Suy hao sợi quang là gì? và phương pháp đo suy hao cáp quang?

Suy hao sợi quang là một đặc tính quan trọng của sợi cáp quang nó ảnh hưởng tới thiết kế hệ thống thông tin quang vì nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền.

Có 5 nguyên nhân chính gây suy hao sợi quang:

Có nhiều nguyên nhân gây suy hao sợi quang, trong đó bao gồm 5 nguyên nhân chính như:

Quá trình tán xạ

Tán xạ Rayleigh là một cơ chế suy hao sợi quang cơ bản sinh ra từ sự thăng giáng về mật độ mức vi mô. Do thủy tinh chế tạo sợi ở dạng vô định hình nên các phân tử SiO2 kết nối với nhau theo dạng ngẫu nhiên, kết quả dẫn đến có sự thăng giáng về mật độ. Thêm nữa còn có sự thăng giáng về thành phần trong thủy tinh do có sự pha tạp để thay đổi chiết suất thủy tinh. Những thăng giáng này đều dẫn đến sự biến đổi ngẫu nhiên về chiết suất ở cỡ nhỏ hơn bước sóng. Các biến đổi chiết suất này gây ra tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh.

Ngoài tán xạ Rayleigh, trong sợi quang còn có thể có tán xạ Mie do những khuyết tật về cấu trúc dẫn đến sự không đồng đều về chiết suất ở cỡ dài hơn bước sóng. Tuy nhiên mức đóng góp do tán xạ Mie nhỏ không đáng kể khi quá trình chế tạo sợi được giám sát và điều khiển chặt chẽ. Các biến đổi có thể giữ ở mức nhỏ hơn 1% và suy hao do tán xạ chỉ mức nhỏ hơn 0,03 dB/km.

Quá trình hấp thụ

Quá trình hấp thụ trong sợi quang được phân thành hai loại chính. suy hao quang do hấp thụ thuần tương ứng với sự hấp thụ của thủy tinh tinh khiết (vật liệu chế tạo sợi), còn suy hao do hấp thụ ngoài gây ra do các tạp chất bên trong thủy tinh.

Bất kỳ vật liệu nào đều hấp thụ tại các bước sóng xác định tương ứng với các tần số cộng hưởng điện tử và dao động liên quan đến các phân tử xác định. Đối với các phân tử  thủy tinh SiO2, các tần số cộng hưởng điện tử xảy ra ở vùng cực tím (λ< 0,4 µm), trong khi các tần số cộng hưởng dao động xảy ra ở vùng hồng ngoại (λ> 7 µm). Vì bản chất vô định hình của thủy tinh, các tần số cộng hưởng này ở dạng các dải hấp thụ có các đuôi mở  rộng vào cả vùng nhìn thấy.

Do uốn cong

Suy hao bức xạ xảy ra khi sợi quang bị uốn cong. Có hai kiểu suy hao do uốn cong trong sợi quang: (a) Do uốn cong vĩ mô hay uốn cong lớn có bán kính uốn cong lớn so với đường kính sợi, và (b) do các uốn cong vi mô hay vi uốn cong thường liên quan đến quá trình chế tạo cáp.

Suy hao do uốn cong lớn xảy ra trong quá trình sử dụng cáp sợi quang. Theo quan điểm lý thuyết  tia, suy hao uốn cong có thể dễ hiểu khi các tia sáng thay đổi góc lan truyền tại vị trí uốn cong

Suy hao tín hiệu đường truyền cáp quang do tạp chất

Suy hao tín hiệu trong sợi các loại cáp quang chủ yếu do sự xuất hiện của tạp chất trong vật liệu thủy tinh, đặc biệt là nước (ion OH⁻) và các ion kim loại như sắt, crom, coban, đồng. Những tạp chất này hấp thụ ánh sáng, làm suy giảm tín hiệu nghiêm trọng, có thể lên tới vài nghìn dB/km nếu không được kiểm soát.

Trước đây, sợi quang chứa 1–10 phần tỷ (ppb) tạp chất có mức suy hao từ 1–10 dB/km. Các phân tử nước gây hấp thụ mạnh ở bước sóng 2.7 µm, tạo ra các đỉnh suy hao tại 750 nm, 950 nm và 1400 nm, xen kẽ là các “cửa sổ truyền dẫn” hiệu quả ở 850 nm, 1300 nm và 1550 nm – được sử dụng trong truyền thông quang hiện nay.

Để giảm suy hao, các nhà sản xuất áp dụng công nghệ hiện đại như MCVD, VAD và VPAD, giúp giảm hàm lượng nước và tạp chất xuống dưới 0,8 ppb. Nhờ đó, sợi quang ngày nay đạt mức suy hao sợi quang cực thấp chỉ khoảng 0,2 dB/km tại bước sóng 1550 nm, đảm bảo tín hiệu truyền ổn định, tốc độ cao và chất lượng vượt trội cho các hệ thống mạng viễn thông.

Suy hao sợi quang theo bước sóng truyền dẫn

Suy hao theo bước sóng truyền dẫn trong hàn nối cáp quang chủ yếu do hấp thụ vật liệu và hấp thụ cực tím. Ở các bước sóng dài hơn, suy hao thường nhỏ hơn, tuy nhiên các liên kết nguyên tử trong vật liệu vẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng, khiến vùng 1550 nm – dù là cửa sổ truyền dẫn tối ưu – vẫn tồn tại một mức suy hao nhất định.

Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ khi photon kích thích electron trong nguyên tử lên mức năng lượng cao hơn. Hiện tượng này tuân theo luật Urbach, cho thấy mức hấp thụ giảm dần theo bậc hàm mũ khi bước sóng tăng. Đối với silic dioxit (SiO₂) – vật liệu chính của dây quang, đỉnh hấp thụ cực tím nằm ở 0,14 µm, nhưng “đuôi” hấp thụ kéo dài tới 1 µm, gây ra một lượng suy hao nhỏ trong vùng truyền dẫn quang hiện nay.

Tầm quan trọng của việc đo và kiểm soát suy hao sợi quang

Có nhiều phương pháp giúp xác định suy hao sợi quang. Đơn giản nhất là dùng một cặp máy thu phát quang.

Bạn sử dụng bộ phát quang ở một đầu, và đầu còn lại của sợi quang sử dụng bộ thu quang. Công suất suy hao trên đường truyền qua sợi quang sẽ được tính toán.

Hai là sử dụng một Máy đo công suất quang mạng PON RY3201. Máy đo PON RY3201 sẽ truyền vào sợi cáp quang cần kiểm tra một dòng xung ánh sáng, xung ánh sáng này chạy dọc trong sợi quang khi gặp điểm lỗi nó sẽ phản xạ trở lại, tại điểm cuối của sợi một số phản xạ trở lại một số phóng ra khỏi sợi, tín hiệu phản xạ trở lại sẽ sẽ bị thay đổi về lượng xung, căn cứ về thay đổi lượng xung này kết hợp với chiều dài ánh sáng phát và thời gian phát xung thiết bị này sẽ xác định được thông số suy hao và chiều dài sợi.

Kết luận

Suy hao sợi quang là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tín hiệu và khả năng truyền dẫn trong mạng quang. Các nguyên nhân phổ biến bao gồm tán xạ, hấp thụ, uốn cong, tạp chất và đặc tính vật liệu theo bước sóng. Nếu bạn cần tư vấn hoặc thiết bị đo quang, phụ kiện quang chất lượng, hãy liên hệ Viễn Thông Xanh để được hỗ trợ nhanh chóng và chuyên nghiệp.