SỢI QUANG: Cấu trúc sợi quang - Quá trình truyền sóng ánh sáng sợi quang

‰ Cấu trúc sợi quang? ‰ Quá trình truyền sóng ánh sáng sợi quang ‰ Phân loại sợi quang ‰ Các đặc tính sợi quang ‰ Hàn nối sợi quang ‰ Cáp quang Hanoi University of Technology Cấu trúc sợi quang • • • Sợi quang ống dẫn sóng điện mơi hình trụ hoạt động tần số quang, dẫn ánh sáng theo hướng song song với trục n Lõi có chiết suất lớn vỏ 0,1% - 0,3% Sợi quang có đường kính nhỏ, nhẹ, đặc tính truyền dẫn cao 2a Cấu trúc sợi quang (tiếp) • Lõi sợi quang (core): bán kính a, chiết suất n1 • Vỏ (cladding): chiết suất n2 < n1 • Tác dụng vỏ: – Giảm suy hao tán xạ không liên tục điện môi bề mặt lõi – Làm khỏe sợi – Bảo vệ lõi khỏi ảnh hưởng hấp thụ bề mặt • Sợi suy hao thấp trung bình: vật liệu lõi thủy tinh, vỏ thủy tinh nhựa • Sợi suy hao cao: lõi nhựa vỏ nhựa Ánh sáng truyền sợi quang Nón ánh sáng Những tia sáng phản xạ tồn phần lõi sợi quang Ánh sáng truyền sợi quang θ ‘theta’ Φ ‘phi’ θ1 : góc tới θ2 : góc khúc xạ Φ1: góc tới gây phản xạ toàn phần „ Định luật Snell : n0 sin θ1 = n1 sin θ2 = n1 cos Ф1 (1) „ Phần lõi vỏ có chiết suất n1 n2 (n1 > n2) „ Góc tới hạn lõi: n1 sin φc = n2 sin 900 n2 sin φc = n1 „ Phản xạ toàn phần xảy với điều kiện: Hanoi University of Technology φ1 > φc Độ mở số NA – Number Aperture θmax β α n0 o p t ic a l sy st em „ Phản xạ toàn phần xảy tia sáng có góc tới vào sợi quang nhỏ góc mở θmax : θ1 < θmax „ θmax = góc mở lớn = góc giới hạn lớn cáp quang „ Để đặc trưng cho khả ghép luồng xạ quang vào sợi, người ta định nghĩa đại lượng đặc trưng cho sợi độ mở NA: NA = Sin θmax Hanoi University of Technology Độ mở số NA & đường kính lõi 2a Đường kính nhỏ „ chùm tia sáng để bơm vào sợi quang với nón ánh sáng ≤ 2NA Nếu khơng hội tụ tốt, nón ánh sáng > 2NA → thơng tin Đường kính lớn „ NA lớn NA nhỏ Ý nghĩa NA: phải hội tụ Đường kính 2a lõi lớn NA lớn cho lượng ánh sáng vào sợi quang lớn Hanoi University of Technology Độ chênh lệch chiết suất hay vi sai chiết suất lõi – vỏ ∆ „ Định nghĩa: n12 − n22 (n1 − n2 )(n1 + n2 ) n1 − n2 ∆= = ≈ 2 2n1 2n1 n1 „ Ta thấy n12 − n22 NA2 ∆= = 2n1 2n12 ⇒ NA = sin θ1max = n1 2∆ Hanoi University of Technology Hệ số phản xạ thủy tinh khơng khí n0 ⎡ n1 − n0 ⎤ R (%) = ⎢ ⎥ ⋅100% ⎣ n1 + n0 ⎦ P n1 P1 P2 Ý nghĩa R: ánh sáng từ mơi trường thủy tính chiếu tới mặt phân cách có % lượng ánh sáng bị phản xạ n0: chiết suất khơng khí trở lại n1: chiết suất thủy tinh Ví dụ: tính R R: hệ số phản xạ thủy tinh khơng khí với n1 = 1,5 Vùng suy hao thấp bước sóng λ ‰ Cửa sổ 1: xung quanh 850 nm ‰ Cửa sổ 2: xung quanh 1310 nm ‰ Cửa sổ 3: 1530 nm ÷ 1565 nm (băng thơng thường hay băng C) ‰ Cửa sổ 4: 1565nm ÷ 1625 nm (bước sóng dài hay băng L) ‰ Cửa sổ 5: 1380 nm ÷ 1525 nm Hanoi University of Technology 10 Phân loại sợi quang Phân loại theo vật liệu Sợi quang thủy tinh đa vật liệu Sợi quang thạch anh Sợi quang nhựa Phân loại theo mode Sợi đơn mode Sợi đa mode Phân loại theo phân bố Sợi quang chiết suất bậc chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất biến đổi 11 Phân loại sợi quang theo vật liệu ‰ Sợi quang thủy tinh đa vật liệu ‰ Sợi quang thạch anh (SiO2 + tạp chất) Sợi quang thuỷ tinh kết hợp thạch anh sử dụng nhiều có độ suy hao thấp, đặc tính truyền dẫn ổn định thời gian dài ‰ Sợi quang nhựa Sử dụng nơi cần truyền dẫn cự li ngắn, khó cáp máy thuận tiện cho việc lắp đặt tay, dễ hàn nối, có khả chịu bẻ gập cao Hanoi University of Technology 12 Phân loại theo mode - Sợi đa mode MMF Hanoi University of Technology 13 Sợi đơn mode – SMF Hanoi University of Technology 14 Sợi đa mốt chiết suất nhảy bậc SI (Step Index) Hanoi University of Technology 15 Sợi đa mốt chiết suất biến đổi GI (Graded Index) Hanoi University of Technology 16 Mô tả chiết suất biến đổi r r r n2 a 2a n n z n(r) 17 Các dạng phân bố chiết suất sợi quang „ Nếu chiết suất bước sóng quang coi hàm bán kính r, mơ tả biến thiên chiết suất theo bán kính (tính theo trục sợi quang từ tâm lõi thủy tinh vỏ thủy tinh): n = n(r) Ta có: g ⎡ ⎛r⎞ ⎤ 2 n (r ) = n1 ⎢1 − ⋅ ∆ ⋅ ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ a ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ n (r ) = n22 = constant „ Trong đó: Với r < a lõi sợi Với r ≥ a vỏ sợi n1: chiết suất khúc xạ trục lõi sợi n2: chiết suất khúc xạ vỏ ∆ : độ chênh lệch chiết suất 18 „ „ „ r: khoảng cách tính từ trục sợi quang (µm) a: bán kính lõi (µm) n(r) g →∞ n1 g=2 g: số mũ định dạng biến thiên (g ≥ 1) g=1 Các giá trị thông dụng g: g = 1: phân bố dạng tam giác g = 2: phân bố dạng parabol hay n2 dạng chiết suất liên tục gỈ∞: phân bố dạng nhảy bậc → phương trình quy sợi nhảy bậc n(r)=n1 -a +a r Sự truyền mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất 19 Tần số chuẩn hóa V (V number) V = 2π ⋅ a λ ⋅ NA = k ⋅ a ⋅ NA a: bán kính lõi sợi NA: độ số λ: bước sóng k: số sóng „ Sợi chiết suất bậc có Tần số chuẩn hóa giới hạn – Vc∞ (c = cut-off value): „ Vc∞ = 2.405 Sợi đơn mode chiết suất bậc có V nằm dải giá trị: < V < Vc∞ = 2.405 „ Sợi chiết suất biến đổi có Tần số chuẩn hóa giới hạn – Vc: g+2 Vc ≈ Vc∞ ⋅ g g = ⇒ Vc ≈ 2.405 ⋅ = 3.4 20