Fiberoptics Sợi quang : Cấu tạo, Chế tạo và Ứng dụng

Sợi quang là những sợi thủy tinh hoặc plastic dài, mỏng, tinh khiết và có đường kính khoảng cỡ 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, mà tín hiệu ít bị nhiễu, tốc độ nhanh.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT ********** BÁO CÁO QUANG HỌC KỸ THUẬT Đề tài: Fiberoptics - Sợi quang Hà Nội-2020 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU VỀ SỢI QUANG Lịch sử phát triển Sợiquang Thế sợi quang 2.1Kháiniệm 2.2 Cấu trúc cáp quang Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu sợi quang Ưu điểm sợi quang II LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI QUANG Cơ sở quang học 1.1Bướcsóng ánh sáng 1.2 Chiết suất 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần 2.Sự truyền dẫn ánh sáng sợi quang 2.1 Nguyên lý truyền dẫn chung 2.2 Sự lan truyền mode sợi quang Phân loại sợi quang 11 3.1 Sợi chiết suất nhảy bậc(SI) sợi chiết suất biến đổi đều(GI) 11 3.2 Các dạng chiết suất khác 12 Sợi đa mode đơn mode 13 4.1 Sợi đa mode (MM: Multi Mode) 13 4.2 Sợi đơn mode (SM: Single Mode) 14 III CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG 14 Suy hao truyền dẫn sợi quang 14 1.1 Hệ số suy hao 15 1.2 Suy hao hấp thụ vật liệu sợi quang 16 a.Suy hao hấp thụ tạp chất b.Hiện tượng tự hấp thụ (Hấp thụ thân vật liệu) 16 17 c Hấp thụ cực tím 18 1.3 Suy hao tán xạ Rayleigh 18 1.4 Suy hao uốn cong sợi 19 a.Uốn cong vĩ mô (Macrobending Losses) 19 b.Uốn cong vi mô (Microbending Losses) 21 1.5 Phổ suy hao sợi quang 21 Tán sắc 24 Phương pháp giảm suy hao sợi quang 24 3.1 Sợi quang có pha tạp ion đất 24 3.2 Sợi quang có chiết suất biến thiên liên tục (GI) 27 CHẾ TẠO SỢI QUANG 28 Vật liệu chế tạo Phương pháp chế tạo 28 28 ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG 29 1.Truyền tin 29 Các ứng dụng khác 30 I GIỚI THIỆU VỀ SỢI QUANG Lịch sử phát triển Sợi quang - Năm 1790: CLAUDE CHAPPE, kỹ sư người Pháp, xây dựng hệ thống điện báo quang (Optical Telegraph) hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo hiệu di động Thời tin tức truyền hệ thống vượt chặng đường 200 km vòng 15 phút - Năm 1870: JOHN TYNDALL, nhà vật lý người Anh, chứng tỏ ánh sáng dẫn theo vịi nước uốn cong Thí nghiệm ông sử dụng nguyên lý phản xạ tồn phần, điều cịn áp dụng cho sợi quang ngày - Năm 1880: ALEXANDER GRAHAM BELL, người Mỹ, giới thiệu hệ thống photophone, qua tiếng nói truyền ánh sáng mơi trường khơng khí mà khơng cần dây Tuy nhiên hệ thống chưa áp dụng thực tế cịn nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng đường truyền - Năm 1934: NORMAN R FRENCH, kỹ sư người Mỹ, nhận sáng chế hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn ông thuỷ tinh - Năm 1958: ARTHUR SCHAWLOW CHARLES H TOWNES, xây dựng phát triển laser - Năm 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công - Năm 1962: Laser bán dẫn photodiode bán dẫn thừa nhận Vấn đề lại phải tìm mơi trường truyền dẫn quang thích hợp - Năm 1966: CHARLES H KAO GEORGE A HOCKHAM, hai kỹ sư phịng thí nghiệm Standard Telecommunications Anh, đề xuất việc dùng thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sáng Nhưng công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời hạn chế nên suy hao sợi lớn ( ~ 1000 dB/km) - Năm 1970: Hãng Corning Glass Works chế tạo thành cơng sợi quang loại SI có suy hao nhỏ 20 db/km bước sóng 633 nm - Năm 1972: Loại sợi GI chế tạo với độ suy hao dB/km - Năm 1983: Sợi đơn mode (SM) xuất xưởng Mỹ - Ngày sợi đơn mode sử dụng rộng rãi, độ suy hao loại sợi khoảng 0,2 dB/km bước sóng 1550 nm Thế sợi quang 2.1Khái niệm: Sợi quang sợi thủy tinh plastic dài, mỏng, tinh khiết có đường kính khoảng cỡ sợi tóc người Chúng xếp bó gọi cáp quang sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng khoảng cách dài, mà tín hiệu bị nhiễu, tốc độ nhanh 2.2Cấu trúc cáp quang Cấu trúc cáp quang gồm: + Core (lõi): trung tâm phản chiếu ánh sáng sợi quang + Cladding (lớp bọc core): lớp thứ hai bao quanh core có chiết suất nhỏ chiết suất core, chức phản xạ tia sáng hướng trở core Ánh sáng truyền từ đầu đến đầu sợi quang cách phản xạ toàn phần mặt ngăn cách core – lớp bọc định hướng core + Coating (lớp phủ): Lớp phủ có chức loại bỏ tia khúc xạ lớp bọc, chống lại xâm nhập nước, tránh trầy xước, giảm gập gãy uốn cong sợi cáp quang Lớp phủ nhuộm màu khác theo chuẩn màu quy định ngành viễn thông để phân biệt với Vật liệu dùng làm lớp phủ Epoxy Acrylate, polyurethanes, Ethylene Vinyl Acetate… + Srength member (thành phần gia cường): vật liệu thường dùng sợi tơ Aramit (Kevlar), kim loại có dạng sợi, lớp băng thép mỏng dập gợn sóng hình sin + Outer Jacket (vỏ ngồi): vỏ cáp có tác dụng bảo vệ ruột cáp tránh ảnh hưởng tác động bên va đập, loài vật gặm nhấm, ẩm ướt, nhiệt độ…Các vật liệu làm vỏ cáp thường sử dụng: PVC, PE, HDPE, PUR chúng có tính nhẹ, bền bi tác động lực, khó cháy, cách điện nhiệt tốt Hình 1.1: Cấu tạo cáp quang Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu sợi quang Tín hiệu vào Chuyển đổi S/E Tín hiệu điện Chuyển đổi E/O SỢI QUANG TRẠM TÁI TẠO Tín hiệu Chuyển đổi E/S Tín hiệu điện Tín hiệu quang Chuyển đổi O/E Tín hiệu quang Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống truyền tin sợi quang Ưu điểm sợi quang - Suy hao thấp: Năng lượng ánh sáng bị hao hụt trình truyền dẫn nên cần trạm tái tạo để tái tạo tín hiệu - Tốc độ truyền quang sợi lớn nên thông tin gửi nhận gần lúc - Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ - Hồn tồn cách điện, không chịu ảnh hưởng từ trường điện trường ngồi - Vật liệu sẵn có tự nhiên - Tiết kiệm nhiều chi phí so với dẫn truyền cáp kim loại kiểu cũ II LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI QUANG 1) Cơ sở quang học 1.1 Bước sóng ánh sáng Ánh sáng khả kiến có bước sóng khoảng 400nm đến 700nm Ánh sáng sử dụng sợi quang có bước sóng lớn hơn, nằm vùng hồng ngoại, khoảng từ 800nm đến 1600nm Viêc lựa chọn, bước sóng phù hợp với loại sợi quang phụ thuộc vào yếu tố: • Sự tán xạ ánh sáng: Bước sóng tăng độ tán xạ ánh sáng giảm • Khả hấp thụ: Ứng với số bước sóng xác định, vật liệu có khả hấp thụ ánh sáng • Ngồi ra, khơng sử dụng bước sóng dài tương phát xạ nhiệt, làm nóng vùng tiếp xúc, tín hiệu truyền bị nhiễu loạn Hình 2.1: Bước sóng sợi quang Ba bước sóng sử dụng rộng rãi, phổ biến 850nm, 1300nm 1550nm độ tán xạ thấp, đồng thời mức hấp thụ gần Bước sóng 1550 nm phổ biến nhất, độ suy hao nhỏ 0,2 dB/km Sợi quang lõi Plastic (POF) thường sử dụng bước sóng 650nm, 850nm Sợi quang lõi thủy tinh gồm sợi đa mode hoạt động bước sóng 850nm 1300nm; sợi đơn mode 1310nm 1550nm Sự khác 1300nm 1310nm để phân biệt sợi đơn mode với đa mode 1.2 Chiết suất Chiết suất vật xác định tỷ số vận tốc ánh sáng chân không với vận tốc truyền mơi trường vật chất Cơng thức: với c = ( m/s ) v : vận tốc ánh sáng môi trường xét Thông thường, chiết suất khơng khí , mơi trường vật chất khác, chiết suất thường lớn Ngoài ra, chiết suất mơi trường vật chất cịn phụ thuộc vào ánh sáng truyền tới c) Hiện tượng phản xạ tồn phần Hình 2.2: Hiện tượng khúc xạ phản xạ tồn phần Xét tia sáng truyền từ mơi trường có chiết suất , sang mơi trường có chiết suất , (chẳng hạn từ nước vào khơng khí) Tia tới hợp với phương pháp tuyến mặt phân cách góc , tia ló hợp với phương pháp tuyến góc Định luật Snell: n1 sin θ1 = n2 sin θ Trường hợp, , ta có tia ló nằm mặt phân cách, góc tới hạn n1 sin θ1 = n2 , gọi Trường hợp, góc tới ta có tượng phản xạ tồn phần, tia ló không truyền qua môi trường chiết suất , mà phản xạ hồn tồn lại mơi trường Theo ngun lý Fermat, góc phản xạ lại với góc tới Như vậy, để có tượng phản xạ tồn phần phải thỏa mãn điều kiện sau: • • Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang sang môi trường chiết quang Ánh sáng có góc tới lớn góc tới hạn mơi trường 2.Sự truyền dẫn ánh sáng sợi quang 2.1Nguyên lý truyền dẫn chung Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm lõi (core) thuỷ tinh có chiết suất lớp bọc (cladding) thuỷ tinh có chiết suất với ánh sáng truyền lõi sợi quang phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) mặt tiếp giáp lõi lớp vỏ bọc Hình 2.3 : Sự truyền quang sợi quang Ta biết điều kiện xảy tượng phản xạ tồn phần là: • • Chiết suất Góc tới lớn góc tới hạn Do đặc điểm cấu tạo sợi quang có điều kiện Vậy cịn điều kiện góc tới phải lớn góc tới hạn (>) Nên người ta đưa khái niệm gọi độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa khả ghép luồng xạ quang vào sợi Áp dụng cơng thức Snell để tính NA: ( chiết suất khơng khí ) = Với gọi độ lệch chiết suất tương đối Vậy điều kiện để đạt tượng phản xạ toàn phần lõi đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm hình nón có góc mở 2.2 Sự lan truyền mode sợi quang Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết chất thực trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng Một mode hiểu trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm phương trình sóng số lượng mode có quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mãn phương trình Maxwell điều kiện bờ từ sợi quang Các mode sóng điện từ chia mode với tổn hao thấp Mode vỏ với tổn hao cao mode rị có đặc tính hai loại mode Dĩ nhiên đưa ánh sáng vào sợi quang phần lớn lượng tập trung ruột sợi, phần lượng rò vỏ tạo mode vỏ mode rò bị dập tắt Người ta ý đến mode truyền dẫn ruột sợi mode lan truyền có đặc tính sau : - Các mode hoàn toàn độc lập với - Mỗi mode có tốc độ lan truyền rộng - Mỗi mode tồn cho bước sóng xác định nguồn sáng Thực tế phải tồn bước sóng giới hạn cho bước sóng mode phải tuântheo điều kiện Số lượng mode lan truyền sợi quang phụ thuộc vào tỷ số D/(D đường kính lõi sợi quang) nên D lớn nhiều sợi cho vơ số mode truyền qua, cịn D nhỏ có mode truyền qua (sợi đơn mode) Người ta định nghĩa tham số cấu trúc V hay cịn gọi tần số chuẩn hố: Với D : đường kính lõi sợi quang : bước sóng xét : chiết suất lõi : độ lệch chiết suất tương đối Với sợi SI, V Lệch thời gian truyền qua gây tán sắc mode Độ tán sắc mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất dạng đa mode.Với ánh sáng khác truyền với vận tốc khác nhau.Với chiều dài sợi quang L,chiết suất n1,n2; giả sử có tia vào sợi quang, tia thứ đoạn đường dài hơn, tia thứ đoạn đường ngắn hơn,ta có : t1= t2= t1 thời gian truyền tia thứ t2 thời gian truyền tia thứ hai 25 C tốc độ bit Thời gian chênh lệch đường truyền t T =n1 với = Độ trải xung tán sác mode dmat : dmat== Độ tán sắc mode : dmAt ==  Tán sắc vật liệu Nguyên nhân: Chiết suất thủy tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng ánh sáng có bước sóng khác nhau Ánh sáng truyền sợi quang khơng đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định.Tốc độ lan truyền thành phần phổ khác ( chiết suất hàm bước sóng ) => Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch gây tán sắc vật liệu Phương pháp giảm suy hao sợi quang 3.1 Sợi quang có pha tạp ion đất Nguyên lý chung, ion đất pha tạp sợi quang đóng vai trị khuếch đại quang học, khuếch đại tín hiệu vào Cơ chế hoạt động trình khuếch đại Hình 3.8 Cơ chế xạ mức a) mức b) 26 • • Dưới tác động xạ kích thích điện tử mức E1 nhận lượng nhảy lên mức lượng cao E2 Thời gian sống điện tử mức E2 ngắn, chúng nhanh chóng chuyển xuống mức E3 có thời gian sống lớn Trường hợp, số điện tử mức E3 lớn E1 E4, ta có tượng đảo mật độ tích lũy.Từ mức E3, điện tử phân rã, chuyển xuống mức lượng thấp hơn, phát photon có bước sóng lớn bước sóng bơm Khi có photon có mức lượng tương đương với chênh lệch giữu mức E3 E1 (hình a) E3 E4 (hình b) tới, kích thích điện tử mức E3 nhảy xuống mức E1 E4, đồng thời phát photon pha, hướng với photon tới - Hiện tượng xạ kích thích Do đó, ánh sáng khuếch đại Các ion đất có dải huỳnh quang có khả cho xạ kích thích ứng dụng khuếch đại tín hiệu sợi quang Các ion đất sử dụng phổ biến: • • • Erbium (Er): sử dụng phổ biến nhất, có dải xạ tương ứng với bước sóng kích thích 980nm 1480nm, phát xạ dải viễn thông C (1530 - 1565nm) L (1565 -1620nm) Đặc điểm, mức 980nm có dải hấp thụ cao hẹp cho độ nhiễu thấp,; mức 1480nm có dải hấp thụ thấp rộng phù hợp cho khuếch đại công suất cao Ytterbium (Yb): có khả phát xạ dải bước sóng 1000-1100nm, tạo cơng suất cực cao (hàng chục kilowatt) Sợi quang pha tạp lõi lớp vỏ bọc; sợi có lớp lõi pha tạp phù hợp với sợi quang có độ dài ngắn, hoạt đông mức lượng thấp, dễ dàng ghép nối với sọi quang thơng thường Sợi có lớp vỏ pha tạp, cho công suất cao hơn, lớp bọc pha tạp đóng vai trị ống dẫn sóng Thulium (Tm): có bước sóng kích thích khoảng 793nm, 1180nm 1550 nm cho xạ có bước sóng 1900nm, nghiên cứu, ứng dụng phổ biến 27 Hình 3.9 Cấu trúc sợi quang pha tạp Ytterbium 3.2 Sợi quang có chiết suất biến thiên liên tục (GI) Cấu trúc sợi GI phân bố chiết suất lõi dạng parabol, chiết suất biến thiên liên tục, giảm dần xa trục sợi quang dẫn đến vận tốc tia truyền lõi tăng dần Hình 3.10 Cấu trúc sợi quang GI Các tia truyền xa trục có đường truyền dài lại có vận tốc truyền lớn ngược lại, tia truyền gần trục có đường truyền ngắn lại có vận tốc truyền nhỏ Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn chiết suất trục lớn Nếu chế tạo xác phân bố chiết suất theo đường parabol đường tia sáng có dạng hình sin thời gian truyền tia Hiện tượng tán sắc sợi GI nhỏ, độ suy hao tín hiệu giảm 28 CHẾ TẠO SỢI QUANG Từ yếu tố gây suy hao bên sợi quang mà đặt yêu cầu việc chế tạo sợi quang Ở tối ưu tạo sợi quang với độ tinh khuyết cao dùng chất pha tạp với mục đính thay đổi chiết suất liên tục bên sợi quang Vật liệu chế tạo Cấu trúc sợi quang bao gồm lõi lớp phủ phản xạ, có thay đổi chiết suất theo yêu cầu Nguyên tắc tạo thay đổi chiết suất thay đổi nồng độ tạp chất phần.Yêu cầu vật liệu chế tạo: • • • Vật liệu phải kéo thành sợi, mỏng nhẹ Vật liệu chế tạo phải suốt, có độ suy hao thấp đảm bảo khả truyền tín hiệu Vật liệu phần có tương thích với nhau, đảm bảo độ chênh lệch chiết suất tương đối lõi lớp phủ thấp Trong thực tế, vật liệu chế tạo sợi quang sử dụng chủ yếu thủy tinh plastic Sợi thủy tinh sử dụng rộng rãi độ suy hao thấp, người ta tạo sợi thủy tinh có độ suy hao thấp cỡ 0,2 dB/km Phương pháp chế tạo Về bản, quy trình chế tạo sợi quang gồm phần: • • Chế tạo phơi Kéo sợi 29 Hình 4.1 : Quy trình sản xuất quang sợi  Chế tạo phơi Hai phương pháp sử dụng lắng đọng hóa chất lắng đọng dọc trục Lắng đọng hóa chất: + Khi chế tạo để đổi chiết suất người ta phải sử dụng ống thạch anh, chất phụ gia Ge2O, P2O5,B,F để tạo phôi với vỏ lõi khác Ge2O, P2O5 làm tăng chiết suất cịn B,F làm giảm chiết suất thạch anh Người ta sử dụng thạch anh tinh khiết Tùy nhà sản xuất mà họ sử dụng: 1.Vỏ thủy tinh SiO2, ruột SIO2 + Ge2O Vỏ SIO2+B2O3, ruột SIO2+Ge2O+P2O5 + Ống thạch anh quay quanh trục, đốt nóng 1500- 1600℃ Các nguyên liệu đưa vào ống sảy phản ứng hóa học Các vật liệu tạo thành bám vào thành ống theo lớp Sau nung chảy ống thu phôi đặc Lắng đọng dọc trục: + Đây phương pháp đại tương đối phổ biến Các vật chế tạo bốc bốc ngưng tụ vào thủy tinh dịch chuyển liên tục dọc theo trục Điều chỉnh hàm lượng chất phụ gia để có chiết suất yêu cầu Ưu điểm phương pháp tốc độ đọng lớn, hiệu suất sử dụng nguyên liệu khoảng 60-80%, có khả chế tạo sợi quang truyền với độ rộng băng thông lớn  Kéo sợi Từ phơi có sẵn tiến hành kéo sợi thu sợi quang có phân bố chiết suất theo yêu cầu Để có kích thước phân bố chiết suất cần đảm bảo nhiệt độ tốc độ kéo ổn định Chú ý tránh bụi bẩn tạp chất tạo sai hỏng Khi kéo sợi cịn nóng, kết hợp phủ lớp bảo vệ để có lớp phủ đều, ổn định V.ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG Truyền tin Ứng dụng lớn quang sợi truyền dẫn thông tin Cáp quang cấu tạo từ sợi quang với số lượng lớn sử dụng rộng rãi kết nối Đến năm 2018, có khoảng 450 sợi cáp quang ngầm đại dương với tổng chiều dài khoản 1,2 triệu km, để kết nối internet, viễn thơng tồn giới 30 Tùy theo, tính chất cấu tạo, sợi quang ứng dụng truyền dẫn thông tin phạm vi khác Với sợi đa mode GI sử dụng rộng rãi truyền liệu khoảng cách ngắn