MÔN VẬT LÝ LASER - Phần Sợi Quang

MÔN: VẬT LÝ LASER
GVHD: TS. Lâm Quang Vinh
HV: Nguyễn Thị Hoài Phương
Lớp Cao học Quang học K21
NỘI DUNG
NỘI DUNG
1.
2.
3.
4.
5.
6.
1. CẤU TẠO
Cấu tạo sợi quang

Lõi: để truyền dữ liệu, có chiết suất cao hơn lớp sơn phủ

Lớp sơn phủ: tăng độ phản chiếu, ngăn chặn sự thất thoát
và suy giảm thông tin
Hình ảnh cáp quang
2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
TÍNH CHẤT:

Sợi quang phải có độ tổn hao (do hấp thụ bức xạ và tán xạ bức xạ) thấp ⇒
•Lựa chọn vật liệu và bước sóng tia laser sao cho hệ số hấp thụ thấp nhất
•Nâng cao chất lượng vật liệu
•Giải pháp giảm tán xạ của bức xạ

Sợi quang phải có tính cơ học thích hợp, độ bền và chịu rung động cao
Cáp quang trong lòng biển có san hô và tảo biển đeo bám
2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

PHÂN LOẠI:

Theo đặc tính truyền dẫn
(theo số mode có thể truyền
dẫn trong sợi quang):
•Sợi quang dạng bậc đơn
mode SI- SM (Step Index
Single Mode)
•Sợi quang liên tục đa
mode GI- MM (Grated Index
Multi Mode)

Theo sự biến thiên chiết
suất:
•Sợi có chiết suất dạng
bậc SI (Step Index)
•Sợi có chiết suất biến
thiên liên tục GI (Grated
Index)
Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang.
Các loại sợi quang:
a) Sợi quang dạng bậc đơn mode (SI- SM)
b) Sợi quang dạng bậc đa mode (SI- MM)
c) Sợi quang liên tục đa mode (GI-MM)
2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
PHÂN LOẠI:
Độ biến thiên chiết suất:
•Đối với sợi quang đa mode: ∆≈ 0,02
•Đối với sợi quang đơn mode: ∆≈ 0,005

1
21
n
nn −
=∆
Khẩu độ số NA (Numerical Apeture):

Khi độ chênh chiết suất không quá lớn: NA ≈
NA đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laser với sợi quang. Nhưng nếu NA
quá lớn làm tăng sự tán sắc dẫn đến tín hiệu thiếu trung thực.

2
1
2
2
2
1max
)(sin nnNA −==
θ
2
1
1
)2( ∆n
2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
PHÂN LOẠI:
Tần số chuẩn hóa:
NAaV
2
λ
π

=
V: tần số chuẩn hóa
a: bán kính sợi quang
NA: khẩu độ sợi quang
λ: bước sóng làm việc

Số mode truyền được trong sợi SI:
2
2
V
N =
Số mode truyền được trong sợi GI:
4
2
V
N =
Giá trị điển hình của sợi đa mode: Đường kính lõi: d = 50µm
Đường kinh lớp bọc: D= 125µm
Gọi là sợi đa mode 50/125µm
Chiết suất lõi: n
1
= 1,47 (λ = 1300nm)
Khẩu độ số: NA = 0,2 – 0,29
Giá trị điển hình của sợi đơn mode: Đường kính lõi: d = 9-10µm
Đường kinh lớp bọc: D= 125µm
Chiết suất lõi: n
1
= 1,465 (λ = 1300nm)
Khẩu độ số: NA = 0,13 – 0,18
2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO: lõi và vỏ được chế tạo đồng thời và liên tục. Sự khác nhau về
chiết suất được thực hiện bằng cách thay đổi nồng độ tạp chất trong vật liệu.
2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO: lõi và vỏ được chế tạo đồng thời và liên tục. Sự khác nhau về
chiết suất được thực hiện bằng cách thay đổi nồng độ tạp chất trong vật liệu.
Cáp quang gồm từ vài sợi đến vài chục sợi quang có
lõi thép để hạn chế độ cong xoắn và có thể có một số
dây dẫn điện để tải dòng điện cung cấp cho bộ nguồn
của các bộ hồi phục trên đường dây.
πδ
ϕλ
π
m
dn
m
22
cos
2
.
2
1
0
=−
3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG
DẠNG BẬC:
Các mode sóng gián đoạn được phép dẫn truyền:
: góc dịch pha khi phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn giữa lõi và vỏ
: bước sóng ánh sáng trong không khí.
Mỗi giá trị ϕ
m

ứng với một mode được phép thứ m. Vì << 2π, ta có công thức gần
đúng cos
Với d= 50µm, λ
0
=1µm, n= 1,5 thì m có giá trị khá lớn, nghĩa là có nhiều mode được
truyền dẫn trong sợi quang → thời gian mỗi mode truyền qua sợi quang khác nhau
δ
0
λ
δ
λ
ϕ
d
m
n
m
.
.2
1
≅
3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG
DẠNG BẬC:
Độ giãn tín hiệu xung:
Xung sáng bị giãn ra, gọi là hiện tượng tán sắc giữa các mode. Sự giãn các xung sáng
dẫn đến sự giới hạn độ rộng giải thông của sợi quang.

c
nAB
v
AB

t
mm
1
max
.
sin
1
.
sin
ϕϕ
==
c
nAB
v
AB
t
1
min
.
==








−=−=∆ 1
2

1
minminmax
n
n
tttt
Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau
trong sợi quang.
3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG
ĐA MODE:
Độ giãn tín hiệu xung có thể biểu diễn dưới dạng
L: chiều dài sợi quang
t
min
= τ: thời gian dẫn truyền
Độ rộng dải thông cực đại:
Với L = 1km, ∆n = 0,01; n
1
= 1,5 thì B = 5 M bit/s << độ rộng dải thông có thể 20.000 GHz.
Hiện tượng tán sắc giữa các mode trong sợi quang đa mode làm độ rộng dải thông thu
hẹp lại
211
2
1
.
.4
.
.4
1
nnnL
nc

t
B
−
=
∆
≤
Tăng B: chế tạo sợi quang liên tục đa mode (chiết suất lõi n
1
thay đổi liên tục đến n
2
)

)(
21
2
1
2
21
nn
cn
Ln
n
nn
t −=









−
=∆
τ
3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG
BẬC ĐƠN MODE:
Tần số chuẩn hóa

Điều kiện đơn mode:
Bước sóng
( )
2
1
2
2
2
1
2
nn
d
V −=
λ
π
d: đường kính lõi
λ: bước sóng dẫn truyền trong lõi
405,2≤V
( )
2
1

2
2
2
1
405,2
.2
nn
d
c
−=
π
λ
c
λλ
≥
c
λλ
≤
: sợi quang đơn mode
: sợi quang đa mode
Nếu lấy n
1
= 1,53 và n
1
– n
2
= 0,002 thì điều kiện đơn mode là d ≤ 6λ.
Sợi quang đơn mode không gặp hiện
tượng tán sắc giữa các mode.
BẬC ĐƠN MODE:

3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG
Hai loại tán sắc:
Tán sắc do vật liệu:
Tán sắc do linh kiện dẫn sóng: có bao nhiêu bước sóng trong xung sáng phát ra
từ nguồn sẽ có bấy nhiêu hướng lan truyền liên
quan đến mode m → sự tán sắc do mode giống
như trong sợi quang đa mode.
4. TỔN HAO TRONG SỢI QUANG
Tổn hao do cơ cấu
4. TỔN HAO TRONG SỢI QUANG
4. TỔN HAO TRONG SỢI QUANG
2 loại tán xạ:
- Tán xạ tuyến tính: do các bất hoàn hảo của sợi quang, do thăng giáng chiết
suất (gọi là tán xạ Rayliegh)
- Tán xạ phi tuyến: các quá trình thay đổi tần số của photon
5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG
NHƯỢC ĐIỂM
5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG
5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG
Multimode: sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn.

∗Graded index: thường dùng trong các
mạng LAN.
∗Step Index: dùng cho khoảng cách ngắn,
phổ biến trong các đèn soi trong.
Single mode: dùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các mạng
điện thoại, mạng truyền hình cáp.
5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG
6. ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SỢI QUANG