Bài giảng Sợi quang

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Sợi quang sau đây được biên soạn nhằm trang bị cho các bạn những kiến thức về đặc điểm sợi quang; cấu tạo của sợi quang; cơ sở vật lý về sự truyền ánh sáng trong sợi quang; các mode dẫn truyền trong sợi quang; công nghệ chế tạo sợi quang.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Sợi quang

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 Năm 1966 Kao và Hock-ham bắt đầu nghiên cứu truyền thông tin bằng chùm Laser trong sợi thuỷ tinh. Cuối thập kỷ 70 dây điện bằng kim loại hay sóng vô tuyến được thay thế bằng sợi quang hay linh kiện dẫn sóng quang Ngày nay sợi quang đã được dùng rộng rãi thay cho dây kim 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. Very important for modern data transfer and Total communication systems internal  phones! reflection
Optical fiber communication system Electrical/optical converter Decoder Electric signal Encoder Fiber Optical/electrical converter Repeater Digital encoding scheme “One” for optical communications High-power pulse  “one” “Zero” Low-power pulse  “zero”
Step in the Step-index Fiber refractive index Intensity In Disadvantage: Pulse broadening Out Time
Graded-index fiber Pulse broadening is not so severe Intensity remains Refractive In almost constant index vary parabolically Out across the cross-section Time
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
2. CẤU TẠO SỢI QUANG y y Gồm hai phần chính: Cladding lõi (core) f lớp vỏ (cladding) Core r z Fiber axis Lớp vỏ có chiết suất nhỏ hơn lớp lõi n 1 Primary 2 1 Strength 3 Skew ray 2 Buffer Member Outer Fiber axis 4 5 Coating Jacket 5 3 4 Fiber Element (Core and Cladding)
Sợi quang liên tục ( graded index) Chiết suất lõi phân bố giảm dần từ trong ra ngoài 2 3 2 O 1 n O' O'' 2 n1 3 n2 Sợi quang chiết suất từng bậc (step – index) Chiết suất lõi không đổi n2 n1 3 2 1 n O singlemode step-index
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 kt t n2 Evanescent wave n 1 > n2 ki i  kr c c i >c i TIR Incident Reflected n2 light light sin  C   n12 Góc tới tăng đến khi góc khúc xạ bằng 900 ta gọi là góc tới hạn n1 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 1 B y   Hai sóng tuỳ ý 1 và 2 cùng pha p2 2p/2 E 2a z ban đầu, nếu không nó sẽ triệt k1 A C x  2 n1 1 tiêu nhau. n2 B A n2 Sự giao thoa của 2 sóng 1 và 2 sẽ C ay 1  tạo nên thành phần sóng đứng theo  E p2 a y phương y với hướng truyền z k A y 2 Guide center z x
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 Field of guided wave E (y,z,t ) = E(y)cos(t–  z) E(y) Light Core m= 0 n2 Cladding E n3 E01 The electric field distribution of the mode in the transverse plane to the fiber axis z 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 x Light Light z y n1 Light n2 Light n3 Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng :   E( r )  E( x , y ) exp(iz )  : heäsoálan truyeàn
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   h 2   2  k 2 n22 , h, kn2 đều là các hệ số lan truyền theo các phương khác nhau
 2 Phương trình truyền sóng Maxwell  2  E( r ,t )  E( r ,t )   (1) t 2 Đối với những sóng phẳng đơn sắc, lời gải pt trên có dạng :   E ( r ,t )  E ( r ) e i  t 2 2 2    Thay vào pt trên, ta có :  E( r )  k n ( r ) E( r )  0 ; k  : soásoùng  (2) c   Giả thuyết sóng lan truyền theo trục z có dạng : E( r )  E( x, y ) e ( iz )   2  2 Thay vào (2) :  E( x , y )  E( x , y ) 2 2  2 2   [ k n   ] E( x , y )  0 x y 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 : E y ( x)  Sin k 2 n22   2 x   Sin(hx) h 2   2  k 2 n22   , 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 1 n 2 sin  2 n3 Định luật Snell :  ;  sin  2 n1 sin  3 n 2 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)   n1 sin 2 < sin 2th , sin 2  nên <   < kn1 kn2 kn2 n2 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 n n sin1  1 > sin 2th  1   2  ar sin( 1 ) n2 n2 Tia sáng bị nhốt lại một phần, ứng với mode đế (substrate mode) Mà   n1 sin 2  nên     kn1 kn2 kn2 n2