( Phẩn thực hành )
BÀI 1
SỢI QUANG
MỤC ĐÍCH : - Quan sát dạng hình học sợi quang, đặc tính cơ lý và đo sô mở (NA) của sợi quang
- Bài tập thực hiện trong 03 tiết
1 .1 H ìn h d á n g s ợ i q u a n g
Sợi quang được minh hoạ như trong hình 1.1. Nó bao gồm một lõi, với chỉ số phản xạ ncore mặt cắt tròn, đối xứng với bán kính a, đường kính 2 a và vỏ bao bộc xung quanh lõi có chí sô phản xạ ncl và có đìfng kính vòng ngoài d Đường kính lõi của cáp sợi quang dùng đẻ truyền tin với loại đơn mode nói chung nằm trong dải từ 4f.im - 8|im ( lịim = 10 f,m ) còn với loại cáp đa mode, đường
kính lõi trong khoảng 50f.im - 100(.im. Đường kính lõi của cáp sợi quang dùng để truyền năng lượng có kích thước lõi từ 200|am - 1000f.im. Đường kính ngoài của vổ của cáp sợi quang dùng để truyền tin nói chung nằm trong dải từ 125|.im - 240ị.im. có một số loại cáp đơn mode có kích thước vỏ 80|.im. c ả vổ lẫn lõi đề được chế tạo từ thuý tinh Silica mà lõi được pha tạp thêm vào để nâng chỉ số phản xạ của lõi. Có một vài loại cáp chất lượng thấp thì vỏ được bao bọc bởi loại nhựa hoặc có cáp hoàn toàn nhụte. các cáp này có hệ số suy hao rất lớn và chí được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ dài sợi quang ngắn.
Bao quanh sợi quang là lớp áo bảo vệ. Lớp áo này có thế làm bằng nhựa và có đường kính ngoài từ 500fim tới 1000(.im. Có một số lớp áo sử dụng là một lớp rất mỏng vật liệu varnish hoặc vật liệu acrylate.
* CtoOdiftg
Hinh 1.1 : Cờu trúc sợi quang
1 . 2 Đ ặ c t í n h c ơ h ọ c c ủ a s ợ i q u a n g
Trước khi đo chỉ sô NA của sợi quang thì cần phải chuẩn bị các đầu của sợi quang sao cho ánh sáng có thể ghép một cách có hiệu quả lối vào/ra của sợi quang. Điều này được làm bằng cách dùng kĩ thuật vạch-bé đế chẻ sợi quang. Một lưỡi dao kim cương được dùng đê khới đầu làm nứt sợi quang như minh hoạ trong hình 1.2. Nhờ đặt kéo giữ sợi quang khi ấn lưỡi dao gây ra một vết nứt xuyên qua sợi cáp và chẻ cắt ngang sợi quang vuông góc với trục sợi quang.
Vể mặt lý thuyết, sức bẻ sợi
3 4 5 MPa tương đương một tải trọng 1 Pound cho cáp sợi quang đường kính 125 |am loại OD. Khi một vết nứt của sợi quang xuất hiện, điền này làm giảm các đặc tính cơ học của các vùng lân cận.
quang có thể là rất lớn, có khi lên tới 725kpsi (lk p si = 1000
pound/sp.inch) hoặc 5Gpa
(lP a = lN e w to n /sq . m e te r). Tuy nhiên do sự không đồng nhất và sự khuyết tật của sợi mà giá trị này thay đổi. Sợi quang sẽ được đo kiểm chứng cho giá trị gọi là: Proof-test. Giá trị thương mại cơ học của sợi quang thường là 5 0 kpsi bằng
Pull
Hinh 1.2 : Cách cắt sợi quang
Sợi quang đòi hỏi chịu được sức kéo cao. Sự bẻ gãy sợi quang thường xảy ra tại những điểm tại đó, sợi quang bị uốn cong. Với nhĩíng sợi quang có bán kính d /2 Khi uốn cong với bán kính R như chí ra trong hinh 1.3. Sức căng trên sợi quang làm dài ra bể mặt sợi (R+d/2)0 - RO, được chia bởi độ dài của cung R0. Sức căng bằng d /2 R . Các cáp sợi quang đường kính 125 um có khả năng cho phép uốn cong với bán kính 1.25 cm
Hinh 1.3 : Bàn kinh uốn cong sợi quang
Biểu thức chi tiết cho NA của một sợi quang được trình bây trong phần (0.2 .3 ). Nhắc lại biểu thức chi tiết (0.9), sô NA của sợi qucing khi xấp xí dẫn yếu cho
N A = n core * ( 2 A ) 1/2 (1.1)
Trong đó ncore là chiết suất của lõi cáp sợi quang chỉ sô nhay bậc hoặc là chiết suất tại tâm lõi cáp của cáp sợi quang chiết suất gradient.
A=( ncore- nd )/ncore
V í dụ với một cáp sợi quang truyền tin đa mode có thể có A=0 .0 1 . Với nhCfng cáp có độ dẫn yếu A « 1
Với những cáp Silica, ncore = 1.46 do vậy theo biểu thức (1.1) thì N A = 0.2. Điều này cho gói tới tối đa 11.5" và góc nón tổng cộng là 23°. Giá trị NA nằm trong dải 0.1 cho cáp đơn mode, 0 .2 -0 .3 cho cáp đa mode và có thể tới 0 .5 cáp lõi lớn. Cách đucỉ ánh sáng vào trong sợi quang được mô tả trong hình 1.4. ánh sáng từ laser trình diễn dạng sóng lan truyền theo trục z, độ rộng cúa chùm laser cỡ lm m lớn hơn nhiều so với đường kính lõi cáp (ví dụ 100|.tm). Tại nhCfng vùng lân cận của lỏi cáp sợi quang, sóng từ ánh sáng laser có cùng giá trị với tất cả những điếm có cùng phương z vì thế chúng ta có thể nói rằng “mặt phầng truyền sóng song song với trục z Khi mặt phẳng sóng tới đầu của sợi quang thi chúng ta có thể tin rằng tất cả chúng có cùng góc tới 0C. Nếu đầu mặt
của sợi quang dược quay quanh điểm o thì chúng ta có thể đo tống sô ấnh sáng được đưa vào trong cáp như một hàm của 0
Hình bên cho ta hình ảnh sự phụ thuộc của công suất sáng nhận được bởi cáp sợi quang theo góc 0. Chú ý rằng hình 1.5 cho mức bức xạ nhận được khi quay sợi quang cả 2 chiều dương và âm nhưng NA được xác định khi dùng một nửa của trục góc tới
Hình 1.5 : Trường công suất theo góc mỏ
1 . 3 T h ự c h à n h • C ác thiết bị
- Cáp sợi quang 100/140m m 50met - Laser He_N e lm w
- Bộ gá, kẹp
- Máy đo công suất quang - Dao cắt sợi quang
- Hoá chất ( Methylene chloride .. ) - Kính hiển vi
■ Thực hành
A) Chuan bị đầu sợi quang
+ Lấy 2m sợi quang, tuốt vỏ áo bằng cách nhúng đầu sợi vào trong Methylene chloride (1 - 1/2 inch) rồi ngâm nó trong nước khoảng 3 phút (Có thể dùng lưỡi dao cạo tuốt vỏ áo . . .)
+ Dùng dao cắt sợi quang cắt đầu sợi.
+ Kiểm tra cẩn thận chất lượng của vết cắt bằng kính hiến vi. Đầu mặt vết cắt phắng. không lỗi như hình, tuy nhiên có thê cõ một vài vết nửt hoặc không phẳng.
+ Kiểm tra đầu mặt cáp ờ bước trên để xác định nguyên nhân cắt không đạt yêu cầu. Có thể có 1 vài nguyên nhân lỗi sau: Vết ké không sâu (do dao không sắc .. ). Cáp không đồng dạng, giữ cáp không chặt ...
+ Khi có một đoạn cáp sợi quang với 2 đầu được cắt đúng yêu cầu thực hiện bước tiếp theo.
B) Đo sô mở
+ Lắp đoạn sợi quang với 2 đầu được chuấn bị tốt ớ bước trên lắp vào bộ gá có thê quay được sao cho chùm tia laser He-Ne chiếu vào tâm đầu này của cáp trên bộ gá. Đầu kia của sợi quang đưa vào bộ đo công suất quang (Chú ý sử dụng bộ suy hao nếu cần).
+ Đo công suất quang được đưci vào cáp sợi quang theo góc tới của mặt phang truyền sóng chùm tia laser.
+ Vẽ đường cong công suất theo góc tới theo cả hai chiều. C) Nối sợi quang:
+ Lấy 02 đoạn sợi quang được chuẩn bị. dùng máy cắt sợi quang đế cắt gọt sợi quang chuẩn bị tạo mối hàn.
+ Kiểm tra mối cắt sao cho phẩng. vuông góc bằng kính hiển vi. + Dùng máy hàn quang sợi để nối 02 đoạn sợi trên.
(Các công đoạn trên c ó th ể dược thực hiện đồng thời trên máụ hàn sợi quang tự dộng)
+ Kiểm tra tính chất cơ lý của đoạn có mối hàn, so sánh với đoạn không có mối hàn.
BÀI 2