Nghiên cứucáp sợi quang

MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU.................................................................................................3
Chương 1: CƠ SỞ THƠNG TIN QUANG...................................................4
1.1. Lịch sử phát triển........................................................................................4
1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản.......................................6
1.3. Ưu điểm của thông tin quang.....................................................................8
Chương 2: SỢI QUANG...............................................................................10
2.1. Những ứng dụng của sợi quang................................................................10
2.2. Ưu điểm của thông tin sợi quang.............................................................11
2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang............................................................11
2.3.1. Phổ của sóng điện từ.............................................................................12
2.3.2. Chiết suất của mơi trường.....................................................................13
2.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng tồn phần ..............................................13
2.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang..................................................14
2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung..................................................................14
2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang................................................16
2.5. Phân loại sợi quang..................................................................................19
2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)...19
2.5.2.Các dạng chiết suất khác:.......................................................................22
2.6.Các thông số của sợi quang.......................................................................25
2.6.1. Suy hao của sợi quang:..........................................................................25
2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang:.......................................27
2.6.3.Tán sắc (Dispersion)...............................................................................32
2.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc............................................................34
2.7.Cấu trúc sợi quang.....................................................................................39
2.7.1. Cấu trúc của sợi quang..........................................................................39
2.7.2. Yêu cầu đối với sợi quang.....................................................................43

1

2.8. Hàn nối sợi quang.....................................................................................44
2.8.1. Yêu cầu kỹ thuật....................................................................................44
2.8.2.Các phương pháp hàn nối sợi quang......................................................44
2.8.3.Bảo vệ mối nối.......................................................................................47
Chương 3: CÁP QUANG..............................................................................49
3.1. Tổng quan.................................................................................................49
3.1.1. Đặc điểm, yêu cầu đối với cáp quang...................................................49
3.1.2. Khả năng của sợi và cáp quang.............................................................49
3.2. Cấu trúc cáp quang...................................................................................50
3.2.1.Cấu trúc tổng quát của cáp quang..........................................................51
3.3.Phân loại cáp quang:.................................................................................56
3.3.1. Phân loại theo cấu trúc:.........................................................................56
3.3.2. Phân loại theo mục đích sử dụng...........................................................57
3.3.3. Phân loại theo điều kiện lắp đặt............................................................57
KẾT LUẬN....................................................................................................63

2


LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay các hệ thống thơng tin quang đã chiếm hầu hết các tuyến
truyền dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi là
phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên
lục địa. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ thông tin, mạng
truyền dẫn địi hỏi phải có sự phát triển mạnh về cả quy mơ và trình độ cơng
nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng hiện đại bao gồm cả các hệ thống thông
tin quang. Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có
tốc độ cao, cự ly xa, độ tin cậy cao…
Trong toàn bộ hệ thống thơng tin quang phần khơng thể thiếu được
chính là Cáp Sợi Quang. Hệ thống thơng tin quang có nhiều ưu điểm hơn các

hệ thống khác một phần chính là nhờ mơi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.
Vì vậy, em đó chọn đề Tài Nghiên CứuCáp Sợi Quang làm bài tập
tốt nghiệp.
Do thời gian hạn hẹp và kiến thức của bản thân cịn hạn chế vì vậy bài
tập của em khơng thể tránh được những thiếu sót. Nên em mong các thầy cô
trong bộ môn và các bạn trong lớp đánh giá và đóng góp nhiều ý kiến để đề
tài sâu hơn và phát triển ở mức cao hơn nữa.
Trong quá trình làm bài, em đã được nhận được sự hướng dẫn chi tiết
của thầy và góp ý của cỏc bạn trong lớp. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy và
các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn !

3


Chương 1
CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền
thông tin từ nơi này đến nơi khác.Khoảng cách truyền tin có thể là hàng trăm
Km, hàng trục ngàn Km hoặc xun qua các đại dương.Thơng tin có thể
truyền qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau.
Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thơng tin bằng sóng ánh sáng
và sử dụng các sợi quang để truyền tin. Nó phát triển nhanh và cịn tiềm tàng
khả năng rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lưới viễn thông trên thế
giới.
1.1. Lịch sử phát triển
Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin
giữa con người với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu

tố quyết định góp phần thúc đẩy sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng
như nền văn minh của nhân loại .
Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử
dụng môi trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng ) và khơng
gian.Thì việc sử dụng ánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin cũng
được khai thác có hiệu quả . Cùng với thời gian thơng tin quang đã phát triển
và ngày càng hoàn thiện với những mốc lịch sử như sau:
-1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống
điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó . Tin tức vượt
qua chặng đường 200km trong vòng 15 phút .

4


-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có
thể dẫn được theo vịi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần . Điều
vẫn được áp dụng trong thông tin quang hiện nay .
-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống
thơng tin Photophone. Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong mơi
trường khơng khí . Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều
nguồn nhiễu.
- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống
thông tin quang. Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.
- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng
và phát triển Laser
- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.
- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn
lại là phải tìm mơi trường truyền dẫn quang thích hợp.
- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phịng
thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ

tinh dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó cịn hạn chế
nên suy hao q lớn (ỏ khoảng 1000dB/Km)
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành cơng sợi quang loại SI có
suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm.
- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].
- 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ cịn
khoảng 0,2 [dB/km] ở bước sóng 1550nm.

5


1.2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản
Trạm lặp
Ngn

Phần

tín

tử

hiệu.

điện.

E
O

Biến đổi điện

quang

O

E

O

tử

O
E

E

E
Sợi quang

điện-quang

O

Phần

điện.

Biến đổi
E quang
điện
sợi quang

Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản
Theo sơ đồ hệ thống taocó:
- Nguồn tín hiệu thơng tin: là dạng thơng tin thơng thường là hình ảnh ,
tiếng nói , fax...hay cịn là tín hiệu đầu vào.
O

- Phần tử điện: là phần chung của hệ thống, để xử lý nguồn tin tạo ra tín
hiệu điện đưa vào hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu Alalog hoặc Digtal
- Bộ biến đổi E/O: Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu điện thành
tín hiệu quang với các mức tín hiệu điện được biến đổi thành cường độ quang,
các tín hiệu điện ‘0’và ‘1’được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng ‘khơng’
và ‘có’.
Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi. Bộ biến đổi
điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như LED,Laser diode...
- Sợi quang: Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã được
điều biến, nó có vai trị như kênh truyền dẫn.
- Bộ biến đổi O/E: là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa
vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu đã phát đi, nó có vai trị
như bộ giải điều chế.
6


-Trạm lặp : Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, cơng suất bị giảm đi,
tín hiệ trên đường truyền bị tiêu hao, dạng sóng (độ rộng xung) nguyên
nhân khác nhau. Vì vậy, để truyền được đi xa cần có trạm lặp. Hiện nay
chưa thực hiện được khuếch đại hay tái sinh trực tiếp tín hiệu quang nên
các trạm lặp phải thực hiện 3 bước sau:
+ Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện
+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu điện.

+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuếch đại hoặc tái sinh thành tín
hiệu quang để tiếp tục phát đi.
- Tải tin: Trong hệ thống thơng tin điện thì tải tin là các sóng điện từ cao
tần, trong hệ thống quang là ánh sáng cũnh là sóng điện từ song có tần số rất
cao (1014-1015Hz) do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng
rất rộng.
- Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá
qua hai đại lượng:
+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được
+ Cự ly trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp
Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự
ly trạm lặp rất lớn. Thực tế ở các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ
thống điện ở cả 2 yêu cầu trên. Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều
yếu tố liên quan như:
+ Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang
+ Công suất bức xạ và khả năng điều biến linh hoạt của sợi quang
+ Độ nhạy của máy thu quang
+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử toàn tuyến

7


1.3. Ưu điểm của thông tin quang
So với hệ thống thơng tin điện tử thì hệ thống thơng tin quang có những
ưu điểm hơn hẳn đó là những ưu điểm cơ bản như sau:
1. Suy hao truyền dẫn thấp: dẫn tới giảm được trạm lặp , kéo dài được cự ly
truyền dẫn, cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn cáp
kim loại khi cùng chi phí xây dựng mạng nên
2. Băng tần truyền dẫn lớn , đáp ứng được thuê bao dịch vụ dải rộng .
3. Sợi quang: được chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay

nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền. Sợi có đường kính
nhỏ, trọng lượng nhỏ, khơng có xun âm rất dễ lắp đặt và uốn cong .
4. Dùng cáp sợi quang: rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng như lắp đặt
và bảo dưỡng. Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, khơng dẫn điện, khơng
gây chập, cháy.
5. Tín hiệu tuyền trong sợi quang: không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ
trường bên ngồi (như sóng vơ tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp
điện cao thế ...) dẫn đến tính bảo mật thơng tin cao, khơng bị nghe trộm. Nó
được sử dụng tại những nơi có nhiễu điện từ mạnh như trong các nhà máy,
nàh máy điện…mà không cần phải che chắn điện từ.
6. Một cáp sợi quang: có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa
được một số lượng lớn lõi sợi quang lớn hơn số lượng kim loại.
7. Sợi quang: có tính bảo mật cao, vì vậy việc đánh cắp thơng tin trên sợi
quang là rất khó khăn.
Tuy nhiên hệ thống thơng tin quang có một số hạn chế như:
+ Khó khăn trong việc ghép nối,
+ Khơng sử dụng được trong vùng bị chiếu xạ

8


Chính vì có những ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được
sử dụng rộng rãi trên mạng lưới viễn thông của nhiều quốc gia. Chúng được
xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh. Tại Việt Nam cáp
quang đã và đang lắp đặt với tuyến truyền dẫn đường dài liên tỉnh dùng cáp
ngầm.
Tốc độ các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về , cự ly truyền
dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao trong mạng lưới
viễn thông.

9


Chương 2
SỢI QUANG

2.1. Những ứng dụng của sợi quang
Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống
truyền dẫn quang – truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh
mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thức
thơng tin khác về dung lượng kênh truyền, tính kinh tế,…mà thơng tin quang
giữ vai trị chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến xuyên đường trục avf
các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại tây dương. Công nghệ nagỳ nay đã tạo ra
thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất.
Đặc biệt cơng nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ đã làm đơn
giản việc tăng chiều dài của tồn tuyến thơng tin quang, kết hợp với cơng
nghệ khuếch đại quang ra đời sẽ làm tăng chiều dài gấp đơi hoặc gấp n lần.
Chất lượng của tín hiệu thu được trên hệ thống này sẽ được cải thiện một cách
đáng kể.
Ở nước ta thông tin sợi quang đang ngày cành chiếm vị trí quan trọng,
các tuyến cáp quang được hình thành, đặc biệt là tuyến cáp quang Hà Nội –
Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thơng tin tồn quốc.
Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp. Tuyến
đường trục cáp quang sẽ được rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyến
cáp quang nội hạt.
* Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:
- Mạng đường trục xuyên quốc gia.
- Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực.
-

Đường trung kế

10


-

Đường cáp thả biển liên quốc gia

-

Đường truyền số liệu, mạng LAN

-

Mạng truyền hình

2.2. Ưu điểm của thơng 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 do đó giảm được
số trạm tiếp vận
- Dải thơng rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao
- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
- Hồn tồn cách điện khơng chịu ảnh hưởng của sấm sét
- Không bị can nhiễu bởi trường điện từ
- Xuyên âm giữ các sợi dây khơng đáng kể
- Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên
- Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng
dung lượng và cự ly.
2.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang

Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh
sáng. Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì
rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và
nguyên lý của dao động laser. Ba vấn đề sau sẽ là cơ sở lý thuyết cho việc
hình thành hệ thống thơng tin quang:
1. Phổ của sóng điện từ
2. Chiết suất của môi trường
3. Hiện tượng phản xạ toàn phần

11


2.3.1. Phổ của sóng điện từ
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem
như sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng.
Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức
là một dải tần số của các dao động điện từ hay cịn gọi là sóng điện từ được
sinh ra, hoặc là dải bước sóng tương ứng. Hai đại lượng tần số và bước sóng
tỷ lệ với nhau theo cơng thức:
C(m/s)=(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f
Trong đó :
C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ]
H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ]
Ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại vi
Tia v ô
tuyế n

1,6

1,5

1,4

1,3

Tia
Rơnghe n

Tia tử
ngoại

T ia hồng
ngoại

1,2

1,1

1

900 800

700

600

Tia
Tia
Gamma Vũ trụ

500

400m

ánh sáng
nhìn thấy đ ợc

Đỏ

ánh sánh trong thông tin quang

Tím

bc sóng từ 800nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba bước sóng thơng dụng là
850nm, 1300nm và 1550nm.
Hình 2.1: Các bước sóng trong thơng tin quang

12


2.3.2. Chiết suất của môi trường
Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy.
n

C
V

trong đó :

n : Chiết suất của mơi trường
V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường

Mà C  V nên n  1.
Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền
cho nó.
2.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần
Cho một tia sáng đơn sắc đi từ mơi trường có chiết suất n1 sang mơi trường
thứ hai có chiết suất n2 (n1P

P


2



1

2

n2

n2

n1

n1
2

T

T

1

Hình 2.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần
Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai mơi trường
một góc , khi sang môi trường thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợp với
pháp tuyến P ở một góc . Theo định luật khúc xạ Snelious ta có:
n1.sint = n2.sin

13


Khi tia tới đạt tới góc  thi tia khúc xạ sẽ chạy song song với mặt phân
cách giữa hai mơi trường. Tức là góc khúc xạ t = 900.
n1

Suy ra: Sin t = n
2
Góc t được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ
chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc  >t thì tia
phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường 1.
Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng toàn phần là:
- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n 1) sang môi
trường kém chiết quang hơn (n2) .Hay là Chiết suất n1 > n2
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
2.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

2.4.1.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 n1 và một lớp bọc (cladding) bằng
thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1  n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ
phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ
bọc.

Ta đã biết điều kiện xảy ra hiệ tượng tàn phần là:
+ Chiết suất n1 > n2
+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn.

14


Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n 1 > n2. Vậy chỉ còn
điều kiện là góc tới t phải lớn hơn góc tới hạn th (t >th). Nên người ta đưa
ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng
ghép luồng bức xạ quang vào sợi.
Áp dụng công thức : Snelious để tính N:
n2
n0


th

t

n1

n0Sinth=n1.Sin. (n0=1 : chiết suất của khơng khí)

 1.Sinth=n1.Sin=n1Cos1.
(Sin=Sin(900-t)=Cost)
Cos t  1  Sin 2  t  1 
 Sin th  n 1 . 1 

n 22
n 12

n 22
 n 22  n 12
n 12

 NA Sin th  n 22  n 12 n 1 . 2

n 12  n 22
Với  
gọi là độ lệch chiết suất tương đối
2.n 12

Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là
khi đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở
 th arcsin n 1 . 2 

.

15


2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang
Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực

của các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng. Một
mode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của
phương trình sóng và số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn
thoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang.
Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp.
Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rị có đặc tính của cả hai loại mode
trên. Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập
trung trong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò
bị dập tắt ngay. Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruột sợi
và các mode lan truyền có những đặc tính sau :
- Các mode hồn tồn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng.
- Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng.
Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn g sao cho các bước sóng của
các mode đều phải tuân theo điều kiện  > g.
Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số d k/ nên
dk lớn hơn  nhiều thì sợi cho vơ số mode truyền qua, cịn khi d k rất nhỏ thì
chỉ có một mode cơ bản được truyền qua (sợi đơn mode). Người ta định nghĩa
tham số cấu trúc V hay cịn gọi là tần số chuẩn hố:
V

.d k .n 1
. 2.


Với sợi SI, nếu V<2,405 thì người ta có đơn mode, ngược lại là sợi
mode. Còn sợi GI, nếu V<3,518 có sợi đơn mode, V>3,518 ta có sợi đa mode.
Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyền
sóng. Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyền
16

sóng. Tuy nhiên việc lập và giải phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giản
nhất là dùng phương pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trên
mặt cắt dọc của sợi.

2

n2

3

n1

1
max

a)

3

1

2

max

b)

c)

Hình 2.4: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi
đơn mode(c)
Ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khác
nhau nên sợi chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình
sin (b)với chiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãng
đường đi ngắn nhất (c). Ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện
phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằm trong một hình
nón có nửa góc mở th
M.d k .n 1
2,405

Sợi SI có

 th arcsin

Sợi GI có

r
 th arcsin n 1 . 2. . 1  ( ) 2
a

2. . n 12  n 22

Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinth

17


Như vậy sợi SI có

NA  n 12  n 22  n 1 . 2.

Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,20,37.
Cịn sợi GI có

r
NA  n 1 . 1  ( ) 2
a

Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đưa ra ánh sáng vào tại tâm
lõi có độ mở là lớn nhất, cịn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng 0.
Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết
đã chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn,
băng tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại.
Theo hình 2-5 ta khơng thể mơ tả đặc trưng của các mode vì thực tế
khơng phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều
được lan truyền đến cuối sợi. Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia
có hiện tượng giao thoa.
Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một
sóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, cịn nếu hai bước
sóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta
gọi là các mode.
Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự
phân bố cường độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với
tốc độ xác định.
Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin
khi điều biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin cịn trên sợi đa mode
thì có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định.
2.5. Phân loại sợi quang

Để phân biệt sợi quang, người ta dựa vào các yếu tố của sợi quang mà
phân biệt thành các lại sợi khác nhau.

18


Danh mục

Loại sợi
- Sợi có chỉ số chiết suất
phân bậc

Phân loại sợi theo chỉ số chiết
suất

-

Sợi có chỉ số chiết suất

Gradien
- Sợi đơn mode
Phân loại theo mode truyền

-

Sợi đa mode

-

Sợi thuỷ tinh

-

Sợi chất dẻo

-

Sợi thuỷ tinh đa thành phần

-

Sợi lỗ khơng khí

-

Sợi duy trì phân cực

dẫn
Phân loại theo cấu trúc vật liệu

Phân loại dựa theo các chức
năng đặc biệt

2.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)
2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ
bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn
quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác
nhau

19


Hình 2.5. Sợi SI (Step-Index)

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:

V 

C
n1

- Số lượng mode truyền M  V2/2 trong đó V = 2.a.NA/
- Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dung lượng
thông tin của sợi.
Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian
truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện
tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung
20