1. 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. Thành phần lõi và vỏ có chiếc suất khác nhau. Chiết suất của những lớp này như thế này sẽ quyết định tính chất của sợi quang. Chúng được phân loại thành các loại sợi quang đơn mode (Single Mode - SM) và đa mode (Multi Mode -MM) 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 quang đơn mode (single mode) hay sợi quang đa mode (multi mode) đều chỉ truyền một tín hiệu (là dữ liệu mà ta cần truyền)
Sợi quang đơn mode (single mode) hay sợi quang đa mode (multi mode) đều chỉ truyền một tín hiệu (là dữ liệu mà ta cần truyền). Muốn truyền nhiều dữ liệu từ các kênh khác nhau, ta phải dùng đến công nghệ WDM (truyền nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang). Sợi đa mode (multi mode) có thể truyền cùng lúc nhiếu ánh sáng với góc anpha khác nhau, còn sợi đơn mode (single mode) chỉ có thể truyền 1 ánh sáng với 1 bước sóng nhất định. Do 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 (single 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 lệch pha của tín hiệu khi đó sẽ đáng kể). Sợi đa mode (multi 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 lệch pha sẽ ít hơn nhiều so với hình ziczac của loại đơn mode (single mode). Đa mode (multi 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 (multi mode) thì còn phụ thuộc nhiều yếu tố nữa như là giá thành, các thiết bị đầu cuối (thiết bị ghép kênh quang). Sợi đơn mode (single mode) chỉ truyền được một mode sóng do đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 10 micromet). Do chỉ truyền một mode sóng nên đơn mode (single mode) không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc và thực tế đơn mode (single mode) thường được sử dụng hơn so với đa mode (multi mode). Sợi đa mode (multi mode) có đường kính lõi lớn hơn đơn mode (single mode) (khoảng 6-8 lần), có thể truyền được nhiều mode sóng trong lõi.
Thông số vật lý của hai loại cáp này:
Đường kính lõi sợi (phần truyền tin):
Core.
Đơn mode (single mode): 9/125;
Đa mode (multi mode): 50/125 và 62.5/125.
Đường kính vỏ phản xạ: Cladding thì cả đơn mode (single mode) và đa mode (multi mode) đều như nhau là 125um.
Hiện nay, cáp quang đơn mode (single mode) chỉ dùng cho đường trục, ngoài việc giá thành ra, công nghệ của cáp đơn mode (single mode) rất khắt khe, và rất khó trong việc thi công cũng như sử dụng. Lý do chính là do lớp lõi của cáp đơn mode (single mode) rát nhỏ (khoang 27 Micromet) còn của đa mode (multi mode) thi lớn hơn rất nhiều (khoảng 130 Micromet). Ngoài ra, do kết cấu lõi đơn mode (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 đơn mode (single mode) khó thực hiện trong các công trình dân sự.
Về Coating thì tùy thuộc vào dặc tính cần bảo vệ mà người ta làm lớp này, tuy nhiên thông thường đối với cáp out door thì nó là 250, với cáp indoor thì nó là 900, điều này không phụ thuộc vào cáp đơn mode (single mode) hay cáp đa mode (multi mode). Về sử dụng thì tùy thuộc vào công suất phát, độ nhạy thu, khoảng cách truyền dẫn, tốc độ yêu cầu và giá thành mà người ta quyết định dùng cáp đơn mode (single mode) hay cáp đa mode (multi mode).
Minh họa hình đường đi của ánh sáng truyền trong lõi (mà nguyên nhân là do kết cấu của lõi Single Mode, Multi Mode):
===================
- - - - - - >- - - - - - - - >- - - đường ánh sáng
===================
Đơn mode (Single Mode)
===================
/ \\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\
- - - - - - - - - - - - - - - - - - đường ánh sáng
\\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\ / \\ /
===================
Đa mode (Multi mode)
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 (multi mode) là sợi quang truyền nhiều tia sáng cùng một lúc, trong khi sợi quang đơn mode (single 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.
2. Tại sao sợi quang đơn mode (single mode) có khả năng truyền tốt hơn sợi đa mode (multi mode)?
Sợi đơn mode (single mode) truyền xa và tốt hơn sợi đa mode (multi mode).Trong sợi đơn mode (Single mode), ánh sáng đi theo gần như một đường thẳng trùng với trục cáp, còn trong sợi đa mode (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 đa mode (Multi Mode) sẽ gặp hiện tượng tán sắc trong sợi quang giữa các mode truyền dẫn. Đây là yếu điểm chính của đa mode (Multi Mode) so với đơn mode (single mode). Do đó mà tín hiệu trong sợi quang đa mode (multi mode) dễ bị tán xạ hơn, tốc độ truyền kém hơn và khoảng cách truyền gần hơn.
Sợi quang có chỉ số bước và chỉ số lớp tuỳ theo hình dạng và chiết suất của các phần của lõi sợi. Sợi quang đơn mode hay đa mode (multi mode) phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền trong đó. Cùng một sợi quang nhưng nó có thể là sợi đơn mode (single mode) với bước sóng này và là sợi đa mode (multi mode) với bước sóng khác. Tuy nhiên trong sợi quang, người ta chỉ truyền một số bước sóng nhất định. Những bước sóng này gọi là các cửa số quang. Ba bước sóng đó là 850nm, 1330nm, 1550nm. Thường thì bước sóng 850nm ít được dùng. Sợi đa mode (multi mode) có các bước sóng chuẩn là: 780, 850 và 1300. Hiện nay các thiết bị ít dùng bước sóng 780. Sọi đơn mode (single mode) có các bước sóng: 1310, 1550, 1627. Các thiết bị single mode dùng công nghệ DWM thì còn có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nữa. Do đó khái niệm sợi đa mode (multi mode) và đơn mode (single mode) phải gắn liền với bước sóng truyền. Khoảng cách truyền (theo khuyến cáo) của cáp đa mode (multi mode) là 500m. Khoảng cách truyền (theo khuyến cáo) của cáp đơn mode (single mode) là 3000m. Sợi quang đơn mode (single mode) được dùng chủ yếu do không có hiện tượng tán sắc giữa các mode là nguyên nhân chủ yếu gây nhiễu ở sợi quang. Sợi đơn mode (single mode) được dùng để làm mạng backbone còn sợi đa mode (multi mode) chỉ dùng truyền giữa các mạng trong vùng. Thêm nữa cả đơn mode (single mode) và đa mode (multi mode) đều dùng ánh sáng laser hoặc led được, còn sử dụng cái nào là tuỳ vào từng trường hợp cụ thể do nhu cầu và yêu cầu của mạng.
Khi truyền trong sợi quang, sóng ánh sáng bị 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 (single mode) truyền tốt hơn sợi đa mode (multi 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.
Đường kính lõi của sợi quang đơn mode nhỏ hơn đường kính lõi của sợi quang đa mode. Điều này xuất phát từ điều kiện đảm bảo tính đơn mode của sợi quang cho bởi công thức sau:
(2*PI/lamda)*a*sqr(n1*n1-n2*n2) <2.405
Trong đó lamda là bước sóng, a là đường kính lõi sợi quang và n1, n2 lần lượt là chiết suất lõi vỏ. Trên đồ thị biểu diễn số mode và diameter, bạn cần kéo dài a để có thêm số mode truyền sóng.
Rõ ràng với một bước sóng đơn mode tới hạn lamda, chiết suất lõi vỏ xác định, thì đường kính sợi quang bị hạn chế bởi công thức trên.
Thực tế ánh sáng có lưỡng tính sóng hạt, và đó đã trở thành một cuộc tranh cãi lớn nhất trong lịch sử Vật lý những năm cuối thế kỷ 19. Tiếp cận theo quang học tia và quang học lượng tử đều cần thiết để lý giải các hiện tượng truyền sóng ánh sáng trong sợi quang, tuy nhiên, bản chất điện từ của sóng ánh sáng giúp giải quyết các vấn đề sáng tỏ và dễ hiểu hơn nhiều so với các lý giải trong quang học tia. Đơn cử với mode sóng, tiếp cận theo quang học lượng tử giúp bạn có thể hiểu được vấn đề tán sắc phân cực (trong chế độ đơn mode về bản chất vật lý vẫn là dẫn xuất của hai nghiệm độc lập nhưng cùng hằng số truyền sóng, tức vẫn "đa mode"), vấn đề tán sắc ống dẫn sóng (phân bố năng lượng của mode khi truyền trong sợi quang ở lõi và vỏ, phân bố này không giống nhau với các mode khác nhau, dẫn đến năng lượng của sóng đi trong các vùng có chiết suất n thay đổi, và là nguyên nhân của tán sắc). Chúng ta không cần hiểu sâu sắc đến độ hệ Maxoen giải như thế nào, nhưng nắm được phương pháp tiếp cận này giúp chúng ta hiểu tốt hơn về sợi quang và các vấn đề truyền dẫn trên sợi quang. Ngoài ra, đưa 2 sợi quang trần thì không thể phân biệt được đơn mode (single mode) hay đa mode (multi mode). Để phân biệt được thì bạn phải có Microscope hoặc Fusion Splicer.
