Quang học ứng dụng - Sợi quang 5

1. CẤU TẠO SI QUANG
2. CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ SỰ TRUYỀN SÓNG TRONG SI
QUANG
5. PHÂN LOẠI SI QUANG
7. ĐỘ TÁN SẮC
8. HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG SI QUANG:
4. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SI QUANG
NỘI DUNG
3. CÁC MODE DẪN TRUYỀN TRONG SI QUANG
6. MẤT MÁT TRONG SI QUANG
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
Kao và Hock-ham bắt đầu nghiên cứu truyền thông
tin bằng chùm Laser trong sợi thuỷ tinh.
sợi quang đã được dùng rộng rãi thay cho dây kim
loại trong viễn thông bởi nhiều ưu điểm nổi bật của nó.
Laser xuất hiện, vấn đề đặt

ra là truyền và xử lý thông tin không phải bằng dòng điện hay
sóng điện từ vô tuyến mà bằng tia sáng
dây điện bằng kim loại hay sóng vô tuyến
được thay thế bằng sợi quang hay linh kiện dẫn sóng quang
Từ những năm 60 của thế kỷ 20
Năm 1966
Cuối thập kỷ 70
Ngày nay
Tốc độ thông tin có thể truyền đi phụ thuộc trực tiếp vào tần số của tín hiệu.
nh sáng có tần số f ~ 10
14
-> 10
15
Hz lớn hơn nhiều so với tần số song vô
tuyến
f ~ 10
6
Hz
=> nh sáng truyền lượng thông tin nhiều hơn
Thông tin được chuyển thành xung ánh sáng, xung này truyền đến một khoảng
cách nào đó nhờ sợi quang, sau đó được giải mã trở lại thông tin ban đầu.
Ưu điểm của truyền thông tin bằng sợi quang:
- Tránh được sự giao thoa của sóng điện từ
- Tránh sự chập mạch hay nối đất
- An toàn trong truyền tin, tránh bò nghe trộm
- Tổn hao nhỏ
- Truyền thông tin tốt
- Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ
- Vật liệu rẻ, dồi dào
Fiber Optics

•
Internal reflection is
the basis of fiber
optics.
Very important for
modern data transfer and
communication systems
→ phones!

Total
internal
reflection
Optical fiber communication system
Encoder
Electrical/optical converter
Repeater
Optical/electrical converter
Decoder
Fiber
Digital encoding scheme
for optical communications
High-power pulse → “one”
Low-power pulse → “zero”
“One”
“Zero”
Electric
signal
Step-index Fiber
In
Out

Time
Intensity
Disadvantage: Pulse broadening
Stepinthe
refractive
index
Graded-index fiber
In
Out
Time
Intensityremains
almostconstant
Pulse broadening is not so
severe
Refractive
indexvary
parabolically
acrossthe
cross-section
Graded-index Fiber, cont.

In the graded-index fiber, light rays
that traverse longer path lengths
through the outer periphery of the
core travel faster in this lower index
material → all rays arrive at the
same time at the output → almost
no pulse broadening!
Fibers, Summary
•

Step-index optical fibers are used for
“cheap” short-range applications
•
Graded-index fibers are used for long-
range high-quality data transfer
Strength
Member
Outer
Jacket
Coating
Primary
Buffer
Fiber
Element
(Coreand
Cladding)
2. CẤU TẠO SI QUANG
Gồm hai phần chính:
lõi (core)
lớp vỏ (cladding)
Lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn lớp lõi
n
y
Cladding
Core
z
y
r
φ
Fiber axis

Skew ray
Fiber axis
1
2
3
4
5
1
3
2
4
5
Sợi quang chi t su t t ng b cế ấ ừ ậ (step – index)
Sợi quang liên tục ( graded index)
Chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra ngoài
Chiết suất lõi không đổi
step-index
singlemode
“mode” can be thought of as a ray of light (1)
(1). FIBER OPTIONS, INC. / 80 Orville Drive / Bohemia / New York / 11746-2533
Trong sợi quang đa mode, có rất nhiều mode (hoặc nhiều tia) được truyền tải
Ngược lại, trong s i quang đơn mode, chỉ có một mode được truyền tải trong lõiợ
Được phát triển đầu tiên và được dùng
rộng rãi trong nhiều hệ thống truyền
tải thông tin
Lõi của nó rất lớn, có thể truyền tải hàng
trăm tia từ nguồn sáng đi vào lõi với các góc
tới khác nhau
Sợi quang đơn mode :
Có lõi rất nhỏ, chỉ cho phép những chùm rất

hẹp từ nguồn sáng đơn sắc với đôï tán sắc
của xung rất nhỏ
Tùy thuộc vào khả năng truyền tải thông tin trong lõi mà ta có :
Sợi quang đa mode :
3. CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG
TRONG SI QUANG
1. Để ánh sáng được dẫn đi trong sợi quang, nó phải thỏa điều kiện phản xạ toàn phần
bên trong
Góc tới tăng đến khi góc khúc xạ bằng 90
0
ta gọi là góc tới hạn
Nếu góc tới tiếp tục tăng vượt qua giá trò của góc tới hạn, lúc đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn
phần
n
2
θ
i
n
1

> n
2
θ
i
Incident
light
θ
t
Transmitted
(refracted) light

Reflected
light
k
t
θ
i
>
θ
c
θ
c
TIR
θ
c
Evanescent wave
k
i
k
r
12
1
2
C
n
n
n
sin ==θ
n
2
z

a
y
A
1
2
θ
θ
A
′
C
k
E
x
y
a
−
y
Guide center
π
−2
θ
Sự giao thoa của 2 sóng 1 và 2 sẽ
tạo nên thành phần sóng đứng
theo phương y với hướng truyền
z
n
2
n
2
z2a

y
A
1
2
1
B
θ
θ
θ
A
′
B
′
C
π
−2
θ
2
θ
−
π
/2
k
1
E
x
n
1
Hai sóng tuỳ ý 1 và 2 cùng
pha ban đầu, nếu không nó

sẽ triệt tiêu nhau.
2. Điều kiện giao thoa
4. CÁC MODE DẪN TRUYỀN TRONG SI QUANG
n
1
Light
n
3
n
2
y
E(y)
E (y,z,t) = E(y)cos(
ω
t
–
β
z)
m = 0
Field of evanescent wave
(exponential decay)
Field of guided wave
E
z
E
01
Core
Cladding
The electric field distribution of the mode in
the transverse plane to the fiber axis z

Mode quang học cách phân bố theo không gian của năng lượng quang trong
một hay nhiều chiều tọa độ
Về mặt toán học, mode là điện trường thỏa mãn các phương trình Maxwell với
những điều kiện nhất đònh
Xét trường hợp cụ thể : tia sáng lan truyền trong một linh kiện dẫn sóng 3 lớp
Là linh kiện dẫn sóng được giới hạn bởi các mặt phân cách phẳng, song song,
vuông góc với trục x. Lớp 1 và 3 là bán vô hạn theo trục x, lớp 2 bề dày d
x
.
Cả ba lớp đều vô hạn theo trục y,z
Light
n
3
n
1
Light
Light
Light
x
y
z
Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng :
truyền lan số hệ:
)exp(
),()(
β
β
ziEE
yxr
−=



n
2
> n
3
> n
1
n
2
2
2
222
nkh =+
β
β, h, kn
2
đều là các hệ số lan truyền theo các phương khác nhau
Một mode lan truyền theo trục z với hệ số lan truyền β và theo
trục x là h, có thể biểu diễn bằng một sóng bản phẳng truyền theo
phương làm một góc θ với trục z có hệ số lan truyền là kn
2
như
mô hình sau :
θ
β
ϕ
kn
2
Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng :

)(
),()(
zi
yxr
eEE
β
−
=


Phương trình truyền sóng Maxwell
ti
rtr
eEE
ω
)(),(

=
Đối với những sóng phẳng đơn sắc, lời gải pt trên có dạng :
Thay vào pt trên, ta có :
Thay vào (2) :
sóng số:;
)(
)(
)(
c
kEnkE
r
r
r

ω
==+∇ 0
222




(2)
2
2
2
t
E
E
tr
tr
∂
∂
=∇
),(
),(



µε
(1)
0
222
2
2

2
2
=−+
∂
∂
+
∂
∂
),(
),(),(
][
yx
yxyx
Enk
y
E
x
E


β
Trường hợp đây là sóng ngang, bản phẳng truyền theo trục z, nên ta có thể gải
thuyết :
E
x
= 0 và E
z
= 0
Thêm vào đó, E
y

không phụ thuộc vào y và z, vì theo các trục đó các lớp vật liệu là vô
hạn nên không có sự phản xạ, không tạo thành sóng đứng.
Vậy sóng truyền trong linh kiện dẫn sóng 3 lớp trên là :
)()( hxSinxnkSinxE
y
=






−=
22
2
2
β
2
2
222
nkh =+
β
β, h, kn
2
đều là các hệ số lan truyền theo các phương khác nhau
Có 3 loại mode có thể có trong quá trình truyền sóng trong linh kiện
dẫn sóng 3 lớp :
2. Mode đế (b):
Giảm theo hàm mũ khi
ra ngoài và tồn tại dạng

hàm sin trong đế
Không có lợi trong việc
truyền tín hiệu
1. Mode bức xa (a)ï: chỉ xảy ra hiện tượng khúc xạ khi gặp 2 mặt phân
cách
Không có lợi trong việc truyền tín hiệu
3. Mode truyền dẫn (c)
ĐIỀU KIỆN DUY TRÌ MODE TRONG LINH KIỆN DẪN SÓNG
2
3
3
2
1
2
2
1
sin
sin
;
sin
sin
n
n
n
n
==
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ

1. Thỏa điều kiện phản xạ toàn phần :
ϕ
3
là góc tới. Từ điều kiện phản xạ toàn phần, ta có thể tìm điều kiện của hệ số
dẫn truyền để duy trì mode dẫn truyền
Đònh luật Snell :
Khi ϕ
3
nhỏ, tia sáng sẽ đi xuyên qua cả hai mặt phân cách, chỉ xảy ra hiện tượng khúc
xạ ở các mặt phân cách đó
Trường hợp này ứng với mode bức xạ (radiation mode)
Khi ϕ
3
tăng lên để cho ϕ
2
đạt đến góc tới hạn của hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong
ở mặt phân cách n
2
_ n
1

)sin(sinsin
2
1
2
2
1
21
1
n

n
ar
n
n
th
≥⇒==>=
ϕϕϕ
Tia sáng bò nhốt lại một phần, ứng với mode đế (substrate mode)
Mà
2
2
kn
β
ϕ
=sin
1
2
1
2
kn
n
n
kn
≥⇒≥
β
β
nên
2
222
kn

th
β
ϕϕϕ
=< sin,sinsin
1
2
1
2
kn
n
n
kn
<⇒<
β
β
nên
Khi ϕ
3
tiếp tục tăng lên để cho ϕ
2
đạt đến góc tới hạn của hiện tượng phản xạ
toàn phần bên trong ở mặt phân cách n
2
_ n
3

Tia sáng bò nhốt lại hoàn toàn ứng với mode truyền dẫn (guided mode)
)sin(
2
3

2
n
n
ar≥
ϕ
3
2
3
2
kn
n
n
kn
≥⇒≥
β
β
Kết luận :
β < kn
1
: mode bức xạ
kn
1
≤β ≤ kn
3
: mode đế
kn
3
≤ β : mode truyền dẫn
2. Điều kiện biên:
nh sáng lan truyền liên tục phản xạ toàn phần tại mặt biên của lõi

Cho nên cường độ điện trường tại mặt biên phải bằng 0 do giao thoa giữa
sóng tới và sóng phản xạ
Đây là điều kiện biên của hiện tượng truyền dẫn sóng trong sợi quang
Như vậy muốn truyền thông tin trong sợi quang, phải thỏa :
1. Điều kiện phản xạ toàn phần
2. Điều kiện giao thoa
3. Điều kiện biên
Tính chất cần thiết phải có của sợi quang:
Sợi quang phải có độ tổn hao thấp
Phải có tính chất cơ học thích hợp, có độ bền, độ chòu
mỏi do rung động cao
Phải có tính lão hóa thấp, có thể sử dụng ổn đònh trong
vài chục năm
5. 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)