Chiết suất lớn nhất của lõi n 1 = 1,46. Nếu làm việc ở bước sóng  = 0,85 m thì : V  2 2 .a.NA  .a.n1 2 38   Và số mode truyền được trong sợi là : (Nếu là sợi SI).