Đồ án Cáp sợi quang

một góc lan truyền cho phép). Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125mm) là: - Đường kính lõi: d = 2a = 50mm Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125mm Độ chênh lệch chiết suất: D= 0,01 = 1% Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46 Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần. 125mm n2 n1 n2 n1 125mm Sợi SI - MM Sợi GI - MM 50mm 50mm 2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ): Cấu trúc của sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước của đường kín lõi và sự khác nhau nhỏ về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi. Kích thước đường kính lõi sợi khoảng vìa bước sóng.Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc. Đặc điểm của sợi đơn mode: - Mặt cắt chiết suất thờng có dạng SI - Kích thớc sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ - Sợi chỉ truyền một mode - Không có tán sắc mode - Để hiểu đặc tính truyền ánh sáng trong sợi đơn mode phải sử dụng lý thuyết truyền sóng - Điều kiện đơn mode V < 2,405 9mm 125mm n1 n2 D=0,3% Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là: Đường kính lõi: d = 2a =9mm ¸ 10mm Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125mm Độ lệch chiết suất: D = 0,003 = 0,3% Chiết suất lõi: n1 = 1,46 Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng l = 1300 nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0). Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao. Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến. 2.6.Các thông số của sợi quang 2.6.1. Suy hao của sợi quang: Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện. Sự thay đổi công suất quang trung bình truyền trong sợi tuân theo định luật Beer Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng: L P1=P0 P2=P(L) Z Trong đó: P0 : công suất ở đầu sợi (z = 0) P(z): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi a: hệ số suy hao Độ suy hao được tính bởi: Trong đó : P1 = P0 : công suất đưa vào đầu sợi P2 = P(L) : công suất ở cuối sợi Hệ số suy hao trung bình: Trong đó: A: suy hao của sợi L: chiều dài sợi 2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang: Công suất truyền trong sợi bị thất thoát do sự hấp thụ của vật liệu, sự tán xạ ánh sáng và sự khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong. 2.6.2.1. Suy hao do hấp thụ: Gồm 2 loại chính: + Hấp thụ ngoài + Hấp thụ thuần * Hấp thụ ngoài: Do sự có mặt của các ion tạp chất - Sự hấp thụ của các chất kim loại: Các tạp chất trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).v.v.. Mức độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9) - Sự hấp thụ của OH: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong nhưng nguyên nhân gây suy hao của sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỷ (10-9) để giảm độ hấp thụ của nó. Đỉnh hấp thụ chính (cộng hưởng dao động) tại 2,7 mm và các đỉnh hấp thụ điều hoà và tổ hợp của chúng với thuỷ tinh tại 1.39, 1.24, 0.95 mm. * Hấp thụ thuần: do hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi. - Hấp thụ cực tím (l < 0,4 mm): Các photon kích thích điện tử trong dải hoá trị và kích thích kên mức năng lượng cao hơn (Cộng hưởng hay chuyển tiếp điện tử). - Hấp thụ hồng ngoại (l > 7 mm): Do tương tác giữa các liên kết dao động và trường của tín hiệu quang (Cộng hưởng dao động). Do bản chất vô định hình của thuỷ tinh các cộng hưởng này ở dạng các dải hấp thụ có đuôi dài mở rộng vào vùng nhìn thấy. Hấp thụ thuần trong dải 0.8-1.6 mm < 0,1 dB/km. 2.6.2.2.Suy hao do tán xạ: Nguyên nhân: Sinh ra từ: - Sự thay đổi vi mô về mật độ trong vật liệu - Sự thăng giáng thành phần - Các khuyết tật hoặc cấu trúc không đồng nhất trong quá trình sản xuất sợi. Quan trọng: Sự thăng giáng mật độ dẫn đến các thăng giáng ngẫu nhiên của chiết suất n cỡ < bớc sóng l Þ Tán xạ Rayleigh * Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo: -Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau, những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ bọc và bị suy hao dần. * Tán xạ Raylegh: a(dB/Km) 600 1200 1400 1600 800 1000 1 0 4 3 2 l(nm) -Xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn. Kích thước của các chỗ không đồng nhất còn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Vùng hồng ngoại nhiều nên khi bước sóng tăng thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh, tỷ lệ nghịch với số mũ bậc 4 của bước sóng Và tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên giảm nhanh về phía bước sóng dài. Hình 2.7: Suy hao do tán xạ reyleigh Hệ số suy hao: Trong đó hằng số C nằm trong phạm vi 0,7-0,9 (dB/km)-mm aR = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 mm 2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu). Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và gây ra suy hao. Có 2 loại suy hao do uốn cong sợi: + Uốn cong vĩ mô + uốn cong vi mô * Uốn cong vĩ mô: Là uốn công có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi. - Khi bán kính R giảm dần thì suy hao tăng theo hàm mũ. - Ở sợi đa mode: Số lượng mode truyền dẫn trong sợi bị uốn cong nhỏ hơn sợi thẳng. Số lượng mode hiệu dụng: * Uốn cong vi mô: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên - Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực nén không đều lên bề mặt. - Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme. - Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4 2.6.2.4.Một số suy hao khác - Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang - Suy hao do hàn nối - Suy hao trong môi trờng hidrogen và chiếu xạ gamma 2.6.2.5. Đặc tuyến suy hao Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng. Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.8 Nhìn vào hình 2.8 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ suy hao. Hình 2.8: Cửa sổ suy hao (phổ suy hao) của sợi quang * Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ (2-3)dB/Km, được dùng cho giai đoạn đầu. * Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm. Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4¸0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được dùng rộng rãi hiện nay. * Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm. Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng 0,2 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm. Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có lợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai. Hấp thụ điện tử Hấp thụ vật liệu Hấp thụ do tạp chất Hình 2.9: Đặc tuyến suy hao 2.6.3.Tán sắc (Dispersion). Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau. Khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh. Hiện tượng giãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc. Đối với tín hiệu Analog thì ảnh hưởng của tán sắc làm biên độ tín hiệu ở đầu thu giảm nhỏ và có tín hiệu dịch pha. 0 tS tE t P AS E t P 0 Hình 2.10. Ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b). S chỉ tín hiệu phát, A chỉ tín hiệu thu. a: Dẫn xung, b: xụt biên độ. Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn của sợi bởi vì để thu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến. Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai. Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bố Gauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu. Độ rộng xung ở giá trị biên độ 0,5 (mức 3dB) là ts,te Độ giãn xung là Xung phân bố Gauss có phân bố biên độ là : Sau khi truyền qua sợi quang. Coi gần đúng như một bộ lọc thông thấp Gauss tại mức suy hao 3 dB, độ rộng băng truyền dẫn B có quan hệ với t như sau: Khi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộng là: Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang là tốc độ bit có thể truyền dẫn lớn nhất C bit/s Do ảnh hưởng của tán sắc, các xung ở đầu vào máy thu bị giãn rộng, nhưng hai xung kề nhau còn phân biệt được khi độ giãn xung t còn nhỏ hơn độ rộng xung phát đi từ đó có tốc độ bit là: C=1/ts=1/t=2,26.B=2.B Như vậy độ giãn xung, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C có quan hệ ảnh hưởng lẫn nhau. Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết có độ rộng bằng khoảng 1 HZ nhưng trên thực tế cần 1,6HZ cho nên ta có thể nói rằng tốc độ bit/s lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn. Từ đó, để sợi cho phép truyền được các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tần rộng cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất thông qua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi. 2.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc. 2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion) Nguyên nhân: - Sợi truyền nhiều mode - Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi mode có hằng số lan truyền khác nhau) Þ Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode. Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất. Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode. Vì phạm vi có hạn nên ở đây chỉ đưa ra công thức đã tính toán về tán sắc mode : Với chiều dài sợi quang là L, chiết suất n1, n2 ; Giá sử có hai tia đi vào sợi quang, tia thứ nhất đi đoạn đường dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đường ngắn hơn, ta có: Trong đó: t1: Thời gian truyền tia thứ nhất t2: Thời gian truyền tia thứ hai. Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền Dt là: với Độ trải xung do tán sắc mode dmat là: Độ tán sắc mode là : . + Đối với sợi MM – SI: Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất) + Đối với sợi MM – GI: - Các tia có quãng đường ngắn lan truyền với vận tốc chậm và ngược lại. - Sợi GI có một mặt cắt chiết suất tối ưu ở đó độ trễ thời gian là nhỏ nhất. - Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất). a ¹ aopt a = aopt 2.6.4.2.Tán sắc vật liệu . Nguyên nhân: - Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau - Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định. - Tộc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bớc sóng) Þ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu Về mặt vật lý, tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang, đơn vị của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.Km. + Hệ số tán sắc: + Ta có: ps/(nm.km) + Độ dãn xung vì nguồn có độ rộng phổ lD do tán sắc vật liệu là tD = DM.lD.L + Chiết suất nhóm: + Sự phụ thuộc chiết suất vào bớc sóng hay tần số quang có thể được tính bằng phương trình Sellmeier: wi: chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi Bi: cường độ dao động Hình 2.11: Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi ở sợi thuỷ tinh Ởbước sóng 850nm độ tán sắc vật liệu khoảng (90¸120) ps/nm.Km, ở bước sóng 1300nm độ tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược dấu lên tán sắc sắc thể bằng không. Còn ở bước sóng 1550nm độ tán sắc này khoảng 20 ps/nm.Km. 2.6.4.3. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng: Nguyên nhân: - Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng. - Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định. - Do hằng số lan truyền lan là hàm của a/l nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau Þ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng. +Hệ số tán sắc ống dẫn sóng: * dV/d l = -V/l * Độ dãn xung vì nguồn có độ rộng phổ Dl do tán sắc ống dẫn sóng là: Dt = Dw.Dl.L Hình 2.12: Tham số b và các vi phân của nó Tán sắc do ống dẫn sóng nhỏ và chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode. 2.6.4.4..Độ tán sắc tổng cộng Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức với Dchr=Dmat+Dwg Trong đó: Dchr: Độ tán sắc thể Dwg: Độ tán sắc ống dẫn sóng. - Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc sắc thể: D = DM + DW - Sợi đơn mode thông thờng: D = 0 tại l » 1310 nm, D = 15-18 ps/(nm.km) tại l = 1550 nm DM: Tán sắc vật liệu DW: Tán sắc ống dẫn sóng D: Tán sắc tổng DR: Tán sắc dư (nhỏ) DP: Tán sắc do mặt cắt gây ra (nhỏ) DR DP Hình 2.13: Tán sắc tổng và các tán sắc thành phần 2.6.4.5. Tán sắc bậc cao Nguyên nhân: Do D ¹ 0 trong dải bớc sóng nằm trong phổ xung quang quanh lZD. Đặc trưng bởi độ dốc tán sắc: S = dD/d l hoặc Trong đó: 2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực Nguyên nhân: - Sợi đơn mode có hai mode phân cực trực giao - Do sợi thực tế không hoàn hảo nên mỗi mode có chỉ số mode khác nhau (birefringence) * Độ lệch chỉ số mode - Xung quang truyền trong sợi một phần năng lợng mang bởi một trạng thái phân cực (trục nhanh), phần khác mang bởi trạng thái khác (trục chậm) Þ tán sắc mode phân cực (PMD). Độ trễ thời gian: - Ở đây các chỉ số phụ x và y dùng để phân biệt 2 mode phân cực trực giao với nhau. - Đối với những sợi quang dài người ta tiến hành ghép các cặp mode nhằm làm cân bằng thời gian truyền và giảm phân cực mode (PMD) Quá trình ghép cặp mode thay đổi theo môi trờng sợi quang, độ dài ghép cặp mode biến đổi theo chiều dài sợi Þ Giá trị PMD tức thời là một biến ngẫu nhiên. - Hệ số PMD: DPMD có đơn vị ps/km1/2 - Nhiều cặp ghép mode sẽ tương ứng với một giá trị PMD hiệu dụng 2.6.4.7.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt. Khi thay đổi tán sắc ống dẫn sóng DW dẫn tới D thay đổi => hình thành nên các sợi quang mới như: - Sợi tán sắc phẳng - Sợi dịch tán sắc - Sợi bù tán sắc a.Sợi dịch tán sắc. Vì độ suy hao ở mức sóng 1550 nm chỉ bằng phân nửa so với suy hao ở bước sóng 1300 nm nên ở tuyến cáp quang đường dài hay sử dụng bước sóng này, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm lại lớn. Để giải toả trở ngại này người ta làm theo hai cách: - Giảm độ rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu Dmar = Dmar.Dl. - Dịch điểm có tán sắc bằng 0 đến bước sóng 1550 nm. Để có sợi dịch tán sắc thì chất liệu và tán sắc ống dẫn sóng triệt tiêu nhau ở bước sóng 1550 nm ( hình 2-9). Hình 2.14: Tán sắc thể của các loại sợi b. Sợi san bằng tán sắc Dung lượng của sợi quang có thể được nới rộng bằng cách ghép hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang (WDM). Cần một sợi quang có độ tán sắc nhỏ trong khoảng một bước sóng. Sợi như vậy gọi là sợi san bằng tán sắc và sự biến thiên tán sắc theo bước sóng như hình (2-9). 2.6.5.Dải thông của sợi quang Sợi quang được xem như hàm truyền đạt: P1(fm) và P2(fm) là biên độ công suất ở đầu và cuối sợi quang với tần số điều chế fm. Khi fm = hz tức là có điều chế thì hàm truyền đạt biểu diễn dạng chuẩn hoá: Đường biểu diễn của hàm truyền đạt như hình 2.15 Tần số điều chế mà tại đó biên độ của hàm truyền đạt bằng ẵ được gọi là dải thông B của sợi quang. Như vậy dải thông B là tần số điều chế mà tại đó công suất quang giảm đi 50% (hay 3dB). 1 1 0,5 0 B fm Hình 2.15: Hàm truyền đạt của sợi quang Dải thông của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng và được tính theo công thức: Để tính được dải thông chung của sợi quang ta sử dụng thông số B1 là dải thông ứng với một đơn vị độ dài (thường là 1km). Thừa số y có giá trị từ 0,5 đến 1 phụ thuộc vào chiều dài của sợi thường y = 0,6¸0,8 2.6.6. Bước sóng cắt Mỗi mode LP có một bước sóng truyền khác nhau, khi thừa số cắt Vc có: Vcn > V thì mode đó mới được truyền. Trong sợi đơn mode (chỉ có một mode là LP01) thì bước sóng cắt lc1 là bước sóng ngắn nhất mà sợi làm việc. Để tiện ta ký hiệu lc là lc1. V¥ Vùng đơn mode Vùng đa mode Mode LP01 LP12 Mode LP01 LP12 Mode LP01 , LP11 LP12 , LP21 ¥ l lC1 lC2 0 0 VC2 VC1=2.405 Sự phân chia vùng đơn mode và đa mode ở hình 2-11. Hình 2.16: Vùng đa mode và đơn mode Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong của sợi quang. Sợi càng dài và độ uốn cong càng nhỏ thì lc càng nhỏ và ngược lại. 2.6.7. Đường kính trường mode (MFD:Mode Field Diameter) Khi sự phân tích suy hao của các mối nối và điều kiện phóng ánh sáng vào sợi thì sự phân bố trường là rất quan trọng. Năng lượng ánh sáng thể hiện qua năng lượng trường bức xạ F(r) không chỉ tập trung trong lõi mà một phần truyền ngoài lớp bọc. Sự phân bố trường như hình 2-12: Bán kính trường mode P là bán kính tại đó biên độ giảm đi 1/e lần (e = 2,718… nên 1/e »0,37 = 37%). Đường kính trường mode 2P phụ thuộc vào l, nếu l dài thì đường kính trường mode càng tăng. Đối với sợi SI - SM thì đường kính trường mode hơi lớn hơn đường kính lõi và tính theo công thức gần đúng sau 2.7.Cấu trúc sợi quang 2.7.1. Cấu trúc của sợi quang Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding). Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh. Lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. 250mm 125mm lớp vỏ Lớp phủ lớpbọc 0,9 ( 2mm) Lõi 10 (50)mm Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa: Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primary coating) Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating) 2.7.1.1.Lớp phủ. Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang: Chống lại sự xâm nhập của hơi nước. Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt Giảm ảnh hưởng vì uốn cong Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra phân cách giữa lớp bọc và lớp phủ. Lớp phủ có thể được nhuộm mầu hoặc có thêm vòng đánh dấu, khi hàn nối sợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ. Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hưởng đến chất lượng của sợi quang. 2.7.1.2.Lớp vỏ. Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học và sự thay đổỉ nhiệt độ, cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính sau: Dạng ống đệm lỏng (Loose buffer) Dạng đệm khít (tight buffer) Dạng băng dẹt (Ribbon) Mỗi dạng có những ưu nhược diểm khác nhau do đó được sử dụng trong từng điều kiện khác nhau. Dạng ống đệm lỏng: 1,2 ¸ 2mm sợi quang lớp phủ ốngđệm chất nhồi Sợi quang (đã bọc lớp phủ) được đặt trong một ống đệm có đường kính lớn hơn đường kích thước sợi quang. - Ống đệm lỏng thường gồm hai lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi quang trước ảnh hưởng của lực cơ học. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống đệm lỏng không cần chất nhồi nhưng với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có các tính chất sau: - Có tác dụng ngăn ẩm - Có tính nhớt không tác dụng hoá học với các thành phần khác của cáp - Dễ tẩy sạch khi cần hàn nối - Khó cháy. Cấu trúc ống đệm lỏng có nhiều ưu điểm nên được dùng trong các đường truyền dẫn cần chất lượng cao, trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều. Dạng đệm khít: Một cách đơn giản để bảo vệ sợi quang dưới tác dụng của nhiều điều kiện bên ngoài là bọc một lớp vỏ ôm sát lớp phủ. Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ do đó giảm kích thước và trọng lượng của cáp, song sợi quang lại chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng để giảm ảnh hưởng này người ta chèn thêm một lớp đệm mềm ở giữa lớp phủ và lớp vỏ. Hình thức này được gọi là cấu trúc đệm tổng hợp. Sợi quang có vỏ đệm khít và đệm tổng hợp thường được dùng làm cáp đặt trong nhà, làm dây nhảy để đấu nối các trạm đầu cuối... Sợi quang Lớp phủ Lớp đệm mềm Lớp vỏ 0,9mm Sợi quang lớp phủ lớp đệm mềm lớp vỏ 0,9mm c) Dạng băng dẹt: Cấu trúc băng dẹt cung là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi. Số sợi trong băng có thể lên đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong băng. Nhược điểm của cấu trúc này giống như cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng. băng 4 sợi băng 8 sợi 2.7.2. Yêu cầu đối với sợi quang Cũng giống như trong cáp thông tin điện, các sợi quang được chế tạo xong chưa được đem sử dụng ngay, mà được dùng để sản suất cáp. Sợi quang cần đáp ứng được các yêu cầu ngặt nghèo sau: Về cơ: bền vững, không bị đứt gãy dưới tác dụng của lực kéo, lực cắt ngang và lực uốn cong. Không bị dãn nở quá lớn do tác động của lực kéo thường xuyên. Tốc độ lão hoá chậm. Đặc tính cơ học của sợi quang được quyết định bởi vật liệu chế tạo sợi và bởi lớp vật liệu bên ngoài. Nếu do tác động của lực kéo và lực uốn cong mà sợi bị đứt thì có thể do nhiều nguyên nhân, người ta chia ra ba loại sau: Đứt do lực kéo lớn, khoảng > 40 N (Newton), nguyên nhân có thể do cấu trúc của thạc anh hoặc trên bề mặt sợi có đôi chỗ bị rạn nhỏ. Đứt do lực kéo trung bình, khoảng từ 15 đến 40 N, thường do các tạp chất nằm trong lớp vỏ sợi, gây nên các chỗ khuyết tật. Đứt do lực kéo yếu, dưới 15 N, thường do các khuyết tật trên bề mặt, do các bọt khí, do có tạp chất trong lớp bảo vệ, do phủ lớp bảo vệ kém. Khi quấn sợi để tạo thành cáp sẽ xuất hiện các lực kéo độ vài Newton, nếu sợi rơi vào trường hợp thứ 3 như trên thì rất nguy hiểm. Vì vậy, để đảm bảo bản chế tạo cáp chắc chắn, và để trong quá trình thử nghiệm cáp vẫn bền vững thì sợi phải chịu được lực kéo khoảng 4 – 5 N trong 1 giây. Nếu sợi được phủ là lớp nhựa bảo vệ Acrylat một sợi phải chịu được lực thử là 50 N. Khi đó mới có khả năng kéo được các sợi dài đến 10Km. Về đặc tính truyền dẫn ánh sáng: Vật liệu phải có tính tinh khiết, không có tạp chất. Cấu tạo vỏ và ruột đều đặn, không có chỗ khuyết tật để tránh làm tán xạ ánh sáng, sinh thêm tiêu hao phụ và méo xung tín hiệu. Đặc tính truyền dẫn ánh sáng của sợi được quyết định bởi kích thước của ruột sợi, bởi chiết suất trong ruột và vỏ sợi và bởi độ đồng đều của chiết suất, tức là phụ thuộc vào công nghệ và kỹ thuật chế tạo sợi. 2.8. Các phương pháp chế tạo sợi quang 2.8.1.Vật liệu chế tạo sợi Cấu trúc cơ bản của sợi dẫn quang nhìn chung gồm có lõi và vỏ phản xạ, toàn bộ tạo nên sợi dẫn quang dài và rất mảnh, chúng có vai trò truyền thông tin cho cự ly xa và tốc độ lớn nên phải được cấu tạo từ các vật liệu phù hợp với bản chất truyền tín hiệu của chúng. Như vậy, trong qúa trình chọn vật liệu sợi quang cần phải thoả mãn yêu cầu sau: - Vật liệu phải đảm bảo tạo được các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo - Vật liệu phải đảm bảo trong suốt tại các bước sóng hoạt động thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao và méo. - Các vật liệu chế tạo ra lõi và vỏ sợi phải có bản chất vật lý tương thích để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất giữa lõi và và khá nhỏ. Vật liệu thích ứng và dùng nhiều nhất là thuy tinh và chất dẻo trong suốt. Các sợi làm bằng chất dẻo ít được dùng hơn vì suy hao của nó thường là lớn hơn các sợi thuỷ tinh. Nó chỉ được dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp, và những nơi có tác động cơ học mạnh, ít quan tâm tới chất lượng truyền dẫn, thực chất thì sợi chất dẻo đôi khi bị lạm dụng trong các trường hợp sử dụng. 2.8.2.Các phương pháp chế tạo sợi quang Có hai phương pháp chế tạo sợi quang: Phương pháp thứ nhất: là vật liệu làm ruột và làm vỏ được đưa vào lò nấu chảy rồi cho kéo chảy ra ngoài thành dạng sợi Phương pháp thứ hai: Sử dụng phôi có sẵn cũng gồm có vỏ và ruột đêm kéo nóng thành sợi. Yêu cầu nhiệt độ và tốc độ kéo rất ổn định để đảm bảo kích thước hình học và dạng của đường cong biến thiên theo yêu cầu.Phải chú ý tránh bụi bẩn và tạp chất để không làm hỏng bề mặt của sợi. Khi sợi kéo ra còn đang óng sẽ được phủ lớp bảo vệ luôn, để sau khi nguội đã có lớp bảo vệ hoàn chỉnh và đồng đều 2.8.3.Các phương pháp chế tạo phôi sợi 2.8.3.1.Phương pháp thanh ống cổ điển Phương pháp này được sủ dụng vào thời kỳ đầu thử nghiệm chế tạo sợi quang có tiêu hao bé. Sử dụng một thanh thủy tinh hoặc thanh thạch anh, dự kiến