Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (349.35 KB, 17 trang ) Bạn đang đọc: Quang học ứng dụng – Sợi quang 1 – Tài liệu text SI QUANG HỌCTrang1I – GIỚI THIỆUNgày nay chúng ta biết sợi quang là tên gọi của những dây làm bằng thủytinh sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền thông tin đi với tốc độánh sáng. Có ý kiến cho rằng, ánh sánh có the å truyền đi theo dây thủy tinhthực ra đã có từ năm 1840 khi hai nhà vật lý là Collodon và Babinet trìnhdiễn một thí nghiệm sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền nhữngtia sáng đi theo những tia nước cong phun ra từ một suối nước phun. Ngườiđầu tiên trình diễn thí nghiệm gửi một hình ảnh đi theo một bó sợi quang họclà một sinh viên y khoa người Đức tên là Lamm khi anh dùng sợi quang họcđể chiếu rọi hình ảnh của một bóng đèn điện đ ang thắp sáng lên một mànảnh Trong nghiên cứu của mình Lamm ưu tiên dùng sợi quang để quan sát vàkiểm tra các bộ phận bên trong cơ thể người bệnh mà mà không cần phải mổrạch da thòt người đó. Sau khi khoa học khám p há ra Laser, các nhà nghiêncứu về sợi quang được xúc tiến mạnh mẽ hơn và công nghệ sợi quang ngàycàng trở thành một lónh vực công nghệ hiện đại và quan trọng, gắn liền vớicác ngành công nghệ khác.Đònh nghóa:Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy đïc vàcác tia hồng ngoại.SI QUANG HỌCTrang2II – CẤU TẠO SI QUANGSợi quang gồm 2 phần:phần lõi (core) có c hiết suất n1 phần vỏ (cladding) có chiết suất n 2< n1Sợi quang có lõi ở giữa và phần bao bọc xung quanh lõi. Để ánh sáng có thểphản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiếtsuất của áo một chút.Vỏ bao bọc bên ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bò ẩm ướt và ăn mòn, đồngthời chống xuyên âm với các loại sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễxử lý.Lõi và áo đựơc làm bằng thủy tinh hay chất dẻo Silica, kim loại, fluor, sợiquang kết tinh.ryFiber axiszCladdingcorenn2n1SI QUANG HỌCTrang3Chiết suất của lớp lõi có hai dạng: dạng không đổi và dạng có phân bố giảmdần từ trong ra ngoài.II- PHÂN LOẠI Sợi quang được phân loại theo cấu tạo nghóa là theo sự phân bố chiết suất quang học trong lõi đối với chiết suất quang học của lớp vỏ.Ta gọi sợi quang có chiết suất không đổi là sợi quang chiết suất bậc(step – index), còn dạng có chiết suất th ay đổi giảm dần từ trong ra ngoàilà sợi quang chiết suất liên tục (graded index).Tùy vào kích thước của lõi, sợi quang chiết suất bậc có thể chỉ dẫntruyền một mode gọi là sợi quang đơn mode. Còn khi nó có thể truye ànnhiều mode, đường kính lõi lớn thì ta gọi là sợi quang chiết suất bậc đamode.SI QUANG HỌCTrang4Đối với sợi quang chiết suất liên tục, thường dẫn truyền nhiều modegọi là sợi quang chiết suất liên tục đa mode.Sợi quang đa mode:a) Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi từng bậc (multimodestep-index fibers): Là sợi quang có chiết suất lõi n1 giảm một cáchđột ngột tới chiết suất n2trong vỏ. Độ thay đổi chiết suất thường rấtnhỏ từ 0,001 đến 0,02.n1n1– n2=SI QUANG HỌC Trang 5Những tia sáng nào tạo với trục của sợi quang một góc lớn hơn góctới hạn thì sẽ bò phản xạ nội toàn phần tại biên của vỏ và lõi, đượcdẫn đi trong lõi.c= sin-1(n2/n1),c=2/–c= cos-1(n2/n1)Góc c trong sợi tương tự như gócacủa chùm tia tới từ không khí vàosợi.Sina= NA = (n12– n22)1/2n1(2)1/2gọi là khẩu độ số (numerical aperture_NA). Trong đóalà góc tới củatia sáng đặc trưng cho hiện tượng phản xạ toàn phần giữa lõi và vỏ củasợi quang, đó là góc tới lớn nhất để tia khúc xạ vào lõi còn gây nên hiệntượng phản xạ toàn phần ở ranh giới giữa lõi và vỏ.Khảo sát sự truyền ánh sáng đơn sắc sử dụng lý thuyết điện từ, sự dẫn sóng thỏa mãn phương trình Maxwell và điều kiện biên tại lõi và vỏ:2U + n2k02U = 0với n = n1(r < a) và n = n2(r > a), k0= 2/0Trong hệ tọa độ trụ phương trình có dạng:rU22+r 1 rU+r2122U+zU22+ n2k02U = 0U(r,,z) = u(r)exp{-jl }exp{-jz}với l = 0,1, 2 Hệ số lan truyền:cAcceptanceconeacUnguided rayGuided raySI QUANG HỌCTrang6n1k0[1- M q]vơi M: số modeq = 0, 1, 2 MSóng được dẫn nếu hệ số lan truyền nhỏ hơn bước sóng trong lõin1k0và lớn hơn bước sóng trong vỏ> n2k0Số mode dẫn M được đặc trưng bởi thông số VV = 2(0a)NAtrong đóo a là tỉ số giữa bán kính lõi và bước sóng0M =2pp22Vp là tham số ( grade profile parameter ) xác đònh độ sâu của profileTrong sợi chiết suất thay đổi từng bậc thì p =, do đó số mode:M22VVận tốc nhóm: vmaxc1=nc10, v min c1( 1 –) = c1(nn12)Bán kính lõi điển hình là 100 – 1500m, thích hợp trong các ứng dụngđòi hỏi mật độ công suất cao.b) Sợi quang đa mode có chiết suất tha y đổi dần dần hay còn gọi làsợi quang liên tục (multimode graded – index fiber)SI QUANG HỌCTrang7p(p+2)Lõi của một sợi quang có chiết suất cao nhất ở tâm và giảm dần đến giátrò thấp nhất ở vỏ. Vận tốc pha của ánh sáng đạt cực tiểu tạ i tâm và tăngdần khi bán kính tăng.Độ thay đổi chiết suất= (n 1 – n2)/n1<< 1.Tia ở trục (axial) truyền với khoảng cách ngắn nhất với vận tốc pha nhỏnhất (chiết suất lớn nhất), trái lại n hững tia xiên (oblique) thì truyền zig –zag ở góc lớn hơn, với khoảng cách dài hơn và vận tốc pha cao hơn do đósự chênh lệch trong vận tốc nhóm và thời gian truyền giảm được cânbằng nhau.Hệ số lan truyềnn1k0[1 –Mp]Trong trường hợp p = 2 thì theo công thức M 2p p22V,số mode M42VSợi quang đơn mode (single mode fibers)Khi bán kính lõi a và NA của sợi quang có chiết suất bậc đủ nhỏ để V <2.405 khi đó chì có mode đơn được phép truyền. Sợi quang đơn mode cóbán kính lõi nhỏ, khẩu độ số nhỏ và sử dụng bước sóng đủ dài.IV – NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNGSI QUANG HỌCTrang8Xét sự lan truyền sóng như sự lan truyền sóng điện từ, được biểu diễnnhư lời giải củaphương trình Maxwell với các điều kiện biên trên mặtphân cách của linh kiện dẫn sóng.Ở đây ta xét sự lan truyền ánh sáng theo phương pháp đơn giản hơn đólà phương pháp quang học tia (ray optics). Trong phương pháp này, ánhsáng lan truyền theo trục z được xem như tạo nên bởi sự lan truyền củacác sóng bản phẳng theo đường zig -zag trong mặt phẳng x -y.Để ánh sáng truyền đi trong sợi, nó phải thỏa điều kiện phản xạ t oàn phần:c arcsin
Xem thêm: Bản Chất Và Chức Năng Của Hiện Tượng Tâm Lý Người nn12Sự truyền theo đường zig -zag trong sợi quang:SI QUANG HỌCTrang9Hay một cách khác, một ngu ồn sáng như một laser hay một điốt quang(LED) được đặt gần lõi của sợi quang. Nguồn sáng bức xạ một “hìnhnón” ánh sáng được liên kết trong lõi của sợi quang.Trường hợp cụ thể: xét tia sáng lan t ruyền trong một linh kiện dẫn sóng 3lớpCác góc tới, góc khúc xạ được đònh nghóa giữa tia sáng và pháp tuyếncủa mặt phân cách tuân theo đònh luật Snell:sinsin21=nn12(1) ; sin sin32=nn23(2)SI QUANG HỌCTrang10mmmkn2Điều kiện duy trì mode trong thiết bò dẫn sóng:– -Khi3nhỏ, tia sáng sẽ đi xuyên qua cả hai mặt phân cách, chỉ xảyra hiện tượng khúc xạ ở các mặt phân các h đó. Trường hợp này ứng vớimode bức xạ (radiation mode).– Khi 3 tăng lên để cho2đạt đến góc tới hạn của hiện tượng phảnxạ toàn phần bên trong ở mặt phân cách n2– n1thì tia sáng bò nhốt lạimột phần. Trường hợp này ứng với mode đế (subtrate mode). Điều kiệnphản xạ toàn phần bên trong là:2arcsinnn21=>3arcsinnn31(3) – Khi 3tiếp tục tăng lên để2đạt đến góc tới hạn của hiện tượngphản xạ toàn phần ở mặt phân cách n2– n3thì tia sáng bò nhốt lại hoàntoàn ứng với mode tr uyền dẫn (guided mode). Trong trường hợp này, góctới hạn2được xác đònh bởi điều kiện :2arcsinnn23(4)Từ (2) và (4) ta có:3 arcsin (1) = 90 o390o(5)Một mode với hệ số lan truyền theo trục z làmvà hệ số lan truyền theotrục x là h, có thể biểu diễn bằng mo ät sóng bản phẳng lan truyền theophương làm thành gócm= arctgmhvới trục z, có hệ số lan truyền kn2như hình vẽ:Từ hình bên ta thấy:sin2=kn 2 Cũng tương tự như thế, nếu kn1<< kn3thìcó thể duy trì mode đế. Chỉ khi nào kn3thì mớicó thể duy trì mode truyền dẫn. Điều kie än này tương đương:Sin2=kn2knkn23=nn 2 3Điều kiện để các mode dẫn truyền sợi quang:SI QUANG HỌCTrang11Ở đây có sự chồng chất các sóng tới và sóng phản xạ từ mặt phân cáchkhi chúng lan truyền theo tia zig -zag. Để tránh sự triệt tiêu năng lượng dosự giao thoa của các sóng lệch pha, khi chúng lan truyền trong linh kiệndẫn sóng thì cần thỏa mãn điều kiện sau: độ lệch pha tổng cộng giữa haiđiểm trên mặt sóng sau hai lần lan truyền và phản xạ qua lại trên mặtphân cách n1-n2và mặt phân cách n2-n3phải bằng một số nguyên lần 2.Đây được coi là điều kiện giao thoa. Tất nhiên điều kiện phản xạ toànphần cũng phải được thỏa mãn ngay từ ban đầu.V- ĐỘ TÁN SẮCCấu tạo của sợi quang còn quyết đònh giá trò của một thông số quantrọng của nó là khẩu độ số NA, khẩu độ số đặc trưng cho sự ghép nốihiệu quả giữa nguồn Laser và sợi quang, nhưng nếu NA quá lớn sẽ làmtăng hiện tượng không có lợi cho sự truyền tín hiệu một cách trung thực,đó là hiện tượng tán sắc, do đó cần chọn giá trò độ chênh chiết suất tối ưu. Trong trường hợp xung ánh sáng vào một đầu sợi quang và ra khỏi sợi là một xung yếu hơn và mở rộng hơn thì ta gọi hiện tượng này là sự phântán xung hay sự mở rộng xung, hiện tượng này do các nguyên nhân:a) Độ tán sắc mode (Modal dispersion)Ánh sáng có nhiều mode, những mode khác nhau phản xạ những góckhác nhau, những mode truyền phức tạp hơn sẽ mất thời gian lâ u hơn vàđòi hỏi một đường truyền rộng hơn mode đơn giản (mode cơ bản). Bánkính lõi càng lớn thì những mode truyền khác nh au càng nhiều và hiệuứng Modal dispersion càng thể hiện rõ, giải pháp là sợi quang đơn mode.Nguồn gốc của hiện tượng tán sắc giữa các mode trong sợi quangchiết suất bậc là việc năng lượng của một xung quang (trong tín hiệu nhòphân) được mang bởi nhiều mode sóng lan truyền theo những quang lộzig – zag có chiều dài k hác nhau nhưng có cùng vận tốc.Để khắc phục ta sử dụng những lõi có bán kính đủ nhỏ để có thể khóatất cả trừ những mode c ơ bản, gọi đó là sợi quang đơn mode, do đó loạitrừ sự mở rộng xung do hiệu ứng modal di spersion và độ rộng dải thôngcao hơn nhiều so với sợi đa mode nghóa là những xung có thời giantruyền gần nhau nhiều hơn và chồng lấp lên nhau.SI QUANG HỌCTrang12Trong sợi quang đa mode, chiết suất bậc, sự tán sắc chủ yếu là do tánsắc mode, khi ánh sáng truyền trong một khoảng cách L trong sợi quangthì nó có thời gian trễ trải rộng trên khoảng thời gian là :2T=cL1 (1 – ) –cL1(1)Kết quả là có một xung với độ rộng là:TcL21(2)Hiện tượng tán sắc mode trong sợi quang đa mode chiết suất liên tục t hìnhỏ hơn do mode sóng có quang lộ dài sẽ chuyển động với vận tốc caohơn các mode có quang lộ ngắn .cLT412(3) Độ rộng dải thông: f=21T(4)Độ rộng dải thông đo lường khả năng mang dữ liệu của một sợi quang (ví dụ một sợi quang co ù độ rộng dải thông là 400 MHz – km có thể truyền400 MHz ở khoảng cách 1km h oặc có thể truyền 20 MHz ở khoảng cách20 km). Do mở rộng tín hiệu xung mà làm cho các xungchập nhau, do đó phải làm rộng khoảng cách giữa các xung, nghóa là tốcđộ truyền phải giảm xuống, có nghóa là độ rộng dải thô ng giảm xuống.Muốn tăngfthì phải giảm, sẽ làm giảm khẩu độ số của sợi quangvà việc giảmxuống dưới 1% sẽ rất khó khăn về công nghệ. Để giảmsự tán sắc giữa các mode, nâng cao độ rộng dải thông thì chế tạo sợiquang liên tục đa mode.b) Độ tán sắc truyền sóng ( Waveguide dispersion ) và độ tán sắc vật liệu(Material dispersion)Sự mở rộng xung xuất hiện do xung n guồn (xung đầu tiên) có một độrộng phổ xác đònh và vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng, hiệu ứngSI QUANG HỌC Trang 13này gọi là Waveguide dispersion và Material dispersion, trong đó hiệuứng Material dispersion thường lớn hơn Waveguide dispersio n.– Độ tán sắc truyền sóng: những bước sóng khác nhau truyền với vận tốckhác nhau, giải pháp là sử dụng nguồn sáng là LED hoặc Laser để tất cảcác tia sáng truyền trong sợi đều có bước sóng gần như nhau.T=DL (5)vớilà độ rộng phổ của nguồnD là hệ số khuếch tánD= –c00ddn 2 02(6)Tại bước sóng0= 1.312m,D= 0, tán sắc biến mất.– Độ tán sắc vật liệu : là kết quả của sự phụ thuộc của vận tốc nhómcủa mỗi mode với tỉ số giữa bán kính lõi và bước sóng.T=DwL (7)SI QUANG HỌCTrang14Dw= – 0 wdwdv1= –c201V2dVd22 (8)VI – ỨNG DỤNGLónh vực ứng dụng đầu tiên của sợi quang là y học và có thể nóichúng đã đặt vào tay các bác só y khoa một công cụ có tính chất cáchmạng để hiển thò hình ảnh, chẩn đoán và chữa bệnh. Những sợi quangmềm mại và nhỏ bé có thể luồn sâu vào nhiều bộ phận bên trong cơ thểcon người mà bác só không thể thâm nhập bằng các phương pháp khác.Các bác só có thể hướng một nguồn sáng tới một bó sợi quang và quan sátánh sáng phản xạ từ các cơ quan n ội tạng, các mạch máu của người bệnhđể tìm hiểu những chi tiết nhỏ nhất tại đây. Bằng cách phối hợp vớinhững kó thuật chẩn đoán khác, các sợi quang có thể giúp phân tíchthành phần của máu, đo được tốc độ lưu chuye ån của máu, tính được ápsuất máu và áp suất thẩm thấu của màng tế bào, kiểm tra được nồng độtồn tại của các độc tố, các hormon và các loại thuốc chữa bệnh bên trongcơ thể ngøi.Sợi quang cũng được dùng tr ong phẫu thuật và chữa bệnh bằng Laser.Ngành thông tin liên lạc có lẽ được ứng dụng nhiều nhất. Các hệthống bên trong mạng máy tính sử dụng các sợi cáp quang để tăng nhanhthời gian chuyển thông tin dùng cho việc vận hành và sắp xếp các tệp tin.Ánh sáng truyền đi trong sợi cáp quang có thể vượt qua hàng trăm kmtrước khi một điện áp bổ sung cần thiết phải được đưa vào tín hiệu, và đóSI QUANG HỌCTrang15là một cải thiện vượt trội rất có ý nghóa so với hệ thống quy ước truyềntin nhờ dòng điện.Truyền thông tin nhờ ánh sáng theo cáp quang khôn g tổn hao hoặc tổnhao rất ít vì nhiệt so với dùng các mạch điện, do đó không cần đến hệthống làm nguội cồng kềnh. Dùng ánh sáng cũng không bò hiện tương giao thoa sóng điện làm méo tín hiệu như thường xảy ra trong chuyển thông tin bằng điện .Sợi cáp quang rất mềm, dễ uốn cong còn dây đồng thì tăng điện trởkhi bò uốn. Ngoài ra cáp sợ quang có giá thành rẻ hơn dây đồng nhiềulần. Quan trọng hơn là sợi quang có thể mang nhiều thông ti n đi hơn dâyđồng. Một sợi cáp quang kèm theo sự giúp đỡ của laser điều biến có thểchuyển được các cuộc gọi điện thoại và các chương trình truyền hình.Trong cáp sợi quang thông tin đïc chuyển thành xung ánh sáng, x ungnày đïc truyền đến một khoảng cách nào đó nhờ sợi quang, sau đó đïcchuyển thành thông tin.SI QUANG HỌCTrang16VII – ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂMƯu điểmAn toàn trong truyền tin.Tránh nghe trộmTổn hao nhỏDải thông rộngKhả năng phức hợp caoKích thước nhỏ và trọng lượng nhẹGiá vật liệu chế tạo sợi quang r ẻ.Nhược điểmTổn hao do cơ cấu bao gồm– Do uốn cong sợi quang– Do khớp nối– Do hàn nốiTổn hao do vật liệu:– Hấp thụ bức xạ hồng ngoại-Tán xạ của bức xạ điện từ: tán xạ tuyến tính và phi tuyến . SÔÏI QUANG HOÏC Trang17 / < nSợi quang có lõi ở giữa và phần bao bọc xung quanh lõi. Để ánh sáng có thểphản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiếtsuất của áo một chút.Vỏ bao bọc bên ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bò ẩm ướt và ăn mòn, đồngthời chống xuyên âm với các loại sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễxử lý.Lõi và áo đựơc làm bằng thủy tinh hay chất dẻo Silica, kim loại, fluor, sợiquang kết tinh.Fiber axisCladdingcoreSI QUANG HỌCTrangChiết suất của lớp lõi có hai dạng: dạng không đổi và dạng có phân bố giảmdần từ trong ra ngoài.II- PHÂN LOẠISợi quang được phân loại theo cấu tạo nghóa là theo sự phân bố chiếtsuất quang học trong lõi đối với chiết suất quang học của lớp vỏ.Ta gọi sợi quang có chiết suất không đổi là sợi quang chiết suất bậc(step – index), còn dạng có chiết suất th ay đổi giảm dần từ trong ra ngoàilà sợi quang chiết suất liên tục (graded index).Tùy vào kích thước của lõi, sợi quang chiết suất bậc có thể chỉ dẫntruyền một mode gọi là sợi quang đơn mode. Còn khi nó có thể truye ànnhiều mode, đường kính lõi lớn thì ta gọi là sợi quang chiết suất bậc đamode.SI QUANG HỌCTrangĐối với sợi quang chiết suất liên tục, thường dẫn truyền nhiều modegọi là sợi quang chiết suất liên tục đa mode.Sợi quang đa mode:a) Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi từng bậc (multimodestep-index fibers): Là sợi quang có chiết suất lõi n1 giảm một cáchđột ngột tới chiết suất ntrong vỏ. Độ thay đổi chiết suất thường rấtnhỏ từ 0,001 đến 0,02.– nSI QUANG HỌCTrangNhững tia sáng nào tạo với trục của sợi quang một góc lớn hơn góctới hạn thì sẽ bò phản xạ nội toàn phần tại biên của vỏ và lõi, đượcdẫn đi trong lõi.= sin-1(n/n),2/= cos-1(n/nGóctrong sợi tương tự như góccủa chùm tia tới từ không khí vàosợi.Sin= NA = (n– n1/2(2)1/2gọi là khẩu độ số (numerical aperture_NA). Trong đólà góc tới củatia sáng đặc trưng cho hiện tượng phản xạ toàn phần giữa lõi và vỏ củasợi quang, đó là góc tới lớn nhất để tia khúc xạ vào lõi còn gây nên hiệntượng phản xạ toàn phần ở ranh giới giữa lõi và vỏ.Khảo sát sự truyền ánh sáng đơn sắc sử dụng lý thuyết điện từ, sựdẫn sóng thỏa mãn phương trình Maxwell và điều kiện biên tại lõi vàvỏ:U + nU = 0với n = n(r < a) và n = n(r > a), k= 2Trong hệ tọa độ trụ phương trình có dạng:+ nU = 0U(r,,z) = u(r)exp{-jl}exp{-jz}với l = 0,1,2Hệ số lan truyền:AcceptanceconeUnguided rayGuided raySI QUANG HỌCTrang[1-vơi M: số modeq = 0, 1, 2 MSóng được dẫn nếu hệ số lan truyền nhỏ hơn bước sóng trong lõivà lớn hơn bước sóng trong vỏ> nSố mode dẫn M được đặc trưng bởi thông số VV = 2)NAtrong đólà tỉ số giữa bán kính lõi và bước sóngM =2pp là tham số ( grade profile parameter ) xác đònh độ sâu của profileTrong sợi chiết suất thay đổi từng bậc thì p =, do đó số mode:Vận tốc nhóm: vmax, vmin( 1 -) = cBán kính lõi điển hình là 100 – 1500m, thích hợp trong các ứng dụngđòi hỏi mật độ công suất cao.b) Sợi quang đa mode có chiết suất tha y đổi dần dần hay còn gọi làsợi quang liên tục (multimode graded – index fiber)SI QUANG HỌCTrangp(p+2)Lõi của một sợi quang có chiết suất cao nhất ở tâm và giảm dần đến giátrò thấp nhất ở vỏ. Vận tốc pha của ánh sáng đạt cực tiểu tạ i tâm và tăngdần khi bán kính tăng.Độ thay đổi chiết suất= (n– n)/n<< 1.Tia ở trục (axial) truyền với khoảng cách ngắn nhất với vận tốc pha nhỏnhất (chiết suất lớn nhất), trái lại n hững tia xiên (oblique) thì truyền zig -zag ở góc lớn hơn, với khoảng cách dài hơn và vận tốc pha cao hơn do đósự chênh lệch trong vận tốc nhóm và thời gian truyền giảm được cânbằng nhau.Hệ số lan truyền[1 –Trong trường hợp p = 2 thì theo công thức M2psố mode MSợi quang đơn mode (single mode fibers)Khi bán kính lõi a và NA của sợi quang có chiết suất bậc đủ nhỏ để V <2.405>arcsin(3)- Khitiếp tục tăng lên đểđạt đến góc tới hạn của hiện tượngphản xạ toàn phần ở mặt phân cách n– nthì tia sáng bò nhốt lại hoàntoàn ứng với mode tr uyền dẫn (guided mode). Trong trường hợp này, góctới hạnđược xác đònh bởi điều kiện :arcsin(4)Từ (2) và (4) ta có:arcsin (1) = 9090(5)Một mode với hệ số lan truyền theo trục z làvà hệ số lan truyền theotrục x là h, có thể biểu diễn bằng mo ät sóng bản phẳng lan truyền theophương làm thành góc= arctgvới trục z, có hệ số lan truyền knnhư hình vẽ:Từ hình bên ta thấy:sinknCũng tương tự như thế, nếu kn< knthìcó thể duy trì mode đế. Chỉ khi nào knthì mớicó thể duy trì mode truyền dẫn. Điều kie än này tương đương:SinknknknĐiều kiện để các mode dẫn truyền sợi quang:SI QUANG HỌCTrang11Ở đây có sự chồng chất các sóng tới và sóng phản xạ từ mặt phân cáchkhi chúng lan truyền theo tia zig -zag. Để tránh sự triệt tiêu năng lượng dosự giao thoa của các sóng lệch pha, khi chúng lan truyền trong linh kiệndẫn sóng thì cần thỏa mãn điều kiện sau: độ lệch pha tổng cộng giữa haiđiểm trên mặt sóng sau hai lần lan truyền và phản xạ qua lại trên mặtphân cách n-nvà mặt phân cách n-nphải bằng một số nguyên lần 2Đây được coi là điều kiện giao thoa. Tất nhiên điều kiện phản xạ toànphần cũng phải được thỏa mãn ngay từ ban đầu.V- ĐỘ TÁN SẮCCấu tạo của sợi quang còn quyết đònh giá trò của một thông số quantrọng của nó là khẩu độ số NA, khẩu độ số đặc trưng cho sự ghép nốihiệu quả giữa nguồn Laser và sợi quang, nhưng nếu NA quá lớn sẽ làmtăng hiện tượng không có lợi cho sự truyền tín hiệu một cách trung thực,đó là hiện tượng tán sắc, do đó cần chọn giá trò độ chênh chiết suất tốiưu. Trong trường hợp xung ánh sáng vào một đầu sợi quang và ra khỏi sợilà một xung yếu hơn và mở rộng hơn thì ta gọi hiện tượng này là sự phântán xung hay sự mở rộng xung, hiện tượng này do các nguyên nhân:a) Độ tán sắc mode (Modal dispersion)Ánh sáng có nhiều mode, những mode khác nhau phản xạ những góckhác nhau, những mode truyền phức tạp hơn sẽ mất thời gian lâ u hơn vàđòi hỏi một đường truyền rộng hơn mode đơn giản (mode cơ bản). Bánkính lõi càng lớn thì những mode truyền khác nh au càng nhiều và hiệuứng Modal dispersion càng thể hiện rõ, giải pháp là sợi quang đơn mode.Nguồn gốc của hiện tượng tán sắc giữa các mode trong sợi quangchiết suất bậc là việc năng lượng của một xung quang (trong tín hiệu nhòphân) được mang bởi nhiều mode sóng lan truyền theo những quang lộzig – zag có chiều dài k hác nhau nhưng có cùng vận tốc.Để khắc phục ta sử dụng những lõi có bán kính đủ nhỏ để có thể khóatất cả trừ những mode c ơ bản, gọi đó là sợi quang đơn mode, do đó loạitrừ sự mở rộng xung do hiệu ứng modal di spersion và độ rộng dải thôngcao hơn nhiều so với sợi đa mode nghóa là những xung có thời giantruyền gần nhau nhiều hơn và chồng lấp lên nhau.SI QUANG HỌCTrang12Trong sợi quang đa mode, chiết suất bậc, sự tán sắc chủ yếu là do tánsắc mode, khi ánh sáng truyền trong một khoảng cách L trong sợi quangthì nó có thời gian trễ trải rộng trên khoảng thời gian là :2(1 -) -(1)Kết quả là có một xung với độ rộng là:(2)Hiện tượng tán sắc mode trong sợi quang đa mode chiết suất liên tục t hìnhỏ hơn do mode sóng có quang lộ dài sẽ chuyển động với vận tốc caohơn các mode có quang lộ ngắn .(3)Độ rộng dải thông:2(4)Độ rộng dải thông đo lường khả năng mang dữ liệu của một sợi quang (ví dụ một sợi quang co ù độ rộng dải thông là 400 MHz – km có thể truyền400 MHz ở khoảng cách 1km h oặc có thể truyền 20 MHz ở khoảng cách20 km). Do mở rộng tín hiệu xung mà làm cho các xungchập nhau, do đó phải làm rộng khoảng cách giữa các xung, nghóa là tốcđộ truyền phải giảm xuống, có nghóa là độ rộng dải thô ng giảm xuống.Muốn tăngthì phải giảm, sẽ làm giảm khẩu độ số của sợi quangvà việc giảmxuống dưới 1% sẽ rất khó khăn về công nghệ. Để giảmsự tán sắc giữa các mode, nâng cao độ rộng dải thông thì chế tạo sợiquang liên tục đa mode.b) Độ tán sắc truyền sóng ( Waveguide dispersion ) và độ tán sắc vật liệu(Material dispersion)Sự mở rộng xung xuất hiện do xung n guồn (xung đầu tiên) có một độrộng phổ xác đònh và vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng, hiệu ứngSI QUANG HỌCTrang13này gọi là Waveguide dispersion và Material dispersion, trong đó hiệuứng Material dispersion thường lớn hơn Waveguide dispersio n.- Độ tán sắc truyền sóng: những bước sóng khác nhau truyền với vận tốckhác nhau, giải pháp là sử dụng nguồn sáng là LED hoặc Laser để tất cảcác tia sáng truyền trong sợi đều có bước sóng gần như nhau.L (5)vớilà độ rộng phổ của nguồnD là hệ số khuếch tán= -d(6)Tại bước sóng= 1.312m,= 0, tán sắc biến mất.- Độ tán sắc vật liệu : là kết quả của sự phụ thuộc của vận tốc nhómcủa mỗi mode với tỉ số giữa bán kính lõi và bước sóng.L (7)SI QUANG HỌCTrang14= -dw= -c2dV(8)VI - ỨNG DỤNGLónh vực ứng dụng đầu tiên của sợi quang là y học và có thể nóichúng đã đặt vào tay các bác só y khoa một công cụ có tính chất cáchmạng để hiển thò hình ảnh, chẩn đoán và chữa bệnh. Những sợi quangmềm mại và nhỏ bé có thể luồn sâu vào nhiều bộ phận bên trong cơ thểcon người mà bác só không thể thâm nhập bằng các phương pháp khác.Các bác só có thể hướng một nguồn sáng tới một bó sợi quang và quan sátánh sáng phản xạ từ các cơ quan n ội tạng, các mạch máu của người bệnhđể tìm hiểu những chi tiết nhỏ nhất tại đây. Bằng cách phối hợp vớinhững kó thuật chẩn đoán khác, các sợi quang có thể giúp phân tíchthành phần của máu, đo được tốc độ lưu chuye ån của máu, tính được ápsuất máu và áp suất thẩm thấu của màng tế bào, kiểm tra được nồng độtồn tại của các độc tố, các hormon và các loại thuốc chữa bệnh bên trongcơ thể ngøi.Sợi quang cũng được dùng tr ong phẫu thuật và chữa bệnh bằng Laser.Ngành thông tin liên lạc có lẽ được ứng dụng nhiều nhất. Các hệthống bên trong mạng máy tính sử dụng các sợi cáp quang để tăng nhanhthời gian chuyển thông tin dùng cho việc vận hành và sắp xếp các tệp tin.Ánh sáng truyền đi trong sợi cáp quang có thể vượt qua hàng trăm kmtrước khi một điện áp bổ sung cần thiết phải được đưa vào tín hiệu, và đóSI QUANG HỌCTrang15là một cải thiện vượt trội rất có ý nghóa so với hệ thống quy ước truyềntin nhờ dòng điện.Truyền thông tin nhờ ánh sáng theo cáp quang khôn g tổn hao hoặc tổnhao rất ít vì nhiệt so với dùng các mạch điện, do đó không cần đến hệthống làm nguội cồng kềnh. Dùng ánh sáng cũng không bò hiện tươnggiao thoa sóng điện làm méo tín hiệu như thường xảy ra trong chuyểnthông tin bằng điện .Sợi cáp quang rất mềm, dễ uốn cong còn dây đồng thì tăng điện trởkhi bò uốn. Ngoài ra cáp sợ quang có giá thành rẻ hơn dây đồng nhiềulần. Quan trọng hơn là sợi quang có thể mang nhiều thông ti n đi hơn dâyđồng. Một sợi cáp quang kèm theo sự giúp đỡ của laser điều biến có thểchuyển được các cuộc gọi điện thoại và các chương trình truyền hình.Trong cáp sợi quang thông tin đïc chuyển thành xung ánh sáng, x ungnày đïc truyền đến một khoảng cách nào đó nhờ sợi quang, sau đó đïcchuyển thành thông tin.SI QUANG HỌCTrang16VII - ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂMƯu điểmAn toàn trong truyền tin.Tránh nghe trộmTổn hao nhỏDải thông rộngKhả năng phức hợp caoKích thước nhỏ và trọng lượng nhẹGiá vật liệu chế tạo sợi quang r ẻ.Nhược điểmTổn hao do cơ cấu bao gồm- Do uốn cong sợi quang- Do khớp nối- Do hàn nốiTổn hao do vật liệu:- Hấp thụ bức xạ hồng ngoại-Tán xạ của bức xạ điện từ: tán xạ tuyến tính và phi tuyến .SÔÏI QUANG HOÏCTrang17
Source: https://cuocthidancapctt.vn |
