Sợi qang và công nghệ SDH - Phần 1 Sợi quang - Chương 2 pot

các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang: a Sợi quang có chiết suất nhảy bậc sợi SI: Step- Index: Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác

Chương II : Lý thuyết chung về sợi dẫn quang

2.1 cơ sở quang học:

ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800 nm đến 1600 nm Đặc biệt có 3 bước sóng thông dụng là 850

nm, 1300 nm, 1550 nm

Trong đó :

n: chiết suất của môi trường

C: vận tốc ánh sáng trong chân không

V: vận tốc ánh sáng trong môi trường

Vì V≤ C nên n ≥ 1

V

C

n =

Tia khúc xạ

Tia phản xạ Tia phản xạ

Môi trường 2: n2

Môi trường 1: n1

1’

1’’

1

2

2’

β

αT α

Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

hơn α Khi β = 900 tức là song song với mặt tiếp giáp, thì α đ−ợc gọi là góc tới

tia phản xạ hiện t−ợng này gọi là sự phản xạ toàn phần

2.2 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang:

* Nguyên lý truyền dẫn chung:

ứng dụng hiện t−ợng phản xạ toàn phần, sợi quang đ−ợc chế tạo gồm một

nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đó

ánh sáng có thể truyền đ−ợc trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn

2.3 các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang:

a) Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt nh− hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang

1

2

sin

n

n

α

n1

n2 n

Lớp bọc (cladding) n2

Lớp bọc (cladding) n2 Lõi (core) n1

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc :

truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiên tượng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

b) Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index):

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay

đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần

vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài

n(r)

n1

n2

n2

n2

Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

n2 n1

n

n2

n2

n1 > n2

Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

1

n C

V =

hơn nhưng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có

đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thì đường đi của các tia sáng

có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

c) Các dạng chiết suất khác:

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến , ngoài ra còn có một số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt:

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớp bọc

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

+ Dạng san bằng tán sắc:

Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

2.4 sợi đa mode và đơn mode:

a) Sợi đa mode (MM: Multi Mode):

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

50 àm

50 àm

n1

n1

a) Sợi SI b) Sợi GI

% 1

1

2

=

∆

n n n

b) Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên

độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

Đường kính lõi: d = 2a =9àm ữ 10àm

Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125àm

Độ lệch chiết suất: ∆ = 0,003 = 0,3%

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng λ = 1300 nm

độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được

do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

***

125 àm

n1

n2

9 àm

% 3 , 0

=

∆