LUẬN văn sư PHẠM vật lý TIÊU HAO và tán xạ TRONG sợi QUANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

TIÊU HAO VÀ TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ K35

GV hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
Lớp: Sư Phạm Vật Lý
Mã số SV: 1090200

Cần Thơ, 5/2012


LỜI CẢM ƠN
……
Sau một thời dài nghiên cứu tôi đã hoàn thành luận văn của
mình. Đó là kết quả của sự cố gắng của bản thân cùng với sự
hướng dẫn tận tình của quý thầy cô, đặc biệt là thầy Hoàng Xuân
Dinh đã gợi ý, định hướng và cung cấp tư liệu hỗ trợ cho tôi thực
hiện đề tài.
Với tấm lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cám ơn đến:
- Quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý – Khoa Sư Phạm
trường Đại Học Cần Thơ đã tận tìnhgiảng dạy em trong

những năm qua.
- Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến
thầy Hoàng Xuân Dinh đã tận tình chỉ dẫn em trong suốt
quá trình thực hiện đề tài.
Tuy vậy, do hạn chế về thời gian nên luận văn còn nhiều thiếu
sót, rất mong sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, ngày 24 tháng 5 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Lâm Thuỳ Dương


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

MỤC LỤC
...…
TÓM TẮT

Trang

Phần MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................... 1
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI........................................................................................... 1
3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................................ 1
4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .................................... 2
4.1. Phương pháp thực hiện đề tài .............................................................................. 2
4.2. Phương tiện thực hiện đề tài................................................................................ 2

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................................. 2
Phần NỘI DUNG ............................................................................................................ 3
Chương I
SỢI QUANG. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG........ 3
I. CƠ SỞ QUANG HỌC .................................................................................................. 3
1. Tính chất của ánh sáng ................................................................................................. 3
2. Phổ sóng điện từ........................................................................................................... 3
3. Chiết suất khúc xạ ........................................................................................................ 4
II. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG .......................... 4
1. Định luật truyền thẳng ánh sáng ................................................................................... 4
2. Định luật phản xạ ánh sáng .......................................................................................... 5
3. Định luật khúc xạ ánh sáng .......................................................................................... 5
4. Phản xạ toàn phần ....................................................................................................... 7
III. CẤU TẠO SỢI QUANG ........................................................................................... 8
1.Những bậc thầy của công nghệ ánh sáng – Sợi quang ................................................... 8
2. Cấu tạo sợi quang......................................................................................................... 13
3. Đặc điểm của sợi quang ............................................................................................... 14
Chương II
CÁC LOẠI SỢI QUANG ................................................................................................ 15
I. KHÁI NIỆM MODE .................................................................................................... 15
II. SỢI QUANG ĐƠN MODE ......................................................................................... 15
III. SỢI QUANG ĐA MODE........................................................................................... 16
1. Sợi quang Multimode chiết suất bậc (Step Index Multimode) ...................................... 17
2. Sợi quang Multimode chiết suất biến đổi (Grade Index Multimode)............................. 18
3. Ứng dụng ..................................................................................................................... 18
4. So sánh sợi quang đơn mode (singlemode) hay sợi đa mode (multimode) ................... 19
Chương III
TIÊU HAO TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG ........................................................ 20
I. TỔNG QUAN .............................................................................................................. 20
II. TIÊU HAO TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG ................................................... 20

1. Định nghĩa .................................................................................................................. 20
2. Nguyên nhân ................................................................................................................ 22
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

2.1. Tiêu hao do hấp thụ............................................................................................. 22
2.1.1. Hiện tượng tự hấp thụ.................................................................................... 22
2.1.2. Hiện tượng hấp thụ do tạp chất ...................................................................... 22
2.2. Tiêu hao do tán xạ quang..................................................................................... 24
2.2.1. Tán xạ Rayleigh............................................................................................. 24
2.2.2. Tán xạ Mie ..................................................................................................... 26
2.3. Tiêu hao do uốn cong, hàn nối, ghép các sợi quang và linh kiện thu phát quang .. 26
3. Ảnh hưởng của tiêu hao ............................................................................................... 28
4. Đặc tuyến tiêu hao ....................................................................................................... 28
Chương IV
TÁN XẠ CỦA SỢI QUANG........................................................................................... 29
I. ĐỊNH NGHĨA .............................................................................................................. 29
II. HIỆN TƯỢNG ............................................................................................................ 29
III. NGUYÊN NHÂN ...................................................................................................... 30
IV. PHÂN LOẠI.............................................................................................................. 31
1. Tán xạ vật liệu.............................................................................................................. 31
1.1. Định nghĩa............................................................................................................. 31
1.2. Nguyên nhân ......................................................................................................... 32
1.3. Hiện tượng ............................................................................................................ 33
1.4. Ảnh hưởng ............................................................................................................ 33

2. Tán xạ mode hay tán xạ đa mode ................................................................................. 33
2.1. Định nghĩa............................................................................................................. 33
2.2. Hiện tượng ............................................................................................................ 34
3. Tán xạ mặt cắt.............................................................................................................. 34
3.1. Định nghĩa............................................................................................................. 34
3.2. Hiện tượng ............................................................................................................ 34
4. Tán xạ sợi dẫn sóng.................................................................................................... 35
4.1. Định nghĩa............................................................................................................. 35
4.2. Hiện tượng ............................................................................................................ 35
4.3. Nguyên nhân ........................................................................................................ 37
IV. ẢNH HƯỞNG ........................................................................................................... 37
Chương V
GIẢM TIÊU HAO TRUYỀN DẪN VÀ CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TRUYỀN DẪN BĂNG
RỘNG CỦA CÁP SỢI QUANG POLIME HIỆU NĂNG CAO ....................................... 39
I. MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 39
II. KHÁI NIỆM ............................................................................................................... 40
III. GIẢM TIÊU HAO TRUYỀN DẪN VÀ CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TRUYỀN DẪN
BĂNG RỘNG CỦA POF (POLYMER OPTICAL FIBER) ................................................. 42
Chương VI
CÁCH KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG.......................... 45
I. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................................. 45
II. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁCH TỬ CHIẾU XẠ FBG ......... 46
1. Lịch sử phát triển của cách tử Bragg quang.................................................................. 46
2. Khái niệm ................................................................................................................... 48
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

3. Cách tử Bragg đều (Uniform FBG) .............................................................................. 50
3.1. Cấu trúc............................................................................................................... 50
3.2. Mô tả toán học..................................................................................................... 51
3.3. Thời gian trễ và tán xạ......................................................................................... 54
III. BÙ TÁN XẠ BẰNG QUANG SỢI CÁCH TỬ BRAGG CHU KỲ BIẾN ĐỔI.......... 56
1. Nguyên lý và mô hình thiết bị bù tán xạ ....................................................................... 56
2. Một số ứng dụng của FBG ........................................................................................... 57
2.1. Ứng dụng trong cảm biến ..................................................................................... 57
2.2. Ứng dụng trong công nghệ laser ........................................................................... 59
Phần KẾT LUẬN ............................................................................................................ 60

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Phần MỞ ĐẦU
……
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin được phát triển mạnh mẽ hơn bao
giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thông tin trên toàn thế giới. Các mạng thông tin
điện hiện đại có cấu trúc điển hình gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống truyền
dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh…Nhu cầu thông tin ngày

càng tăng đòi hòi các kỹ thuật tiên tiến hiện đại hơn, song các hệ thống truyền dẫn nói trên
không tổ chức được các luồng kênh cực lớn. Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã
có thể tạo ra được các hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nước trên thế giới ngày
nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng
mới của ngành viễn thông ngày nay là cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia
và đường truyền dẫn quốc tế. Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công
nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hoàn thành vô hoá mạng
lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia
2,5 Gb/s với cấu hình Ring. Và trong giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp quang
hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những ưu điểm siêu việt của cáp sợi
quang.
Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn quang được chế tạo
thành cáp sợi quang. Sợi quang với các đặc tính của bó quyết định các đặc tuyến truyền dẫn
trên tuyến. Do đó, phải xác định chính xác các thông số của nó. Thông thường, thông số của
sợi quang đã được xác định do nhà sản xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi công, lắp
đặt, sử dụng… ta cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyến cáp sợi quang như
: tiêu hao toàn tuyến, tiêu hao trung bình, tiêu hao hàn nối, tiêu hao ghép, khoảng cách của
cuộn cáp sử dụng, khoảng cách của toàn tuyến…

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang1


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Vậy làm sao ta có thể khắc phục được những tổn thất xảy ra trong nghiên cứu và chế
tạo sợi quang? Để trả lời câu hỏi này, tôi quyết định chọn đề tài “TIÊU HAO VÀ TÁN XẠ
TRONG SỢI QUANG” làm nội dung nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp của tôi.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Ánh sáng truyền trong sợi quang ở đầu vào và đầu ra không được truyền nguyên vẹn.
Vì sao lại như vậy? Để tìm hiểu nguyên nhân đó, đề tài “ TIÊU HAO VÀ TÁN XẠ
TRONG SỢI QUANG” được thực hiện nhằm để tạo ra một tài liệu học tập có thể tìm kiếm
thông tin các vấn đề liên quan đến tiêu hao và tán xạ trong sợi quang một cách đơn giản và
đầy đủ nhất. Hơn nữa, đề tài còn nêu lên những biện pháp giúp khắc phục hiện tượng này.

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Ở đây chỉ nghiên cứu đề tài trên cơ sở lý thuyết, bằng cách tổng hợp những kiến thức
liên quan, chưa thực hiện được bằng thực nghiệm.

4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
4.1. Phương pháp thực hiện đề tài
Để hoàn thành đề tài này tôi thực hiện theo các phương pháp:
+ Tra cứu tài liệu trên mạng, sách, các giáo trình và bài giảng có liên quan đến nội
dung của đề tài.
+ Phân tích, tổng hợp các nội dung có liên quan để soạn thảo luận văn.
+ Các ý kiến nhận được từ: Gíao viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn và các
bạn.
4.2. Phương tiện thực hiện đề tài
Tài liệu tham khảo: sách, bài gỉang, luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu trên Internet.

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Bước 1: Nhận đề tài, viết đề cương, xác định được mục tiêu của đề tài.
Bước 2: Tìm tài liệu có liên quan đến đề tài, nghiên cứu tài liệu, tham khảo ý kiến
thầy cô, bạn bè.

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang2


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết tài liệu trên máy và trao đổi với giáo viên
hướng dẫn.
Bước 4: Nộp bài cho giáo viên hướng dẫn; tham khảo ý kiến và chỉnh sửa.
Bước 5: Viết luận văn hoàn chỉnh và chuẩn bị nội dung cho báo cáo tổng kết đề tài.
Bước 6: Bảo vệ luận văn.

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang3


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Phần NỘI DUNG
...…

Chương I

SỢI QUANG. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG
TRONG SỢI QUANG

I. CƠ SỞ QUANG HỌC
1. Tính chất của ánh sáng
Tính chất sóng: Để giải thích các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, ta đã thừa nhận ánh
sáng nhìn thấy có tính chất sóng. Ngoài ra, ta cũng thấy rằng tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia
X có cùng bản chất với ánh sáng thông thường. Ánh sáng là sóng điện từ. Trong môi trường
không gian tự do, ánh sáng là sóng điện từ ngang. Khái niệm ngang có nghĩa là cả hai véc tơ
điện trường E và từ trường H vuông góc với phương truyền.
Tính chất hạt: Để giải thích hiện tượng quang điện ta lại phải thừa nhận rằng chùm
sáng là chùm các phôtôn có năng lượng E.
c  . f
E  hf 

1.24


Như vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. người ta nói rằng, ánh
sáng có lưỡng tính sóng - hạt.
Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rõ một trong hai tính
chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rõ, thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại.

2. Phổ sóng điện từ
- Ánh sáng nhìn thấy được: chiếm dải phổ từ 380nm đến 760nm.
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200

Trang4


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

- Vùng hồng ngoại: chia làm 3 phần:
+ Vùng hồng ngoại gần: 780nm – 1400nm.
+ Vùng hồng ngoại giữa: 1,4 m  6 m .
+ Vùng hồng ngoại xa: 6m  1mm .
- Ánh sáng dùng trong thông tin quang: 800nm - 1600nm (nằm trong vùng hồng ngoại
gần và một phần vùng hồng ngoại giữa).
- Ba vùng bước sóng thông dụng được dùng trong các hệ thống thông tin quang được
gọi là 3 cửa sổ quang:
+ Cửa sổ 1:  =850nm.
+ Cửa sổ 2:  =1300nm
+ Cửa sổ 3:  =1550nm.

3. Chiết suất khúc xạ
Ánh sáng có thể xem như là một chùm tia sáng. Các tia sáng lan truyền trong các
môi trường khác nhau với vận tốc khác nhau. Có thể xem các môi trường khác nhau cản trở
sự lan truyền ánh sáng bằng các lực khác nhau. Điều này được đặc trưng bằng chiết suất
khúc xạ của môi trường.
Chiết suất của một môi trường trong suốt (n) được xác định bởi tỉ số giữa vận tốc
ánh sáng truyền trong chân không với vận tốc của ánh sáng lan truyền trong môi trường ấy.
n

c
v

Với: n: chiết suất của môi trường, không có đơn vị.
v: vận tốc ánh sáng trong môi trường, (m/s).
c: vận tốc ánh sáng trong chân không, (m/s).
Chiết suất của một vài môi trường thông dụng:
+ Không khí: n = 1,00029  1,0.
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang5


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

+ Nước: n = 4/3  1,33.
+ Thủy tinh: n = 1,48.
Vì v  c nên n  1.

II. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG
Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường đồng nhất, bị phản xạ và khúc xạ tại biên ngăn
cách hai môi trường đồng nhất khác nhau.
Như vậy, ba đặc điểm cơ bản của ánh sáng là:
+ Truyền thẳng.
+ Phản xạ.
+ Khúc xạ.

1. Định luật truyền thẳng ánh sáng

Trong môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng.

Hình 1.1: Sự truyền thẳng ánh sáng

2. Định luật phản xạ ánh sáng
Hiện tượng các tia sáng bị hắt trở lại theo các phương xác định khi chiếu tới một mặt
nhẵn bóng gọi là hiện tượng phản xạ ánh sáng.
N
S

S
i’

i
I
N

Hình1.2: Sự phản xạ ánh sáng
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang6


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

+ Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới.

+ Góc phản xạ bằng góc tới (i =i’).

3. Định luật khúc xạ ánh sáng
Khúc xạ là hiện tượng chùm tia sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân cách
hai môi trường truyền ánh sáng.
+ Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới.
+ Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuyến tại điểm tới.
+ Góc khúc xạ và góc tới liên hệ nhau theo công thức Snell:
n1sini = n2sinr
N
S
i

I

n1
r

n2
R

N’

Hình 1.3: Sự khúc xạ ánh sang

Hoặc viết theo công thức:

= n

Trong đó, hằng số n được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường khúc xạ đối với môi

trường tới.
+ Nếu n > 1 (ta nói môi trường khúc xạ chiết quang hơn môi trường tới) thì sini > sinr
hay i > r.
+ Nếu n < 1 (ta nói môi trường khúc xạ chiết quang kém môi trường tới) thì sini < sinr
hay i < r.

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang7


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh
1’
Tia khúc xạ

r
2’

Môi trường 2: n2
Môi trường 1: n1
3

iT

3’

i

2
1
Tia tới

Tia phản xạ

Hình 1.4: Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Định luật Snell: n1sini = n2sinr

4. Phản xạ toàn phần
Cho một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2. Xét
hai trường hợp sau:
- Nếu tia sáng đạt tới góc i thì nó không đi vào môi trường thứ 2 nữa mà bị khúc xạ
chạy song song với mặt phân cách, góc khúc xạ r là 900 thì sin it =

n2
.
n1

- Nếu i> it thì tia tới sẽ bị phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường tới và it được gọi
là góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất của hai môi trường.
 Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:
1. Ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất
nhỏ hơn: n1 > n2
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang8


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

2. Góc tới i thỏa mãn

i  igh

 Người ta ứng dụng nguyên tắc này để chế tạo sợi quang.
Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang được thể hiện trong hình vẽ sau:
Lớp áo (cladding) n2
n2

n
n1

Lõi (core) n1
Lớp áo (cladding) n2

Hình 1.5: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

III. CẤU TẠO SỢI QUANG
1. Những bậc thầy của công nghệ ánh sáng - Sợi quang
Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2009 vinh danh ba nhà khoa học, những người đã có vai
trò quan trọng trong việc định hình hình thành công nghệ thông tin hiện đại, với nửa giải trao
cho Charles Kuen Kao, và Sterling Boyle và George Elwood Smith thì cùng chia sẻ nửa giải

còn lại. Những khám phá của Kao đã đặt nền tảng cho công nghệ sợi quang - công nghệ
ngày nay được sử dụng trong hầu hết mọi hệ thống điện thoại và truyền thông dữ liệu. Boyle
và Smith thì phát minh ra một bộ cảm biến ảnh số - CCD, hay dụng cụ tích điện kép – thiết
bị ngày nay trở thành con mắt điện tử trong hầu hết mọi lĩnh vực thuộc ngành nhiếp ảnh.
Khi giải Nobel Vật lí được công bố ở Stockholm, một phần lớn của thế giới nhận được
tin ấy hầu như ngay tức thời. Gần như ở tốc độ ánh sáng, tốc độ cao nhất, tin tức ấy lan
truyền khắp thế giới. Chữ viết, hình ảnh, lời nói và video di chuyển dọc ngang trong các sợi
quang và xuyên qua không gian, và được thu nhận tức thời trong những dụng cụ nhỏ và tiện
dụng. Đó là thứ mà nhiều người cho là hiển nhiên. Sợi quang là yếu tố tiên quyết cho sự phát
triển cực kì nhanh này trong lĩnh vực truyền thông, một phát triển mà Charles Kao đã tiên
đoán trước cách nay hơn 40 năm.
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang9


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Hình 1.6: Sợi quang thủy tinh cấu thành nên một hệ thống tỏa khắp xã hội truyền thông
của chúng ta. Có đủ sợi quang để bao quanh Trái đất hơn 25.000 vòng.

Chỉ vài năm sau đó, Willard Boyle và George Smith đã làm thay đổi triệt để các điều
kiện đối với lĩnh vực nhiếp ảnh, vì phim không còn cần thiết trong các camera, nơi hình ảnh
có thể được ghi lại dưới dạng điện tử với một bộ cảm biến ảnh. Con mắt điện tử, CCD, trở
thành công nghệ thật sự thành công đầu tiên dùng cho truyền tải các hình ảnh dưới dạng số.
Nó đã mở ra cánh cửa cho những dòng ảnh hàng ngày, cái đang tràn ngập trong các tuyến

cáp quang. Chỉ có sợi quang mới có khả năng truyền tải những lượng lớn dữ liệu mà công
nghệ cảm biến ảnh điện tử mang lại.

 Sự có mặt của ánh sáng
Nó đến thông qua ánh sáng mặt trời mà chúng ta nhìn ngắm thế giới. Tuy nhiên, phải
mất một thời gian dài trước khi loài người có được những kĩ năng cần thiết để điều khiển
ánh sáng và hướng nó vào một bộ dẫn sóng. Theo kiểu này, các tin nhắn đã mã hóa có thể
được truyền đi tới nhiều người một cách đồng thời.
Sự phát triển này đòi hỏi có hàng loạt phát minh, lớn và nhỏ, hình thành nên những nền
tảng cho xã hội thông tin hiện đại. Sợi quang đòi hỏi phải có công nghệ thủy tinh hiện đại để
phát triển và chế tạo. Một nguồn phát ánh sáng xác thực cũng là cần thiết và yêu cầu được
đáp ứng bởi công nghệ bán dẫn. Cuối cùng, cần có một hệ thống bố trí khéo léo được lắp
ghép và mở rộng, gồm có các transistor, các bộ khuếch đại, bộ chuyển mạch, máy phát và
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang10


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

máy thu, cũng như những đơn vị khác, cùng làm việc đồng bộ với nhau. Cuộc cách mạng
viễn thông trở thành hiện thực nhờ công sức của hàng nghìn nhà khoa học và nhà phát minh
từ khắp nơi trên thế giới.

 Đùa với ánh sáng
Năm 1889, Hội chợ quốc tế ở Paris đã tổ chức lễ kỉ niệm 100 năm cuộc cách mạng
Pháp. Tháp Eiffel trở thành một trong những đài kỉ niệm nổi tiếng nhất của cuộc triển lãm
này. Tuy nhiên, có một trò chơi với ánh sáng chứng tỏ một viễn cảnh ít người nhớ tới hơn.

Nó được thực hiện với những vòi phun nước chứa đầy những chùm ánh sáng có màu. Màn
trình diễn này được thực hiện bằng điện. Một nguồn cảm hứng nữa, cũng mang lại bởi
những nỗ lực trước đó, vào giữa thế kỉ thứ 19, là tạo ra những chùm ánh sáng được dẫn
hướng bằng nước. Những thử nghiệm đó chứng tỏ rằng khi một tia nước phơi ra trước ánh
sáng mặt trời, thì ánh sáng truyền qua tia nước ấy và đi theo hình dạng uốn cong của nó.
Tất nhiên, các hiệu ứng của ánh sáng trong thủy tinh hoặc trong nước đã được phát hiện
ra sớm hơn nhiều trong lịch sử. Cách nay 4500 năm, thủy tinh đã được chế tạo ra ở
Mesopotamia và Ai Cập. Những bậc thầy thủy tinh xứ Venice không thể bỏ qua trò chơi
tuyệt diệu của ánh sáng xuất hiện trong những món đồ trang sức xoáy tít của họ. Kính khắc
hoa được dùng trong đèn nến và đèn treo nhiều ngọn, và điều bí ẩn khó giải thích của cầu
vồng đã thách thức trí tưởng tượng của nhiều người từ lâu trước khi các định luật quang học
mang lại câu trả lời vào thế kỉ thứ 17. Tuy nhiên, chỉ tới cách nay chừng 100 năm thì những
ý tưởng này mới có mặt và người ta mới bắt đầu thử khai thác các chùm ánh sáng bị bắt lại
ấy.

 Bắt lấy ánh sáng
Một tia sáng mặt trời rơi vào trong nước sẽ uốn cong đi khi nó chạm trúng mặt nước, vì
cái gọi là chiết suất của nước thì cao hơn chiết suất của không khí. Nếu như hướng của chùm
sáng bị đảo ngược lại, truyền từ nước ra không khí, thì có khả năng chùm sáng đó sẽ không
đi vào trong không khí, và thay vào đó nó sẽ bị phản xạ trở vào trong nước. Hiện tượng này
hình thành nên cơ sở cho công nghệ dẫn sóng quang trong đó ánh sáng bị bắt lại bên trong
một sợi quang có chiết suất cao hơn môi trường xung quanh của nó. Một tia sáng chiếu vào
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang11


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

trong sợi quang, phản xạ trên thành thủy tinh và di chuyển về phía trước vì chiết suất của
thủy tinh cao hơn không khí xung quanh (xem hình 1.7)

Hình 1.7: Kích cỡ sợi quang chừng 125 micromet. Lõi sợi thường có đường kính
khoảng 10 micromet, nhỏ hơn một sợi tóc người. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55
micromet mang lại sự thất thoát thấp nhất và ngày nay được dùng trong truyền thông quang
học.

Giới y khoa đã sử dụng các sợi quang ngắn và đơn giản kể từ thập niên 1930. Với một
bó sợi thủy tinh mỏng mảnh, họ có thể nhìn vào dạ dày của bệnh nhân hoặc rọi sáng răng
trong khi phẫu thuật. Tuy nhiên, khi các sợi quang chạm vào nhau, chúng rò rỉ ánh sáng, và
chúng dễ dàng bị bong ra. Việc tráng bên ngoài sợi quang trần một lớp sơn phủ thủy tinh có
chiết suất thấp hơn có thể mang đến những cải thiện đáng kể trong thập niên 1960 đã lát
đường cho việc sản xuất ở quy mô công nghiệp các thiết bị dùng cho điều trị dạ dày và
những công dụng y khoa khác.
Tuy nhiên, đối với truyền thông đường dài, thì những sợi quang này là vô dụng. Ngoài
ra, chỉ có vài ba loại sợi thích hợp với ánh sáng quang học; đấy là thời đại của điện tử học và
công nghệ vô tuyến. Năm 1956, đường cáp xuyên đại dương đầu tiên được triển khai, và nó
có sức chứa 36 cuộc điện thoại đồng thời. Rồi các vệ tinh sớm đáp ứng các yêu cầu truyền
thông ngày càng tăng – hệ thống điện thoại phát triển một cách ngoạn mục và vô tuyến
truyền hình đòi hỏi dung lượng truyền tải ngày càng cao. So với sóng vô tuyến, ánh sáng

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang12

Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

hồng ngoại hoặc ánh sáng khả kiến mang thông tin nhiều hơn gấp hàng chục nghìn lần, cho
nên tiềm năng của sóng ánh sáng quang học không thể nào xem nhẹ được nữa.

 Truyền ánh sáng
Phát minh ra laser vào đầu những năm 1960 là một bước phát triển có tính chất quyết
định đối với ngành quang học sợi. Laser là một nguồn phát sáng ổn định, phát ra một chùm
ánh sáng cường độ mạnh và tập trung cao, và có thể bơm ánh sáng đó vào trong một sợi
quang mỏng. Những laser đầu tiên phát ra ánh sáng hồng ngoại và cần phải làm lạnh.
Khoảng năm 1970, những laser thiết thực hơn đã được phát triển có thể hoạt động liên tục ở
nhiệt độ phòng. Đây là một đột phá công nghệ mang lại tiện nghi cho ngành truyền thông
quang học.
Giờ thì toàn bộ thông tin có thể mã hóa thành một lóe sáng cực nhanh, biểu diễn bằng
những số 1 và số 0. Tuy nhiên, người ta vẫn không biết làm thế nào những tín hiệu như thế
có thể truyền đi trên những khoảng cách dài hơn – sau có 20 mét, thì chỉ có còn lại 1% lượng
ánh sáng đã đi vào sợi quang.
Việc giảm sự thất thoát ánh sáng này trở thành một thách thức đối với một con người
có tầm nhìn xa như Charles Kuen Kao. Sinh năm 1933 ở Thượng Hải, ông đã cùng gia đình
di cư sang Hong Kong vào năm 1948. Được đào tạo thành một kĩ sư điện, ông đã bảo vệ
luận án tiến sĩ vào năm 1965 ở London. Lúc đó, ông vào làm tại Các phòng thí nghiệm
Chuẩn Viễn thông, nơi ông đã tỉ mỉ nghiên cứu các sợi thủy tinh cùng với người đồng
nghiệp trẻ của ông, George A. Hockham. Mục tiêu của họ có ít nhất 1% ánh sáng đi vào sợi
thủy tinh vẫn còn lại sau khi nó đã truyền đi 1 km.
Tháng 1 năm 1966, Kao rút ra những kết luận của ông. Không phải sự không hoàn hảo
trong sợi quang là vấn đề chính, mà thay vào đó là thủy tinh phải thật tinh khiết. Ông thừa

nhận vấn đề này là khả thi nhưng rất khó khăn. Mục tiêu là sản xuất thủy tinh có độ trong
suốt trước nay chưa từng đạt tới. Sự nhiệt tình của Kao đã truyền cảm hứng sang những
người khác cùng chia sẻ quan điểm với ông về tiềm năng tương lai của ngành quang học sợi.
Thủy tinh được sản xuất từ thạch anh, khoáng chất có hàm lượng phong phú nhất trên
Trái đất. Trong quá trình sản xuất, người ta cho thêm những chất phụ gia khác như soda và
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang13


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

lime vào để đơn giản hóa tiến trình. Tuy nhiên, để sản xuất thủy tinh tinh khiết nhất thế giới,
Kao cho rằng có thể sử dụng thạch anh nóng chảy, silic nóng chảy. Nó nóng chảy ở gần
2000 0C, một nhiệt độ khó làm chủ nhưng từ đó người ta có thể kéo ra những chỉ sợi cực
mảnh.
Bốn năm sau, năm 1971, các nhà khoa học tại Corning Glass Works ở Mĩ, một nhà sản
xuất thủy tinh với hơn 100 năm kinh nghiệm, đã chế tạo được một sợi quang dài 1 km bằng
các quá trình hóa học.

 Chứa đầy ánh sáng
Các sợi cực mảnh chế tạo từ thủy tinh trông có vẻ như thật yếu ớt. Tuy nhiên, khi thủy
tinh được kéo chính xác thành một sợi chỉ dài, thì các tính chất của nó thay đổi hẳn. Nó trở
nên bền, nhẹ và dẻo, đó là điều kiện tiên quyết nếu như sợi quang bị chôn ngầm dưới nước
hoặc uốn cong ở những chỗ rẽ. Không giống như dây cáp đồng, sợi thủy tinh không nhạy
với tia sét, và không giống như truyền thông vô tuyến, sợi thủy tinh không bị ảnh hưởng bởi

thời tiết xấu.
Phải mất một khoảng thời gian hợp lí để sợi quang chinh phục khắp địa cầu. Năm 1988,
tuyến cáp quang đầu tiên được lắp đặt dọc theo thềm đáy Đại Tây Dương giữa Mĩ và châu
Âu, dài 6000 km. Ngày nay, hệ thống điện thoại và truyền thông dữ liệu chạy trong một
mạng sợi quang thủy tinh có tổng chiều dài lên tới hơn 1 tỉ km. Nếu như lượng sợi quang ấy
được quấn quanh Trái đất, thì nó đủ để quấn quanh địa cầu hơn 25.000 vòng – và lượng sợi
quang vẫn tiếp tục tăng thêm hàng giờ (xem hình 1.6).
Ngay cả trong sợi thủy tinh tinh khiết nhất, thì tín hiệu vẫn bị suy yếu đôi chút trên
đường truyền, và nó cần được gia cố khi truyền đi những cực li dài. Công việc này, trước
đây đòi hỏi sử dụng kĩ thuật điện tử, ngày nay được thực hiện bằng các bộ khuếch đại quang.
Điều này đã đặt dấu chấm hết cho những thất thoát không cần thiết xảy ra khi ánh sáng được
biến đổi sang tín hiệu điện hoặc biến đổi từ tín hiệu điện sang.
Ngày nay, 95% lượng ánh sáng vẫn còn lại sau khi truyền đi trọn vẹn 1 km, một con số
bạn nên so sánh với tham vọng của Kao ngày trước là có 1% vẫn còn lại sau khi truyền đi
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang14


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

cũng khoảng cách ấy. Ngoài ra, không phải chỉ có một loại sợi quang duy nhất. Việc lựa
chọn sử dụng loại sợi nào là vấn đề chi phí, nhu cầu truyền thông và yêu cầu kĩ thuật.
Các sợi quang có một sự tác động qua lại phức tạp giữa kích cỡ, tính chất vật liệu và
bước sóng ánh sáng. Các laser bán dẫn và quang đi-ôt kích cỡ một hạt cát làm tràn ngập
mạng thông tin cáp quang với ánh sáng mang theo hầu hết những cuộc điện thoại và truyền

thông dữ liệu trên khắp thế giới. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micromet ngày
nay được dùng trong mọi mạng truyền thông đường dài vì với ánh sáng này, sự thất thoát là
thấp nhất.
Dung lượng của mạng lưới cáp quang vẫn đang tăng lên ở tốc độ đáng ngạc nhiên –
việc truyền hàng nghìn gigabit mỗi giây không còn là một giấc mơ nữa. Phát triển công nghệ
hiện đang hướng tới xu thế truyền thông ngày một mang tính tương tác nhiều hơn, trong đó
mạng lưới cáp quang được thiết kế để đi tới mọi hang cùng ngõ hẻm, đến từng nhà và đến
với mỗi người chúng ta. Công nghệ ấy đang hiện diện. Còn việc chúng ta làm gì với nó thì
đó là một câu hỏi khác nữa.

2. Cấu tạo sợi quang
Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:
Sợi quang là những sợi thủy tinh dài, mỏng, rất tinh khiết và bằng khoảng đường kính
của một sợi tóc con người. Chúng được sắp xếp trong các bó gọi là cáp quang và được sử
dụng để truyền tín hiệu ánh sáng trên một khoảng cách dài.
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:
+ Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có
chiết suất n1, được gọi là lõi sợi, dùng để lan truyền ánh sáng.
+ Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding),
có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1, tránh bị trầy
xước trong suốt quá trình sản xuất cáp quang.
Ngoài 2 lớp cơ bản, sợi quang còn được bảo vệ bởi 2 lớp bên ngoài: lớp phủ, lớp vỏ.
- Lớp phủ:
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang15

Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang:
+

Chống lại sự xâm nhập của hơi nước.

+

Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt.

+

Giảm ảnh hưởng vì uốn cong.

Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết
suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần
không thể xảy ra phân cách giữa lớp bọc và lớp phủ. Lớp phủ có thể được nhuộm màu hoặc
có thêm vòng đánh dấu.
- Lớp vỏ:
Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng cơ học
và sự thay đổi nhiệt độ, lớp vỏ có các dạng chính sau:
+ Dạng ống đệm lỏng.
+ Dạng đệm khít.
+ Dạng băng dẹt.
Cấu trúc tổng quát này được minh họa ở hình:

Lõi

Lớp bọc

Hình 1.8: Cấu trúc cơ bản của sợi quang

3. Đặc điểm của sợi quang
Khi kéo một sợi quang nó sẽ bị dãn dài ra và sau đó trở lại độ dài ban đầu của nó. Kéo
một sợi với lực đủ mạnh nó sẽ bị đứt gãy (bắt đầu tại một điểm yếu hay vết rạn bề mặt) sau

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang16


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

khi dãn dài khoảng 5%. Kéo một dây đồng nó sẽ dãn dài tới khoảng 30% và không trở về độ
dài ban đầu của nó. Như vậy sợi quang là đàn hồi và dây đồng là không đàn hồi.
Sợi quang có thể chịu ứng suất hàng trăm ngàn pao trên in vuông diện tích tiết diện. Về
lý thuyết, độ bền của sợi đạt tới 2000 kpsi, khoẻ hơn thép, nhưng trong thực tế sợi đứt gãy ở
những ứng suất thấp hơn, với những vết rạn bắt đầu từ các sai hỏng bề mặt, ứng suất đặt vào
trong sợi có thể gây nên những sai hỏng bề mặt mà sau này có thể dẫn tới phá hỏng cáp. Một
sợi tiêu chuẩn 125  m có diện tích tiết diện chỉ 0,000019 in.
Thực tế là những sợi quang hay gãy tại những vết rạn bề mặt gây một hậu quả nghiêm
trọng. Sợi càng dài có thể càng chứa nhiều vết rạn có thể gây gãy ở một ứng suất nhất định.
Các nhà sản xuất sợi thường có phép kiểm tra đơn giản loại bỏ những điểm yếu nhất trong

sợi: bằng cách treo một vật nặng lên sợi, tạo ra một ứng suất nhất định (gọi là đo sức chịu
đựng) dọc theo chiều dài sợi. Thông thường các sợi đem kết cáp được phủ plastic để bảo vệ
sợi khỏi tác động của môi trường.

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang17


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Chương II
CÁC LOẠI SỢI QUANG
Theo đặc tính truyền dẫn, phân chia thành sợi đa mode và đơn mode.

I. KHÁI NIỆM MODE
Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang. Khi
truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái truyền ổn định của các
đường này được gọi là các mode sóng. Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một
tia sáng. Chúng ta dùng từ bậc (order) để chỉ các mode. Quy tắc như sau: góc lan truyền của
mode càng nhỏ thì bậc của mode càng thấp. Như vậy, rõ ràng mode lan truyền dọc theo trục
trung tâm của sợi quang là mode bậc 0 và mode với góc lan truyền là góc tới hạn là mode
bậc cao nhất đới với sợi quang này. Mode bậc 0 được gọi là mode bậc cơ bản.

II. SỢI QUANG ĐƠN MODE

Hình 2.1: Sợi quang đơn mode
Là sợi quang mà trong đó chỉ có một tia sáng Axial được lan truyền là một tia chạy
song song với trục của sợi. Do đó, hiện tượng tán xạ ánh sáng không xuất hiện ở sợi quang
Singlemode. Điều này làm cho sợi quang Singlemode có băng thông lớn hơn và truyền dữ
liệu xa hơn so với sợi quang Multimode.

Hình 2.2: Ánh sáng lan truyền trong sợi đơn mode
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang18


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một mode sóng
trong sợi, do đó độ tán xạ xấp xỉ bằng không.
Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10m), đường kính lớp
bọc 125m, độ lệch chiết suất =0,003, chiết suất lõi n=1,46.
Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của bước sóng
cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung trong không gian của
cường độ trường mode cơ bản.
Điều kiện để sợi làm việc ở chế độ đơn mode là thừa số sóng V của sợi tạo bước sóng
làm việc VSợi đơn mode có đường kính lõi và khẩu độ số nhỏ. Giá trị điển hình:
+ Đường kính lõi: d=9  10 m .
+ Đường kính lớp bọc: D=125 m .

+ Chiết suất lõi: n1=1,465(  =1300nm).
+ Khẩu độ số: NA=0.13  0.18

III. SỢI QUANG ĐA MODE
Sợi quang Multimode: đặc điểm của sợi quang Multimode là lan truyền đồng thời cả
3

loại

tia

sáng

(Axial

Mode,

High

Order

Mode

và

Low

Order

Mode).

Số mode sóng truyền được trong một sợi quang phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó
số có tần số được chuẩn hóa V( Normalized Frequency). Tần số được chuẩn hóa V được xác
định như sau:
V

2
.a.NA  k .a.NA


(2.1)

Với:
 A: bán kính lõi sợi quang.


 : bước sóng làm việc.



k

2


(2.2)

 NA: khẩu độ số của sợi quang.

SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang19


Luận văn tốt nghiệp

Ths. Hoàng Xuân Dinh

-Một cách tổng quát số mode sóng truyền được trong sợi được xác định gần đúng như
V2
g
N

2 g2

sau:

(2.3)

Với g là số mũ trong hàm chiết suất.
Từ đó suy ra:
-Số mode truyền được trong sợi SI:
N

V2
2

( g  )

(2.4)

( g  2)

(2.5)

-Số mode truyền được trong sợi GI:
N

V2
2

-Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số. giá trị điển hình:
 Đường kính lõi: d=50 m .
 Đường kính lớp bọc: D=125 m .
 Gọi là sợi đa mode 50/125 m .
 Chiết suất lõi: n1=1,47(  =1300nm).
 Khẩu độ số: NA=0.2  0.29
- Có 2 loại sợi quang Multimode gồm:

1. Sợi quang Multimode chiết suất bậc (Step Index Multimode)

Hình 2.3: Sợi quang đa mode SI

Sợi quang có lõi (core) đồng nhất có chiết suất không đổi là n1 và lớp phản xạ ánh
sáng (cladding) xung quanh lõi có chiết suất n2 nên tại mặt phân cách vỏ-ruột chiết suất có
bước nhảy (n2 < n1).
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương

MSSV:1090200

Trang20