Bài giảng Sợi quang (Bản hay)

1. CẤU TẠO SỢI QUANG 2. CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ SỰ TRUYỀN SÓNG TRONG SỢI QUANG 5. PHÂN LOẠI SỢI QUANG 7. ĐỘ TÁN SẮC 8. HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG SỢI QUANG: 4. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỢI QUANG NỘI DUNG 3. CÁC MODE DẪN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG 6. MẤT MÁT TRONG SỢI QUANG GIỚI THIỆU Kao và Hock-ham bắt đầu nghiên cứu truyền thông tin bằng chùm Laser trong sợi thuỷ tinh. sợi quang đã được dùng rộng rãi thay cho dây kim loại trong viễn thông bởi nhiều ưu điểm nổi bật của nó. 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 dây điện bằng kim loại hay sóng vô tuyến được thay thế bằng sợi quang hay linh kiện dẫn sóng quang Từ những năm 60 của thế kỷ 20 Năm 1966 Cuối thập kỷ 70 Ngày nay 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. 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 Fiber Optics • Internal reflection is the basis of fiber optics. Very important for modern data transfer and communication systems  phones! Total internal reflection Optical fiber communication system Encoder Electrical/optical converter Repeater Optical/electrical converter Decoder Fiber Digital encoding scheme for optical communications High-power pulse  “one” Low-power pulse  “zero” “One” “Zero” Electric signal Step-index Fiber In Out Time In te n si ty Disadvantage: Pulse broadening Step in the refractive index Graded-index fiber In Out Time Intensity remains almost constant Pulse broadening is not so severe Refractive index vary parabolically across the cross-section Graded-index Fiber, cont. In the graded-index fiber, light rays that traverse longer path lengths through the outer periphery of the core travel faster in this lower index material  all rays arrive at the 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 Strength Member Outer JacketCoating Primary Buffer Fiber Element (Core and Cladding) 2. CẤU TẠO SỢI QUANG Gồm hai phần chính: lõi (core) lớp vỏ (cladding) Lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn lớp lõi n y Cladding Core z y r f Fiber axis Skew ray Fiber axis 1 2 3 4 5 1 3 2 4 5 Sợi quang chiết suất từng bậc (step – index) Sợi quang liên tục ( graded index) n1 2 1 3 n n2 O O' O'' 2 2 3 n1 n2 2 1 3 n O Chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra ngoài Chiết suất lõi không đổi st ep -i nd ex si n gl em od e “mode” can be thought of as a ray of light (1) (1). FIBER OPTIONS, INC. / 80 Orville Drive / Bohemia / New York / 11746-2533 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 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 Tùy thuộc vào khả năng truyền tải thông tin trong lõi mà ta có : Sợi quang đa mode : 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 Góc tới tăng đến khi góc khúc xạ bằng 900 ta gọi là góc tới hạn Nếu góc tới tiếp tục tăng vượt qua giá trị của góc tới hạn, lúc đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần n 2  i n 1 > n 2  i Incident light  t Transmitted (refracted) light Reflected light k t  i > c  c TIR  c Evanescent wave k i k r 12 1 2 C n n n sin  n2 z a y A 1 2  A C k E x y ay Guide center 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 n2 n2 z2a y A 1 2 1 B  A B C p2 2p/2 k1 E x n1 Hai sóng tuỳ ý 1 và 2 cùng pha ban đầu, nếu không nó sẽ triệt tiêu nhau. 2. Điều kiện giao thoa 4. CÁC MODE DẪN TRUYỀN TRONG SỢI QUANG n1 Light n3 n2 y E(y) E (y,z,t ) = E(y)cos(t– z) m = 0 Field of evanescent wave (exponential decay) Field of guided wave E z E01 Core Cladding The electric field distribution of the mode in the transverse plane to the fiber axis z 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 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 Light n3 n1 Light Light Light x y z Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng : truyeàn lan soá heä: )exp(),()(  ziEE yxr    n2 > n3 > n1 n2 2 2 222 nkh   , h, kn2 đều là các hệ số lan truyền theo các phương khác nhau 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 Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng : )( ),()( zi yxr eEE    Phương trình truyền sóng Maxwell ti rtr eEE  )(),(   Đối với những sóng phẳng đơn sắc, lời gải pt trên có dạng : Thay vào pt trên, ta có : Thay vào (2) : soùng soá:;)()()( c kEnkE rrr   0222   (2) 2 2 2 t E E tr tr    ),( ),(     (1) 0222 2 2 2 2       ),( ),(),( ][ yx yxyx Enk y E x E    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 : )()( hxSinxnkSinxEy        222 2  22 222 nkh   , 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 : 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 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 3. Mode truyền dẫn (c) ĐIỀU KIỆN DUY TRÌ MODE TRONG LINH KIỆN DẪN SÓNG 2 3 3 2 1 2 2 1 sin sin ; sin sin n n n n      1. Thỏa điều kiện phản xạ toàn phần : 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 Định luật Snell : 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) 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 )sin(sinsin 2 1 2 2 1 21 1 n n ar n n th >  Tia sáng bị nhốt lại một phần, ứng với mode đế (substrate mode) Mà 2 2 kn   sin 1 2 1 2 kn n n kn    nên 2 222 kn th   < sin,sinsin 1 2 1 2 kn n n kn <<  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) )sin( 2 3 2 n n ar 3 2 3 2 kn n n kn    Kết luận :  < kn1 : mode bức xạ kn1   kn3 : mode đế kn3   : mode truyền dẫn 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 + O2 Rotate mandrel (a) Deposited soot Burner Fuel: H 2 Target rod Deposited Ge doped SiO 2 (b) Furnace Porous soot preform with hole Clear solid glass preform Drying gases (c) Furnace Drawn fiber Preform chế tạo phôi kéo sợi 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 fi be r at te nu at io n wavelength after Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics, (Prentice- Hall, 1999) 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 zA solid with ions Light direction k Ex 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 Scattered waves Incident wave Through wave 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. SCATTERING Absorption & scattering losses in fibers Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000 Bending Loss (Macrobending & Microbending) • Macrobending Loss: The curvature of the bend is much larger than fiber diameter. Lightwave suffers sever loss due to radiation of the evanescent field in the cladding region. As the radius of the curvature decreases, the loss increases exponentially until it reaches at a certain critical radius. For any radius a bit smaller than this point, the losses suddenly becomes extremely large. Higher order modes radiate away faster than lower order modes. Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000 Microbending Loss • Microbending Loss: 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. Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000 Escaping wave    <    > c  Macrobending R Cladding Core Field distribution 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. Attenuation and dispersion in optical fiber • Attenuation: reduction of light amplitude • Dispersion: deterioration of waveform