Quang học ứng dụng - Sợi quang 2

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
SEMINAR:
SEMINAR:


SI QUANG HỌC
SI QUANG HỌC
(FIBER OPTICS)
(FIBER OPTICS)
Địa chỉ bạn đã tải:
/>Địa chỉ bạn đã tải:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:

I -

I -
GIỚI THIỆU SI QUANG
GIỚI THIỆU SI QUANG

I I - CẤU TẠO SI QUANG
I I - CẤU TẠO SI QUANG

III - PHÂN LOẠI SI QUANG
III - PHÂN LOẠI SI QUANG

IV - NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
IV - NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

V -
V - TÁN S CĐỘ Ắ

VI - ỨNG DỤNG CỦA SI QUANG
VI - ỨNG DỤNG CỦA SI QUANG

VII - ƯU – NHƯC ĐIỂM CỦA SI QUANG
VII - ƯU – NHƯC ĐIỂM CỦA SI QUANG




I –
I –
GIỚI THIỆU
GIỚI THIỆU

Ngày nay chúng ta biết sợi quang là tên gọi của
Ngày nay chúng ta biết sợi quang là tên gọi của
những dây làm bằng thủy tinh sử dụng hiện tượng
những dây làm bằng thủy tinh sử dụng hiện tượng
phản xạ toàn phần để truyền thông tin đi với tốc độ
phản xạ toàn phần để truyền thông tin đi với tốc độ
ánh sáng. Có ý kiến cho rằng, ánh sáng có thể truyền
ánh sáng. Có ý kiến cho rằng, ánh sáng có thể truyền
đi theo dây thủy tinh thực ra
đi theo dây thủy tinh thực ra
đã có từ năm 1840 khi
đã có từ năm 1840 khi
hai nhà vật lý là Collodon và Babinet trình diễn một
hai nhà vật lý là Collodon và Babinet trình diễn một
thí nghiệm sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để
thí nghiệm sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để
truyền những tia sáng đi theo những tia nước cong
truyền những tia sáng đi theo những tia nước cong
phun ra từ một suối nước phun. Người đầu tiên trình
phun ra từ một suối nước phun. Người đầu tiên trình
diễn thí nghiệm gửi một hình ảnh đi theo một bó sợi
diễn thí nghiệm gửi một hình ảnh đi theo một bó sợi
quang học là một sinh viên y khoa người Đức tên là
quang học là một sinh viên y khoa người Đức tên là
Lamm khi anh dùng sợi quang học để chiếu rọi hình
Lamm khi anh dùng sợi quang học để chiếu rọi hình
ảnh của một bóng đèn điện đang thắp sáng lên một
ảnh của một bóng đèn điện đang thắp sáng lên một
màn ảnh

màn ảnh


Trong nghiên cứu của mình Lamm ưu tiên dùng sợi quang để
Trong nghiên cứu của mình Lamm ưu tiên dùng sợi quang để
quan sát và kiểm tra các bộ phận bên trong cơ thể người
quan sát và kiểm tra các bộ phận bên trong cơ thể người
bệnh mà mà không cần phải mổ rạch da thòt người đó. Sau
bệnh mà mà không cần phải mổ rạch da thòt người đó. Sau
khi khoa học khám phá ra Laser, các nhà nghiên cứu về sợi
khi khoa học khám phá ra Laser, các nhà nghiên cứu về sợi
quang được xúc tiến mạnh mẽ hơn và công nghệ sợi quang
quang được xúc tiến mạnh mẽ hơn và công nghệ sợi quang
ngày càng trở thành một lónh vực công nghệ hiện đại và quan
ngày càng trở thành một lónh vực công nghệ hiện đại và quan
trọng, gắn liền với các ngành công nghệ khác.
trọng, gắn liền với các ngành công nghệ khác.


Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng
Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng
nhìn thấy đïc và các tia hồng ngoại
nhìn thấy đïc và các tia hồng ngoại
II-
II-
CẤU TẠO SI QUANG
CẤU TẠO SI QUANG
Sợi quang gồm 2 phần:
phần lõi (core) có chiết suất n
1

phần vỏ (cladding) có chiết suất n
2
< n
1
φ
r
x Fiber axis
y
Cladding
Core
n
n
2
n
1
y


Sợi quang có lõi ở giữa và phần bao bọc xung quanh
Sợi quang có lõi ở giữa và phần bao bọc xung quanh
lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn
lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn
trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất
trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất
của áo một chút.
của áo một chút.


Vỏ bao bọc bên ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bò ẩm
Vỏ bao bọc bên ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bò ẩm

ướt và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các
ướt và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các
loại sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý.
loại sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý.


Lõi và áo đựơc làm bằng thủy tinh hay chất dẻo Silica,
Lõi và áo đựơc làm bằng thủy tinh hay chất dẻo Silica,
kim loại, fluor, sợi quang kết tinh.
kim loại, fluor, sợi quang kết tinh.
Chiết suất của lớp lõi có hai dạng: dạng không đổi và dạng có
Chiết suất của lớp lõi có hai dạng: dạng không đổi và dạng có
phân bố giảm dần từ trong ra ngoài.
phân bố giảm dần từ trong ra ngoài.
Fiber
axis
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
.
Chiết suất phân bố giảm dần từ trong ra ngoài
III –

III –
PHÂN LOẠI
PHÂN LOẠI
Sợi quang được phân loại theo cấu tạo nghóa là theo sự phân
bố chiết suất quang học trong lõi đối với chiết suất quang
học của lớp vỏ.
Ta gọi sợi quang có chiết suất không đổi là sợi quang chiết
suất bậc (step – index), còn dạng có chiết suất thay đổi giảm
dần từ trong ra ngoài là sợi quang chiết suất liên tục (graded
index).
Tùy vào kích thước của lõi, sợi quang chiết suất bậc có thể
chỉ dẫn truyền một mode gọi là sợi quang đơn mode. Còn khi
nó có thể truyền nhiều mode, đường kính lõi lớn thì ta gọi là
sợi quang chiết suất bậc đa mode.

n
2
n
1
n
3
2
1
o
Sợi quang chiết suất bậc đa mode
Đối với sợi quang chiết suất liên tục, thường dẫn truyền nhiều
mode gọi là sợi quang chiết suất liên tục đa mode.
n
n
1

O
O
’
O
’’
1
2
1
2
1
Sợi quang liên tục đa mode
n
2
*
*
Sợi quang đa mode:
Sợi quang đa mode:


a)
a)
Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi từng bậc
Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi từng bậc
(multimode step-index fibers): Là sợi quang có chiết suất lõi
(multimode step-index fibers): Là sợi quang có chiết suất lõi
n
n
1
1

giảm một cách đột ngột tới chiết suất n
giảm một cách đột ngột tới chiết suất n
2
2
trong vỏ. Độ thay
trong vỏ. Độ thay
đổi chiết suất thường rất nhỏ từ 0,001 đến 0,02.
đổi chiết suất thường rất nhỏ từ 0,001 đến 0,02.


Những tia sáng nào tạo với trục của sợi quang một góc lớn hơn
góc tới hạn thì sẽ bò phản xạ nội toàn phần tại biên của vỏ và
lõi, được dẫn đi trong lõi.
=
n
1
Góc trong sợi tương tự như góc của chùm tia tới từ không
khí vào sợi.
θ
θ
c
a
a
1
2
2
2
Sin = NA = n
1
(2 )

1/2
maxi
θ
nn
−
≈
∆
gọi là khẩu độ số (Numerical Aperture_NA). Trong đó là
góc tới của tia sáng đặc trưng cho hiện tượng phản xạ toàn
phần giữa lõi và vỏ của sợi quang, đó là góc tới lớn nhất để tia
khúc xạ vào lõi còn gây nên hiện tượng phản xạ toàn phần ở
ranh giới giữa lõi và vỏ.
θ
a








=
−
n
n
c
1
2
1

sin
θ








=−=
−
n
n
cc
1
2
1
cos
2
θθ
π
θ
θ
Acceptance
cone
Unguided
ray
Guided ray
θ

a
c
c
Khảo sát sự truyền ánh sáng đơn sắc sử dụng lý thuyết điện từ,
sự dẫn sóng thỏa mãn phương trình Maxwell và điều kiện biên
tại lõi và vỏ:
U + n
2
k
o
U = 0
2
∇
2
Với n = n
1
(r<a) và n = n
2
(r>a), k
o
=

π
λ
2
o

Trong hệ tọa độ trụ, phương trình có dạng:
∂
∂

∂
∂
∂
∂
∂
∂
U
2
2
2
r
2
+
1
r
U
U
U
r
+
r
2
1
φ
+
2
z
2
+ n
2

k
o
U = 0
U(r, ,z) = u(r) e
Hệ số lan truyền:
β
∆
≈
n
1
k
o
[1 - ]
q
M
Với M: số mode
q = 0, 1, 2,…M
Sóng được dẫn nếu hệ số lan truyền nhỏ hơn bước sóng trong
lõi < n
1
k
o
và lớn hơn bước sóng trong vỏ > n
2
k
o
β
β
Số mode dẫn M được đặc trưng bởi thông số V:
V = 2 ( ) NA

π
λ
a
o
trong đó là tỉ số giữa bán kính lõi và
o
λ
o
λ
a
-j l
φ
e
-j z
β
l = 0, 1, 2,…
±±
φ




M
M
≈
p V
2
p+2
2
p là tham số (grade profile parameter ) xác đònh độ sâu của profile

p=1
r
n
2
n
1
2
n
2
2
a
0
Trong sợi có chiết suất thay đổi từng bậc thì p = , do đó
số mode M
∞
≈
≈
V
2
2
vận tốc nhóm:
v
max
c
1
c
o
/ n
1
≈

v
min
c
1
(1 - ) = c
1
(n
2
/ n
1
)
≈
∆
Cladding
core


Bán kính lõi điển hình là 100 – 1500
Bán kính lõi điển hình là 100 – 1500
m
m
, thích hợp trong các
, thích hợp trong các
ứng dụng đòi hỏi mật độ công suất cao.
ứng dụng đòi hỏi mật độ công suất cao.


b) Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi dần dần hay còn
b) Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi dần dần hay còn
gọi là sợi quang liên tục (multimode graded – index fiber)

gọi là sợi quang liên tục (multimode graded – index fiber)


µ
cladding
Graded
index core
I
n
c
i
d
e
n
t

r
a
y
s


Lõi của một sợi quang có chiết suất cao nhất ở tâm và giảm
Lõi của một sợi quang có chiết suất cao nhất ở tâm và giảm
dần đến giá trò thấp nhất ở vỏ. Vận tốc pha của ánh sáng đạt
dần đến giá trò thấp nhất ở vỏ. Vận tốc pha của ánh sáng đạt
cực tiểu tại tâm và tăng dần khi bán kính tăng.
cực tiểu tại tâm và tăng dần khi bán kính tăng.

Độ thay đổi chiết suất
Độ thay đổi chiết suất
= [( n
= [( n
1
1
- n
- n
2
2
) / n
) / n
1
1
] << 1
] << 1
∆
Tia ở trục (axial) truyền với khoảng cách ngắn nhất với vận tốc
pha nhỏ nhất (chiết suất lớn nhất), trái lại những tia xiên (oblique)
thì truyền zig-zag ở góc lớn hơn, với khoảng cách dài hơn và vận
tốc pha cao hơn.
Hệ số lan truyền:

β
≈
∆
n
1
k
o

[ 1 - ]
( )
q
M
p / (p+2)
Trong trường hợp p = 2 thì theo công thức
M
≈
p
p+2
V
2
2
số mode M
≈
V
2
4
∆


*
*
Sợi quang đơn mode (single mode fibers)
Sợi quang đơn mode (single mode fibers)


Khi bán kính lõi a và NA của sợi quang có chiết suất bậc đủ
Khi bán kính lõi a và NA của sợi quang có chiết suất bậc đủ
nhỏ để V < 2.405 khi đó chỉ có mode đơn được phép truyền.

nhỏ để V < 2.405 khi đó chỉ có mode đơn được phép truyền.
Sợi quang đơn mode có bán kính lõi nhỏ, khẩu độ số nhỏ và
Sợi quang đơn mode có bán kính lõi nhỏ, khẩu độ số nhỏ và
sử dụng bước sóng đủ dài.
sử dụng bước sóng đủ dài.


IV –
IV –
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG


Xét sự lan truyền sóng như sự lan truyền sóng điện từ, được
Xét sự lan truyền sóng như sự lan truyền sóng điện từ, được
biểu diễn như lời giải của phương trình Maxwell với các điều
biểu diễn như lời giải của phương trình Maxwell với các điều
kiện biên trên mặt phân cách của linh kiện dẫn sóng.
kiện biên trên mặt phân cách của linh kiện dẫn sóng.


Ở đây ta xét sự lan truyền ánh sáng theo phương pháp đơn
Ở đây ta xét sự lan truyền ánh sáng theo phương pháp đơn
giản hơn đó là phương pháp quang học tia (ray optics). Trong
giản hơn đó là phương pháp quang học tia (ray optics). Trong
phương pháp này, ánh sáng lan truyền theo trục z được xem
phương pháp này, ánh sáng lan truyền theo trục z được xem
như tạo nên bởi sự lan truyền của các sóng bản phẳng theo
như tạo nên bởi sự lan truyền của các sóng bản phẳng theo
đường zig-zag trong mặt phẳng x-y.

đường zig-zag trong mặt phẳng x-y.


Để ánh sáng truyền đi trong sợi, nó phải thỏa điều kiện phản
Để ánh sáng truyền đi trong sợi, nó phải thỏa điều kiện phản
xạ toàn phần:
xạ toàn phần:


c
θ
≥
1
2
n
n
arcsin
Sửù truyen tia theo ủửụứng zig-zag trong sụùi quang:
Sửù truyen tia theo ủửụứng zig-zag trong sụùi quang:
Jacket
Cladding
Core
Cladding
Jacket
Angle of
Incidence
Angle of
Reflection
Light and less than
critical angle is

absorbed in jacket
Light is propagated by
total internal refection


Hay một c
Hay một c
ách khác, một nguồn sáng như một laser hay một
ách khác, một nguồn sáng như một laser hay một
điốt quang (LED) được đặt gần lõi của sợi quang. Nguồn
điốt quang (LED) được đặt gần lõi của sợi quang. Nguồn
sáng bức xạ một “hình nón” ánh sáng được liên kết trong lõi
sáng bức xạ một “hình nón” ánh sáng được liên kết trong lõi
của sợi quang.
của sợi quang.
Nguồn
sáng
điểm
n
1
n
2