English 
简体中文 
繁體中文 
Русский 
Español 
Deutsch 
Français 
Português 
Italiano 
Türkçe 
Polski 
Nederlands 
日本語 
한국어 
Bahasa Indonesia 
Bahasa Melayu 
العربية 
हिन्दी 
Tiếng Việt 
ภาษาไทย 
বাংলা 
اردو 
Kiswahili 
Oʻzbekcha 
አማርኛ 
فارسی Cách ánh sáng lan truyền: phản xạ, mode, khẩu độ số
Sợi quang là một ống dẫn sóng: một lõi thủy tinh được bao quanh bởi thủy tinh có chiết suất thấp hơn một chút, sao cho ánh sáng gặp ranh giới này ở góc nông sẽ bị phản xạ ngược lại thay vì thoát ra ngoài. Từ một sự thật duy nhất này suy ra sự khác biệt giữa sợi đơn mode và đa mode, góc chấp nhận quyết định bao nhiêu ánh sáng từ nguồn phát đi vào được sợi quang, lý do một chỗ uốn cong gấp làm rò ánh sáng, và các cấp OM1–OM5 cùng OS2 mà datasheet nhắc đến. Trang này trình bày phần vật lý đó ở mức độ sâu được dùng trong thiết kế liên kết.
Cấu trúc của sợi quang
| Lớp | Đường kính | Vật liệu | Vai trò |
|---|---|---|---|
| Lõi | 9 µm (đơn mode), 50 hoặc 62,5 µm (đa mode) | silica pha tạp germani (chiết suất cao hơn) | mang ánh sáng |
| Lớp vỏ | 125 µm | silica tinh khiết hoặc pha tạp flo (chiết suất thấp hơn) | giam giữ ánh sáng bằng phản xạ toàn phần |
| Lớp phủ | 250 µm (hoặc 200 µm) | acrylate | bảo vệ cơ học; được mã hóa bằng màu trong cáp |
| Đệm / vỏ ngoài | đệm chặt 900 µm, hoặc ống lỏng | nhựa | phục vụ thao tác; không thuộc phần quang học |
Chênh lệch chiết suất giữa lõi và lớp vỏ rất nhỏ — khoảng 0,3–0,5 % — nhưng như vậy là đủ vì ánh sáng truyền gần như song song với trục.
Phản xạ toàn phần và khẩu độ số
Ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất cao hơn sang môi trường có chiết suất thấp hơn sẽ lệch ra xa pháp tuyến; vượt quá góc tới hạn, ánh sáng bị phản xạ toàn phần. Trong sợi quang, điều này có nghĩa là các tia nằm trong một hình nón quanh trục sẽ bị giam giữ. Nửa góc của hình nón đó trong không khí được xác định bởi khẩu độ số:
| Sợi quang | NA | Nửa góc chấp nhận | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Đơn mode G.652 | ≈ 0,12–0,14 | ≈ 7–8° | chỉ chùm tia hẹp, nhắm chính xác mới ghép vào được — chỉ nguồn laser |
| Đa mode 50 µm (OM2–OM5) | 0,20 | ≈ 11,5° | chấp nhận góc rộng — VCSEL và LED ghép vào dễ dàng |
| Đa mode 62,5 µm (OM1) | 0,275 | ≈ 16° | rộng nhất; thế hệ cũ |
NA càng cao thì ghép quang càng dễ, nhưng số mode và tán sắc mode cũng tăng.
Mode
Một mode là một dạng phân bố trường ổn định có thể truyền dọc theo ống dẫn sóng. Số lượng mode tồn tại phụ thuộc vào kích thước lõi, NA và bước sóng (được gọi là số V):
| Sợi quang | Số mode tại 850 nm | Số mode tại 1310 nm | Hệ quả |
|---|---|---|---|
| Đơn mode 9 µm | — (sẽ là sợi ít mode) | 1 | không có tán sắc mode; cự ly do suy hao và tán sắc màu quyết định |
| Đa mode 50 µm | hàng trăm | ~100 | tán sắc mode giới hạn tích số băng thông × khoảng cách (Tán sắc và băng thông) |
| Đa mode 62,5 µm | ~1 000 | — | tán sắc mode tệ nhất |
Sợi đơn mode chỉ thực sự đơn mode khi ở trên bước sóng cắt của nó (≈ 1 260 nm đối với G.652): ở 850 nm nó mang nhiều mode, đó là lý do vì sao module SR 850 nm trên sợi đơn mode không hoạt động đúng, và vì sao cặp đôi “đơn mode ở 1310/1550” lại là quy tắc (Sai lệch vật lý).
Chiết suất bậc và chiết suất gradient
| Biên dạng | Hình dạng chiết suất | Dùng trong | Hiệu ứng |
|---|---|---|---|
| Chiết suất bậc | chiết suất lõi không đổi, bước nhảy đột ngột sang lớp vỏ | sợi đơn mode | không liên quan khi chỉ có một mode |
| Chiết suất gradient | dạng parabol: cao nhất trên trục, giảm dần về phía lớp vỏ | mọi sợi đa mode viễn thông (OM1–OM5) | các tia ngoài đi quãng đường dài hơn nhưng nhanh hơn (chiết suất thấp hơn), nên các mode đến gần như cùng lúc — tán sắc mode giảm 100 lần so với chiết suất bậc |
Chất lượng của biên dạng gradient chính là điều phân biệt OM3 (2 000 MHz·km) với OM4 (4 700 MHz·km): cùng hình học, nhưng đường cong chiết suất chính xác hơn.
Đường kính trường mode và suy hao ghép quang
Trong sợi đơn mode, ánh sáng không bị giới hạn hoàn toàn trong lõi 9 µm; đường kính trường mode (MFD) của nó là ≈ 9,2 µm tại 1310 nm và ≈ 10,4 µm tại 1550 nm. Hai sợi quang có MFD khác nhau, hoặc bị lệch ngang tại đầu nối, sẽ làm mất ánh sáng:
| Sai lệch | Suy hao |
|---|---|
| Lệch ngang 1 µm (SMF) | ≈ 0,2 dB |
| Lệch ngang 2 µm | ≈ 0,8 dB |
| MFD 9,2 so với 10,4 µm (G.652 sang G.657.B hoặc DSF) | ≈ 0,1–0,3 dB |
| Lõi 50 µm vào lõi 62,5 µm | ≈ 0 dB (suy hao xảy ra theo chiều ngược lại) |
| Lõi 62,5 µm vào lõi 50 µm | 2–4 dB |
| SMF vào MMF | ≈ 0 dB tại mối nối nhưng các mode bị kích thích → nhiễu mode |
| MMF vào SMF | > 10 dB |
Do đó có các quy tắc “không bao giờ trộn lẫn 50 và 62,5” và “không bao giờ trộn lẫn đơn mode và đa mode” (Đầu nối và loại sợi quang).
Suy hao do uốn cong
| Loại uốn cong | Nguyên nhân | Hiệu ứng |
|---|---|---|
| Uốn cong vĩ mô | bán kính dưới ~30 mm (SMF tiêu chuẩn), dây buộc cáp quá chặt, cửa | ánh sáng thoát ra khỏi lớp vỏ; suy hao tăng mạnh theo bước sóng — một liên kết ổn ở 1310 nm có thể lỗi ở 1550 nm, và phép kiểm tra ở 1625 nm phát hiện những chỗ uốn cong mà 1310 nm bỏ sót |
| Uốn cong vi mô | lệch trục ở mức vi mô do ứng suất cáp, lạnh, bị đè ép | suy hao tăng trên toàn dải bước sóng |
| Sợi kháng uốn cong G.657.A1/A2/B3 | biên dạng chiết suất có hỗ trợ bằng rãnh | cho phép bán kính 10–7,5–5 mm; dùng trong nhà, trong dây thuê bao FTTH và tủ phối quang mật độ cao |
Sợi đa mode chịu uốn cong tốt hơn, nhưng mất các mode bậc cao trước tiên, làm thay đổi băng thông của nó.
Các cấp sợi quang trong một bảng
| Cấp | Lõi | Bước sóng | Băng thông (EMB tại 850 nm) | Suy hao | Tiêu chuẩn |
|---|---|---|---|---|---|
| OM1 | 62,5 µm | 850 / 1300 | 200 MHz·km | 3,5 / 1,5 dB/km | ISO 11801, TIA-492AAAA |
| OM2 | 50 µm | 850 / 1300 | 500 | 3,5 / 1,5 | TIA-492AAAB |
| OM3 | 50 µm | 850 (tối ưu hóa cho laser) | 2 000 | 3,0 / 1,5 | TIA-492AAAC |
| OM4 | 50 µm | 850 | 4 700 | 3,0 / 1,5 | TIA-492AAAD |
| OM5 | 50 µm | 850–953 (băng rộng) | 4 700 tại 850, 2 470 tại 953 | 3,0 / 1,5 | TIA-492AAAE |
| OS1 / OS1a | 9 µm | 1310 / 1550 | — | 1,0 / 1,0 (đệm chặt, trong nhà) | ISO 11801 |
| OS2 | 9 µm | 1310 / 1383 / 1550 | — | 0,4 / 0,4 / 0,4 (ống lỏng, đỉnh hấp thụ nước thấp) | ISO 11801; ITU-T G.652.D |
| G.657.A/B | 9 µm | như OS2 | — | như OS2 | kháng uốn cong |
| G.655 / G.654 | 9 µm | 1550 | — | 0,2 / 0,17 | NZ-DSF cho DWDM; suy hao siêu thấp cho đường dài |
Cự ly theo PMD và cấp sợi: Bảng cự ly.
Ý nghĩa của điều này đối với transceiver
- Loại đầu nối và loại sợi quang của module phải khớp với tuyến cáp: SR/SR4 dùng trên OM3/OM4, mọi loại khác dùng trên OS2.
- Điều kiện phát của laser (encircled flux đối với VCSEL) được các tiêu chuẩn quy định để các số liệu băng thông đa mode còn đúng — một module không đạt chuẩn sẽ cho cự ly ngắn hơn so với bảng đã hứa hẹn.
- Dùng module đơn mode trên sợi đa mode (kèm dây nhảy quang điều hòa mode) từng là một thủ thuật ở 1G (1000BASE-LX trên OM1); thủ thuật này không mở rộng được lên 10G trở lên.
Trong CodingBox
Module cho host biết nó dành cho loại sợi quang nào: mã đầu nối, bước sóng và các trường chiều dài cho SMF, OM1, OM2, OM3 và OM4 — cùng các cấp như ở trên. CodingBox hiển thị các trường này để câu hỏi về sợi quang được giải đáp trước khi module rời khỏi bàn thử (Check transceiver, Bản đồ bộ nhớ).
Các loại sợi quang tiêu chuẩn hóa mà những nguyên lý này tạo ra — ITU-T từ G.652 đến G.657, các cấp đa mode OM1–OM5, sợi quang chuyên dụng, suy hao mối nối giữa các sợi khác loại và cách nhận diện loại sợi đã lắp đặt: Các loại sợi quang.