1.2. Cấu tạo và phân loại sợi quang
1.2.2. Phân loại sợi quang
1.2.2.1. Phân loại theo vật li u chế tạo
Dựa vào vật liệu chế t o thì các lo i sợi quang thường được chế t o từ hai lo i vật liệu trong suốt là thủy tinh và nhựa. Trong lĩnh vực viễn thông các sợi quang sử dụng đƣợc chế t o từ thủy tinh cả phần lõi và vỏ. Còn các sợi quang được làm từ nhựa c độ bền cơ học cao nhưng k ch thước lớn, suy hao cao hơn nhiều so với sợi thủy tinh. Một số lo i đƣợc chế t o lõi bằng thủy tinh, lớp vỏ làm bằng nhựa để phù hợp với nhu cầu sử dụng. Do dựa trên hai lo i vật liệu chính khác nhau nên cửa sổ truyền dẫn có suy hao thấp của mỗi lo i không giống nhau.
1.2.2.2. Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ
Dựa vào phân bố chỉ số khúc x của lõi sợi có thể phân sợi quang thành hai nhóm: sợi quang có chiết suất phân bậc (STIN) và sợi quang có chiết suất thay đổi (GRIN).
Hình 1.5. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang STIN
Sợi quang có chiết suất phân bậc STIN là lo i sợi có chiết suất của lớp vỏ và lõi sợi không đổi và khác nhau một cách rõ rệt nhƣ hình bậc thang. Các tia sáng đƣợc truyền vào một đầu sợi quang với các góc khác nhau sẽ truyền
theo những đường khác nhau (hình 1.5) với cùng một vận tốc, dẫn đến thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi hay nói cách khác quang trình của các tia khác nhau, xuất hiện sự mở rộng xung tương tự như hiện tượng “tán sắc ánh sáng” khi xung truyền theo một đường xác định. Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi l i nhận đƣợc xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Do có hiện tƣợng “tán sắc” lớn nên sợi quang STIN không thể truyền tín hiệu quang số có tốc độ cao qua cự li dài. Nhƣợc điểm này có thể khắc phục đƣợc trong sợi quang GRIN.
Trong sợi quang GRIN có d ng phân bố chiết suất lõi hình parabol, tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần do chiết suất của lõi thay đổi một cách liên tục đƣợc thể hiện ở hình 1.6.
Hình 1.6. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang GRIN
Do phân bố chiết suất giảm dần từ tâm ra biên nên đường truyền của các tia sáng trong sợi GRIN không đều nhau và vận tốc của các tia cũng thay đổi. Các tia truyền xa trục c đường truyền dài hơn và vận tốc lớn hơn vì chiết suất nhỏ hơn. Các tia tuyền gần trục c đường truyền ngắn hơn và vận tốc bé hơn. Vì vậy, tia sáng dọc theo trục sẽ c đường truyền ngắn nhất và tốc độ bé nhất vì chiết suất lớn nhất. Từ đ c thể khẳng định trong sợi GRIN, quang trình của các tia truyền theo các góc khác nhau gần bằng nhau, hay nói cách khác độ “tán sắc” của sợi GRIN nhỏ hơn khi so sánh với sợi STIN.
1.2.2.3. Phân bố theo mode lan truyền
Khi ánh sáng truyền trong sợi quang sẽ theo nhiều quang trình khác nhau. Tr ng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode. Như vậy, mode sóng là một tr ng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang.
Dựa vào số mode lan truyền thì sợi quang đƣợc chia làm hai nhóm: sợi quang đơn mode (SM-single mode) và sợi quang đa mode (MM-multi mode).
Hình 1.7. Truyền ánh sáng trong sợi SM, sợi MM STIN và sợi MM GRIN [3]
Sợi quang MM là sợi quang cho phép đồng thời nhiều mode truyền dẫn trong nó. Sợi quang MM đƣợc phân làm hai lo i: Sợi MM STIN và MM GRIN.
Sợi c k ch thước lõi chỉ cho phép một mode s ng cơ bản truyền qua gọi là SM.
Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều là các sợi thủy tinh nên dựa trên sự kết hợp giữa hai yếu tố mặt cắt chiết suất và số lƣợng mode có thể
phân sợi quang thành ba lo i chính: 1) Sợi MM STIN, 2) Sợi MM GRIN và 3) Sợi SM (hình 1.7).
1.2.2.4. Phân loại theo cấu trúc đặc bi t
Sợi quang thường gồm có 2 hình trụ thuỷ tinh đồng tâm với chiết suất khác nhau. Nếu nhƣ chiết suất của lõi bên trong cao hơn bên ngoài, thì sự dẫn xảy ra thông qua phản x nội toàn phần (TIR) t i ở biên tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ. Trong phần lớn sợi thông thường, khác biệt trong chiết suất giữa lõi và vỏ là khá nhỏ (0,1%), và nhiều đặc trƣng lan truyền khác có thể dễ dàng đƣợc phân tích [44].
Sợi PCF là sợi vi cấu trúc có lớp vỏ có cấu trục m ng tinh thể nhờ các lỗ khí (hoặc chất lỏng dẫn nhập) ch y dọc theo chiều dài sợi bao quanh vùng lõi - là vùng lõi (defected region) của m ng. Nhƣ đã trình bày ở trên, sự sắp xếp cấu trúc của các lỗ trong một sợi PCF sẽ xác định đặc tính dẫn sáng trong sợi.
Khả năng thay đổi đặc trƣng truyền dẫn bằng cách thêm vào cấu trúc siêu nhỏ trong thành phần chiết suất của sợi quang đƣợc gợi ý vào những năm 1970 nhƣng chỉ sau công trình kinh điển của Russel và cộng sự năm 1996 [45] cách chế t o những sợi này mới trở nên thông dụng.
Tuỳ thuộc vào d ng hình học đặc trƣng của PCF, lan truyền ánh sáng có thể xảy ra theo một trong hai cách. Lo i thứ nhất gọi là PCF - hollow core (HC - PCF), sợi có một lõi rỗng ở tâm của cấu trúc. Ở lo i này, lan truyền quang học qua vùng cấm có thể xảy ra, và các HC - PCF này thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Triển vọng của nó trong truyền phát không hao tổn và không méo, bẫy h t, cảm ứng quang học và cho những ứng dụng mới trong quang học phi tuyến [47 - 49], ví dụ nhƣ phát x Raman cƣỡng bức kết hợp trong HC - PCF chứa khí H2 [55].
Lo i thứ hai, PCFs có lõi rắn ở tâm của cấu trúc, vì thế sợi cấu thành từ vùng có thuỷ tinh rắn bao quanh bởi một mảng các lỗ trống ch y dọc theo chiều dài của nó (hình 1.2 b). Ở trong lo i PCFs này, chiết suất hiệu dụng ở vùng trung tâm của chúng cao hơn vùng lỗ trống bao quanh (thường được nhắc đến nhƣ là lớp vỏ tinh thể quang tử) và sự truyền dẫn xảy ra thông qua phản x toàn phần [48].
Hình 1.8. Phân lo i các lo i sợi tinh thể quang tử theo cấu trúc
Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu và sản xuất ra các lo i sợi quang tinh thể có chiều dài lớn, suy hao rất thấp. Sự đa d ng trong việc thay đổi cấu trúc m ng (tam giác - suspended, tứ giác, bát giác,…), thay đổi các chất dẫn nhập trong các lỗ, và thay đổi thông số m ng như k ch thước các lỗ, khoảng cách giữa các lỗ (pitch)… đã đƣợc nghiên cứu mang l i cho sợi PCF những tính chất độc đáo và hữu ích mà sợi quang thông thường không có
đƣợc và đ ng g p rất lớn cho sự phát triển của ngành thông tin quang sợi trên toàn thế giới. Hai lo i sợi trên còn đƣợc chia thành các lo i chi tiết hơn dựa vào cấu trúc và đặc tính lan truyền đặc tính lan truyền đặc trƣng của chúng nhƣ trong hình 1.8.
Ngoài các cách phân lo i cơ bản trên, dựa vào mục đ ch và t nh năng sử dụng sợi quang còn có nhiều cách phân lo i khác. Nếu dựa vào đặc tính truyền dẫn thì còn có các lo i: sợi dịch tán sắc, bù tán sắc, sợi duy trì phân cực, sợi phi tuyến...