Bài giảng Sợi quang: Tổng hợp kiến thức đầy đủ nhất

NỘI DUNG

1. CẤU TẠO SỢI QUANG

2. CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ SỰ TRUYỀN SÓNG TRONG SỢI

QUANG

3. CÁC MODE DẪN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG

4. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỢI QUANG

5. PHÂN LOẠI SỢI QUANG

6. MẤT MÁT TRONG SỢI QUANG

7. ĐỘ TÁN SẮC

8. HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG SỢI QUANG:

GIỚI THIỆU

Từ những năm 60 của thế kỷ 20

Laser xuất hiện, vấn đề đặt ra là truyền và xử lý thông tin không phải bằng dòng điện hay sóng điện từ vô tuyến mà bằng tia sáng

Kao và Hock-ham bắt đầu nghiên cứu truyền thông tin

Năm 1966 bằng chùm Laser trong sợi thuỷ tinh.

dây điện bằng kim loại hay sóng vô tuyến

Cuối thập kỷ 70 được thay thế bằng sợi quang hay linh kiện dẫn sóng quang

sợi quang đã được dùng rộng rãi thay cho dây kim

Ngày nay loại trong viễn thông bởi nhiều ưu điểm nổi bật của nó.

Ưu điểm của truyền thông tin bằng sợi quang:

- Tránh được sự giao thoa của sóng điện từ - Tránh sự chập mạch hay nối đất - An toàn trong truyền tin, tránh bị nghe trộm - Tổn hao nhỏ - Truyền thông tin tốt - Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ - Vật liệu rẻ, dồi dào

Tốc độ thông tin có thể truyền đi phụ thuộc trực tiếp vào tần số của tín hiệu.

Aùnh sáng có tần số f ~ 1014 -> 1015 Hz lớn hơn nhiều so với tần số song vô tuyến f ~ 106 Hz => Aùnh sáng truyền lượng thông tin nhiều hơn

Thông tin được chuyển thành xung ánh sáng, xung này truyền đến một khoảng cách nào đó nhờ sợi quang, sau đó được giải mã trở lại thông tin ban đầu.

Fiber Optics

• Internal reflection is the basis of fiber optics.

Total internal reflection

for important Very modern data transfer and systems communication  phones!

Optical fiber communication system

Decoder

Electrical/optical converter

Electric signal

Optical/electrical converter

Fiber

Encoder

Repeater

“One”

Digital encoding scheme for optical communications

“Zero”

High-power pulse  “one”

Low-power pulse  “zero”

Step-index Fiber

Step in the refractive index

Disadvantage: Pulse broadening

Out

y t i s n e t n I

Time

Graded-index fiber

Pulse broadening is not so severe

Intensity remains almost constant

Out

Refractive index vary parabolically across the cross-section

Time

Graded-index Fiber, cont.

In the graded-index fiber, light rays traverse longer path lengths that through the outer periphery of the core travel faster in this lower index the material  all rays arrive at same time at the output  almost no pulse broadening!

Fibers, Summary

• Step-index optical fibers are used for

“cheap” short-range applications

• Graded-index fibers are used for long-range high-quality data transfer

2. CẤU TẠO SỢI QUANG

y

Gồm hai phần chính:

Cladding

lõi (core) lớp vỏ (cladding)

z

Fiber axis

r

Core

Skew ray

2 3

Primary Buffer

Strength Member

Fiber axis

Outer Jacket

Coating

Fiber Element (Core and Cladding)

Lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn lớp lõi

2 2

n n

O O

O' O'

O'' O''

n1 n1

3 3 2 2 1 1 2 2 3 3

n2 n2

Sợi quang liên tục ( graded index) Chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra ngoài

n2 n2

n1 n1

n n

3 3 2 2 1 1

O O

x e d n i - p e t s

e d o m e l g n i s

Sợi quang chiết suất từng bậc (step – index) Chiết suất lõi không đổi

Tùy thuộc vào khả năng truyền tải thông tin trong lõi mà ta có :

Trong sợi quang đa mode, có rất nhiều mode (hoặc nhiều tia) được truyền tải Ngược lại, trong sợi quang đơn mode, chỉ có một mode được truyền tải trong lõi

“mode” can be thought of as a ray of light (1)

Sợi quang đa mode :

Được phát triển đầu tiên và được dùng rộng rãi trong nhiều hệ thống truyền tải thông tin

Lõi của nó rất lớn, có thể truyền tải hàng trăm tia từ nguồn sáng đi vào lõi với các góc tới khác nhau

Sợi quang đơn mode :

Có lõi rất nhỏ, chỉ cho phép những chùm rất hẹp từ nguồn sáng đơn sắc với đôï tán sắc của xung rất nhỏ

(1). FIBER OPTIONS, INC. / 80 Orville Drive / Bohemia / New York / 11746-2533

3. CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG

1. Để ánh sáng được dẫn đi trong sợi quang, nó phải thỏa điều kiện phản xạ toàn phần bên trong

Transmitted (refracted) light k

Evanescent wave

 t

n 2 n 1 > n2

 i

 c

k

 i

i> 

Incident light

Reflected light

sin



c TIR  C

Góc tới tăng đến khi góc khúc xạ bằng 900 ta gọi là góc tới hạn

n n

Nếu góc tới tiếp tục tăng vượt qua giá trị của góc tới hạn, lúc đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần

2. Điều kiện giao thoa

n2 A



2p/2

p2

B y



Hai sóng tuỳ ý 1 và 2 cùng pha ban đầu, nếu không nó sẽ triệt tiêu nhau.

1 E 2a z k1 C A n1 x 1 2

B n2

n2

ay



p2

Sự giao thoa của 2 sóng 1 và 2 sẽ tạo nên thành phần sóng đứng theo phương y với hướng truyền z

A

2 Guide center

4. CÁC MODE DẪN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG

Mode quang học cách phân bố theo không gian của năng lượng quang trong một hay nhiều chiều tọa độ

Về mặt toán học, mode là điện trường thỏa mãn các phương trình Maxwell với những điều kiện nhất định

y Field of evanescent wave (exponential decay)

n1

E (y,z,t ) = E(y)cos(t–z)

Field of guided wave

E(y)

Core

m = 0

E

Cladding

Light n2 n3

E01

The electric field distribution of the mode in the transverse plane to the fiber axis z

Xét trường hợp cụ thể : tia sáng lan truyền trong một linh kiện dẫn sóng 3 lớp

Là linh kiện dẫn sóng được giới hạn bởi các mặt phân cách phẳng, song song, vuông góc với trục x. Lớp 1 và 3 là bán vô hạn theo trục x, lớp 2 bề dày dx . Cả ba lớp đều vô hạn theo trục y,z

n2 > n3 > n1

Light

Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng :

exp(

)

 E



 E



zi

 )( r

),( yx

lan soá truyeàn

: heä 

Một mode lan truyền theo trục z với hệ số lan truyền  và theo trục x là h, có thể biểu diễn bằng một sóng bản phẳng truyền theo phương làm một góc  với trục z có hệ số lan truyền là kn2 như mô hình sau :



kn2



2  



2 nk

2 2

, h, kn2 đều là các hệ số lan truyền theo các phương khác nhau



 E



 E







 ),( tr

),( tr 2

 t

Phương trình truyền sóng Maxwell (1)

 i t

 E



(

)

Đối với những sóng phẳng đơn sắc, lời gải pt trên có dạng :

;

soá

soùng

 E





22 nk

 E



 )( r

(

)

 zi

Thay vào pt trên, ta có : (2)

 c  E

 E



 )( r

),( yx

 E



 E



Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng :

[

]



22 nk



2 



 E

),( yx

),( yx 2

x 

y 

Thay vào (2) :

Trường hợp đây là sóng ngang, bản phẳng truyền theo trục z, nên ta có thể gải thuyết :

Ex = 0 và Ez = 0

Thêm vào đó, Ey không phụ thuộc vào y và z, vì theo các trục đó các lớp vật liệu là vô hạn nên không có sự phản xạ, không tạo thành sóng đứng.

Vậy sóng truyền trong linh kiện dẫn sóng 3 lớp trên là :

2  



2 nk



2 nk



2 

( Sin

) hx

2 2

)( xE y

2 2

 Sin  

  

, h, kn2 đều là các hệ số lan truyền theo các phương khác nhau

Có 3 loại mode có thể có trong quá trình truyền sóng trong linh kiện dẫn sóng 3 lớp :

1. Mode bức xa (a)ï: chỉ xảy ra hiện tượng khúc xạ khi gặp 2 mặt phân

cách Không có lợi trong việc truyền tín hiệu

2. Mode đế (b):

Giảm theo hàm mũ khi ra ngoài và tồn tại dạng hàm sin trong đế

Không có lợi trong việc

truyền tín hiệu

3. Mode truyền dẫn (c)

ĐIỀU KIỆN DUY TRÌ MODE TRONG LINH KIỆN DẪN SÓNG

1. Thỏa điều kiện phản xạ toàn phần :



;



sin sin

n n

 1  2

n 2 n 1

 2  3

Định luật Snell :

3 là góc tới. Từ điều kiện phản xạ toàn phần, ta có thể tìm điều kiện của hệ số dẫn truyền để duy trì mode dẫn truyền Khi 3 nhỏ, tia sáng sẽ đi xuyên qua cả hai mặt phân cách, chỉ xảy ra hiện tượng khúc xạ ở các mặt phân cách đó

Trường hợp này ứng với mode bức xạ (radiation mode)

sin



 2

<<



kn 1

 kn

n 1 n

 kn 2

nên

sin

sin(

)



>



 1 1

 2

n 1 n

Khi 3 tăng lên để cho 2 đạt đến góc tới hạn của hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong ở mặt phân cách n2 _ n1

Tia sáng bị nhốt lại một phần, ứng với mode đế (substrate mode)

sin





  2

kn 1

 kn

n 1 n

 kn 2

Mà nên

Khi 3 tiếp tục tăng lên để cho 2 đạt đến góc tới hạn của hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong ở mặt phân cách n2 _ n3

Tia sáng bị nhốt lại hoàn toàn ứng với mode truyền dẫn (guided mode)





kn 3

n 3 n

 kn 2

ar sin( ) n n

Kết luận :

: mode bức xạ : mode đế : mode truyền dẫn

 < kn1 kn1   kn3 kn3  

2. Điều kiện biên:

Aùnh sáng lan truyền liên tục phản xạ toàn phần tại mặt biên của lõi Cho nên cường độ điện trường tại mặt biên phải bằng 0 do giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ

Đây là điều kiện biên của hiện tượng truyền dẫn sóng trong sợi quang

Như vậy muốn truyền thông tin trong sợi quang, phải thỏa :

1. Điều kiện phản xạ toàn phần 2. Điều kiện giao thoa 3. Điều kiện biên

Tính chất cần thiết phải có của sợi quang:

Sợi quang phải có độ tổn hao thấp Phải có tính chất cơ học thích hợp, có độ bền, độ chịu mỏi do rung động cao Phải có tính lão hóa thấp, có thể sử dụng ổn định trong vài chục năm

5. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỢI QUANG

Khi mô tả sợi quang, chúng ta xem sợi quang được cấu tạo từ hai phần : lõi và vỏ

Trong công nghệ chế tạo và về mặt vật liệu thì hai phần đó được chế tạo đồng thời

và liên tục về mặt vật liệu

Sự khác nhau về chiết suất trong hai phần đó được thực hiện bằng cách thay đổi nồng độ phụ gia

Công nghệ chế tạo sợi quang được chia làm hai giai đoạn : giai đoạn chế tạo phôi (perform) và giai đoạn kéo sợi

Giai đoạn chế tạo phôi bằng phương pháp CVD :

dòng khí mang H2 thổi qua các bình đựng SiCl4 và GeCl4 để tạo dòng hơi Dòng hơi hỗn hợp này được khống chế và điều chỉnh được thổi qua một ống thạch anh Các hạt SiCl4 pha tạp GeO2 ngưng tụ lên thành ống làm cho thành ống dày lên dần Ta có một phôi với sự phân bố chiết suất cần theo thiết kế

Giai đoạn kéo sợi

Từ các thỏi phôi người ta kéo ra các sợi quang có phân bố chiết suất theo thiết kế trước Sợi quang được kéo xuống phía dưới được bọc lớp bảo vệ polime (jacket)

Vapors: SiCl 4 + GeCl4 + O 2 Fuel: H 2

Burner

Deposited soot

Target rod

Rotate mandrel

Deposited Ge doped SiO 2

(a)

Drying gases

Porous soot preform with hole

Furnace

Preform

Furnace

chế tạo phôi

kéo sợi

(b)

(c)

Drawn fiber

Clear solid glass preform

TỔN HAO TRONG SỢI QUANG

Có 4 nguyên nhân gây ra mất mát chính khi dẫn truyền sóng trong sơi quang:

1. Do tán xạ (Scattering)ï: 2. Do hấp thụ (Absorption)ï 3. Tại những chỗ cong kích thước rất nhỏ (Microbend Loss)û 4. Tại những chỗ cong kích thước lớn (Macrobend Loss)û

after Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics, (Prentice- Hall, 1999)

n o i t a u n e t t a r e b i f

wavelength

Absorption

• Absorption is caused by three different mechanisms: 1- Impurities in fiber material: from transition metal ions (must

be in order of ppb) & particularly from OH ions with absorption peaks at wavelengths 2700 nm, 400 nm, 950 nm & 725nm.

2- Intrinsic absorption (fundamental lower limit): electronic

absorption band (UV region) & atomic bond vibration band (IR region) in basic SiO2.

3- Radiation defects

A solid with ions

Light direction k

Hấp thụ do mạng tinh thể Sóng dao động khiến ion mạng dao động tạo nên một sóng cơ học trong tinh thể Vì vậy năng lượng sẽ bị mất, cung cấp cho dao độâng mạng

SCATTERING

Incident wave

Through wave

Scattered waves

The field forces dipole oscillations in the particle (by polarizing it) which leads to the emission of EM waves in "many" directions so that a portion of the light energy is directed away from the incident beam.

Absorption & scattering losses in fibers

Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

Bending Loss (Macrobending & Microbending)

• Macrobending Loss:

than fiber

radius of the the loss

Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

The curvature of the bend is much larger diameter. Lightwave suffers sever loss due to radiation of the evanescent field in the cladding region. As curvature the decreases, increases exponentially until it reaches at a certain critical radius. For any than this radius a bit smaller point, suddenly losses the becomes extremely large. Higher order modes radiate away faster than lower order modes.

Microbending Loss

• Microbending Loss:

Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

microscopic bends of the fiber axis that can arise when the fibers are incorporated into cables. The power is dissipated through the microbended fiber, because of the repetitive coupling of energy between guided modes & the leaky or radiation modes in the fiber.

Field distribution

Macrobending

Escaping wave

Cladding

< 

Core

 



 > c

Sharp bends change the local waveguide geometry that can lead to waves escaping. The zigzagging ray suddenly finds itself with an incidence angle  that gives rise to either a transmitted wave, or to a greater cladding penetration; the field reaches the outside medium and some light energy is lost.