Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của pcf lõi đặc với mạng lục giác đều được thẩm thấu bởi hỗn hợp rượu và nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------------

LÊ PHÚ HẢI

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG
CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU
ĐƢỢC THẨM THẤU BỞI HỖN HỢP RƢỢU VÀ NƢỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Nghệ An, 2017


2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------------

LÊ PHÚ HẢI

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG
CỦA PCF LÕI ĐẶC VỚI MẠNG LỤC GIÁC ĐỀU
ĐƢỢC THẨM THẤU BỞI HỖN HỢP RƢỢU VÀ
NƢỚC
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 60.44.01.09
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Chu Văn Lanh

Nghệ An, 2017


1

LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự
hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Đặc
biệt để hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này tại Trường Đại học Vinh, với
tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn
đến: Thầy giáo PGS.TS. Chu Văn Lanh đã giao đề tài, đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ đầy tâm huyết trong suốt quá trình nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Nếu khơng có sự hướng dẫn, lời động viên của Thầy, tôi không thể hoàn thành luận
văn này, một lần xin chân thành cám ơn Thầy.
Với lịng biết ơn, tơi xin gửi đến quý Thầy, Cô Ban chủ nhiệm Khoa Sau
Đại học, Khoa Vật lí và Cơng nghệ cùng các thầy giáo, cơ giáo Khoa Sau Đại
học, Khoa Vật lí và Cơng nghệ đã hướng dẫn, đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện
thuận lợi cung cấp các tài liệu tham khảo và đóng góp nhiều ý kiến q báu
trong q trình làm luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của q Thầy Cơ, gia đình và bạn bè,
trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp đến nay.
Trong quá trình làm luận văn mặc dù đã cố gắng nhiều, song luận văn
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, tơi kính mong nhận được sự chỉ dẫn của
các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.
Nghệ An, tháng 04 năm 2017
Tác giả luận văn

Lê Phú Hải

2

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU...............................................................................................................7
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC SỢI QUANG.........................................10
1.1.

Lịch sử phát triển các sợi quang.........................................................10

1.2.

Ưu điểm của thông tin sợi quang............................................................11

1.3.

Lý thuyết chung về sợi dẫn quang...................................................12

1.3.1. Phổ của sóng điện từ. ............................................................................12
1.3.2. Chiết suất của mơi trường..............................................................13
1.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần.........................................14
1.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang......................................................15
1.4.1. Nguyên lý truyền dẫn chung.................................................................15
1.4.2. Sự lan truyền các mode trong sợi quang................................................16
1.5. Phân loại sợi quang................................... ..............................................19
1.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc và sợi có chiết suất biến đổi đều....................20
1.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc ......................................................20
1.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần ......................................................21
1.5.2.Các dạng chiết suất khác........................................................................22

1.5.3. Sợi đa mode và đơn mode.....................................................................23
1.5.3.1.Sợi đa mode.....................................................................................23
1.5.3.2.Sợi đơn mode....................................................................................24
1.6. Các thông số của sợi quang........................................................................25
1.6.1. Suy hao của sợi quang........................................................................25
1.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang......................................26
1.6.2.1. Suy hao do hấp thụ.......................................................................26


3

1.6.2.2.Suy hao do tán xạ.........................................................................28
1.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong..............................................................29
1.6.2.4.Một số suy hao khác..........................................................................30
1.6.3.Tán sắc (Dispersion). ...............................................................................30
1.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc. ...........................................................32
1.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion) .................................................32
1.6.4.2.Tán sắc vật liệu.............................................................................34
1.6.4.3. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng............................................35
1.6.4.4. Độ tán sắc tổng cộng......................................................................36
1.6.4.5.Tán sắc mode phân cực. ................................................................36
1.6.4.6. Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt..........................................37
1.6.5. Bước sóng cắt.....................................................................................38
1.6.6. Đường kính trường mode........................................................................39
1.7. Sơ lược về sợi tinh thể quang tử..............................................................39
1.8. Kết luận chương 1...................................................................................42
Chƣơng 2: CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA SỢI QUANG TỬ LỤC GIÁC
THẨM THẤU HỖN HỢP RƢỢU VÀ NƢỚC
2.1. Vật liệu và cấu trúc mạng......................................................................43
2.2. Các đặc trưng mode cơ bản....................................................................43

2.2.1. Cấu trúc..................................................................................................43
2.2.2. Phân bố trường mode cơ bản...................................................................44
2.2.3. Chiết suất hiệu dụng và hệ số hấp thụ..................................................46
2.3. Đặc trưng tán sắc...................................................................................51
2.4. Kết luận...................................................................................................57
KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............. ..................................................................59


4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PCF

Photonic Crystal Fibre

Sợi tinh thể quang tử

ISDN

Integrated Services Digital Network

Mạng số tích hợp đa dịch vụ

SI

Step - index

Chiết suất nhảy bậc

GI

Graded - step hay gradient

Chiết suất liên tục

NA

Numerical Aperture

Khẩu độ số

FP

Fabry - Perot

PBG

Photonic Band Gap

vùng cấm quang tử

SM

SingleMode

Sợi đơn mode

MFD

Mode Field Diameter

Đường kính trường mode

MM

Multi Mode

Sợi đa mode


5

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 0.1. Mơ tả về sợi quang tinh thể. (a) Sợi PCFs có cấu trúc lõi rỗng (PBG).
(b) Sợi PCFs có cấu trúc lõi đặc.………..................………..............................8
Hình 0.2. PCFs cấu trúc ngũ giác lõi đặc dùng silica...………...........………….8
Hình 1.1. Các bước sóng trong thơng tin quang ………….................................13
Hình 1.2. Hiện tượng phản xạ ánh sáng tồn phần ……………............……….14
Hình 1.3. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.............................................15
Hình 1.4. Xác định khẩu độ số của sợi quang.........................................………16
Hình 1.5.Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a),GI(b) và sợi đơn
mode(c)...........................................................................................................18
Hình 1.6. Sợi SI (Step-Index) ...................................……………...................20
Hình 1.7. Sợi GI (Građe-Index).......................................................................21
Hình 1.8. Sợi đa mode.....................................................................................24
Hình 1.9. Sợi đơn mode .................................................................................24
Hình 1.10. Suy hao do tán xạ Reyleigh...........………………….....……...........29

Hình 1.11. Ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b). S chỉ tín hiệu
phát, A chỉ tín hiệu thu. a: Dẫn xung, b: Sụt biên độ........…..............................31
Hình 1.12. Tán sắc mode đối với sợi MM-GI...........……………….............…33
Hình 1.13. Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm n g thay đổi ở sợi thuỷ
tinh.................................................................................................................34
Hình 1.14. Tán sắc tổng và các tán sắc thành phần………………….................36
Hình 1.15. Tán sắc mode phân cực...........……………………………..............37
Hình 1.16. Vùng đa mode và đơn mode ...................……………….….............39
Hình 1.17. Cấu trúc mạng của sợi quang tử lục giác đều PCF…………............40
Hình 2.1. Cấu trúc mạng của sợi quang tử có hằng số mạng Λ =5m và đường
kính ống d=1, 2, 3, 4 m.…...…...............................................…...................44


6

Hình 2.2. Phân bố trường mode cơ bản trong lõi sợi quang có hằng số mạng
Λ=5μm và đường kính ống d=1, 2, 3, 4μm với ống thẩm thấu rượu và
nước.………...................................................................................................45
Hình 2.3. Phân bố trường mode cơ bản trong lõi sợi quang nhúng lỗ khơng khí
và rượu ………………….......................................………..........................…46
Hình 2.4. Chiết suất của rượu..........................………………...........………….47
Hình 2.5. Chiết suất của nước ......................………………………...........…...47
Hình 2.6. Chiết suất hiệu dụng của sợi quang tử nhúng lỗ thấm rượu.…...........48
Hình 2.7. Hệ số hấp thụ của rượu ở nhiệt độ 20oC. (a): Tuyến tính; (b) theo
logarit......................................................…………………………..................49
Hình 2.8. Hệ số hấp thụ của nước ở nhiệt độ 20oC. (a): Tuyến tính; (b) theo
logarit …………………….......................................................................…...50
Hình 2.9. Hệ số hấp thụ của sợi quang tử nhúng lỗ thẩm thấu rượu……...........50
Hình 2.10. Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử với ống khí có đường kính d =
2m................................................................................................................51

Hình 2.11. Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử và ống thẩm thấu hỗn hợp rượu và
nước có đường kính d = 2m.............................................................................52
Hình 2.12. Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử với ống không khí và ống thẩm
thấu hỗn hợp 20% rượu và 80% nước có đường kính thay đổi..........................53
Hình 2.13. Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử với ống khơng khí và ống thẩm
thấu hỗn hợp 40% rượu và 60% nước có đường kính thay đổi...........................54
Hình 2.14. Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử với ống khơng khí và ống thẩm
thấu hỗn hợp 60% rượu và 40% nước có đường kính thay đổi...........................55
Hình 2.15. Đặc trưng tán sắc của sợi quang tử với ống khơng khí và ống thẩm
thấu hỗn hợp 80% rượu và 20% nước có đường kính thay đổi...........................56


7

MỞ ĐẦU
Sợi quang học thông thường được dùng để truyền thông tin dưới dạng các
xung quang ngắn trên một khoảng cách dài với tốc độ cực cao là một trong
những cơng nghệ chính thành cơng của thế kỷ XX. Cơng nghệ này đã phát triển
với một tốc độ đáng kinh ngạc, từ đầu những năm 1970 đến nay và đã trở
thành vấn đề quan trọng của mạng viễn thơng tồn cầu.
Các sợi quang có ứng dụng rất tốt trong thơng tin quang và một số lĩnh vực
khác không thuộc thông tin quang. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế trong việc
thiết kế và chế tạo như sau: hạn chế trong thiết kế tự do, việc chọn vật liệu gặp
khó khăn (nhiệt độ của lõi và vỏ phải giống nhau), hạn chế về mật độ năng
lượng truyền, hạn chế về kích thước mode trong chế độ phát đơn mode,…
Để khắc phục các hạn chế trên, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra sợi
tinh thể quang tử (Photonic Crystal Fiber (PCF)). Sợi tinh thể quang tử là sợi
quang được chế tạo dựa trên tính chất của các tinh thể quang và sợi có khả
năng giam ánh sáng bên trong vùng lõi (hình 0.1).
PCFs khác với sợi quang thơng thường ở đặc điểm lõi và vỏ (cladding).

Lõi và vỏ của sợi đều được làm từ một vật liệu và các tính chất đặc biệt của
sợi quang PCFs đều được bắt nguồn từ sự có mặt của các lỗ khí.
PCFs lõi chiết suất cao có chiết suất của vùng lõi cao hơn chiết suất
của vật liệu vùng bao quanh (hay là vỏ). Tuy nhiên, những tính chất ảnh hưởng
tới sự phản xạ của sợi chủ yếu là do các lỗ khí. Các lỗ khí thường được sắp
xếp theo rất nhiều cấu trúc (theo những hình dạng khác nhau như : lục giác, bát
giác, thập nhị giác hoặc theo nhiều chiều khác nhau). Mỗi sự sắp xếp khác
nhau (khác nhau về : hình dạng, kích thước đường kính lỗ khí, khoảng cách
giữa các lỗ khí,…) của các lỗ khí sẽ làm sợi có các tính chất khác nhau, với
một sự sắp xếp hợp lý có thể mang lại cho sợi quang tinh thể các tính chất đặc
biệt.


8

(a)

(b)
Hình 0.1. Mơ tả về sợi quang tinh thể.

(a) Sợi PCFs có cấu trúc lõi rỗng (PBG). (b) Sợi PCFs có cấu trúc lõi đặc.
PCFs lõi chiết suất cao hầu hết đều có lõi đặc và thường sử dụng các vật
liệu chưa pha tạp chất. Bao quanh lõi này là vùng vỏ có các lỗ khí sắp xếp theo
cấu trúc, những lỗ khí này có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của vùng lõi. Vì
thế, ánh sáng sẽ bị giới hạn trong vùng lõi đặc chiết suất cao hơn. Điều này đã
cho thấy rằng sợi quang tinh thể lõi chiết suất cao có thể được chế tạo khi số
lượng các lỗ khí là đủ lớn.

Silic
a

Λ
1

Λ
Air
hole

d

Hình 0.2. PCFs cấu trúc ngũ giác.


9

Hình 0.2. là cấu trúc PCFs lõi đặc với các lỗ khí theo cấu trúc ngũ giác
dùng silica. Trong đó có các thơng số cần quan tâm là d, Λ và Λ1 tương ứng là
đường kính của các lỗ khí, khoảng cách giữa 2 lỗ khí liền kề nhau ở hai vịng và
giữa 2 lỗ khí liền kề nhau trên cùng một vịng
Mặc dù sợi quang tinh thể có cấu tạo hồn tồn khác với sợi quang
thơng thường. Tuy nhiên sợi quang tinh thể vẫn có đầy đủ các tính chất của
sợi quang thơng thường và thêm vào đó là các tính chất đặc biệt do sự xuất hiện
của các lỗ khí.
Các PCF có nhiều ưu điểm hơn so với các sợi quang thông thường trong
việc thiết kế và chế tạo. Đó là, nó có thể được thiết kế linh hoạt hơn trong cơ chế
dẫn ánh sáng, trong thiết kế các loại mạng, hình dạng cũng như kích thước các
lỗ mạng và lựa chọn vật liệu.
Các PCF có các tính chất đặc trưng như: chiết suất hiệu dụng, tán sắc,
diện tích hiệu dụng và giam giữ mất mát.
Các tham số ảnh hưởng đến các tính chất đặc trưng của các PCFs đó là

các tham số hình học như kích thước đường kính lỗ, cấu trúc các loại mạng,
khoảng cách giữa các lỗ và vật liệu đổ vào lỗ.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã cho thẩm thấu chất lỏng
vào các lỗ khí. Việc thẩm thấu (bơm) các chất lỏng vào các lỗ là một bước đột
phá trong công nghệ quản lý tán sắc. Các nghiên cứu về sợi tinh thể quang tử
bằng cách bơm chất lỏng vào lỗ mạng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm
trong những năm gần đây.
Để góp phần vào các quá trình nghiên cứu trên, chúng tơi đề xuất đề tài
nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu một số tính chất đặc trƣng của PCF lõi
đặc với mạng lục giác đều đƣợc thẩm thấu bởi hỗn hợp rƣợu và nƣớc.


10

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC SỢI QUANG

1.1. Lịch sử phát triển các sợi quang
Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin giữa
con người với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tố quyết
định góp phần thúc đẩy sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng như nền văn
minh của nhân loại .
Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử
dụng môi trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng) và khơng
gian. Thì việc sử dụng ánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin cũng
được khai thác rất hiệu quả . Cùng với thời gian thơng tin quang đã phát triển và
ngày càng hồn thiện với những mốc lịch sử như sau [1], [2], [40], [41]:
-1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống
điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó . Tin tức vượt qua
chặng đường 200km trong vòng 15 phút .

-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể
dẫn được theo vịi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần . Điều vẫn
được áp dụng trong thông tin quang hiện nay .
-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống
thơng tin Photophone. Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong mơi trường
khơng khí . Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu.
- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống
thông tin quang. Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.
- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và
phát triển Laser
- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.


11

- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề cịn lại
là phải tìm mơi trường truyền dẫn quang thích hợp.
- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phịng thí
nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn
ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó cịn hạn chế nên suy
hao q lớn (ở khoảng 1000dB/Km)
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế tạo thành công sợi quang loại SI có
suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm.
- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].
- 1978: Ý tưởng về sợi quang cách tử Bragg
- 1992: Ý tưởng về sợi quang tử lõi khí
- 1996: Chế tạo thành cơng sợi quang đơn mode vỏ quang tử
- 1997: Sợi quang tử đơn mode không giới hạn
- 1999: Sợi quang tử vùng cấm có lõi khí
- 2000: Sợi quang tử lưỡng chiết cao và Phát siêu liên tục

- 2001: Chế tạo thành công sợi quang Bragg
- 2002: Sợi quang tử với tán sắc siêu phẳng
- 2003: Sợi quang Bragg với thủy tinh và lõi khí
1.2. Ƣu điểm của thơng tin sợi quang
So với dây kim loại sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý [40], [41] là:
- Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận do đó giảm được số
trạm tiếp vận
- Dải thơng rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao
- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
- Hồn tồn cách điện không chịu ảnh hưởng của sấm sét


12

- Không bị can nhiễu bởi trường điện từ
- Xuyên âm giữ các sợi dây không đáng kể
- Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên
- Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng
dung lượng và cự ly.
1.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang
Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng.
Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần
thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang. Ba vấn đề sau sẽ
là cơ sở lý thuyết cho việc hình thành hệ thống thơng tin quang [40], [41]:
- Phổ của sóng điện từ
- Chiết suất của môi trường
- Hiện tượng phản xạ tồn phần
1.3.1. Phổ của sóng điện từ
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem
như sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng.

Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là
một dải tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ được sinh ra,
hoặc là dải bước sóng tương ứng. Hai đại lượng tần số và bước sóng tỷ lệ với
nhau theo công thức [40], [41]:
c(m/s) = (m).f(Hz) hoặc E(eV) = h.f
Trong đó :
c là vận tốc ánh sáng trong chân không [ c = 3.108 m/s ]
h là hằng số Planck [ h = 6,625.10-34J/s ]


13

Ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bước
sóng từ 800nm đến 1600nm. Đặc biệt cú ba bc súng thụng dng l 850nm,
1300nm v 1550nm.

Tiavô
tuyến

1,6

1,5

1,4

1,3

Tia
Rơnghen

Tia tử
ngoại

Tia hồng
ngoại

1,2

1,1

1

900 800

700

600

Tia
Tia
Gamma Vũ trụ

500

400m

á nh sáng
nhìn thấy đ-ợ c
á nh sánh trong thông tin quang

Đỏ

Tím

Hỡnh 1.1: Cỏc bc súng trong thơng tin quang
Ta biết nếu bước sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn mà khi tần số càng
lớn thì độ suy hao càng lớn. Sóng qua đặc tuyến suy hao của sợi quang và đặc
biệt ở bước sóng 1550nm thì độ suy hao là dưới 0,2dB/km. Như vậy là vấn đề
suy hao được giải quyết nên ở ba bước sóng đó hiện nay đang được dùng rộng
rãi mà đặc biệt là ở bước sóng 1550nm. Cùng đó ta đã khai thác thêm được các
vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời khai thác được các ưu điểm
của cáp sợi quang.
1.3.2. Chiết suất của môi trƣờng
Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy.
n

c
v


14

Trong đó :
n : Chiết suất của mơi trường
v : Vận tốc ánh sáng trong môi trường
Mà: c  v nên n  1.
Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho
nó.
1.3.3. Hiện tƣợng phản xạ ánh sáng toàn phần

Cho một tia sáng đơn sắc đi từ mơi trường có chiết suất n1 sang mơi trường
thứ hai có chiết suất n2 (n1 > n2) như hình vẽ sau:

P

P



2



T

1
2

n2

n2

n1

n1
2

T

1

Vùng phản xạ tồn phần
a)

(b)

Hình 1.2. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần
Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai mơi trường
một góc , khi sang mơi trường thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợp với pháp
tuyến P ở một góc . Theo định luật khúc xạ Snelious ta có:
n1.sint = n2.sin
Khi tia tới đạt tới góc  thi tia khúc xạ sẽ chạy song song với mặt phân cách
giữa hai mơi trường. Tức là góc khúc xạ t = 900.


15

Suy ra: Sin t =

n1
n2

Góc t được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ
chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc  >t thì tia phản
xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường 1.
Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng toàn phần là:
- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n1) sang môi trường
kém chiết quang hơn (n2). Hay là chiết suất n1 > n2
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
1.4. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
1.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một
lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ
tinh có chiết suất n2 với n1  n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ
nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc [40],
[41].

đã biết điều kiện xảy ra hiệ tượng tàn phần là:
+ Chiết suất n1 > n2
+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn.
Hình 1.3. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2. Vậy chỉ cịn
điều kiện là góc tới t phải lớn hơn góc tới hạn th (t > th). Nên người ta đưa
ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép
luồng bức xạ quang vào sợi.
Áp dụng cơng thức: Snelious để tính N:


16

n0Sinth = n1.Sin. (n0= 1 : chiết suất của không khí)
 1.Sinth = n1.Sin = n1Cos1.
(Sin = Sin(900 - t) = Cost)
Cos t  1  Sin 2 t  1 

n22
n12

n22
 Sin th  n1. 1  2  n22  n12
n1

 NA  Sinth  n22  n12  n1. 2

Với  

n12  n 22
gọi là độ lệch chiết suất tương đối
2.n12

n2


n0
th

t

n1

Hình 1.4. Xác định khẩu độ số của sợi quang
Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi đưa
nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở:
 th  arcsinn1 . 2 .

1.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang
Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực
của các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng. Một
mode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương


17

trình sóng và số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn thoả mãn
các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang.
Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp.
Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rị có đặc tính của cả hai loại mode trên.
Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập trung trong
ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập tắt
ngay. Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruột sợi và các mode
lan truyền có những đặc tính sau [40], [41]:
- Các mode hồn tồn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng.
- Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng.
Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn g sao cho các bước sóng của các
mode đều phải tuân theo điều kiện  > g.
Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số d k/ nên dk
lớn hơn  nhiều thì sợi cho vơ số mode truyền qua, còn khi d k rất nhỏ thì chỉ có
một mode cơ bản được truyền qua (sợi đơn mode). Người ta định nghĩa tham số
cấu trúc V hay cịn gọi là tần số chuẩn hố:
V

.dk .n1
. 2.


Với sợi SI, nếu V < 2,405 thì người ta có đơn mode, ngược lại là sợi
mode. Còn sợi GI, nếu V < 3,518 có sợi đơn mode, V > 3,518 ta có sợi đa mode.
Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyền
sóng. Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyền sóng.
Tuy nhiên việc lập và giải phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giản nhất là
dùng phương pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trên mặt cắt dọc

của sợi.


18

Ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khác nhau
nên sợi chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b) với
chiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãng đường đi
ngắn nhất (c). Ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ
tồn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằm trong một hình nón có nửa
góc mở th
M .d k .n1
2. . n12  n 22
2,405

Sợi SI có  th  arcsin

r
a

Sợi GI có  th  arcsinn1 . 2. . 1  ( ) 2

2

n2
n1

3
1

ma

a)

x

1
ma
x

3

2
b)

c)
Hình 1.5. Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a),
GI(b), và sợi đơn mode(c)
Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinth
Như vậy sợi SI có NA  n12  n22  n1 . 2.
Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2  0,37.


19

r
a

Cịn sợi GI có NA  n1 . 1  ( ) 2
Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đưa ra ánh sáng vào tại

tâm lõi có độ mở là lớn nhất, cịn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng 0.
Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết đã
chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn, băng
tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại.
Theo hình 1.6 ta khơng thể mơ tả đặc trưng của các mode vì thực tế khơng
phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều được lan
truyền đến cuối sợi. Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia có hiện
tượng giao thoa.
Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một
sóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, cịn nếu hai bước
sóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta gọi
là các mode.
Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự phân
bố cường độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với tốc độ
xác định.
Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin
khi điều biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin cịn trên sợi đa mode thì
có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định.
1.5. Phân loại sợi quang
Để phân biệt sợi quang, người ta dựa vào các yếu tố của sợi quang mà phân
biệt thành các lại sợi khác nhau [40], [41].


20

Danh mục

Loại sợi

Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất

Phân loại theo mode truyền dẫn

Phân loại theo cấu trúc vật liệu

Phân loại dựa theo các chức năng
đặc biệt

-

Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc

-

Sợi có chỉ số chiết suất Gradien

-

Sợi đơn mode

-

Sợi đa mode

-

Sợi thuỷ tinh

-

Sợi chất dẻo

-

Sợi thuỷ tinh đa thành phần

-

Sợi lỗ khơng khí

-

Sợi duy trì phân cực

1.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)
1.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ
bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang
phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau
[40], [41].

Hình 1.6. Sợi SI (Step-Index)
- Khẩu độ số:

NA 

n12  n22


21

- Số lượng mode truyền M  V2/2 trong đó V = 2.a.NA/
- Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dung lượng
thông tin của sợi.
Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian
truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện
tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh
sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiên tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI
khơng thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có
thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần
1.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index):
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay
đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần [40], [41].

Hình 1.7. Sợi GI ( Građe - Index)
-

Mặt cắt chiết suất:





n1 1  (r / a) ;
n( r )  
 n1 (1  )  n2 ;

ra
ra

Trong đó : a là bán kính lõi;  là hệ số mặt cắt xác định dạng biến đổi chiết
suất trong lõi,  = 2 tương ứng với mặt cắt parabol.


22

-

Khẩu độ số:
NA(r )  n 2 (r )  n22  NAmax 1  (r / a)

-

NAmax  n1 2

Sợi truyền nhiều mode hoặc và cũng có 2 loại tia: tia kinh tuyến và tia

nghiêng hoặc tia xoắn
-

Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng đường cong hình sin do bị đổi hướng

liên tục khi truyền trong sợi.
Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận
tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn
nhưng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có
đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo
trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo
chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thì đường đi của các tia sáng
có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của

sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.
1.5.2.Các dạng chiết suất khác:
Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến , ngồi ra cịn có một số
dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt [40], [41]:
a.Dạng giảm chiết suất lớp bọc:
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải
tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp
bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất  nhưng có chiết suất lõi n1 khơng
cao.


23

b. Dạng dịch độ tán sắc:
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm. Người
ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng
sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

c) Dạng san bằng tán sắc:
Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng.
Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi
quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trong
phịng thí nghiệm, chưa đưa ra thực tế được.
1.5.3. Sợi đa mode và đơn mode
1.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):
Sợi có thể truyền được nhiều mode (coi mỗi mode là một tia sáng ứng với
một góc lan truyền cho phép) [40], [41].
Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50m
- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125m