SỢI QUANG: Cấu trúc sợi quang - Quá trình truyền sóng ánh sáng sợi quang

‰ Quá trình truyền sóng ánh sáng trong sợi quang ‰ Phân loại sợi quang ‰ Các đặc tính sợi quang ‰ Hàn nối sợi quang ‰ Cáp quang 1 Hanoi University of Technology... • Sợi quang là ống dẫn

‰ Cấu trúc của một sợi quang?

‰ Quá trình truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

‰ Phân loại sợi quang

‰ Các đặc tính sợi quang

‰ Hàn nối sợi quang

‰ Cáp quang

1 Hanoi University of Technology

• Sợi quang là ống dẫn sóng điện môi hình trụ hoạt động tại tần số quang, dẫn ánh sáng theo hướng song song với trục của n

• Lõi có chiết suất lớn hơn vỏ 0,1% - 0,3%

• Sợi quang có đường kính rất nhỏ, nhẹ, đặc tính truyền dẫn cao

2a

Cấu trúc một sợi quang

• Lõi sợi quang (core): bán kính a, chiết suất n 1

• Vỏ (cladding): chiết suất n 2 < n 1

• Tác dụng của vỏ:

– Giảm suy hao tán xạ do sự không liên tục của điện môi tại bề mặt lõi

– Làm khỏe sợi

– Bảo vệ lõi khỏi ảnh hưởng hấp thụ bề mặt

• Sợi suy hao thấp và trung bình: vật liệu lõi là thủy tinh, vỏ thủy tinh hoặc nhựa

• Sợi suy hao cao: lõi nhựa và vỏ nhựa

Cấu trúc một sợi quang (tiếp)

Ánh sáng truyền trong sợi quang

Nón ánh sáng

Những tia sáng được phản xạ toàn phần trong lõi

sợi quang

Ánh sáng truyền trong sợi quang

„ Định luật Snell : n0 sin θ1 = n1 sin θ2 = n1 cos Ф1 (1)

„ Phần lõi và vỏ có chiết suất n1 và n2 (n1 > n2)

„ Góc tới hạn của lõi:

„ Phản xạ toàn phần xảy ra với điều kiện:

θ ‘theta’ Φ ‘phi’

θ 1 : góc tới

θ 2 : góc khúc xạ

Φ 1 : góc tới gây phản xạ toàn phần

1 2

0 2

1

sin

90 sin sin

n n

n n

c

c

=

=

φ φ

c

φ

φ1 >

5 Hanoi University of Technology

Độ mở số NA – Number Aperture

α

β

θ max

o p t i c a l s y s t e m

n0

„ Phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới đi vào sợi quang nhỏ hơn góc mở θ max : θ 1 < θ max

„ Để đặc trưng cho khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi, người ta định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho sợi là độ mở NA:

NA = Sin θ

Độ mở số NA & đường kính lõi 2a

„ Ý nghĩa NA: phải hội tụ một chùm tia sáng để bơm vào sợi quang với nón ánh sáng ≤ 2NA Nếu không hội

tụ tốt, nón ánh sáng > 2NA

→ mất thông tin.

càng lớn và NA càng lớn

sẽ cho lượng ánh sáng đi vào sợi quang càng lớn.

Đường kính nhỏ

Đường kính lớn

NA lớn

NA nhỏ

7 Hanoi University of Technology

Độ chênh lệch chiết suất hay vi sai chiết suất lõi – vỏ ∆

„ Định nghĩa:

„ Ta thấy rằng

1

2

1 2

1

2 1

2

1 2

1

2 2

2 1

2

) )(

(

n n

n

n n

n n

n

n

=

∆

∆

=

=

⇒

=

−

=

∆

2 sin

2 2

1 max

1

2 1

2

2 1

2 2

2 1

n NA

n

NA n

n n

θ

Hệ số phản xạ giữa thủy tinh và không khí

P

n1

n0

% 100 (%)

2

0 1

0

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

−

=

n n

n

n R

n0: chiết suất không khí

n1: chiết suất thủy tinh

R: hệ số phản xạ giữa thủy tinh và không khí

môi trường thủy tính chiếu tới mặt phân cách thì có bao nhiêu % năng lượng ánh sáng bị phản xạ trở lại.

Ví dụ: tính R với n1 = 1,5

Vùng suy hao thấp của bước sóng λ

‰ Cửa sổ 1:

xung quanh 850 nm

‰ Cửa sổ 2:

xung quanh 1310 nm

‰ Cửa sổ 3:

1530 nm ÷ 1565 nm (băng thông thường hay băng C)

‰ Cửa sổ 4:

1565nm ÷ 1625 nm (bước sóng dài hay băng L)

‰ Cửa sổ 5:

1380 nm ÷ 1525 nm

Phân loại sợi quang

Phân loại theo vật liệu Sợi quang thủy tinh đa vật liệu

Sợi quang thạch anh Sợi quang nhựa

Phân loại theo mode Sợi đơn mode

Sợi đa mode Phân loại theo phân bố

chiết suất khúc xạ

Sợi quang chiết suất bậc Sợi quang chiết suất biến đổi

Phân loại sợi quang theo vật liệu

‰ Sợi quang thủy tinh đa vật liệu

‰ Sợi quang thạch anh (SiO2 + tạp chất)

Sợi quang thuỷ tinh kết hợp thạch anh được sử dụng nhiều nhất

vì có độ suy hao thấp, các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài

‰ Sợi quang nhựa

Sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn ở cự li ngắn, khó đi cáp bằng máy vì thuận tiện cho việc lắp đặt bằng tay, dễ hàn nối, có khả năng chịu bẻ gập cao

Phân loại theo mode - Sợi đa mode MMF

13 Hanoi University of Technology

Sợi đơn mode – SMF

Sợi đa mốt chiết suất nhảy bậc SI (Step Index)

15 Hanoi University of Technology

Sợi đa mốt chiết suất biến đổi GI (Graded Index)

2a

n

1

n

2

r

n(r)

n2

z

r

0

a r

Mô tả chiết suất biến đổi

Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang

bán kính r, nó mô tả sự biến thiên chiết suất theo bán kính (tính theo

trục sợi quang từ tâm lõi thủy tinh ra ngoài vỏ thủy tinh): n = n(r)

Ta có:

Với r < a trong lõi sợi Với r ≥ a trong vỏ sợi

„ Trong đó: n1: chiết suất khúc xạ tại trục lõi sợi

n2: chiết suất khúc xạ của vỏ

∆ : độ chênh lệch chiết suất

constant

) (

2 1 )

(

2 2 2

2 1 2

=

=

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

∆

⋅

−

=

n r

n

a

r n

r

n

g

„ r: khoảng cách tính từ trục của sợi

quang (µm)

„ a: bán kính lõi (µm)

„ g: số mũ quyết định dạng biến

thiên (g ≥ 1)

Các giá trị thông dụng của g:

g = 1: phân bố dạng tam giác

g = 2: phân bố dạng parabol hay

dạng chiết suất liên tục

g Æ ∞: phân bố dạng nhảy bậc →

phương trình quy về sợi nhảy bậc

n(r)=n1

n 1

n 2

g=1 g=2

∞

→

g

n(r)

r

n 1

n 2

g=1 g=2

∞

→

g

n(r)

r

Sự truyền các mode phụ thuộc vào dạng của phân bố chiết suất

Tần số chuẩn hóa V (V number)

a: bán kính lõi sợi NA: khẩu độ số λ: bước sóng k: số sóng

„ Sợi chiết suất bậc có Tần số chuẩn hóa giới hạn – Vc∞

(c = cut-off value):

„ Sợi đơn mode chiết suất bậc có V nằm trong dải giá trị:

„ Sợi chiết suất biến đổi có Tần số chuẩn hóa giới hạn – Vc:

405

2

=

∞

c

V

NA a

k NA

a

V = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

λ

π 2

405

2

0 < V < Vc∞ =

4 3 2

405

2 2

2

=

⋅

≈

⇒

=

+

⋅

c

V g

g

g V

V