CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 1. Cấu tạo sợi quang Cấu tạo của sợi quang dạng đồng trục được trình bày trên hình 1.1, trong đó, gồm lõi sợi quang (Core), lớp vỏ sợi quang (Cladding) và vỏ bảo vệ (lớp phủ- Buffer coating).1: Cấu tạo của sợi quang Sợi quang giống như một dây dẫn hình trụ trong suốt có tác dụng lan truyền ánh sáng từ đầu này của sợi quang đến đầu kia nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần giữa lõi sợi và lớp bọc của nó. Thông thường, sợi quang có ba lớp, lớp trong cùng là lõi sợi hình trụ được làm bằng vật liệu thủy tinh hoặc nhựa có chiết suất n1 có độ suy hao nhỏ.
Bao quanh lõi là lớp vỏ để phản xạ ánh sáng. Lớp vỏ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n 2< n1 giúp ánh sáng phản xạ trở lại lõi. Lớp vỏ có thể là thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài, sợi quang còn được đặt thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệ để tránh tác động cơ học bên ngoài và môi trường.
Phân loại sợi quang Chúng ta thấy có rất nhiều loại sợi quang, nó có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau.Dưới đây là 2 cách phân loại chính. Phân loại theo phương pháp truyền sóng Theo phương pháp truyền sóng, sợi quang được chia thành hai loại chính, sợi đơn mode SM (single mode) và sợi đa mode MM (multi mode). Sợi đơn 3 mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó. Sợi đa mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó.
Các sợi đơn mode đều là những sợi có đường kính rất nhỏ vì điều kiện đơn mode của sợi quang là sợi phải có đường kính nhỏ hơn một giá trị xác định (tương ứng với bước sóng cắt), nếu bước sóng truyền vào nhỏ hơn đường kính thì không còn là sợi đơn mode. Phân loại theo chỉ số chiết suất Theo sự biến đổi chỉ số chiết suất sợi quang phân thành hai loại: - Sợi có chiết suất nhảy bậc ( SI-step index): là loại sợi có chiết suất biến đổi từ lõi ra đến vỏ theo những bậc thang xác định. Các tia sáng truyền trong lõi đều có vận tốc như nhau nhưng chiều dài đường truyền khác nhau dẫn đên thời gian truyền khác nhau. Kết quả làm cho xung ánh sáng ở đầu ra rộng hơn xung đầu vào.
- Sợi có chiết suất biến đổi đều (GI-Grade index): Là sợi có chiết suất biến đổi giảm dần từ vỏ vào lõi. Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol. Tia sáng truyền trong sợi này bị uốn cong dần do chiết suất lõi thay đổi liên tục. Một số ứng dụng của sợi quang Sự ra đời của sợi quang đã đem đến nhiều ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ và đời sống.
- Trong lĩnh vực thông tin truyền thông. Sợi quang với ưu điểm về băng thông rộng so với cáp đồng, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ , mất sự suy giảm do khoảng cách dài,Vì vậy sợi cáp quang được sử dụng thay thế cáp đồng trong thông tin liên lạc. Đây là phương tiện viễn thông hữu tuyến cung cấp khả năng truyền dẫn lớn hơn trên khoảng cách xa với chi phí tương đối thấp và độ tin cậy cao[2]. Cụ thể, cáp quang đơn mode hiện đang được sử dụng để triển khai hầu hết cáp quang đến nhà, các tòa nhà, cáp quang tới lề đường và cáp quang cho cơ sở hạ tầng viễn thông taxi cung cấp phần lớn các dịch vụ truyền thông băng rộng có dây hiện nay trên toàn thế giới.2: Hình ảnh sợi cáp quang - Sợi quang cũng thường được sử dụng cho các kết nối ngắn khoảng cách giữa các thiết bị.
Chẳng hạn ở các TV độ nét cao được cung cấp một kết nối quang âm thanh kĩ thuật số cho phép truyền tải âm thanh trên ánh sáng. - Được ứng dụng làm các sợi cảm biến lắp đặt các “hàng rào thông minh” quanh sân bay hay khu vực quân sự. - Sợi quang còn được sử dụng trong máy quang phổ để phân tích thành phần nguồn sáng. - Khi sợi quang được pha tạp phù hợp thì nó còn được sử dụng như là phương tiện tăng cường tia laser hoặc khuếch đại quang.
- Đặc biệt sợi cáp quang còn được sử dụng trong y học như phương pháp nội soi. Loại cáp này gồm các sợi quang có kích thước rất nhỏ. - Ngoài ra sợi quang còn được sử dụng làm các bóng đèn trang trí hay bóng đèn ngủ.3: Sợi quang dùng làm bóng đèn trang trí 1. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang được dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi trường có chiết suất hơn sang môi trường có chiết suất kém.
Để hiểu rõ về sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản của ánh sáng là định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng. Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Phản xạ là hiện tượng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trường ban đầu khi gặp bề mặt phản xạ.Chẳng han: Một tia sáng truyền từ môi trường thứ nhất có chiết suất n1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 (n1> n2) Hình 1.4: Mô tả đường đi tia sáng trong hiện tượng khúc xạ và phản xạ 6 Tia sáng tới mặt phân cách của hai môi trường thì một phần bị phản xạ trở lại môi trường tia tới, một phần bị khúc xạ theo các góc và các tia biểu diễn ở hình 1.4 Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ bằng góc tới: θ = β. Mặt khác, tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ Snell của ánh sáng: n1.
Nếu tăng góc tới θ thì góc khúc xạ tăng theo tới một giá trị nào đó mà góc tới θ = θ0 thì góc khúc xạ α = 900. Khi đó, tia khúc xạ song song với mặt mặt phân cách hai môi trường. Lúc này θ0 là giá trị tới hạn của góc tới (gọi là góc tới hạnphản xạ toàn phần). Lúc này không còn tia khúc xạ nữa.
Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Góc tới hạn sin 0 = n2 , hay: n1 n 0 = acr sin 2 (1.1) n1 Như chúng ta đã biết, điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần đó là: - Chiết suất n1 > n2. - Góc tới của tia sáng phải đảm bảo lớn hơn góc tới hạn. Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để lan truyền ánh sáng trong sợi quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin được truyền đi từ đầu này tới đầu kia.
Để ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần như trên, sợi quang được chế tạo gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiết suất n2, với n1 > n2. Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trên mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ (hình 1. Do đó, ánh sáng có thể truyền được trong sợi dọc theo cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn.5: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang Góc tới giới hạn giữa lõi và vỏ sợi quang là θo, do vậy, góc tiếp nhận ánh sáng tới hạn θio sẽ thỏa mãn điều kiện: no. cosθo n22 n0 sin i 0 = n1 1 − sin 2 0 = n1 1 − 2 = n12 − n22 = NA (1.2) n1 Do chiết suất không khí là n0 = 1.
Nên: NA = sin io = n12 − n22 (1.3) NA được gọi là khẩu độ số của sợi quang, θio là góc tiếp nhận ánh sáng cực đại, nó sẽ tạo ra một hình nón, trong đó, các tia sáng đi vào tiết diện của sợi quang với góc θi >θio nằm ngoài hình nó sẽ không lan truyền trong sợi quang mà đi ra ngoài vỏ sợi quang. Do vậy, chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và lớp vỏ.Lúcnày, tia sáng đi theo đường dích dắc. Nếu gọi ∆ là độ lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp vỏ thì: = n1 − n2 n1 Trên thực tế n1n2, do đó: n 12 - n 22 NA = n - n = n1 2 1 2 2 2 » n 1. Một số tính chất sợi quang [1] 1.
Tán sắc trong sợi quang 8 Khi một xung sáng ngắn sau khi đi qua một sợi quang sẽ xuất hiện hiện tượng bị dãn rộng hay mở rộng xung sáng ở đầu ra. Khi đó,các xung lân cận sẽ mở rộng và chồng lấn lên nhau dẫn đến việc không phân biệt được các xung với nhau nữa. Nó sẽ được gọi là hiện tượng méo tín hiệu khi lan truyền trong sợi quang. Hiện tượng mở rộng xung sáng này chính là do sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang.
Sự tán sắc trong sợi quang sẽ làm hạn chế cự ly truyền dẫn cũng như tốc độ truyền dẫn của của ánh sáng trong sợi. Ta nhớ lại rằng tán sắc là hiện tượng chiết suất n của môi trường phụ thuộc vào bước sóng hay tần số của ánh sáng tới. Điều đó cũng có nghĩa là với các bước sóng hay tần số khác nhau thì ánh sáng sẽ có tốc độ là khác nhau trong sợi quang. Có năm loại tán sắc trong sợi quang đó là: - Tán sắc mode (mode dispersion) - Tán sắc vật liệu (material dispersion) - Tán sắc dẫn sóng (wave-guide dispersion) - Tán sắc phi tuyến (Higher - order - Dispersion) - Tán sắc mode phân cực (Polarization - mode dispersion) 1.
Tán sắc mode Tán sắc mode xảy ra trong sợi quang đa mode do sự khác nhau về tốc độ nhóm của những mode. Nó không có trong sợi đơn mode, chỉ có ở sợi đa mode. Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là vào đường kính lõi sợi. Nguyên nhân gây tán sắc mode trong sợi đa mode là do các thành phần sóng sáng trong xung sáng lan truyền theo các đường đi khác nhau nên có sự chênh lệch về thời gian truyền và gây ra sự mở rộng xung sáng, làm méo xung sáng.
Thời gian lệch giữa các tia sáng truyền nhanh nhất và chậm nhất là: L(n1 − n2 ) t = (1.