Quang học ứng dụng - Sợi quang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
SEMINAR :
Nhóm thuyết trình :
GVHD : PGS.TS Lê Văn Hiếu
Hoàng Lương Cường 0413028
Bùi Thò Xuân Thớm 0413059
Lê Khắc Tốp 0413069
Phạm Thụy Bích Tuyền 0413160
Nguyễn Thò Ngọc Nhiên 0413098
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:

♦
GIỚI THIỆU
♦
CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ CẤU TRÚC SI

QUANG
♦
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SI QUANG VÀ MỘT
SỐ TỒN HAO
♦
CƠ CHẾ XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG
♦
NGUYÊN TẮC TRUYỀN ÁNH SÁNG _ỨNG
DỤNG CỦA SI QUANG
♦
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TÁC HOẠT ĐỘNG
CỦA LED, LASER
Tất cả các hệ thống thông tin liên lạc trước đây đều dựa trên sự truyền
và xử lý thông tin bằng dòng điện hoặc sóng điện từ vô tuyến. Khi LASER
ra đời thì các nghiên cứu về việc truyền và xử lý thông tin bằng tia sáng
bắt đầu phát triển, từ đó xuất hiện khái niệm sợi quang học.
I. GIỚI THIỆU.
Từ “sợi quang” có nghóa là “sợi mảnh dẫn ánh sáng”,bao gồm hai
chất điện môi trong suốt khác nhau(thủy tinh hay nhựa) , một phần
cho ánh sáng truyền trong đó gọi là lõi sợi, phần còn lại là lớp vỏ bao
quanh lõi.
Hệ thống thông tin liên lạc bằng sợi quang bao gồm 3 yếu tố cơ
bản: nguồn tín hiệu, sợi quang có độ mất mát thấp và các
detector.
Thông tin liên lạc bằng sợi quang ngày càng được ứng dụng rộng
rãi nhờ những ưu điểm nổi bật : an toàn trong truyền tin, tránh nghe
trộm, tổn hao nhỏ, dải thông rộng, khả năng phức hợp cao, kích
thước nhỏ , trọng lượng nhẹ, giá vật liệu chế tạo rẻ
II. CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ CẤU
TRÚC SI QUANG.

Sợi quang thường có tiết diện tròn, gồm 2 phần chính:
µ
1 .Cấu tạo:
- Phần lõi có chiết suất n
1
- Phần vỏ có chiết suất n
2
, n
2
< n
1
( n1 không đổi).
Đường kính vỏ vào khoảng 0.1mm, đờng kính lõi vài m.
φ
r
x Fiber axis
y
Cladding
Core
n
n
2
n
1
y
Sợi quang
lớp bọc thứ
nhất
Phần cản
bit lỏi

Lớp bọc thứ
hai
Strength
Member
Outer
Jacket
Coating
Primary
Buffer
Fiber
Element
(Core and
Cladding)



Chiết suất của lỏi lớn hơn chiết suất của vỏ để xảy ra hiện
Chiết suất của lỏi lớn hơn chiết suất của vỏ để xảy ra hiện
tượng phản xạ toàn phần.
tượng phản xạ toàn phần.
Vỏ bao bọc bên ngoài ( áo ) bảo vệ sợi quang khỏi bò ẩm ướt và
Vỏ bao bọc bên ngoài ( áo ) bảo vệ sợi quang khỏi bò ẩm ướt và
ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các loại sợi đi bên cạnh .
ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các loại sợi đi bên cạnh .
2. Phân loại:
+ Theo loại vật liệu điện môi được sử dụng : có 3 loại
- Sợi quang thủy tinh thạch anh.
- Sợi quang thủy tinh đa vật liệu.
- Sợi quang bằng nhựa.
Đối với mạng lưới viễn thông sợi quang thủy tinh thạch anh được sử

dụng nhiều nhất vì có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và
các đặt tính truyền dẫn ổn đònh trong thời gian dài.
+ Theo mode truyền dẫn: chia làm 2 nhóm
- Sợi đơn mode (SM): chỉ cho 1 mode lan truyền.
- Sợi đa mode : cho phép nhiều mode lan truyền.
Sợi quang được phân loại theo nhiều cách:

+ Theo phân bố chiết suất khúc xạ: có thể tạm chia thành 2 nhóm

- Sợi quang chiết suất phân bậc (SI):chiết suất thay đổi
theo bậc giữa lõi và vỏ.

- Sợi quang chiết suất biến đổi (GI):chiết suất thay đổi một
cách từ từ (sợi quang chiết suất liên tục).


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.
Hướng của trục
1
2
n
2
n
1
Chiết suất
khúc xạ
Lõi

vỏ
•
Trong sợi quang loại GI: sợi quang được chế tạo
theo cấu trúc đặc biệt để truyền tải ánh sáng nhiều
mode.
Hình:ánh sáng lan truyền trong sợi quang GI.
1: ánh sáng có mode thấp qua quá trình phản xạ
toàn phần ở vùng gần tâm lõi.
2: ánh sáng có mode bậc cao qua quá trình phản xạ
toàn phần ở vùng xa tâm lõi.
n
Sợi quang liên tục đa mode
n
2
n
1
O
’
O
’’
1
2
1
2
1
Đối với sợi quang chiết suất liên tục, thường dẫn truyền nhiều
mode gọi là sợi quang chiết suất liên tục đa mode.
Hình:lan truyền của ánh sáng trong các loại sợi quang khác nhau
n
Sợi quang chiết suất bậc đa mode

n
1
3
2
1
3.Cấu trúc:

Các tham số cơ bản để xác đònh cấu trúc sợi quang:

- đường kính lõi sợi

- đường kính vỏ

- khẩu độ số NA.

Chúng được gọi là các thông số cấu trúc của sợi quang. Các thông số
này ảnh hưởng đến một số đặc tính khác nhau của sợi quang như :

- suy hao quang

- độ rộng băng truyền dẫn

- sức bền cơ khí

- bộ đấu nối sợi quang …


+ Sợi đa mode: có 4 thông số xác đònh cấu trúc các loại sợi quang đa
mode


- đường kính lõi sợi

- đường kính lớp vỏ

- khẩu độ số NA

- dạng phân bố chiết suất khúc xạ.
Hình: các thông số cấu trúc của sợi đa mode.
2d:đường kính vỏ.
2a:đường kính lõi
Chiết suất khúc xạ

lõi.
n
1
n(r)
n
2
vỏ
2/12
2
2
1max
)(sin nnNA
i
−==
θ
Khẩu độ số:
∆2
≈

∆
=
n
1
– n
2
n
1
n
1
Với chỉ số khúc xạ tỷ đối :
Nếu ∆ ≈0,02 : sợi quang đa mode.
Nếu ∆ ≈0,005: sợi quang đơn mode.
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.
maxi
θ

+sợi quang đơn mode : xác đònh bằng 3 thông số

- thông số trường mode

- đường kính lớp vỏ

- bước sóng cắt.

Dùng thông số trường mode thay cho đường kính lõi sợi vì : đường
kính trường mode là đường kính của 1 diện tích tròn trên 1 phần rìa cắt

ngang của sợi có mật độ ánh sáng là 1/e, đạt giá trò lớn nhất theo phân
bố mật độ ánh sáng như hình dưới đây:


Phân bố chiết suất khúc xạ :

n(r)= n
1

0<r<a.
aar )./(21 ∆−
Cường độ ánh sáng
r/a
1/e
Đường kính trường mode
1
a: đường kính lõi
r: khoảng cách từ tâm lõi
Hình: đường kính trường mode.
Vì sợi quang đơn mode có đường kính lõi và chiết suất khúc xạ nhỏ nên việc
xác đinh một cách rõ ràng biên của lớp lõi và vỏ theo phương pháp quang rất
khó khăn. Để thuận tiện ta sử dụng đường kính mode_1 thông số bắt nguồn từ
phân bố năng lượng ánh sáng theo Gauss.
III. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SI QUANG
Khi mô tả sợi quang, chúng ta xem sợi quang được cấu tạo từ hai phần : lõi và vỏ
Trong công nghệ chế tạo và về mặt vật liệu thì hai phần đó được chế tạo đồng thời
và liên tục về mặt vật liệu
Sự khác nhau về chiết suất trong hai phần đó được thực hiện bằng cách thay
đổi nồng độ phụ gia
Công nghệ chế tạo sợi quang được chia làm hai giai đoạn : giai đoạn chế tạo

phôi (perform) và giai đoạn kéo sợi
Giai đoạn chế tạo phôi bằng phương pháp CVD :
dòng khí mang H
2
thổi qua các bình đựng SiCl
4
và GeCl
4
để tạo dòng hơi
Dòng hơi hỗn hợp này được khống chế và điều chỉnh được thổi qua một ống thạch anh
Các hạt SiCl
4
pha tạp GeO
2
ngưng tụ lên thành ống làm cho thành ống dày lên dần
Ta có một phôi với sự phân bố chiết suất cần theo thiết kế
Giai đoạn kéo sợi
Từ các thỏi phôi người ta kéo ra các sợi quang có phân bố chiết suất theo thiết kế trước
Sợi quang được kéo xuống phía dưới được bọc lớp bảo vệ polime (jacket)
Vapors: SiCl
4
+ GeCl
4
+ O
2
Rotate mandrel
(a)
Deposited soot
Burner
Fuel: H

2
Target rod
Deposited Ge doped SiO
2
(b)
Furnace
Porous soot
preform with hole
Clear solid
glass preform
Drying gases
(c)
Furnace
Drawn fiber
Preform
cheỏ taùo phoõi
keựo sụùi
TOÅN HAO TRONG SÔÏI QUANG
SUY HAO CỦA SI QUANG :
1. Suy hao thuần tuý sợi quang
2. Suy hao phụ khi lắp đặt và vận hành hệ thống
•
Suy hao hấp thụ
•
Suy hao tán xạ Rayleight
•
Suy hao tán sắc do không đồng
nhất cấu trúc.
Suy hao trong quá
trình vận hành

mạng bao gồm :
Sự suy hao khi
lắp đặt bao gồm :
•
Suy hao do uốn cong
•
Suy hao vi cong
•
Suy hao hàn nối
•
Suy hao ghép nối sợi quang giữa
sợi và các linh kiện thu phát
quang
Suy hao do việc
ghép nối linh kiện
phát sáng
Suy hao do tán xạ
Rayleigh
Lực tác động từ
bên ngoài (Lực bên
ngoài)
Suy hao do
hàn nối
Suy hao bức xạ
do bò bẻ cong
Suy hao do
việc ghép với
linh kiện thu
quang
Suy

hao vi
cong
Suy hao do hấp thụ
Suy hao tán xạ
tăng lên do cấu
trúc không đồng
nhất
Phản xạ
Fresnel
Các nguyên nhân gây ra suy hao quang và cách khắc phục
1. Suy hao hấp thụ:
- Do bản thân sợi quang
- Do tạp chất trong thủy tinh làm sợi quang
Biện pháp khắc phục : Hạn chế những tạp chất trong thủy
tinh làm sợi quang
2. Suy hao tán xạ Rayleigh: tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh
sáng tán xạ theo các hướng khác khi nó gặp phải 1 vật nhỏ có
kích thước không quá lớn so với bước sóng của ánh sáng
Nguyên nhân : do sự không đồng đều của chiết suất khúc xạ
Biện pháp khắc phục : cần phải giảm nhiệt độ khi kéo sợi thì
tán xạ R sẽ trở nên nhỏ hơn nên sợi quang sẽ suy hao siêu thấp
Nguyên nhân : do các vật liệu sợi và được biến đổi thành
nhiệt gây nên suy hao quang. Có 2 dạng chính :
4. Suy hao bức xạ :
Nguyên nhân : do sợi quang bò uốn cong làm các tia
sáng có các góc tới vượt quá góc giới hạn nên bò
phát xạ ra ngoài
Biện pháp khắc phục : phải chú ý đến việc giữ bán kính cong
sao cho lớn hơn 1 giới hạn cho phép xác đònh trong việc thiết
kế các hệ thống

3. Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất gây
ra:
Nguyên nhân : Do ở bề mặt giữa lõi và vỏ sợi quang có
sự gồ ghề và nhẵn làm cho ánh sáng bò tán xạ ra ngoài
Biện pháp khắc phục : phải chú ý giữ bán kính cong sao cho
lớn hơn 1giới hạn cho phép trong việc thiết kế các hệ thống
thông tin sợi quang
5. Suy hao vi cong :
Nguyên nhân : do chòu những lực nén không đồng nhất nên trục
sợi quang bò uốn cong đi một lượng nhỏ làm tăng suy hao sợi
quang
Biện pháp khắc phục : trong thiết kế cấu trúc sợi quang, người
ta chú đến sản xuất cấu trúc của sợi để bảo vệ sợi chống lại
các áp lực bên ngoài
6. Suy hao hàn nối :
Nguyên nhân : do khi nối với nhau lõi của 2 đầu sợi không được
gắn với nhau hoàn toàn và đồng nhất thì một phần ánh sáng đi ra
khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn và bò phản xạ ra ngoài
gây nên suy hao.
Biện pháp khắc phục : cần chú ý khi hàn nối các đầu sợi lại với
nhau để hạn chế tối thiểu ánh sáng phản xạ ra bên ngoài
7. Suy hao ghép nối sợi quang giữa sợi và các linh kiện thu
phát quang
Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi
quang được xác đònh bằng khẩu độ số NA
Trong cách ghép nối này thì sử dụng các loại sợi có NA lớn, loại
sợi GI thì có suy hao lớn hơn so với SM vì chùm sáng của loại sợi
này bò trải rộng ra. Tuy nhiên sự khác về suy hao do nguyên nhân
chùm sáng mở rộng thì lớn hơn nhiều so với suy hao ghép bản
thân nó.


Cách bảo dưỡng sợi quang :
1.Thiết bò FITAS : (hệ thống kiểm tra và chuyển đổi sợi) có tác
dụng giảm nhẹ các công việc lắp đặt và bảo dưỡng, tăng cường
độ tin cậy, và được dùng rộng rãi trong các loại cáp không chứa
khí ở các tuyến truyền dẫn cáp sợi quang trung kí