Sự phân tán sợi quang là gì? Làm thế nào để bù lại sự phân tán?

Tán sắc sợi quang thể hiện trạng thái lan truyền của tín hiệu đầu vào trong sợi quang. Nó đề cập đến sự biến dạng tín hiệu gây ra bởi sự lan truyền của các thành phần tần số khác nhau hoặc các thành phần chế độ khác nhau của tín hiệu quang ở các tốc độ khác nhau. Nó chủ yếu bao gồm ba trường hợp: tán sắc giữa các mode, tán sắc sắc độ và tán sắc chế độ phân cực.

Tán sắc giữa các chế độ là một cơ chế bóp méo tín hiệu xảy ra trong sợi quang đa mode và các ống dẫn sóng khác. Trong sợi quang đa mode, các tia sáng đi vào sợi quang ở các góc tới khác nhau được xác định là một đường dẫn hoặc một mẫu. Vì đường truyền của mỗi chế độ là khác nhau nên tốc độ truyền (tức là tốc độ nhóm) cũng khác nhau, do đó có sự khác biệt về thời gian giữa các chế độ truyền tín hiệu để đến đầu cuối sợi quang. Nói chung, một số ánh sáng đi trực tiếp qua lõi (ở chế độ dọc trục), trong khi những ánh sáng khác dội ngược trở lại giữa các ranh giới lớp vỏ/lõi và di chuyển ngoằn ngoèo dọc theo ống dẫn sóng, như thể hiện trong sợi quang đa mode có chỉ số bước bên dưới. Thực tế là ngay khi ánh sáng bị khúc xạ, hiện tượng tán sắc giữa các mode/mode xảy ra. Trong số đó, tán sắc giữa các mode có tương quan thuận với đường truyền, nghĩa là độ phân tán giữa các chế độ do chế độ bậc cao gây ra (tia đi vào Góc lớn hơn cho khoảng cách xa hơn) cao hơn so với độ phân tán do thấp -chế độ thứ tự (tia đi vào ở Góc nhỏ hơn để có khoảng cách ngắn hơn).

Sợi đa mode có thể chứa tới 17 chế độ truyền tia cùng một lúc và độ tán sắc giữa các mode của nó cao hơn nhiều so với sợi đơn mode. Điều này là do sợi đơn mode có một chế độ truyền duy nhất, tức là ánh sáng truyền dọc theo lõi (trục mode) mà không phản xạ khỏi ranh giới lớp phủ, do đó không xảy ra hiện tượng tán sắc giữa các mode. Tuy nhiên, nếu sử dụng sợi quang đa mode có chiết suất phân loại thì tình hình sẽ khác. Mặc dù ánh sáng cũng truyền ở các chế độ khác nhau, do chiết suất của lõi sợi quang không đồng đều đường truyền của tia sáng không phải là đường thẳng mà là đường cong, vận tốc truyền của tia sáng cũng thay đổi. Do đó, sự phân tán giữa các chế độ có thể giảm đáng kể bằng cách chọn phân phối chỉ số khúc xạ thích hợp.

Sự tán sắc vật liệu gây ra bởi sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ vào bước sóng của vật liệu lõi, trong khi tán sắc ống dẫn sóng gây ra bởi sự phụ thuộc của hằng số truyền mode vào các tham số sợi (bán kính lõi, chênh lệch chiết suất giữa lõi và lớp phủ) và bước sóng tín hiệu. Ở các tần số nhất định, tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng có thể triệt tiêu lẫn nhau, do đó thu được tán sắc sắc độ 0 bước sóng xấp xỉ. Trên thực tế, tán sắc sắc độ không phải lúc nào cũng có hại. Ánh sáng truyền đi ở các tốc độ khác nhau trong các bước sóng hoặc vật liệu khác nhau, làm cho các xung ánh sáng được mở rộng hoặc nén trong sợi quang, giúp có thể tùy chỉnh cấu hình chỉ số khúc xạ để tạo ra các sợi cho các mục đích khác nhau. Sợi quang G.652 là một ví dụ.

Tán sắc chế độ phân cực (PMD) phản ánh sự phụ thuộc vào độ phân cực của đặc tính lan truyền của sóng ánh sáng trong sợi quang. Trong các sợi quang thực tế, có hai chế độ phân cực vuông góc với nhau. Lý tưởng nhất là hai chế độ phân cực phải có cùng đặc điểm truyền sóng, nhưng nói chung, có sự khác biệt nhỏ giữa các chế độ phân cực khác nhau. Điều này là do sự thay đổi hoặc xáo trộn của nhiệt độ, áp suất và các yếu tố khác trong quá trình truyền, dẫn đến sự khác biệt tốc độ truyền của hai chế độ phân cực, dẫn đến độ trễ thời gian và phân tán chế độ phân cực.