các phần tử quang điện trong thông tin quang 2.doc

Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
CHƯƠNG 2
CÁC PHẦN TỬ QUANG THỤ ĐỘNG
2.1 Cơ sở vật lý chung cho các phần tử thụ động
Phần tử thụ động chỉ đơn thuần biến đổi các tín hiệu trong miền quang mà
không có sụ chuyển đổi sang miền điện. Do vậy cơ sở vật lý chung cho các phần tử
thụ động là vật lý quang hình.
2.1.1 Bản chất của ánh sáng
Ánh sáng là một khái niệm vật lý có đặc điểm lưỡng tính : tính chất hạt và tính
chất sóng. Nếu coi ánh sáng là một chùm các hạt rất nhỏ bé được phát ra từ một
nguồn sáng thì quan điểm này chỉ mô tả được các hiệu ứng về quang học trong một
phạm vi riêng như phản xạ và khúc xạ ánh sáng, còn các hiện tượng nhiễu xạ hay
giao thoa lại không giải thích được. Do đó ánh sáng còn mang tính chất sóng điện
từ.
2.1.1.1 Tính chất hạt
Những thí nghiệm và hiệu ứng quang điện trong đó các điện tử bị bật ra khỏi
nguyên tử dưới tác dụng của ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt, vì chỉ có
hạt mới có thể gây nên các “va chạm” dẫn đến hiện tượng iôn hóa làm bật các điện
tử. Mặt khác thực nghiệm cũng cho thấy rằng khi tương tác với trường điện từ thì
chỉ các hạt mới có bức xạ gián đoạn. Trên cơ sở kết quả này, Plank kết luận rằng
bức xạ điện từ gồm các hạt bé nhất gọi là lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon.
Vậy photon đến nay được coi là hạt bé nhất của ánh sáng mang một năng lượng xác
định. Mối quan hệ giữa năng lượng E của photon và tần số f của ánh sáng là :
E= hf (2-1)
Trong đó h = 6,625 x 10
-34
J.s là hằng số Plank.
Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng có sự tồn tại của các photon và
năng lượng của chúng chỉ phụ thuộc vào một tần số xác định. Khi ánh sáng va
chạm với nguyên tử, thì photon có thể chuyển năng lượng của nó cho một điện tử ở

trong nguyên tử này và kích thích điện tử lên một mức năng lượng cao hơn. Năng
lượng mà điện tử hấp thụ bằng đúng năng lượng mà nó đòi hỏi để kích thích điện tử
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
12
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
tới mức năng lượng cao hơn. Ngược lại, điện tử ở trong trạng thái kích thích có thể
quay trở về trạng thái thấp hơn và phát ra photon.
2.1.1.2 Tính chất sóng
Các kết qủa thực nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng đã chứng tỏ
rằng ánh sáng có tính chất sóng. Năm 1864, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết
rằng bản chất của ánh sáng là sóng điện từ. Sau đó, Einstein đã đưa ra giả thiết rằng
photon ngoài năng lượng E còn có cả xung lượng p được biểu thị như sau :

λπ
h
kk
h
p === =
2
(2-2)
Trong đó : k là độ lớn của vectơ sóng
λ là bước sóng của ánh sáng.
Hơn nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyển
động của sóng luôn vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóng ánh
sáng là sóng ngang. Theo quan điểm sóng quang thì sóng điện từ được phát ra từ
một nguồn điểm lý tưởng có thể được đặc trưng bởi một loạt các mặt sóng hình cầu
mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này. Mặt sóng được xác định bởi qũy tích tất
cả các điểm ở trong loạt sóng cùng pha. Tuy nhiên xét tới sự tác động lẫn nhau của
ánh sáng vào vật chất cũng như các hiện tượng tán sắc, sự hấp thụ và sự bức xạ ánh

sáng thì cả lý thuyết hạt và lý thuyết sóng của ánh sáng đều có trọng lượng và có
tính thuyết phục.
Như vậy một quan điểm thống nhất cần được chấp nhận là ánh sáng có cả tính
chất sóng và tính chất hạt (photon). Photon có khối lượng nghỉ bằng 0, có năng
lượng điện từ và xung lượng, nó cũng mang động năng góc thuần (hoặc spin), đại
lượng này khống chế tính chất phân cực của nó. Về mặt toán học, hai biểu thức 2-1
và 2-2 phản ánh lưỡng tính chất hạt – sóng của ánh sáng, vì các đại lượng năng
lượng E và xung lượng p phản ánh tính chất hạt còn các đại lượng λ và k bên vế trái
hai biểu thức biểu thị tính chất sóng của ánh sáng. Sự thống nhất hai mặt của tính
chất lưỡng tính có thể mô tả bằng toán học (tuy nhiên về mặt vật lý cũng chưa được
giải thích một cách tường minh).
2.1.2 Một số đặc trưng của ánh sáng
Trong môi trường chân không hoặc môi trường vật chất đồng nhất, đẳng hướng
không có tán sắc thì ánh sáng (ánh sáng đơn sắc và không đơn sắc) luôn truyền
thẳng với vận tốc không đổi. Vận tốc của ánh sáng là c=fλ với f là tần số ánh sáng
và λ là bước sóng.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
13
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
Trong không gian tự do thì tốc độ ánh sáng là : c ≅ 3.10
8
m/s. Khi xét ánh sáng
ở khía cạnh hạt thì có thể coi các hạt photon truyền thẳng với tốc độ không đổi, còn
khi xét ở khía cạnh sóng của ánh sáng thì các sóng này truyền đi ở dạng sóng phẳng
theo một phương thẳng nào đó, ở đó các vectơ điện trường E và từ trường H luôn
vuông góc với phương truyền sóng. Khi ánh sáng truyền trong môi trường vật chất
trong suốt khác thì vận tốc ánh sáng sẽ là v có thể nhỏ hơn tốc độ c tùy thuộc vào
chỉ số chiết suất n của vật liệu. Giá trị tốc độ ánh sáng lúc này sẽ giảm đi theo biểu
thức v = c/n . Giá trị chiết suất n của không khí là 1,00; của nước là 1,33; của thuỷ

tinh là 1,50 và ở kim cương là 2,42. Tốc độ ánh sáng trong các vật liệu này sẽ giảm
đi n lần so với tốc độ truyền ánh sáng trong chân không.
2.1.2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng được xem xét trong trường hợp có hai
môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất. Khi ánh sáng đi từ một môi trường trong
suốt này đến một môi trường trong suốt khác thì ánh sáng sẽ thay đổi hướng truyền
của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai môi trường. Như vậy có hai khả năng
xảy ra :
• Ánh sáng bị đổi hướng quay ngược trở lại
• Ánh sáng được phát tiếp vào môi trường trong suốt thứ 2.
Các tia sáng khi qua vùng ranh giới giữa hai môi trường bị thay đổi hướng
nhưng có thể tiếp tục đi vào môi trường chiết suất mới thì ta nói tia đó bị khúc xạ.
Còn các tia sáng khi qua ranh giới này lại quay ngược trở lại môi trường ban đầu
thì ta nói tia đó bị phản xạ. Hình 2.1 mô tả quá trình khúc xạ và phản xạ ánh sáng
qua hai môi trường trong suốt với chiết suất môi trường thứ nhất n
1
lớn hơn chiết
suất môi trường thứ hai n
2
.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
14
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
Trong đó : θ
i
là góc tới – góc hợp giữa pháp tuyến của mặt phân cách hai môi
trường với tia tới.
φ
r

là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai
môi trường với tia khúc xạ.
Ở hình 2.1, chiết suất n
1
> n
2
cho nên góc tới θ
i
nhỏ hơn góc khúc xạ φ
r
(hình
2.1a). Khi góc tới lớn dần tới một giá trị góc tới θ
c
tạo ra tia khúc xạ nằm song song
với ranh giới phân cách hai môi trường, lúc ấy θ
c
được gọi là góc tới hạn (như hình
2.1b).
2.1.2.2 Định luật Snell
Định luật Snell phát biểu : “ Tỷ lệ giữa sin góc tới và khúc xạ sẽ luôn là một
hằng số. Tia khúc xạ luôn nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và sin góc khúc xạ
(φ
r
) phụ thuộc vào sin góc tới (θ
i
) như sau :

1
2
sin

sin
n
n
r
i
=
φ
θ
= a (hằng số). (2-3)
Trong đó : n
1
, n
2
là chiết suất của hai môi trường vật liệu mà ánh sáng đi qua.
Khi một tia sáng tới có giá trị góc lớn hơn góc tới hạn thì ánh sáng bị phản xạ
hoàn toàn lại môi trường đầu tại mặt phẳng phân cách hai môi trường. Lúc này ta
gọi đó là hiện tượng phản xạ toàn phần (Total Internal Reflection). Hình 2.1c minh
họa quá trình phản xạ toàn phần - TIR.
Như vậy có thể nêu ra điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là :
• Các tia sáng phải đi từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn hơn sang môi
trường có chỉ số chiết suất nhỏ hơn.
• Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc =arcsin (n
2
/n
1
).
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
Tia khúc
xạ
Tia

tới
Tia
phản
xạ
Hình 2.1 Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng của với góc tới khác nhau.
φ
r
θ
r
θ
i
n
2
n
1
θ
i
θ
i
=θ
c
a) b) c)
15
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng cho
việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang sử dụng trong thông tin quang.
Trong sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng kết hợp được lan truyền dựa vào hiện
tượng phản xạ toàn phần, điều này có thể giải thích như sau:
Xét ánh sáng truyền qua các môi trường với đường biên song song (ống thủy

tinh). Các môi trường này có chiết suất như sau : chiết suất môi trường đầu tiên và
môi trường cuối cùng bằng nhau (cùng là không khí - n
1
), nhưng khác với môi
trường trung gian (là thủy tinh - n
2
>n
1
).
- Khi ánh sáng tới môi trường đầu tiên với một góc tới thích hợp (giả sử θ
1
<θ
c
)
(như hình 2.2), ánh sáng sẽ khúc xạ từ môi trường đầu tiên vào môi trường thứ
2 với góc khúc xạ φ
1
<θ
1.
(vì n
1
<n
2
). Tia khúc xạ này truyền trong môi trường
thứ 2 và tới biên giới giữa môi trường thứ 2 và môi trường cuối với một góc tới
có giá trị là θ
2
= φ
1
(vì biên giới phân cách giữa các môi trường là song song).

Lúc đó tia sáng sẽ bị khúc xạ với góc khúc xạ φ
2
= θ
1
. Và tương tự có φ
2
> θ
1
(vì n
2
> n
1
).

- Khi nguồn sáng đặt trong môi trường thủy tinh thì có một số tia sáng dời khỏi
nguồn tới biên giới phân cách giữa thủy tinh và không khí. Nếu góc tới của tia
nhỏ hơn góc tới hạn θ
c
thì nó sẽ bị khúc xạ và đi ra khỏi môi trường thủy tinh.
Ngược lại góc tới lơn hơn góc tới hạn thì sẽ có sự phản xạ toàn phần trong môi
trường thủy tinh (như hình 2.3). Hơn nữa, các mặt của khối thủy tinh song song
với nhau nên các tia sáng tới bề mặt sẽ phản xạ bên trong ống với cùng một góc
bằng góc tới. Các tia phản xạ sẽ phản xạ liên tiếp trong thành ống cho đến khi
đạt tới điểm cuối của ống. Ta có sụ truyền dẫn ánh sáng trong ống thủy tinh.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
16
φ
1
φ
2

θ
2
θ
1
Thủy tinh n
2
Không khí n
1
Không khí n
1
Hình 2.2 Đường đi của ánh sáng qua khối thủy tinh
Tia
sáng
θ
i
Tia phản xạ
n
1
n
2
n
1
Hình 2.3 Tia sáng đi trong ống thủy tinh
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
.
2.1.2.3 Nguyên lý phản xạ Bragg
Phản xạ Bragg là ở trên mặt tiếp giáp của hai loại phương tiện có phản xạ mang
tính chu kỳ, khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ chu kỳ, phản xạ này gọi là
phản xạ Bragg. Bản thân mặt giao nhau có hình dạng khác nhau : hình sin hoặc

không sin (như hình vuông góc, hình tam giác …).
Trong hình ta thấy : A + B = mλ
u
Với m là số nguyên chẵn
A là chu kỳ rãnh cách tử
λ
u
=λ/
n
là bước sóng trong chất môi giới
λ là bước sóng quang trong không khí

n
là hệ số khúc xạ tương đương
Áp dụng thêm các công thức phản xạ và khúc xạ ta có : A(1+sin
θ
) = m
u
λ
Công thức này gọi là điều kiện phản xạ Bragg. Ý nghĩa vật lý của công thức là :
Đối với A và θ nhất định, khi có một λ
u
tương ứng thì sóng quang có bước sóng λ
u
sẽ can thiệp cùng với sóng quang phản xạ. Dựa vào nguyên lý phản xạ này mà ta có
thể tạo ra nhiều phần tử quang điện hoạt động hiệu quả.
2.1.3 Hệ phương trình Maxwell
2.1.3.1 Phương trình sóng trong điện môi
Trong môi trường truyền dẫn không dẫn điện, đẳng hướng, và tuyến tính thì hệ
phương trình Maxwell có dạng như sau :

−=Ε×∇


t
B
∂
∂


Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
A A
B
B
θ θ
1 2
1’
1”
Hình 2.4 Nguyên lý phản xạ Bragg
17
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
t
D
∂
∂
=Η×∇


(2-4)
0=×∇ D



0=×∇ B


Trong đó :
ΗΕ

,
là vectơ trường điện và trường từ.

BD

,
là vectơ mật độ thông lượng.
Quan hệ giữa các vectơ trường và vectơ mật độ thông lượng là :
Ρ+Ε=


.
ε
D
(2-5)
Μ+Η=Β

.
µ

Trong đó : ε là hằng số điện môi trong chân không
μ là hằng số từ thẩm trong chân không

Ρ

vectơ phân cực cảm ứng điện

Μ

vectơ phân cực cảm ứng từ.
(Đối với sợi thủy tinh làm từ vật liệu SiO
2
thì
Μ

=0 vì chúng không có các chất
nhiễm từ).
Trong khi đó ta có biểu thức mối quan hệ giữa vectơ phân cực cảm ứng điện và
vectơ điện trường như sau :

tdtrttrtr
′′
Ε
′
−=Ρ
∫
∞
∞−
),(),(),(





χε
(2-6)
Trong đó : χ là độ cảm ứng, đặc trưng cho môi trường.
Từ các phương trình Maxwell (2-4) ta có :

2
22
2
1
ttc
t
∂
Ρ∂
−
∂
Ε∂
−=Ε×∇×∇


µ
(2-7)
Trong đó
εµ
1
=c
là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Khai triển Fourier điện trường trong miền tần số

∫

∞
∞−
Ε=Ε dttitrtr )exp(),(),(
~
ω



(2-8)
Thay vào ta có:
Ε−=Ε×∇×∇
~
))(,(
~
2
2
c
r
ω
ωε

(2-9)
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
18
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
Với
Ε
~
là vectơ điện trường trong miền tần số.

Hằng số điện môi phụ thuộc vào ω, môi trường và độ cảm như sau :

),(
~
1),(
~
ωχωε
rr

+=
(2-10)
Vì
),(
ωε
r

là một số phức với thành phần thực liên quan đến chiết suất môi
trường n và hệ số suy hao α theo phương trình :

cr
irntr
2
]
2
).,(
),([),(
ω
ωα
ωε



−=
(2-11)
Tương đương ta có :
2/1
)
~
Re1(
χ
+=n
và
χ
ω
α
Im
nc
=
Sử dụng hệ thức :
Ε∇−Ε∇∇=Ε×∇×∇
~
).(
2
(với
2
∇
là toán tử Laplace)
Như vậy phương trình truyền sóng trong môi trường chiết suất n là :

0
~

)(
~
2
0
22
=Ε+Ε∇ Kn
ω
(2-12)
Với
λ
πω
2
0
==
c
K
gọi là số sóng trong chân không.
Tương tự ta có :
0
~
)(
~
2
0
22
=Η+Η∇ Kn
ω
(2-13)
Đây là các phương trình sóng chuẩn. Giải các phương trình sóng này ta thu
được các mode truyền sóng trong sợi quang.

2.1.3.2 Phân cực ánh sáng
Từ trước đến nay, khi giải các phương trình Maxwell ta mới chỉ xét sóng ánh
sáng là sóng phẳng có vectơ điện trường và từ trường vuông góc với phương truyền
sóng của ánh sáng. Định hướng chính xác của điện trường xác định sự phân cực
của sóng ánh sáng. Đối với rất nhiều linh kiện quang điện tử sự phân cực ánh sáng
là rất quan trọng vì sự hoạt động của các linh kiện này phụ thuộc đặc biệt vào sự
điều khiển và trạng thái phân cực của ánh sáng. Sau đây ta có xét một số điều kiện
và đặc điểm của ánh sáng khi phân cực ở những trạng thái khác nhau.
Sự phân cực được định nghĩa thông qua điện trường. Trong mô tả bởi hàm
phức, vectơ điện trường này có thể được viết dưới dạng sau :
E(z,t)= Re[Aexxp(iωt-ikz)] (2-14)
Trong đó A là vectơ phức trong mặt phẳng xy.
Chúng ta khảo sát hai thành phần E
x
và E
y
như sau :
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
19
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
E
x
=[Acos(ωt- kz+δ
x
)] và E
y
=[Acos(ωt- kz+δ
y
)] (2-15)

Đại lượng A có thể biểu thị ở dạng sau : A =
x
A
x
exp(iδ
x
) +
y
A
y
exp(iδ
y
)
Trong đó : A
x
và A
y
là các số thực dương.
Sau khi biến đổi bằng cách sử dụng tính chất các hàm lượng giác các phương
trình 2-14 và 2-15 ta có :

δ
δ
2
sin
cos
2 =−+
yx
yxy
y

x
x
EE
AAA
E
A
E
và
δ
=
δ
x
-
δ
y
(2-16)
Phương trình này là phương trình elip và có thể kết luận sóng ánh sáng trong
trường hợp thông thường là có phân cực elip. Trục của elip thông phải là trục x, y
mà lệch đi một góc φ như hình 2.5. Giá trị của góc φ có thể xác định được như sau :
tg (2φ)=
2
2
2
yx
yx
AA
AA
−
cos δ. Và từ các giá trị khác nhau của δ ta có các phân cực khác
nhau của sóng ánh sáng như hình 2.6. Như trong hình 2.6 các dạng phân cực :

tuyến tính, tròn và elip đối với một số sóng truyền khác nhau.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
20
φ
y '
x '
x
Hình 2.5 Phân cực thông thường của ánh sáng theo elip
có trục x’ và y’ lệch một góc φ.
y
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
2.2 Sợi quang
2.2.1 Cấu trúc sợi quang
Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hình trụ bao gồm phần lõi và lớp
vỏ bao bọc xung quanh lõi, cả hai đều làm từ vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc
chất dẻo. Lớp lõi thường có chiết suất cao hơn lớp vỏ bên ngoài, điều này cung cấp
cơ chế hướng quá trình truyền lan ánh sáng vào bên trong lõi.
Ngoài ra để bảo vệ sợi người ta dùng một lớp bao bọc bảo vệ bên ngoài thường
làm từ vật liệu polyme (như hình 2.7). Lớp chất dẻo này nhằm ngăn chặn các tác
động cơ học và để bọc sợi thành cáp.

Lõi (n
1
)
H×nh 2.7 CÊu tróc sîi quang
Vá (
n
2
)

Líp b¶o vÖ
Thông thường đường kính lõi sợi quang là rất nhỏ khoảng từ 10 ÷ 50 μm, còn
đường kính vỏ là 125 μm. Do vậy sợi quang có kích thước rất nhỏ. Khi đã bọc các
lớp, bảo vệ thì đường kính của sợi mới đạt được từ 200 ÷ 900μm.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
φ =π/4 φ = π/2 φ = 3π/4 φ= π
φ =-3π/4 φ = -π/2 φ = -π/4 φ= 0
Hình 2.6 Các trạng thái phân cực đối với một số sóng truyền khác nhau
21
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
2.2.2 Phân loại sợi quang
Sợi quang có rất nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào việc sử dụng và cách phân
loại mà ta có các loại sợi quang khác nhau. Theo sự phân bố chiết suất trong lõi sợi
người ta chia sợi quang thành sợi chiết suất nhảy bậc (Step Index) và sợi chiết suất
biển đổi (Graded Index). Sợi chiết suất bậc có phân bố chiết suất trong lõi không
đổi trong khi sợi chiết suất biển đổi có chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra
ngoài.
Người ta còn phân sợi quang thành hai loại : sợi đơn mode (Single mode) sợi
đa mode (Multi mode). Sợi đa mode là sợi cho phép truyền dẫn nhiều mode trong
nó, còn sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó. (Với mỗi
một mode là một mẫu các đường sóng trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại
dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng).
Ngoài ra sợi còn được phân theo vật liệu như sợi thủy tinh và sợi plastic. Hay
các loại sợi tiên tiến hiện nay mới sản xuất như sợi duy trì phân cực và sợi dịch tán
sắc.
Tuy vậy trong thực tế người ta thường xét các loại sợi quang sau : Sợi đa mode
chiết suất nhảy bậc (MM-SI), sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM-GI) và sợi đơn
mode (SM).
2.2.2.1 Sợi đơn mode(SM)

Sợi đơn mode là sợi chỉ cho phép truyền dẫn một mode trong nó nhưng khả
năng về băng thông của sợi khá lớn (khoảng 40GHz). Sợi quang đơn mode phù hợp
đối với hệ thống đường trục với giá thành thấp. Mặc dù giai đoạn đầu, sợi SM mới
chỉ sử dụng trong vùng cửa số 1300nm, nhưng chúng cũng có thể hoạt động hiệu
quả trong vùng cửa sổ 1550nm đối với các hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM
và ghép kênh theo bước sóng WDM.
Cấu trúc sợi SM như hình 2.8
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
22
ỏn tt nghip Chng 2 Cỏc phn t th
ng
Lõi

Vỏ
Lớp lót
Lớp bảo vệ
Chỉ số
khúc xạ
Hình 2.8 Cấu trúc sợi đơn mode
Si n mode cú lừi rt nh thng khong t 8 ữ 10 m. Kớch thc ny
thng nh hn so vi bc súng ỏnh sỏng c s dng rt nhiu. Thng thỡ
20% ỏnh sỏng c truyn vo si n mode b khỳc x ra ngoi v.
u im ca si n mode l ch ghộp mt mode nờn khụng cú tỏn sc mode
bng tn ca si tng lờn. Tuy nhiờn, khú ghộp ỏnh sỏng vo si.
2.2.2.2 Si a mode chit sut nhy bc(MM-SI)
c im ca si MM-SI l kớch thc ln, ng kớnh lừi thng l 50m.
Si thng dựng trong h thng truyn dn cú c ly ngn vi bng thụng si
khong 20MHz.
Cu trỳc mt ct chit sut c mụ t nh trong hỡnh 2.9.
a

a
n
1
n
2
Vỏ
Lõi
Hình 2.9 Cấu trúc sợi đa mode nhảy bậc
Trong si MM - SI, chit sut lừi v v to thnh dng hỡnh bc thang. Thụng
thng, si c ch to vi chit sut v nho hn 10% so vi chit sut lừi.
Sinh v i ê n on Th M Hnh - D01VT
23
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
Khẩu độ số (NA) của sợi đặc trưng cho khả năng nhận tia sáng được tính như
biểu thức 2-17 :
NA= n
1
(2Δ)
1/2
(2-17)
Trong đó : Δ=
1
21
n
nn −
là độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và vỏ.
Vì chỉ số chiết suất trong sợi MM-SI là không thay đổi dọc theo sợi nên khẩu
độ số của MM-SI cũng là hằng số.
Số lượng mode trong sợi đa mode phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V của sợi

như công thức 2-18 :
M=V
2
/2 với V=
λ
π
NAa.2
(2-18)
Ưu điểm của sợi đa mode chiết suất nhảy bậc là chỉ số chiết suất của vỏ và lõi
không đổi, do đó tốc độ truyền không đổi. Tuy nhiên do quãng đường truyền dẫn
của các mode khác nhau nên có thể gây nên hiện tượng tán sắc mode.
2.2.2.3 Sợi đa mode chiết suất biến đổi (MM - GI)
Đặc điểm kích thước của sợi cũng giống như sợi MM-SI, tuy nhiên sợi lại có
chỉ số chiết suất của lõi thay đổi. Sự biến đổi của chỉ số chiết suất lõi được mô tả
như trong công thức 2-19.
n
2
(r)=
( )





≥=∆−
<















∆−
arnn
ar
a
r
n
12
2
1
1
α
(2-19)
Trong đó : α là hệ số mặt cắt chiết suất
n
1
là chiêt suất vỏ
n
2
là chiết suất cực đại tại tâm sợi
Ta có mặt cắt chiết suất của sợi được biểu diễn như hình 2.10.

Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
24
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động
a
a
n
1
Vá
Lâi
H×nh 2.10 CÊu tróc sîi ®a mode nh¶y bËc
r
n
2
Qua hình 2.10, chiết suất lõi giảm dần từ trung tâm lõi ra đến biên giới phân
cách giữa lõi và vỏ. Điều này giảm được tán sắc mode do sự chênh lệch đường đi
giữa các mode, tăng độ rộng băng tần truyền dẫn. Tuy nhiên ảnh hưởng đến hiệu
suất ghép ánh sáng. Vì lúc đó khẩu độ số NA cũng là hàm phụ thuộc vào hệ số mặt
cắt chiết suất α.
NA=
2
12
)( nrn −
( xét với r < a ) (2-20)
Số lượng mode truyền của sợi MM-GI được tính theo công thức 2-21.
M=
22
2
V
+

α
α
(2-21)
2.2.3 Các tham số ảnh hưởng tới truyền lan trong sợi quang
Trong quá trình truyền sóng từ phía phát đến phía thu, tín hiệu có thể bị thay
đổi rất nhiều. Do vậy tại phía thu tín hiệu không được như mong muốn. Sự suy
giảm về chất lượng tín hiệu do rất nhiều yếu tố gây ra. Một trong những yếu tố
quan trọng đó là tham số gây ảnh hưởng tới truyền dẫn trong sợi quang. Ta xét các
tham số sau.
2.2.3.1 Suy hao
a. Khái niệm
Suy hao là thông số có liên quan đến sự thay đổi công suất quang trong qúa
trình lan truyền. Tham số suy hao có thể được xác định theo định luật Beer :
P
dz
dP
α
−=
trong đó α là hệ số suy hao. (2-22)
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
25
Đồ án tốt nghiệp Chương 2 – Các phần tử thụ
động

P P - dP
dz
L
z
H×nh 2.11 C«ng suÊt vµo ra cña tÝn hiÖu truyÒn qua sîi quang víi ®é dµi L
Biến đổi công thức 2-22 ta có công suất truyền tại khoảng cách L :

P(L) = P(0)exp(-
α
L) hay
)(
)0(
ln
1
LP
P
L
=
α
(2-23)
Trong đó : P(0) tương ứng công suất vào đầu sợi P
in
P(L) tương ứng công suất ra sợi có chiều dài L (P
out
)
Đơn vị của α là m
-1
hoặc km
-1
Theo đơn vị dB thì ta có :
αα
343,4lg
10
≈−=
in
out
dB

P
P
L
(2-24)
Trong thông tin quang có khi đơn vị công suất được tính theo đơn vị dBm nên
hệ số suy hao có thể tính theo công thức :
L
PP
outin
dB
−
−=
α
b.Nguyên nhân và các loại suy hao
Suy hao trong sợi quang có nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân cơ bản gây
suy hao trong sợi quang là do các suy hao do hấp thụ, do tán xạ và do bị uốn cong
sợi.
- Suy hao do hấp thụ: Bản chất ánh sáng là các hạt photon, mà sợi quang cũng là
vật rắn có cấu trúc mạng tinh thể, nên các iôn hay điện tử ở đầu nút mạng có thể
hấp thụ photon khi ánh sáng truyền qua sợi quang. Sự hấp thụ này phụ thuộc vào
bước sóng và bản chất của vật liệu hấp thụ như các tạp chất trong sợi hay vật liệu
chế tạo sợi. Cụ thể, trong quá trình sản xuất sợi quang có rất nhiều tạp chất như các
iôn kim loại (Fe,Cu, Cr…) hoặc các iôn OH
-
. Các iôn này gây nên các đỉnh hấp thụ
tại bước sóng chính là 2,7µm và các đỉnh sóng phụ như 0,94µm; 1,24µm;
1,39µm… gây ảnh hưởng đến sóng lan truyền trong sợi.
Bên cạnh đó, bản thân vật liệu chính làm nên sợi quang là thủy tinh cũng gây
nên các dải hấp thụ là hấp thụ cực tím chỉ ở bước sóng λ < 0,4µm và hấp thụ hồng
ngoại chỉ ở bước sóng λ >7µm như hình 2.13. Tuy nhiên với công nghệ hiện đại

Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh - D01VT
26