Bộ thí nghiệm cơ sở về thông tin quang sợi số hóa tốc độ 10mb s

Trong hầu hết các trường hợp, kết quả của sự tương tác của sóng điện từ với môi trường vật chất có thế được biểu thức bằng con sô đơn lẻ - chỉ số khúc xạ của môi trường - Chỉ số khúc xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ

ị s Ố - S ữ U S P .

TÓM TÁT DỂ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC

a T ê n đ ề tà i : Bộ thí nghiệm cơ sở về thông tin quang sợi sô hoá tốc độ

lO M b/s

M à s ô : QG 02 05

b C h ú t r ì đ ề tà i : Ths Nguyễn Quốc Tuấn

c C á c c á n b ô t h a m g ia :

Nguyễn văn Thành K ĩ SƯ Học viện bull chính Viễn thông

d N ộ i d u n g n g h iê n c ứ u :

• Mục tiêu nghiên cứu :

Xây dung hệ đo, bàl thực tập thông tin quang cho sinh viên bậc Đại học

■ Nội dung nghiên cứu :

i Xây dung các bài thực tập về : Truyền dẫn thông tin số các linh kiện quang tử, truyền dẫn ảnh trên cáp quang

ii Viết lí thuyết, bài thực tập thí nghiệm cho các bài thực tập trên

iii Triển khai trong nghiên cứu đào tạo bậc đại học

ii Giáo trình lí thuyết

Đã triển khai bộ thí nghiệm đo thông số linh kiện quang tử gồm :

Đã chi theo các khoản mục đúng theo dự toán

p H Q c H u N H

Nguyễn Quốc Tuấn

X Á C N HẢN C Ủ A TRirỜNG

SUMMARY OF SCIENTIFIC RESEARCH

g T i t l e : Optical fiber communication Trainning

C o d e : Q G 02 05

h P r o j e c t L e a d e r : Nguyen Quoc Tuan, M.Sc

i P r o j e c t T e a m :

Nguyen Kim Giao Prof., Dr

j R e s e a r c h c o n t e n t :

Institute of Materials Science Institute of Materials Science Technology Faculty, HNU Technology Faculty, HNU Technology Faculty, H N U Technology Faculty, HNU Academy of Post (^Telecommunication Technology Faculty, HNU

Established the elementary experiment set on optical, digitized communication, speed lOMb/s, including:

i Experimental set on digital communication via optical fiber

ii Theoretical guideline of the practice

Developed a set to measure parameters of quantum-optical accessories, including:

ĐẶT VẤN ĐỂ

Ngày nay, kĩ thuật thông tin qua cáp quang được phát triển rất mạnh mẽ ở

Việt nam và trên thế giới Ngành công nghệ Quang tử, trong đó bao gồm các lĩnh vực thông tin quang sợi và công nghệ quang điện tứ là một ngành công nghệ cao

và là một bộ phận cấu thành của nền kinh tế tri thức Đế đáp ứng yêu cầu phát triển rất nhanh cua nền kinh tế năng động, nhiều cơ sở đào tạo đại học và trên đại học đang gấp rút đào tạo một số lượng lớn nhân lực trong lĩnh vực này

Do là ngành mới phát triển trong thập kỷ 90, nhu cầu sử dụng các thiết bị

quang điện tử để nghiên cứu, giảng dạy bậc đại học và trên đại học ở nước ta hiện

nay là rất lớn Bên cạnh việc nỗ lực đối mới và cập nhật giáo trình giảng dạy, tình

hình chung hiện nay ở các trường Đại học và dạy nghể ở nước ta là rất thiếu các

phương tiện thực nghiệm cho cả giáo viên, nghiên cứu sinh, học sinh Mặt khác, các thiêt bị loại này thường có giá rất cao trên thị trường quốc tế Ví dụ: Một bộ thí nghiệm về thông tin quang sợi của hãng P H O TO N IC T E C H gồm một bộ phát

L E D ở bước sóng 850nm thu bằng photo diode Si, và một bộ điều biến bằng tin hiệu A N A L O G và D IG IT A L băng tần lOMb/s kèm một sô phụ kiện dịch chuyển

cơ học bán với giá khoảng 10.000 U SD Do vậy việc thiết kế chế tạo một sô thiết bị quang điện tử dùng trong giảng dạy và nghiên cứu bậc đại học cũng như

trên đại học ở trong nước ta với giá thành hợp lý, chủ động thiết kế bảo dưỡng là

hoàn toàn có ý nghĩa thực tiễn Việc phát triển công nghệ chế tạo thiết bị không những giảm đáng kể giá thành chê tạo so với giá thành nhập ngoại mà còn góp phần xây dung tiểm lực công nghệ cao trong nước, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư, cử nhân công nghệ quang tử, điện tử viễn thông

Đây một công việc lớn, đòi hỏi nhiều đầu tư thời gian để nghiên cứu, thiết

kế, chế tạo và thử nghiệm trong sử dụng đào tạo phù hợp các môn chuyên ngành Theo thoả thuận với các cơ quan phối hợp và sẽ sử dụng kết quả của để tài gồm: Viện Vật liệu - Trung tâm khoa học và công nghệ quốc gia, Viện khoa học kỹ thuật bưu điện, Học viện bưu chính Viễn thông Đề tài này lựa chọn một số sản phẩm công nghệ cao vể thông tin quang sợi nhằm đáp íửig nhu cầu cấp thiết của khoa Công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội trong đào tạo về lĩnh vực này

Trong suốt thời gian tiến hành thực hiện đề tài, chúng tôi luôn nhận được

sự giúp đỡ quan tâm và úng hộ của Đảng uỷ, Ban Chủ nhiệm khoa Công nghệ cũng như Ban Khoa học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội Đề tài đã thực hiện trong hơn một năm và đã tiến hành cho sinh viên năm thứ 4, chuyên nghành Điện

tử Viễn thông thực tập trong năm qua và đã thu được kêt quả tích cực Nhân đây

chúng tôi xin trân trọng cám ơn sự giúp đỡ đó, giúp chúng tôi hoàn thành để tài khoa học này.

CÁC VẤN ĐỂ TRONG sơ l QUANG

Phồn lí thuụết

0 1 L ị c h s ử p h á t t r i ể n c ù a f i b e r O p t i c s

Phương pháp truyền thông tin bằng quang học đã có từ thời xa xưa Trước đây người ta gửi bản tin bằng các tín hiệu lửa được đốt lên hoặc bằng các tín hiệu khói Sau nữa các đèn báo hiệu được sứ dụng đế thông tin liên lạc giữa các con tàu trên biển Tuy nhiên, mẫu đầu tiên dùng cho hệ thống thông tin quang được đite vào năm 1880 Lúc đó, Alecxander Graham Bell đưa ra một “ photophone" và biếu diễn sự truyền dẫn đầu tiên trên 1 luồng sáng tại khoảng cách 200m

Photophone được chỉ ra trong hình

0 1 Một tế bào selenium nhạy sáng được sử dụng đê phát hiện ra sự thay đổi của cường độ tia sáng Tuy nhiên phương pháp này được lưu ý rằng - nó hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện khí hậu là môi trường truyền tin mà tất cả những ai tifng lái xe trong những ngày

có sương mù đểu biết rất rõ điều đó không đáng tin cậy như thế nào

Hình 01 : Sơ đồ nguyên lý của Alexađer Graham

Bell

/ s3«lfCC

Một ông dẫn sóng được làm bằng vật liệu không dẫn điện có thể truyền được ánh sáng (chất điện môi) như thuỷ tinh, nhựa là môi trường truyền dẫn ánh sáng đáng tin cậy hơn nhiểu bơỉ vì nó

không phụ thuộc vào sự thay đổi của

khí quyển Dẫn sáng bằng chất điện

môi không phải là một ý tưởng mới,

vào năm 1870, John Tydall đã chỉ ra

rằng, ánh sáng có thể dẫn trong

dòng nước chảy Thực nghiệm của

Tydall được chí ra trong hình 0 2

Mãi đến năm 1910, Hondros và

Hình 02 : Thi nghiệm của Tydall

ống dẫn sáng sợi quang được sử dụng làm môi trường truyền dẫn cho hiện nay

và mai sau cho các hệ thống thông tin số được đánh dấu bới 2 sự kiện:

• Đầu tiên là sự biểu diễn của vận hành Laser đầu tiên vào năm 1960

7

• Tiếp theo là tính toán cúa 2 nhd khoa học C Kđo và G A.H ockham vào các năm 1966 rằng: ông quang sợi có thê hoàn toàn như với cáp đồng trục đang có đế truyền dữ liệu nếu sợi quang có độ truyền dẫn lớn hơn 1% của ánh sáng sau khi truyền trên quãng đường 1 km.

Lull ý rằng: điều này hết sức quan trọng vì vào lúc đó, năng lượng của ánh sáng chi tụt xuống còn < 1% sau khi truyền qua quãng đường 20m với sợi quang tốt nhất khi đó và chưa có 1 chuyên gia vật liệu nào có thể dự đoán rằng ‘Yêu cầu truyền dẫn chất lượng cao đã có thê đạt được“

Rất nhiểu nhóm nghiên cứu đã đi theo hướng này Vào các năm 1970, Corning Glass Works đã khám phá ra rằng các thuỷ tinh giàu Silica đế làm sợi quang và 1 báo cáo đầu tiên về độ truyền dẫn > 1% trên khoảng cách lk m đã được đăng Nhóm này sau đó tăng độ truyền dẫn !ên tới > 40% trên khoảng cách

lk m Ngày nay độ truyền dẫn trong dẳi 95-96% trên lk m Để so sánh, ta tưởng tượng nếu nước biến có độ truyền qua cỡ 79% thì mọi người có thể nhìn thấy tận đáy biển, chỗ sâu nhất trong đại dương Tiến trình nâng cao độ truyền qua của sợi quang được chỉ ra trong hình 0.3

Nhờ có độ truyền qua cao, mất mát

~~ thấp, theo đó các ưu điếm bổ sung của

lượng lớn thông tin, chống được cannhiễu của sóng điện từ kích thước vàkhối lượng bé đã tạo ra 1 công nghệmới Sợi quang đã trở thành 1 môitrường được chọn cho các íửig dụngtruyền thông Lấy ví dụ: Hệ thống T A T-

8 (Trans-Atlantic-Telephone #8) đãđược xây dựng và hoàn thiện năm 1988với khoảng 6500km chiều dài liên kếtquang sợi xuyên biển Atllantic có dung _ _ lượng truyền dẫn khoảng 2 0 0 0 0 kênh

thoại So với TAT-1 được hoàn thiện

Hình 03 : S ự tiến trong truyền dẫn thông tin năm 1955 có thê’ m 5 0 kênh thoạị

quang sơi tai bước song 850nm và 1550nm ,5 .» ^

băng cáp đông trục Do vậyPacific Bell thông báo 1 kế hoạch chuyến tất cả cáp điện thành cáp sợi quang Họ

đã xây đựng 1 kế hoạch dài hạn để truyền các cuộc gọi đường dài trên quang sợivào các năm 2 0 0 5 và thay thế mọi đường dây thường bằng sợi quang vào năm

2 0 2 5 Sợi quang còn được dùng trong các mạng LA N để truyền dẫn hỉnh ảnh,tiếng nói bên trong hay giữa các toà nhà Nhiều toà nhà hiện nay khi xây dựng đãđược lắp sợi quang đế mong muốn sử dụng mạng LA N trong tương lai

01

001

Sợi quang còn được sử dụng trong các ứng dụng Sensor, nơi có độ nhạy lớn, độ suy hdO thấp và tránh nhiễu loạn của trường điện từ Sợi quang là linh hoạt

và các sensor có thê được thiết kê đế phát hiện nhiều tham sô Vật lý như : Nhiệt

độ, áp suất, độ xoắn và trường điện từ - khi sử dụng các đặc tính truyền dẫn công suất lớn của sợi đa mode lẫn đặc tính nhạy phase của sợi đơn mode Các ứng dụng khác của sợi quang còn có trong y học khi đó Laser đang được xem xét đê điều trị

và chuấn đoán, và sợi quang được sử dụng đê đưa các tia này vào tới các vị trí bên trong cơ thể con người

0 2 Q u a n g h ìn h và q u a n g s ợ i

0.2.1 Ánh sáng dược coi là sóng diện từ

Ánh sáng hàng ngày xung quanh ta mà ta nhìn thấy là 1 phần của dải - hay của phổ - của sóng điện từ kéo dài từ dải Radio tới bức xạ phố Gama công suất lớn như trong hình 0 4 Các sóng này là tổ hợp của trường điện từ mà nó có thế truyền qua môi trường chân không Sự phân biệt giữa chúng chủ yếu là bước sóng

và tần số dao động Dải bước sóng cho ánh sáng nhìn thấy khoảng 400nm cho tới 700nm (1 nm bằng 1 phần tỷ của met) Với sợi quang người ta thường sử dụngnguồn bức xạ sóng điện từ ngoài vùng nhìn thấy, trong vùng hồng ngoại gần vớibước sóng lân cận 800 nm cho tới 1500nm

Thật khó đưa ra những gì đã xảy ra trong hệ thống quang sợi nếu ánh sáng đi vào hệ được vẽ theo hình dạng di chuyển sóng của ánh sáng Với trường hợp đơn giản nhất, dễnhất là coi sự di chuyển của ánh sáng như là các chuỗi mà khi truyền các tia sáng qua không gian Thực nghiệm thấy như các tia nắng mặt trời đi qua các

đám mây vào những ngày trời có mây cho ta 1 ví dụ tương tự như là sự tập hợp các tia sáng

Trong chân không, ánh sáng truyền với vận tốc 3 x1 0 S m/s Trong môi trường vật chất khác, như không khí, nước thì tốc độ này bị giảm xuống Với không khí, tốc độ truyền giảm xuống không đáng kế còn trong nước sạch thì tốc

độ giảm đi 25% , còn trong thuỷ tinh tốc độ truyền giảm xuống từ 30% cho tới 50%

Hình 04 : Phổ năng lượng điện từ

9

Trong hầu hết các trường hợp, kết quả của sự tương tác của sóng điện từ với môi trường vật chất có thế được biểu thức bằng con sô đơn lẻ - chỉ số khúc xạ của môi trường - Chỉ số khúc xạ của môi trường là tỷ số của tốc độ ánh sáng trong

chân không (c) với tốc độ ánh sáng trong môi trường có vật chất (V) và kí hiệu:

về chí số khúc xạ thì tia sáng đó sẽ rẽ khỏi chiều trước đó nó được truyền

Trong trường hợp có sự thay đối vể chỉ sô khúc xạ bên trong môi trường vật chất, tia sáng sẽ phải tuân theo quy luật của sự thay đối về ch? số khúc xạ trong không gian Lấy ví dụ : Không khí trên mặt đường bị đốt nóng bởi ánh sáng mặt trời giữa buổi trv.fa làm giảm mật độ

không khí Do chí sô khúc xạ tăng

theo sự tăng của mật độ do vậy chỉ

sô khúc xạ của không khí trên mặt

đường lúc đó tăng theo chiều cao

Điều này được gọi là gradien chí sô

khúc xạ chi lên phía cao Khi đó

tương tự như chúng ta có một cái

gương lớn trên mặt đường với điểm

đính lập úp xuống ( hình 0 5 ) Anh

sáng từ vật bị cong xuống mặt đường Hình 05 : S ự cong của tia sáng bởi sự thay đối chi

Mắt người quan sát mà còn 1 số ánh sáng từ vật in xuống mặt đường và là vật được hấp thụ bởi con đường đi tới mắt người quan sát Kết quả là cái mà mọi người nhìn thấy dưới mặt đường sẽ là vật phản xạ gọi là “ mirage “ ảo của 1 vật trên mặt đường điều này giống như là nhin thấy sự phản xạ trên mặt hồ nước Sự bẻ cong của ánh sáng bởi gradien chỉ số khúc xạ được sử dụng trong các sợi quang nhằm

0 2 2 A n h sáng trong các môi trường uột chất

M -■

• 7 Ạ

- I cìw 1'• -V

-tăng dung lượng mang thông tin và tạo ra các thấu kính cho các hệ thống sợi quang.

Nếu sự thay đổi chỉ sô khúc xạ không từ từ như trường hợp của gradien chỉ

sô khúc xạ kê trên mà thay vào đó nó thdy đổi đột ngột giống như giữa thuỷ tinh

và không khí thì chiều truyền của ánh sáng sẽ tuân theo các định luật quang hình

Nếu góc kích thích 0, của tia sáng đi vào môi trường vật chất tại điếm tiệm cân trực

giao với điếm giao diện giũci 2 bề mặt vật chất thì:

• Góc phản xạ Of được đo cùng giá

trị :

0, = 0,

• Góc mà ánh sáng được truyền qua xác định bởi :

rij sin ( 0,) = n2 sin (Gr )Định luật đầu tiên được gọi là định luật phản xạ, còn định luật sau được gọi là định luật khúc xạ hay còn gọi là định

Hình 06 : Hình ảnh về khúc xạ và phản xạ luật Snel!

Người ta dùng 1 môi trường mà chi sô khúc xạ lớn hơn môi trường kia làm dày đặc quang học (denser optic) và một môi trường mà chỉ số khúc xạ bé hơn môi trường kia và gọi là làm thưa đi quang học (rare optic) Vì thế ánh sáng đi vào môi trường dày đặc sẽ bẻ cong theo hướng tiến còn ánh sáng đi vào môi trường thite đi

bị bẻ cong theo chiểu ngược lại Trong hình 07 một chuồi các tia trong môi trường dày đặc tới mặt phân cách theo các góc khác nhau Tia sô

#1 khúc xạ tại giao diện, phù hợp với

định luật Snell Tia thứ #2 bị tới hạn là @ 0 0

góc sao cho góc khúc xạ bằng 90°

Nếu góc tới hạn của tia số #3 đưa vào

định luật Snell, ta sẽ tỉm thấy giá trị lớn

hơn 1 và do vậy tia số #3 phải bị phản

xạ lại, không truyền vào môi trường

tiếp như trường hợp thứ #2 và được

phản xạ, gọi là phản xạ toàn phần

Góc tới hạn là góc incident sao

cho tia truyền qua bị khúc xạ dọc theo Hinh 07 : Hình ảnh dân tời phản xạ toàn phần

bề mặt của giao diện ( tia sô #2 ) Khi đó :

s in (ỡcri ) = n , / n 2 (0.4)

11

Tại hỉnh trên phương pháp phản xạ toàn phần giông như 1 gương hoàn thiện, nếu phương pháp này được xem xét đế truyền sóng, như lý thuyết dự đoán

Vđ thực nghiệm đã khắng định là: trường điện từ yếu tồn tại trong môi trường hiếm, nhiửig nó suy hđO rất nhanh theo khoảng cách từ giao diện đi vào và không

đủ năng lượng để truyền trong môi trường hiếm (trường này gọi là trường chóng phai mờ - evanescent field) Nhưng còn trong môi trường dày đặc lại cho phép mặc dù có 1 số ít đi vào môi trường thứ 2 và gọi nó là frustrated phản xạ bên trong toàn phần và sẽ được mô tả sau

0 2 3 Ánh sáng trong các sợi quang

Nếu có ai đó mà chí dùng sợi quang chứa 1 đơn chất hoặc thuỷ tinh hoặc nhựa thì ánh sáng có thế mất ớ bất kì điếm nào tại bề mặt của chúng Vì thế để ánh sáng có thê truyền được sẽ phụ thuộc vào phương pháp sử dựng và cách giữ chúng trong sợi quang Sợi quang cũng phải mềm mại để có thể di chuyển được trong khi sử dụng nó Đê giải quyết vấn đề này cáp quang thường có 2 lõi, tâm lõi

dẫn sáng được gọi là c o r e hay là lỗi, được bao bọc xung quanh bởi ống hình trụ gọi là c l a d d i n g (Hình 08) hay là vổ v ỏ lại được bao phủ bảo vệ bởi lớp nhụte

Do chí số phản xạ giữa lõi và

vỏ là bé hơn trong trường hợp lõi là không khí, góc tới hạn là lớn hơn nhiều đối với vỏ của sợi

quang Chí số của vỏ là n ci vẫn còn bé hơn chỉ số của lõi n c6e

bởi vì phản xạ toàn phần chỉ

xảy ra khi n core > n ci Hãy nhìn

lại hình [08] thấy rằng 1 tia hình nón được sợi quang nhận được xác định bởi

sự khác nhau giữa các chí sô khúc xạ của vỏ và lõi Sự khác nhau về chỉ số khúc xạ được cho bởi :

A = ( n core - n cl ) / n core (0.5)

Bới vì chỉ sô khúc xạ của lõi là hằng số và chí số thay đôi tại biên, giao diện

giCfa lỏi và vỏ Loại sợi quang trong hình [08] này được gọi là sợi quang chỉ số bộc

Xác định góc tới hạn có thể được sử dụng đế tìm kích thước của lõi của ánh sáng

mà nó được nhận bởi sợi quang với sự sai khác chí số số khúc xạ A Trong hỉnh

08, tia sáng được vỗ có được góc tới hạn tại giao diện giữd lõi và vổ Nếu góc hình nón là 0t thì theo định luật Snell ta có :

n c s i n Oc = n iore s in Oc = n cores in ( 9 Ơ ’ - Ocore )

= " c o r e c o s 0

= n ,or,' ự ọ - s i n ' ế T j

T ừ biểu thức (0-4): s in (ơcore ) = n cl / n core vi thế

n c s in O c = V ( " L “ n d ) ( ° - 6 )

S ố m ở N A là sô đo liệu có bao nhiêu ánh sáng có thể được nhận bởi hệ

thống quang như là cáp quang, thâu kính hiển vi hoặc là thấu kính ảnh Nó là sảnphấm của chí số khúc xạ của môi trường tới với sin của góc tối đa

Trong hầu hết các trường hợp, ánh sáng tới từ khônq khí và do vậy n = 1 Khi

đó số mở của cáp chí số nhẩy bậc từ biểu thức (0.6) và (0.7) là:

Khi À « 1 , biếu thức 0 8 có thể xấp xỉ bằng :

N A = V k w , + ' 7 , / K ,

Điều kiện trong đó A « I tương ứng với ống dẫn yếu NA của sợi quang sẽ được

đo trong phần tiếp theo

t«

Hinh 09 : Hình ảnh trễ khac nhau của càc tia trong sợi

quang có chiết suất nhảy bậc

cách L ị , từ hình học chúng ta thấy :

Trong hình 0 9 chỉ ra 2 tia, Một tia trục đi dọc theo trục của lõi sợi quang còn tia kia, tia mép đi dọc theo đường gần góc tới hạn chỗ giao tiếp vỏ và là góc tia lớn nhất mà nó sẽ được truyền trong fiber Tại điểm nơi

mà tia ớ mép gặp giao tiếp, nó

đã đi được 1 quãng đường là L 2

trong khi đó tia trúc lại đi được khoảng

s i n 0 = n cl/ n core = L , / L 2 (0.10)

13

Độ dài L 2 là hệ sô n core/ n CỊ dài hơn L ị như trong trường hợp chí ra tronghình Đối với độ dài nào L của sợi quang, khoảng cách thêm vào được di chuyểnbởi tia mép là :

ỎL = ("core - n ,i) L / n el (0.11)

Biểu thúc (0.11) có thể đơn giản bằng : ỔL = L a Thời gian thêm vào: để choánh sáng đi dọc theo tia mép là :

ổt = ỔL / V = L a n core/ c (0.12)

Vì thế, một xung có độ dài t biểu diễn 1 bit thông tin sẽ bị kéo dài thêm 1

khoảng t + ốt Sự sai lệch về mặt thời gian giữa tia trục và tia mép sẽ gây ra xung

bị bấn và vì thế sẻ hạn chế sô xung trong 1 giây có thể được truyền qua fiber và được phân biệt tại đầu xa kia Trong trường hợp như vậy, hệ thống có thể được giới hạn không chỉ bới tốc độ bật hay tắt của nguồn hoặc tốc độ đáp ífng của đầu

đo mà còn bới sự sai lệch thời gian trễ khi tia sáng truyền qua sợi quang Sự bẩn (trễ) của xung có thể được được chữa trị bằng cách sử dụng các cáp với chí số graded hoặc đơn mode

Ngay từ ban đầu, người ta lưu ý rằng, các tia sáng có thể được làm lệch bằng cách thay đổi chỉ số khúc xạ của môi trường như là bất ngờ đối giao diện gịCte hai chỉ số Có 1 số cách đê tạo ra điều khiến gradient chí số Một vài giải pháp giới thiệu sự pha tạp vào trong lớp mỏng của thuỷ tinh và chúng lắng đọng trên đế Cách làm này không tạo ra xứ lí liên tục do chỉ sô khúc xạ trong mỗi một lớp là gần như khòng đối Kết quả là sự thay đỗi của chỉ số khúc xạ trong sợi quang có sự tương đồng của một chuỗi các vòng cây đồng tâm (các vòng có chỉ sô khúc xạ khác nhdu đột ngột ) chứ không phải là sự thay đổi từ từ, mềm mại của chỉ số khúc

xạ Một kĩ thuật khác là bỏ đi một vài chất khỏi thuỷ tinh cơ sở bằng xử lí hoá học

Các sợi quang có lõi với chí số khúc xạ thay đổi gradient được gọi là fiber-index- graded Loại cáp này có chí sô khúc xạ thay đổi từ từ theo lý thuyết

Mỗi một sợi quang chí sô khúc

xạ gradient có thể được điều khiến

chế tạo bớ nhà máy đê thiết kế

chế tạo các sợi quang, xác định

cách sử dụng với chí số khúc xạ

cho trước n (r) , sự thay đối của chí

sô theo khoảng cách bán kính của

lõi Thường thỉ sự thay đổi này

tuân theo định luật cho như sau :

n 2(r ) = n \ ( 1 - 2 A ( r/a f ) (0.13)

Tại đây n r là chí sô khúc xạ tại tâm của lõi, còn A là sự sai lệch chỉ số khúc

xạ tại biểu thức 0 5 trên đây, nhifng n, bây giờ thay thế cho n core Tham số a là

exponent của định luật công suất và xác định dạng của graded-index-profile Với a=2 cho ta profile dạng parabolic như hình 0 10 Profile này thường gặp trong hầu hết các sợi quang chí sô khúc xạ graded dùng trong viễn thông vì nó đã loại trừ được thời gian trễ khác nhdU giưa tia trục và tia phản xạ Số mở của sợi quang chỉ

số khúc xạ graded cũng cũng giống như sợi quang chỉ số khúc xạ nhấy bậc chỉ các tia trục đi vào cáp Với các tia đi vào tại các điểm khác của lỗi, số mở địa phương

sẽ bé bới vi chí số địa phương rt( r) phải được sử dụng nhtf trong biểu thức 0.8

Trong trường hợp với sợi quang chí số parabolic graded, tong số các tia nhận được chỉ bằng một nứa tổng số các tia nhận được bới sợi quang chỉ số nhay bậc với cùng một giá trị A

Chẳng cần đifa vào tính toán cũng nhận được rằng sợi quang chí số parabolic graded bổ đi thời gian trễ, giảm được các xung bẩn và có thể có chất lượng xung tốt hơn Thay vỉ các tia mạnh bị mất tại giao diện lõi-vổ như là trong sợi quang chí số nhấy bậc, các tia sẽ đi theo các đường cong mềm mại trong sợi quang chi sô parabolic graded, các đường này có dạng sinusoidial Đó là con đường

có thế được mô tả bằng 1 hàm sin trong không gian

Người ta thấy rằng đường đi các tia sáng có một biên độ bán kính lớn và thậm chí vẫn còn dài hơn quãng đường đi theo trục của sợi quang Nhưng bới vi với các sợi quang với chí sô khúc xạ graded, vận tốc ánh sáng tại tâm của cáp thỉ nhỏ hơn vận tốc ánh sáng tại mép của lõi Do vậy cho dù ánh sáng đi gần tới mép của sợi quang có quãng đường xa hơn nhifng nó đi nhanh hơn và do vậy đến đầu cuối của sợi quang có cùng một thời gian so với ánh sáng đi theo trục cáp Nếu độ

dài của sợi quang là L , còn tốc độ của ánh đi trong tâm của cáp là V = c /n c thì

thời gian để cho 1 xung đi tới đầu cuối của sợi quang là

t - L / V - n, L / c

Để ánh sáng đi theo con đường hình sin, độ dài quãng đường tia sáng phải

đi là L ' và do vậy thời giđn tia sáng phải đi là í = n ( r ,z ) L ' / c sản phấm của

con đường hỉnh học và chí số khúc xạ được gọi là độ dài con đường quang học

Nếu độ dài con đường quang học n ( r ) L là giống nhau cho tất cả các con đường

thì không có sự sai khác về thời gian trễ của các tia đi qua sợi quang Để cho tất cả các độ dài con đường quang nhau là như nhau, thỉ profile phải ỉà parabolic với a= 2

15

A, sự sai khác chỉ số khúc xạ

Nếu sợi quang chỉ số khúc xạparabolic được cắt với độ dàibằng 1 / 4 của bước thì nó có

ư , -r, ~D(AÍ - thế đươc dùng như là các thấu

Hình 11: Thâu kinh GRIN pitch 0.25 (a) và 0.29 (b)

kính cực ki tốt ( Đôi khi còn được gọi là thấu kính G RIN , viết tắt của GRaded Index ) cho các ứng dụng fiber như trong hình 0 11 Do vị trí ra của sợi quang tại

bể mặt có độ dài ngắn, ánh sáng từ thấu kính sẽ được chuẩn trực cũng như các tia phân ki tại điếm hội tụ của thấu kính được trực chuẩn lại Do đặc tính của thấu kính được xác định bởi độ dài của nó mà các thấu kính gradeci-index được chấp nhận với độ dài 1/4 hay 0 2 5 pitch Trong 1 vài trường hợp, không nhất thiết phải chuan trực ánh sáng mà lại cần đê hội tụ của lối ra sợi quang trên 1 đầu đo nhỏ hoặc hội tụ vào lõi của 1 sợi quang Cách dễ nhất để làm điều này là tăng quãng đường của thấu kính G RIN lên tới 0 2 9 pitch lens như trong hình 0 1 1 Điều này cho phép người thiết kế hệ thông quang sợi di chuyển nguồn sáng ngược lại về phía thấu kính để có sự hội tụ ánh sáng truyền tới Trên thực tế, điều này được sử dụng cho các khớp ghép nguồn tới sợi quang hay là từ sợi quang tới các đầu thu

Cả 2 thấu kính G RIN với 0 2 5 và 0 2 9 pitch đều được sử dụng trong phần bài tậpsau này

0 3 T í n h c h â t q u a n g h ọ c và c á c m o d e t r o n g s ợ i q u a n g

0.3.1 Các trường sóng trong fiber

Các định luật truyền ánh sáng trong quang sợi được trình bày trong các phương trình Maxwell giống như các định luật miêu tả sự truyền ánh sáng trong môi trường chân không hoặc môi trường nào khác Khi thông tin về vật liệu làkhông đổi ví như chí số khúc xạ và các điểu kiện biên cho hình ống của lõi và vổ

được kết hợp chặt chẽ vào trong biểu thức, chứng có thế được kết hơp để tạo ra 1 hàm sóng mà hàm sóng đó có thể được giải đối với sự phân bô trường điện từ mà

nó sẽ truyền qua sợi quang Cốc điều này cho phép phân bố của trường điện từ

qua sợi quang được chuẩn hoá như là các m o d e s của sợi quang Chúng cũng

tương tự như các modes tim thấy trong các hốc vi sóng và các hốc laser Khi số lượng các modes trở thành lớn như trường hợp với sợi quang có đường kính lõi lớn, hình ảnh tia mà chúng ta đã sử dụng miêu tả đầy đủ sự truyền sóng trong sợi quang

ơ đây tần sô ánh sáng tính theo radian / sec ( to = 2 Tty ) còn V là tần sô tuyến tính theo H E R T Z cycle/sec, còn p là hằng số truyền được tính theo radian trên đơn vị khoảng cách, còn ỵ là hằng số phase được cấp hiệu chính biên độ tại thời điểm t = 0 và vị trí z = 0 với q là 1 số nguyên Tham số p là quan trọng để

chí ra sự truyền ánh sáng trong sợi quang như thế nào Theo sự miêu tả hình học

tia sáng, ị i là hình chiếu của vector truyền lên trên trục z, tại đó độ lớn của vector truyền là k = 2 rcn / Ằn với Ẫ0 là độ dài sóng ánh sáng trong chân không Một điểu hết sức quan trọng để phân biệt giữd độ lớn của vector truyền k hằng sô truyền (i

là thành phần z của vector truyền nhằm đê tránh các rắc rối sau này

Giải bài toán đối với p, f ( r ) và q bằng cách thay thế biểu thức 0 1 4 vào trong

hàm sóng Bài toán sẽ phụ thuộc vào dạng hinh học của sợi quang, chỉ số profile bao gồm của cả lõi lẫn vổ được xem dưới đây Profile step-index là một trong số ít profile chí số khúc xạ được dùng đế giải bài toán 1 cách chính xác Trong nhiều trường hợp, đê giải bài toán người ta sử dụng hàm Bessel (Rất nhiều người không thích dùng hàm Bessel do hầu như hiếm khi thu được các hàm lượng giác thậm chí

là các hàm hyperbolic Trong khi đó các hàm lượng giác được học ở toán cấp 3

Như sự dao động của dây dàn Guitar thực ra là sin nhưng không nhìn thấy do rung

Sự miêu tả các mode truyền trong

sợi quang được giải phương trinh

sóng trong toạ độ trụ đối với trường

điện của ánh sáng trong sợi quang

Hệ thống toạ độ trụ trong sợi

quang được minh hoạ trong hinh

0 1 2 , Khi giải chúng ta sẽ thu được

sự đơn điệu ( chứa hàm sin và cos)

theo không gian và thời gian dưới

E ( r , ệ , z ) = f ( r ) c o s ( cot - Ịìz + V ) COS ( q ệ ) (0.14)

17

P ĩ / I b X >

động của nó với tần số cao Tuy nhiên hàm Bessel lại rât dễ tìm chỉ cần 1 bể mặt

có thế di chuyển 1 cách tự do và biên hình trụ là bề mặt đó Ai đó mang tới 1 cốc caphê vìte đủ, gõ nhẹ vào bên cạnh cốc và nhìn các sóng hình tròn phát ra trên bể mặt - Đó chính là hàm Bessel)

Một đại lượng quan trọng xác

định các mode của trường điện từ

là một tham số được gọi "tham

số đặc tính ống dẫn sóng" hay

còn gọi là "Sô sóng thông

thường" hay đơn giản nhất là “V-

number" cúa sợi quang Trong

hình 0 1 3 đã cho 1 vài bậc thấp

nhất của các mode Sô của các

mode truyền được xác định bởi

số các đường cong cắt qua đường

thắng đííng tại V-number của sợi

quang Chú ý rằng, các sợi quang

với

V < 2 4 0 5 chỉ có đơn mode được truyền trong sợi quang Đây là loại đơn mode

mà bước sóng tại V < 2 4 0 5 đợc gọi là bước sóng cut-off được biểu thị bởi Xc do

đường kính của lõi và NA cũng như bước sóng phát ra được tăng thêm đó là những

bước sóng mode bậc cao được loại bỏ và chí nhCfng mode đơn lẻ sẽ được truyền ở

trong sợi quang

Một sợi quang mà chí truyền mode H E n được gọi là sợi quang đơn-mode,

ví dụ như loại sợi quang F-SV có đường kính lõi 4f.tm và NA khoảng 0 1 1 Theo biểu thức 0 1 4 cáp này có V-number là 2 1 9 cho ánh sáng với bước sóng 633nm

sẽ làm việc tốt ở vùng đơn mode Thực nghiệm vấn đề này sỗ làm trong phần sau.

Trong các sợi với ổ << 1 giải chính xác lý thuyết ống dẫn sóng H E (orecó thể được thay thế bằng cách đặt các mode mà từ đó được phân cực tuyến tính, được gọi là L P mode ( Chi tiết về sự phân cực sóng trong sợi quang sẽ được nói trong phần 0 3 2 ) Các mode L P này được kết hợp cuả các mode được tìm thấy từ lí

thuyết ống dẫn sóng đã có Các mode phân cực tuyến tính này có thể được đặc trưng bới 2 kí hiệu : m và n K í hiệu đầu tiên (m ) cho số của góc phương vị (hay

là góc, các nodes zeroes mà sẽ xuất hiện trong phân bố trường điện của mode) Còn tham số

Hinh 13: Các mode bậc thấp của 1 sợi quang Mỗi một V-num biểu diễn 1 cấu hình sợi quang khác nhau

thứ 2 n của bán kính nodes ( radialnodes ) mà nó xuất hiện Chúng cóthê được nhận dạng bởi các mẫuhinh quang lối ra của sợi quang.Các mẫu này có tính đối xứng vớitâm của chùm tia và vùng sángphân biệt với vùng tối (Các nodesđược xác định theo số bậc của m và

n ) Một vài trong số đó được chỉ ratrong hình 14 Người ta giả địnhrằng, trường zero tại mép ngoài củaphân bô trường được đếm như là 1node sao cho n >=1 Với các nodephương vị, M >= 0, bậc thấp nhất

H E U chứa hai L P mode, với phâncực góc phải cho mode này còn lại

Hình 14: Các kiểu chiếu sáng do một vàl mode cho mode kia Hình 15 chí ra hằng

mode với V-number thấp, các mode phân cực tuyến tính riêng rẽ

sẽ được phát ra trong sợi quang và quan sát được tại lối ra Sự truyền của các mode riêng rẽ trong sợi quang như thế có thể được quan sát trong phần sau

Điều này giúp vượt qua một trong các khó khăn của khái niệm mode trong sợi quang và làm cho mọi người hiểu được chúng là cái gì và chúng khác nhau như thế nào

Hinh 15: Các mode phân cực tuyến tinh bậc thấp

trong 1 sợi quang

0 3 2 Các mode cáp cỉa mode

19

Cáp đd mode thường được dùng trong viễn thông có thể có a = 25(.im,

N A = 0 2 0 hoặc ở = 50 ịam còn NA = 0 3 0 đối với ánh sáng có bước sóng

6 33n m , V-number nằm trong khoảng 50 cho đến 150 Điều này có nghĩa là một

sô lớn các mode sẽ được trợ giúp bới sợi quang Trong sô ánh sáng được mang bởi mỗi một mode sẽ được xác định bởi lối vào hoặc bới cách đưa vào hay các điều kiện Lấy ví dụ: nếu góc trải của tia từ nguồn lớn hơn góc trải có thể được chấp nhận bới sợi quang (NA của bức xạ lối vào lớn hơn NA cua sợi quang) và bán kính của chùm tia lối vào lớn hơn bán kính lõi thi nói rằng đã tràn -o v e r f i l l e d (hình 0.1 6 a) - Đó là một vài tia từ nguồn đặt vào trong sợi quang không có thể truyền được bởi sợi quang Ngược lại khi chùm tia lối vào có NA bé hơn NA của sợi quang

và bán kính của chùm tia lối vào cũng bé hơn bán kính lõi

sợi quang thì được gọi là thiếu -

u n d e r f i l l e d (hình lỏb) và chỉ

các mode bậc thấp (các tia góc

thấp trong trong ảnh tia) sẽ

được kích thích trong sợi

quang Hai điều này phân bố

với độ suy hao đo được là khác

overfilled có độ mất mát lớn

hơn trường hợp underfilled

Các tia bậc cao hơn sẽ mất

nhiều thời gian hơn gần giao

diện vổ - lõi và sẽ có nhiều hơn

sự phai mờ kéo dài

tận vào trong vổ sợi quang do vậy có độ suy hao cao Cũng như vậy, nếu sợi quang bị bẻ, các tia tại góc lớn so với trục của sợi quang không đảm bảo điểu kiện góc tới hạn và do vậy không phản xạ toàn phần

Do năng lượng từ các mode này phát tán vào trong vỏ do vậy tăng suy hao

Chúng được coi như là r a d i a t i o n m o d e Còn 1 chế độ khác của mode được gọi

là l e a k y - m o d e Mode này có 1 phần năng lượng trường điện từ của chúng phân

bố bên trong lõi và 1 phần phân bô tại vó Nhưng không có một sự phân bố năng lượng nào tại giao diện vỏ-lõi Năng lượng phân bô trong lõi "dò rí" vào trong vổ bằng các xử lí đã biết trong cơ học lượng tử gọi là đường hầm (tunnel) Mode dò rí không là mode ống thực sự nhưng có thể không hoàn toàn mất cho đến khi ánh sáng đã đi được 1 quãng đường dài

(*-»)

Hình 16 : Điều kiện đưa vào sợi quang đa mode (a) Overfilled (b) UnderFilled

Hình 17: Mode xáo trộ của sợi quang do sự bẻ cong

Sau khi ánh sáng đã được đặt vào trong sợi quang và truyền với 1 khoảng cách đáng kể ( có thể là 1 vài km), một sự phân bố năng lượng bên trong lõi của sợi quang đã tăng lên mà về cơ bản không phụ thuộc vào khoảng cách truyền Điểu này được gọi là "phân bô mode ôn định Nói chung, tương xứng với mode

on định là không nhạy với sự bẻ cong nhỏ và sự

vặn xoắn trong sợi quang dù cho chỉ với độ dài sợi quang ngắn Một kĩ thuật được gọi là mode-filtering (mode lọc) được dùng Mode-filtering được coi là đồng loã với cách dùng mode xáo trộn (mode-scrambling) Mode srambling có bằng cách bẻ cong sợi quang theo các đoạn như chí ra trong hình 0 1 7 Hiệu quả của các sự bề cong này là loại bó ghép ra ánh sáng các mode radiation và leaky và đưa ánh sáng vào mode dẫn của sợi quang, tạo ra 1 sự xấp xỉ sự phân bô mode ổn định Mode scrambling cho độ lặp lại, chính xác về phép đo suy hao trong phòng thí nghiệm, thậm chí với độ dài sợi quang đủ ngắn Nó được sử dụng trong 1 vài phần tiếp sau đây

0 3 3 S ự phân cực của sóng

Pi oợiạaUon

Direction

Trường điện từ là một đại lượng

vector Cả hai thành phần trường điện

và trường từ đều là vector theo góc phải

tương ửng với nhau Trong nhiều trường

hợp, cả hai vuông góc lẫn nhau, vuông

góc với vector truyền của ánh sáng như

chỉ ra trong hình 0 1 8 Mỗi một khi

vector truyền sóng có thành phần z là

p và chiểu truyền của nó dọc theo tia

sáng là được biết Thông tin về trường điện là tất cả những cái được yêu cầu dể xác định đầy đủ trong môi trường (trường từ có thể được xác định từ thông tin này) Chiều của trường điện xác định sự phân cực của sóng

_

>

Hinh 18 : Các thành phần của trường điện từ

Trong nhiều nguồn sáng, sự phân cực cúa ánh sáng thay đổi một cách ngẫu nhiên, và nguồn này được gọi là “ được phân cực ngẫu nhiên Các nguồn khác như là lối ra của nhiều laser được phân cực tuyến tính Khi ánh sáng được phân cực tuyến tính, vector trường điện giữ 1 giá trị không đôi trong không gian như được vẽ trong hình 0 1 9 a Do trường điện là 1 vector, nó có thể chiếu thành phần của nó lên hai trục vuông góc, nếu có 1 sự chậm trễ thời gian giữa hai thành phần

21

mà nó có thể được chuyến đối thành sự trễ pha thì dạng khác của sự phân cực được tạo ra V í dụ nếu thời gian khác nhau giữd hai phân cực trực giao là 1/4 của chu kì ( phù hợp với 1/4 bước sóng ) sự sai pha giữa hai thành phần là 90° Vector trường điện của sóng là kết quả của hai thành phần và vector trường điện đê lại hình ellippse trong không gian ( hình 19b ) Vì nguyên nhân đó ánh sáng được gọi

là "phân cực elliptically Nêu hai thành phần của chúng bằng nhdU và vuông pha 90" sóng sẽ được phân cực trong như hình 0 1 9 c Trong trường hợp, sợi quang phân cực ánh sáng truyền qua nó chúng có thê đảo ngược hoặc có thê xáo trộn một cách ngẫu nhiên sự phân cực ánh sáng phụ thuộc vào sợi quang đang dùng

Khi ánh sáng tương tác với vật liệu, các điện tử trong vật liệu được đặt trong sự di động Trong khi hầu hết các ánh sáng được truyền bởi môi trường thì 1 phần nhỏ của ánh sáng

bị phân tán bởi điện tử và bởi các khuyết tật trong môi trường Trongnguồn sáng được phân cực ngẫunhiên, ánh sáng sẽ bị phân tán đĩtheo mọi hướng Nếu ánh sáng trong môi trường được phân cực tuyến tính thì có rất ít ánh sáng bị phát tán dọc theo chiều của vector phân cực Hầu hết các ánh sáng được phân tán bên trong hoặc gần mặt phắng vuông góc với chiều phân cực như chỉ ra trong hình 0 2 0 Điều này có nghĩa là nếu chúng ta gứi ánh sáng phân cựctuyến tính qua 1 môi trường mà môi

Hình 20: Tan xạ của ánh sáng bàng trường phân trương đo thay đoi chieu phan cực

cực tuyến tinh nhưng không xáo trộn nó và chúng

ta có thể dọc theo hướng của phâncực qua môi trường ( hinh 0.21 )

Hinh 19 : Dạng phân cực của ánh sang

số truyền khác nhau Lấy ví dụ: sợi quang với lõi dạng elliptical sẽ tạo ra lưỡng

chiết mà trong đó trục nhanh và chậm là suốt theo trục chính-major và trục phụ- minor của ellipse Cái tính elliptical này có thế do cả tình cờ có - do lỗi khi chê tạo

lẫn sự cô ý chế tạo sợi quang Như đã chí ra trong "bow-tie" sợi quang lưỡng chiết được minh hoạ trong hình 0 2 2 Tại đây, trục chậm là song song với là trục high

10><ệChộft

stress của bow-tie (song song với bow-tie) còn trục nhanh thì vuông góc với trục high-stress.

Nêu ánh sáng được khới động với 1 thành phần tuyến tính dọc theo trục quang học Sự khác nhạy trong hằng số truyền gây ra vector tổng hợp của hai phân cực biển đoi tuần hoàn theo khoảng cách dọc theo sợi quang Khi hai thành phần này cùng phase thì ánh sáng được phân cực tuyến tính Do ánh sáng truyền

và các thành phần lại khác phase, trạng thái phân cực đi từ tuyến tính tới elliptical

và lại quay trớ lại thành phần tuyến tính tại phase khác 180° Khi hai thành phần

tuyến tính với góc 45° so với quang trục, độ phân cực thay đổi từ tuyến tính tới elliptical rồi tới tròn rồi tới elliptical rồi quay trở lại tuyến tính trong 1 mặt phắng sao cho đó là tại góc 90 tới mặt phắng phân cực tuyến tính nguyên thuỷ Trình tự này của trạng thái thay đối phân cực liên tục dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang Khoảng cách L p mà độ phân cực quay hết 360° được gọi là độ dài phách -

b e a t l e n g t h của sợi quang ( Thay đổi độ hội tụ và hội tụ lại nhờ sợi quang chí số

graded làm nâng độ dài pitch, một sợi quang lưỡng chiết tạo ra một độ dài phách)

Độ dài phách liên quan đến độ lưỡng chiết ổn = n beal - nfring bởi : L p = 2ĩt/sp

ớ đây ÔỊỈ = 2 n ổ n / Ả0 Độ dài phách này có thế được quan sát một cách thông

thường khi ánh sáng từ 1 laser Helium-Neon được phát vào sợi quang với chiểu của hướng được phân cực bằng 45" so với trục nhanh của sợi quang Như đã thảo luận trước đây, Sự phân tán từ tâm được

huỳnh quang bởi ánh sáng phân cực

tuyến tính thay đổi từ zero tới

maximum cũng như góc quan sát thay

đối dọc theo chiều phân cực vuông

góc với nó Vì thê khi ánh sáng qua

sợi quang lưỡng chiết, sô lượng của

ánh sáng được phân tán ra ngoài tại

các góc phải sẽ thay đổi với trạng thái

của sự phân cực tại mỗi một điểm

Trong trường hợp của một sợi quang

phân cực được bảo vệ với điểu kiện

phát được miêu tả như ở trên, độ

phân cực đi từ tuyến tính tới tròn rồi quay trở lại, có một sự khác chút ít so với cái được minh hoạ trong hình 0.21 do là đó là trường hợp của sự phân cực tuyến tính quay Tu y nhiên tại các điểm mà tại đó độ phân cực là tuyến tính, ánh sáng phân tán là yếu hay là mạnh (phụ thuộc vào chiều quan sát) hơn tại điểm vị trí được phân cực tròn Bằng cách đo lặp lại các khoảng cách để xác định sự phân tán ánh sáng thay đổi độ dài phách của sợi quang có thế được xác định

Hình 21: Sự phat tán ánh sáng do môl trường

23

Hình 22: Mặt cất của sợi quang phân cực

— Owe

Khi ánh sáng được phân cực tuyến tính được phát vào với vector phân cực song song với cả trục nhđnh và trục chậm của 1 sợi quang lưỡng chiết cao, phân cực lối ra vẫn còn được phản cực tuyến tính mặc dù sợi quang cong Sự giữ nguyên phân cực này được dùng để giảm độ nhạy với hiệu ífng môi trường Đối với điều kiện phát vào khác, điều này sẽ không đúng nữa Thay vào đó sợi quang sẽ làm thay đổi độ phân cựccủa ánh sáng Kết quả thực tới ánh sáng được phân cực lối vào được xác định bởi điểu kiện phát, độ dài phách và độ dài của sợi quang Sợi quang mà phân cực giữ nguyên có nhiều ứng dụng tại những nơi mà độ phân cực của ánh sáng được truyền phải được ổn dịnh và xác định rất rõ Các ửng dụng này như là sợi quang sensor giao thoa kế nghiên cứu trong phần sau, sợi quang con quay hồi chuyển và các hệ thống phát hiện tạo phách

0 3 4 S ự kết hợp của sóng

Lối ra của nhiều Laser có độ đơn sắc rất cao Về mặt lí tưởng, người ta coi ánh sáng từ Laser là ánh sáng đơn màu trên thực tế, nó bao gồm ánh sáng của một sô ít các dải của bước sóng AÂ Có một số cách để xác định mức độ đơn sắc

và hơn nũci là độ rộng các bước sóng AẦ Nó có thể được đặc trứng như băng thông tần số Av Hai đại lượng đó Hên quan với nhau bởi :

Băng thông càng hẹp thì độ đơn sắc của ánh sáng càng cao

Một cách khác miêu tả sự đơn sắc của một nguồn thông qua độ dài kết hợp của chúng “ coherence length Nếu 1 nguổn hoàn toàn đơn sắc, lối ra chứa 1 trường điện từ biên độ không đổi mà nó dao động trong 1 thời gian dài vô hạn chỉ cho ra 1 tần số và bước sóng riêng lé Bất kì sự sai lệch nào dù nhỏ về biên độ và ngắn lại về độ dài dao động mà làm tăng băng thông của nguồn hoặc ngược lại làm giảm sự kết hợp của bức xạ Người ta có thể miêu tả điều này như là một chuỗi các sóng mà độ dài của nó biểu diễn sự đơn sắc của nguồn Quan hệ giữa độ dài kết hợp và băng thông là :

A v = A Ả c / Ả2 hoặc AẢ = A V c / V 2

l c = c / A = Ả2 / ÂẢ

0 3 5 S ự giao thoa của sóng

Khi hai trường điện từ có mặt ở cùng 1 vị trí tại cùng 1 thời điếm, kết quả là chúng có thế cộng vector Nếu hai trường được phân cực tuyến tính theo cùng mộtchiểu các trường đó có thế được cộng điếm-điếm như là các các đại lượng vôhướng Nếu hai trường điện có cùng biên độ và phase thì tống sẽ gấp đôi

và lớn hơn Nêu phase của chúng lệch

nhau 180” thì trường tổng cộng bằng

zero như chi ra trong hình 0 2 3 Hiện

tượng của hai hay nhiều trường điện từ

được cộng lại để cho 1 kết quả được gọi

là hiện tượng giao thoa Khi trường là

đồng phase thì nó được gọi là can nhiễu

cộng, còn ngược lại nếu trường là ngược

phase nhau 180" thì gọi là can nhiễu

trừ Trong nhiều hệ qudng học, độ dài

quãng đường thay đối sẽ tạo ra các giao *

thoa cộng và trừ sinh ra 1 loạt các các

dấu vết sáng và tối T ừ các mẫu dấu vết

và sự thay đôi của chúng như các điều Dcyriíívt inicH^cnce

kiện vật lý trong các quãng đường giao Hình 23: Minh hoạ can nhiễu giữa 2 sóng

thoa được thay

đối Ta có khả năng đo sự thay đổi cực kì nhó theo khoảng cách và chí sô khúc xạ

Tất cả các điểu này, chúng ta có chiều được phân cực là như nhau Nếu các trường có đ ộ ỊDhân cực vuông góc với nhau, kết quả cũng sẽ được cộng các vector của các trường này, nhúTig không có giao thoa constructive và destructive và chả

có dấu vết nào được nhìn thây Đê giải thích hoàn toàn hiện tượng giao thoa và dấu vết giao thoa có thể thấy trong một số sách quang học cơ sở

Một nhà hình học đã trưng bày giao thoa kế Mach-Zchnder như chí ra trong hình 0 2 4 Nguồn sáng được chuẩn trực bới 1 thấu kính L Các tia đã được chuẩn trực được chia bởi bộ tách tia B S ị Bộ tách tia là một thành phần mà cho qua 1 phần của ánh sáng tới nó phản xạ phần còn lại Giả sử rằng không có sự hấp thụ trên bộ tách tia đó Trong đại đa số các trường hợp, tỷ số truyền qua và phản xạ

là 5 0 /5 0 Các tia được chia này lại bị đối hướng bới gương Mj và M2 để rồi lại được tổ hợp lại trên trên bộ tách tia thứ 2 B S 2 Sự giao thoa của chúng có thể được nhìn thấy trên màn ảnh s Trong phần sau các phiên bản sợi quang của giao thoa kế Mach-Zchnder sẽ được xây dựng và kiểm tra

25

Hinh 24: Giao thoa kế Match-Zchnder

0 4 T r u y ề n n ă n g l ư ợ n g q u a s ợ i q u a n g

0 4 1 S u y hao tro n g fib e r

Tất cả các điểu nói ở trên đều được giả định rằng, ánh sáng truyền trong sợi

quang không suy hao và các mode leaky và một vài mode bậc cao hơn được đito ralõi

Khi ánh sáng được truyền qua một môi trường hấp thụ, độ chói tụt xuống theo hàm exp theo khoảng cách truyền dẫn Mối quan hệ này gọi là định luật

B e e r có thể được biếu diễn “

l ( z ) = [( 0 ) exp ( T z ) (0.19)

Ớ đây I( z ) là độ chói tại khoảng cách z so với điểm z = 0 Còn r là hệ số suy hao Biểu thức tính theo đơn vị nghịch đẳo cuả z Trong một vài trường của Vật lý và Hoá học, ở đó độ hấp thụ của môi trường là đáng chú ý Thông số của hấp thụ tại một bước sóng cụ thể tương ứng với một quãng đường xác định (ví như 1 cm) được

sử dụng để đo nồng độ của vật liệu hấp thụ trong dung dịch

Cho dù hệ số hấp thụ có thể được tính theo đơn vị nghịch đảo của exp

phân rã thì trong lĩnh vực sợi quang cũng như trong hầu hết lĩnh vực viễn thông,

độ hấp thụ được tính theo đơn vị đB/km ( dB được goi là Decibel đơn vị logarií cơ

sô 10 ) trong trường hợp này exp phân rã được tính khi dùng cơ số 10 thay cho

Suy hdO trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng Cho vậy ánh sáng có bước sóng khác nhau đưa vào cùng sợi quang sẽ có lượng suy hdO khác nhau Hình

0 2 5 chỉ ra độ suy hao theo dB/km của 1 sợi quang điên hình như là một hàm của bước sóng

Cho dù sự phụ thuộc exp miêu

tả mất do hấp thụ thi các toán

học tương tự có thế được sử đối

với những nguyên nhân khác của

mất mát trong sợi quang Sự

truyền quang học mất mát trong

sợi quang do 1 vài nguyên nhân

cơ học Trước hết là do sợi quang

có giới hạn trong miền các bước

sóng ngắn (hifng về phía nhìn

thấy và tử ngoại) do dải hấp thụ

của môi trường vật

liệu và do sự phân tán mà sự không đồng đều về chỉ số khúc xạ của fiber gây ra

Sự không đồng đểu này id do sự thay đối nhiệt bất thường khi sợi quang đang ở

trạng thái nấu chảy (molten) Cũng như là sợi quang kết rắn sự, thăng giáng bất thường này gây ra chỉ sô khúc xạ biến đổi trên mức độ nhỏ hơn biến đổi parabolic

mà nó mà nó áp đặt cho sợi quang chí số graded Sự phân tán ra khỏi do không

đồng đều được biết như P h â n tá n R a ỵ l e i g h và tỷ lệ với À \ ở đây Ả là bước

sóng của ánh sáng (Điều này giống như hiện tượng gây ra mầu của bầu trời - Sự phân tán mạnh hơn của ánh sáng bước sóng ngắn hơn tạo ra bầu trời mầu blue)

Trong miền bước sóng dài, dải hấp thụ hồng ngoại của vật liệu giới hạn bước sóng dài đầu cuối của vùng bước xạ phố vào khoảng 1600nm Hai kĩ thuật này cơ bản hạn chế cho sự mất của sợi quang Các sợi quang có chất lượng tốtnhất đôi khi được đặc trưng bởi thông số gần giới hạn phân tán Rayleigh, trongkhoảng 0 1 7 dB/km tại bước sóng 1550nm

Tại một thời gian qua, các ion kim loại là 1 nguyên nhân chủ yếu của sự hấp thụ do sự pha tạp trong sợi quang Ngày nay người ta đã khử các ion này và

đã sinh ra sợi quang suy hao thấp Ngày nay chỉ sự nhiễm bấn là hậu quả trong sợi quang là trong nước hình thành các ion hydroxyl ( O H ) mà dải hấp thụ của nó tại 950nm 2150nm và 1380nm là quá giới hạn Bằng chứng phố hấp thụ của chúng được miêu tả trong hình 0 2 5

0 4 2 Nguồn sáng cho sợi quang

Hinh 25: Độ suy hao của 1 sợi quang theo À

27

Dầu rằng, ánh sáng của nhiều bước sóng và các mức độ của kết hợp có thể

được truyền bởi sợi quang, có 1 số nguồn lại thuận tiện và hiệu quả trong việc đưâ

ánh sáng vào trong sợi quang

Mầu ánh sáng đỏ mà chúng ta nhin thấy trong các detector khói và các ánhsáng ban mạch điện tử là từ các diode phát xạ ánh sáng (LED) Tên của nó được

miêu tả là một diode bán dẫn chuyên dụng phát ra ánh sáng Chúng được làm

bằng bán dẫn pha tạp G aA r (Gallium Arsenniđe) một lượng rất bé nhằm nâng cao

độ dẫn Sự chảy của dòng điện là hoặc điện tứ hoặc là lỗ trống (khi vắng mặt điện

t ứ ) Các vật liệu bán dẫn mà trong đó điện tử là sự di chuyển chính của dòng điện

được gọi là bán dẫn loại -n, còn vật liệu bán dẫn mà trong đó lỗ trống là sự di

chuyến chính của dòng điện được gọi là bán dẫn loại -p Một diode được tạo khi

các mấu cua bán dẫn loại-n đặt tiếp theo bên cạnh bán dẫn loại-p hoặc ngược lại

như trong hình 0 2 6 Giao diện giữa chúng được gọi là lớp tiếp xúc Khi một điện

áp được đặt lên lớp tiếp xúc diode sao cho chúng có thẻ dẫn được Nó phát ra ánh

sáng do sự kết hợp của điện tử và lỗ trống Sự bức xạ này được gọi là "bức xạ kết

hợp lại “ - recombination radiantion Lượng ánh sáng phát ra tỷ lệ với cặp điện tử

hay lỗ trống kết hợp lại trong diode và tức là tỷ lệ với dòng chảy qua diode đó

Bước sóng của các bức xạ phát ra trong L E D phụ thuộc vào sự khác nhau giũci

năng lượng của các điện tử trong vật liệu loại-n và năng lượng của lỗ trống trong

vật liệu loại-p Băng thông của bức xạ là khá rộng so với Laser

Cho dù cấu trúc của diode laser - curent injection laser diode ILD - phức tạp hơn của L E D cả hai tương tự chỉ

ra trong hỉnh 0 2 6 c ả hai có nguyên lí vận hành tương tự nhau Dòng chảyqua diode bằng cách đặt 1 điện ápthuận chiều qua diode Tuy nhiên dòng chảy qua 1LD sẽ lớn hơn dòng qua

L E D Thay vi tCfng cặp điện tử-lỗ trống tái tạo lại như trong L E D thi trong ILD dòng cực lớn này chảy khuấy động các cặp đế phát xạ một

cách mạch lạc, năng lượng lớn hơn và băng thông hẹp hơn Tiến trình này được

gọi là bức xạ kích thích Đường cong dòng năng lượng quang học của 1LD khác với

của L E D do dòng đó gặp 1 giá trị ngưỡng trước khi laser có thể xảy ra Lối ra của

nó tâng rất nhanh tỷ lệ với dòng đã vượt quá dòng ngưỡng Tiến trình kích thích

miêu tả được tăng bởi các bề mặt của tinh thế bán dẫn mà nó phục vụ như là các

gương phản xạ thực thụ để định hướng lại 1 phần các tia laser phát ra ngược trở lại

vào miền tiếp xúc Các gương này còn gây ra lối ra của 1LD được chuẩn trực phần

nào Cho dù sự nhiễu xạ của ánh sáng bởi gờ của miền tiếp xúc làm cho ánh sáng

được hướng vào chùm tid dạng quạt với sự phân kì nói chung Vdo khoảng 15" cho tới 30" Góc phân kì lớn theo chiểu trực giao với mặt phắng tiếp xúc như chỉ ra trong hình 0 2 6

Ngược lại với môi trường bán dẫn chất rắn của ILD , môi trường khí Helium- Neon (HeNe) cho laser khí là sự pha trộn giữa khí He và khí Ne được kích hoạt bởi dòng điện tử tạo ra sự phát quang do phóng điện tương tự như đã nhìn thấy trong đèn Neon Sự khác nhau giữa ánh sáng đèn Neon và laser HeNe là tỷ lệ giữa các khí được trộn, con đường phóng điện hẹp trong ống thuý tinh và sự phản xạ đầu các gương như đã chí ra trong hình 0 2 7 Bước sóng lối ra của Laser HeNe thường

là mầtt đó cỡ 633nm Dù rằng tín hiệu ra tại các bước sóng khác cũng có thế nhận được bằng cách các lụte chọn khác của các gương với độ phản xạ cao hơn tại các bước sóng cho phép Các ánh sáng ra này được chuẩn trực cao hơn nhiều các ánh sáng ra của ILD Một Laser HeNe điển hình có tia phân kỉ khoảng 1 miiliradiant (mrad) cỡ 0.06°

Bore r.ithodc-l l-Anoớc

— — — L i [ ' Output bcarvi

( _ 1 m raơ d ive rg en ce)

H kjì > reflection Glass envelope -Output rtwrof mirror <5% trm s m s s io n )

Hinh 27: Cấu trúc của ống Laser khi He_Ne

Độ phân cực của bức xạ phụ thuộc vào loại nguồn được dùng Một vài Laser HeNe có phân cực tuyến tính Độ phân cực của nó thường được xác định bới các chi tiết của cấu trúc Laser, ánh sáng lối ra của L E D được phân cực ngẫu nhiên trong khi đó của ILD được phân cực song song với mặt phầng của lớp tiếp xúc p-n Độ phân cực của nguồn có thể được kiểm tra bằng cách quan sát sự thay đổi năng lượng trên detector nhờ một bộ phân cực được quay ngay trước nguồn Nguồn với độ phân cực tuyến tính sẽ làm cho độ thay đối lớn trong khi nguồn ánh sáng có phân cực ngẫu nhiên hoặc phân cực tròn sẽ it hoặc không có sự thay đối nào cả Sự phân tách ánh sáng phân cực tròn và phân cực ngẫu nhiên được yêu cầu sử dụng các phần tử quang học đã biết gọi là waveplate

Có các nguồn khác có thể được xem xét sử dụng trong thông tin quang sợi: ánh sáng mặt trời, ánh sáng dèn Tungsten, đèn huỳnh quang, đèn Neon, bóng đèn tròn khác Tuy nhiên hầu hết các nguồn này là các nguồn mở rộng do chúng có vùng bức xạ lớn so với các nguồn mà chúng ta đã thảo luận Đê đưđ ánh sáng từ các nguồn này vào trong sợi quang phải có 1 hệ thống quang học thê hội tụ ánh sáng vào 1 đầu của sợi quang Các nguồn lớn và phân kì nhiều rất khó có thê đuồ ánh sáng vào trong sợi quang

29