Jun 18, 2012
99 Views

Cáp quang (fiber optic) single mode và multimode

Written by

Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại. Chúng có 3 lớp: lõi (core), áo (cladding) và vỏ bọc (coating).

– Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút.

– Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh.

Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay chất dẻo (Silica), chất dẻo, kim loại, fluor, sợi quang kết tinh). Chúng được phân loại thành các loại sợi quang đơn mode (Single Mode) và đa mode (Multimode) tương ứng với số lượng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang. Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của sóng ánh sáng (cũng có thể hiểu một mode là một tia). 

– Sợi SM chỉ truyền được một mode sóng do đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 10 micromet). Do chỉ truyền một mode sóng nên SM không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc và thực tế SM thường được sử dụng hơn so với MM.

– Sợi MM có đường kính lõi lớn hơn SM (khoảng 6-8 lần), có thể truyền được nhiều mode sóng trong lõi.

Ngoài ra chúng còn được phân loại thành sợi quang có chỉ số bước và chỉ số lớp tuỳ theo hình dạng và chiết suất của các phần của lõi sợi quang.

Hiện nay, cáp quang single mode chỉ dùng cho đường trục, ngoài việc giá thành ra, công nghệ của cáp single mode rất khắc khe, và rất khó trong việc thi công cũng như sử dụng. Lý do: lớp lõi của cáp single mode rát nhỏ (khoang 27 Micromet) còn của multi mode thi lớn hơn rất nhiều (khoảng 130 Micromet). Ngoài ra, do kết cấu lõi single mode cho ánh sáng đi theo đường thẳng, mà giá thành chế tạo, cũng như độ chính xác trong thi công, thiết bị công nghệ cao… làm cho cáp Single Mode khó thực hiện trong các công trình dân sự.

Còn việc phân biệt: chủ yếu là do đường đi của ánh sáng truyền trong lõi (mà nguyên nhân là do kết cấu của lõi)

===================

================ / / / / / / / / /

– – – >- – – – >- – – ——————————–

================ / / / / / / / / /

===================

Single Mode Multi Mode

Trong Single mode, ánh sáng đi theo gần như một đường thẳng trùng với trục cáp, còn trong Multi Mode, ánh sáng đi theo một chùm tia sáng có dạng đồ hình Sin đồng trục (vì thế mà ta có thể ghép thêm nhiều ánh sáng có các bước sóng khác nhau).

Sợi quang là vật liệu truyền thông tin dựa trên định luật phản xạ ánh sáng. Tia sáng khi đi từ môi trường có chiết suất cao qua môi trường chiết suất thấp thì không đi thằng (hay còn gọi là tán xạ) mà sẽ phản xạ lại.

Do đó, khi ánh sáng mang thông tin, sẽ được truyền đi mà không bị suy hao gì cả (vì nó cứ chạy lòng vòng trong đó, phản xạ bên này, rồi phản xạ bên kia .

Sợi quang đơn mode thì lõi có chiết suất là một hằng số, và chiết suất của vỏ cũng là 1 hằng số. Khi đó ánh sáng sẽ truyền đi theo đường ziczac trong sợi quang (độ lệnh pha của tín hiệu khi đó sẽ đáng kể). Sợi đa mode là công nghệ tiên tiến hơn, chiết suất từ lõi ra đến vỏ sẽ giảm từ từ (nhưng vẫn đảm bảo một tỉ số chiết suất để ánh sáng chỉ phản xạ chứ không tán xạ), khi đó thì ánh sáng sẽ đi theo đường cong, độ lệnh pha sẽ ít hơn nhiều so với hình ziczac của loại đơn mode.

Đa mode còn chia làm 2 loại, đó là step mode và grade mode. Step mode thì chiết suất từ lõi đến vỏ giàm dần, nhưng theo từng nấc, còn grade mode thì giàm liên tục và dĩ nhiên là grade mode sẽ tốt hơn step mode.

Dĩ nhiên là việc dùng đa mode thì còn phụ thuộc nhiều yếu tố nữa như là giá thành, các thiết bị đầu cuối (ghép kênh quang) …

Thực ra, khái niệm mode của sợi quang là một khái niệm rất phức tạp và không thể hiểu đơn thuần như thế được

Tiếp cận theo quang học tia (ray optic), mode của sợi quang được hiểu là một tia sóng ánh sáng đơn sắc. Sợi quang đa mode là sợi quang truyền nhiều tia sáng cùng một lúc, trong khi sợi quang đơn mode chỉ truyền duy nhất một mode dọc trục.

Tiếp cận theo quang học lượng tử, ánh sáng là một loại sóng điện từ (hai thành phần E, H) và truyền dẫn của nó trong sợi quang phải tuân thủ các phương trình của định luật Maxoen. Người ta nhận thấy rằng thành phần điện (véc tơ E) và thành phần từ (véc tơ H) tại lõi và vỏ của sợi quang không độc lập với nhau mà có mối liên hệ thông qua điều kiện biên lõi-vỏ. Bất cứ cặp nghiệm nào của hệ phương trình Maxoen ở lõi và vỏ thoả mãn điều kiện biên được gọi là một mode truyền sóng.

Tại sao sợi quang đơn mode có khả năng truyền tốt hơn sợi đa mode?

Khi truyền trong sợi quang, sóng ánh sángbị chi phối bởi một số hiện tượng sau:

(*) Suy giảm (attenuation): Suy giảm trong sợi quang do hai nguyên nhân chính, là hấp thụ của vật liệu và tán xạ ReyLeng. Hấp thụ vật liệu nhỏ hơn tán xạ ReyLeng nên có thể bỏ qua. Tán xạ ReyLeng do các thăng giáng vi sai trong cấu trúc vật liệu, và giảm khi bước sóng tăng. Đồ thị tổng hợp của các nguyên nhân suy giảm giúp tìm ra ba cửa sổ truyền sóng sử dụng rộng rãi ngày nay (800nm, 1300nm và 1550nm)

(*) Tán sắc (dispersion): Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu cần truyền truyền đi với các tốc độ khác nhau trong sợi quang. Tán sắc do đó gây ra hiện tượng giãn xung ánh sáng ở đầu ra, gây ra nhiễu chồng phổ và là nguyên nhân chính dẫn đến hạn chế của khoảng cách truyền trong sợi quang ngày nay. Có một số loại tán sắc khác nhau, gồm tán sắc mode (sợi quang đa mode mới có), tán sắc phân cực và tán sắc đơn sắc (gồm tán sắc vật liệu + tán sắc ống dẫn sóng), mỗi loại có một ảnh hưởng khác nhau đến quá trình truyền của tín hiệu. Các loại sợi quang dịch tán sắc hạn chế được một phần vấn đề này nên có khoảng cách truyền xa (longhaul).

(*) Các hiệu ứng phi tuyến: Khi truyền nhiều mode trong sợi quang, hiện tượng phi tuyến gây ra hiện tượng sinh ra các hài từ các mode truyền cơ bản, dẫn đến nhiễu tại đầu thu và giảm công suất tín hiệu truyền.

Các hiện tượng này có ảnh hưởng càng rõ rệt ở khoảng cách càng lớn, và khoảng cách cũng không phải là tham số duy nhất. Chúng làm ảnh hưởng tiêu cực đến biên độ, tần số, các tham số khác về xung truyền, và do đó ảnh hưởng đến khả năng nhận dạng của đầu thu. Hơn nữa, các ảnh hưởng này lại không giống nhau, ví dụ bộ khuyếch đại có thể dùng để hạn chế vấn đề attenuation, nhưng vô hiệu với giãn xung, và các bộ tái tạo xung không thể đảm bảo công suất ngưỡng của đầu thu…gây ra nhiều khó khăn trong khắc phục

Trong số các ảnh hưởng thì tán sắc là nghiêm trọng nhất, và trong số các loại tán sắc thì tán sắc mode là đáng kể nhất. Hãy tưởng tượng hai mode sóng ở lõi và ở ngoài nhất. Khoảng cách về thời gian khi đến đích của chúng là yếu tố quyết định đến khoảng cách truyền. Thông thường khoảng cách này không được vượt quá 1/2 chu kỳ xung cần truyền để bộ thu có khả năng hồi phục tín hiệu như cũ.

Đó là lý do chính để sợi đơn mode truyền tốt hơn sợi đa mode trên các tham số kỹ thuật chung.

Ngoài ra, còn rất nhiều vấn đề nếu muốn thực sự hiểu được vấn đề mode và phân biệt giữa chúng. Truyền dẫn quang với power budget là bài toán cần phải cẩn thận khi tính toán thiết kế.

Ngày nay, công nghệ WDM và các phát hiện mới trong kỹ thuật quang đã và đang hướng thế hệ mạng đến một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của Optical Internet

pig tail: thực chất là một đoạn cáp quang ngắn để nối từ fiber-enclosure đến thiết bị. Anh cũng có thể gọi sợi pig tail là patch-cable.

Sợi cáp quang khi được kéo sẽ kết thúc ở các box gọi là enclosure. Các enclosure này có thể được gắn trên tường nên thỉng thoảng còn được gọi là wall-mount. trong sách vở academy này hay gọi fiber enclose là ODF.

cáp quang sẽ được hàn với các connector trong các ODF/WALLMOUT/ENCLOSURE này. Từ các ODF, anh có thể dùng các sợi pig-tail/patch-cord để gắn vào switch. Giao diện trên switch cho các quang có thể là SC/ST/FC…

Article Tags:
· ·
Article Categories:
IT & Network
    http://linholiver.com

    https://linholiver.com/diary/about/