Seminar: Sợi quang học (fiber optics) – Luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

I – GIỚI THIỆU SỢI QUANG
 I I – CẤU TẠO SỢI QUANG
 III – PHÂN LOẠI SỢI QUANG
 IV – NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
 V – ĐỘ TÁN SẮC
 VI – ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG

44 trang

|

Chia sẻ: duongneo

| Lượt xem: 1831

| Lượt tải: 6

Bạn đang xem trước

20 trang

tài liệu Seminar: Sợi quang học (fiber optics), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
SEMINAR: SỢI QUANG HỌC
(FIBER OPTICS)
 I – GIỚI THIỆU SỢI QUANG
 I I – CẤU TẠO SỢI QUANG
 III – PHÂN LOẠI SỢI QUANG
 IV – NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
 V – ĐỘ TÁN SẮC
 VI – ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG
 VII – ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA SỢI QUANG
I – GIỚI THIỆU
Ngày nay chúng ta biết sợi quang là tên gọi của những
dây làm bằng thủy tinh sử dụng hiện tượng phản xạ
toàn phần để truyền thông tin đi với tốc độ ánh sáng.
Có ý kiến cho rằng, ánh sáng có thể truyền đi theo dây
thủy tinh thực ra đã có từ năm 1840 khi hai nhà vật lý
là Collodon và Babinet trình diễn một thí nghiệm sử
dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền những
tia sáng đi theo những tia nước cong phun ra từ một
suối nước phun. Người đầu tiên trình diễn thí nghiệm
gửi một hình ảnh đi theo một bó sợi quang học là một
sinh viên y khoa người Đức tên là Lamm khi anh dùng
sợi quang học để chiếu rọi hình ảnh của một bóng đèn
điện đang thắp sáng lên một màn ảnh ..
Trong nghiên cứu của mình Lamm ưu tiên dùng sợi quang để
quan sát và kiểm tra các bộ phận bên trong cơ thể người bệnh
mà mà không cần phải mổ rạch da thịt người đó. Sau khi khoa
học khám phá ra Laser, các nhà nghiên cứu về sợi quang được
xúc tiến mạnh mẽ hơn và công nghệ sợi quang ngày càng trở
thành một lĩnh vực công nghệ hiện đại và quan trọng, gắn liền
với các ngành công nghệ khác.
Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn
thấy đuợc và các tia hồng ngoại
II- CẤU TẠO SỢI QUANG
Sợi quang gồm 2 phần:
phần lõi (core) có chiết suất n1
phần vỏ (cladding) có chiết suất n2 < n1
r
x Fiber axis
y
Cladding
Core
nn2n1
y
Sợi quang có lõi ở giữa và phần bao bọc xung quanh
lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn
trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất
của áo một chút.
Vỏ bao bọc bên ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm
ướt và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các loại
sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý.
Lõi và áo đựơc làm bằng thủy tinh hay chất dẻo Silica,
kim loại, fluor, sợi quang kết tinh.
Chiết suất của lớp lõi có hai dạng: dạng không đổi và dạng có
phân bố giảm dần từ trong ra ngoài.
Fiber
axis
1
2
3
4 5
1
2
3
4
5
.
Chiết suất phân bố giảm dần từ trong ra ngoài
III – PHÂN LOẠI
Sợi quang được phân loại theo cấu tạo nghĩa 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 thay đổi giảm
dần từ trong ra ngoài là sợi quang chiết suất liên tục (graded
index).
Tùy vào kích thước của lõi, sợi quang chiết suất bậc có thể chỉ
dẫn truyền một mode gọi là sợi quang đơn mode. Còn khi nó
có thể truyền nhiều mode, đường kính lõi lớn thì ta gọi là sợi
quang chiết suất bậc đa mode.
n2
n1
n
3
2
1o
Sợi quang chiết suất bậc đa mode
Đối với sợi quang chiết suất liên tục, thường dẫn truyền nhiều
mode gọi là sợi quang chiết suất liên tục đa mode.
n
n1O O’ O’’
1
2
1
2
1
Sợi quang liên tục đa mode
n2
* Sợi quang đa mode:
a)Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi từng bậc (multimode
step-index fibers): Là sợi quang có chiết suất lõi n1 giảm một
cách đột ngột tới chiết suất n2 trong vỏ. Độ thay đổi chiết suất
thường rất nhỏ từ 0,001 đến 0,02.
Những tia sáng nào tạo với trục của sợi quang một góc lớn hơn
góc tới hạn thì sẽ bị phản xạ nội toàn phần tại biên của vỏ và
lõi, được dẫn đi trong lõi.
=n1
Góc trong sợi tương tự như góc của chùm tia tới từ không
khí vào sợi.
 c a
a 1 2
2 2Sin = NA = n1(2 )
1/2
maxi nn   
gọi là khẩu độ số (Numerical Aperture_NA). Trong đó là góc
tới của tia sáng đặc trưng cho hiện tượng phản xạ toàn phần
giữa lõi và vỏ của sợi quang, đó là góc tới lớn nhất để tia khúc
xạ vào lõi còn gây nên hiện tượng phản xạ toàn phần ở ranh
giới giữa lõi và vỏ.
a










n
n
c
1
21sin 








n
n
cc
1
21cos2 

Trong heä toïa ñoä truï, phöông trình coù daïng:




 

U
2
2 2
r2
+ 1
r
U UU
r
+
r2
1

+
2
z2
+ n2koU = 0
U(r, ,z) = u(r) e
Hệ số lan truyền:
  n1ko [1 – ]
q
M
Với M: số mode
q = 0, 1, 2,M
Sóng được dẫn nếu hệ số lan truyền nhỏ hơn bước sóng trong
lõi n2ko
Số mode dẫn M được đặc trưng bởi thông số V:
V = 2 ( ) NA 
a
o
trong đó là tỉ số giữa bán kính lõi và o
o
a
-j l e-j z l = 0, 1, 2,
M

p V2
p+2 2
p là tham số (grade profile parameter ) xác định độ sâu của profile
p=1
r
n2
n1
2n2
2
a
0
Trong sợi có chiết suất thay đổi từng bậc thì p = , do đó số
mode M



V2
2
vận tốc nhóm: vmax c1 co / n1
vmin c1 (1 – ) = c1 (n2 / n1) 
Cladding
core
Bán kính lõi điển hình là 100 – 1500 m, thích hợp trong các
ứng dụng đòi hỏi mật độ công suất cao.
b) Sợi quang đa mode có chiết suất thay đổi dần dần hay còn gọi
là sợi quang liên tục (multimode graded – index fiber)

cladding
Graded
index core
Lõi của một sợi quang có chiết suất cao nhất ở tâm và giảm
dần đến giá trị thấp nhất ở vỏ. Vận tốc pha của ánh sáng đạt
cực tiểu tại tâm và tăng dần khi bán kính tăng.
Độ thay đổi chiết suất = [( n1 – n2 ) / n1] << 1

Tia ở trục (axial) truyền với khoảng cách ngắn nhất với vận tốc
pha nhỏ nhất (chiết suất lớn nhất), trái lại những tia xiên (oblique)
thì truyền zig-zag ở góc lớn hơn, với khoảng cách dài hơn và vận
tốc pha cao hơn.
Hệ số lan truyền:
  n1ko[ 1 – ]( )
q
M
p / (p+2)
Trong trường hợp p = 2 thì theo công thức M
p
p+2
V2
2
số mode M  V
2
4

*Sợi 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 chỉ có mode đơn được phép truyền.
Sợi quang đơn mode có bán kính lõi nhỏ, khẩu độ số nhỏ và sử
dụng bước sóng đủ dài.
IV – NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
Xét sự lan truyền sóng như sự lan truyền sóng điện từ, được
biểu diễn như lời giải của phương trình Maxwell với các điều
kiện biên trên mặt phân cách của linh kiện dẫn sóng.
Ở đây ta xét sự lan truyền ánh sáng theo phương pháp đơn giản
hơn đó là phương pháp quang học tia (ray optics). Trong
phương pháp này, ánh sáng lan truyền theo trục z được xem
như tạo nên bởi sự lan truyền của các 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
toàn phần:
c  12 nnarcsin
Sự truyền tia theo đường zig-zag trong sợi quang:
Jacket
Cladding
Core
Cladding
Jacket
Angle of
Incidence
Angle of
Reflection
Light and less than
critical angle is
absorbed in jacket
Light is propagated by total
internal refection
Hay một cách khác, một nguồn sáng như một laser hay một
điốt quang (LED) được đặt gần lõi của sợi quang. Nguồn sáng
bức xạ một “hình nón” ánh sáng được liên kết trong lõi của
sợi quang.
Nguồn
sáng
điểm
n1
n2
Các góc tới, góc khúc xạ được định nghĩa giữa tia sáng và
pháp tuyến của mặt phân cách tuân theo định luật Snell:

sin
sin
sin
sin

 n2
n1
n3
n2
;1
3
2
2
Điều kiện duy trì mode trong thiết bị dẫn sóng:
-Khi 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 tăng lên để cho đạt đến góc tới hạn của hiện tượng
phản xạ toàn phần bên trong ở mặt phân cách n2 – n1 thì tia sáng
bị nhốt lại một phần. Trường hợp này ứng với mode đế (subtrate
mode). Điều kiện phản xạ toàn phần bên trong là:
 
 

3
3 2
2  arcsin
n1
n2
3  arcsin
n1
n3
(1) (2)
(3)
Khi tiếp tục tăng lên để đạt đến góc tới hạn của hiện
tượng phản xạ toàn phần ở mặt phân cách n2 – n3 thì tia sáng
bị nhốt lại hoàn toàn ứng với mode truyền dẫn (guided mode).
Trong trường hợp này , góc tới hạn được xác định bởi điều
kiện :

arcsin

 2
n3
n2
(4)
3 2
Từ (2) và (4) ta có:
 
3  Arcsin(1) = 90o , 3  90o (5)
2
Một mode với hệ số lan truyền theo trục z là và hệ số lan
truyền theo trục x là h, có thể biểu diễn bằng một sóng bản
phẳng lan truyền theo phương làm thành góc
với trục z, có hệ số lan truyền kn2 như hình vẽ:


m
 m = arctg(h/ m ))
kn2


m
m
m
Từ hình bên ta thấy:
sin =

kn2
2
Như vậy nếu kn1 thì: 
sin2 
kn1
kn2
=
n1
n2
Cũng tương tự như thế, nếu kn1 < < kn3 thì có thể duy trì
mode đế. Chỉ khi nào kn3 thì mới có thể duy trì mode
truyền dẫn. Điều kiện này tương đương:

 
sin =2

kn2

kn3
kn2
=
n3
n2
: được gọi là hệ số lan truyền
h
Ñieàu kieän ñeå caùc mode daãn truyeàn sôïi quang:
ÔÛ ñaây coù söï choàng chaát caùc soùng tôùi vaø soùng phaûn xaï töø maët phaân
caùch khi chuùng lan truyeàn theo tia zig-zag. Ñeå traùnh söï trieät tieâu naêng löôïng
do söï giao thoa cuûa caùc soùng leäch pha, khi chuùng lan truyeàn trong linh kieän
daãn soùng thì caàn thoûa maõn ñieàu kieän sau: ñoä leäch pha toång coäng giöõa hai
ñieåm treân maët soùng sau hai laàn lan truyeàn vaø phaûn xaï qua laïi treân maët
phaân caùch n1-n2 vaø maët phaân caùch n2-n3 phaûi baèng moät soá nguyeân laàn 2
. Ñaây ñöôïc coi laø ñieàu kieän giao thoa. Taát nhieân ñieàu kieän phaûn xaï toaøn
phaàn cuõng phaûi ñöôïc thoûa maõn ngay töø ban ñaàu.
V- ĐỘ TÁN SẮC
Cấu tạo của sợi quang còn quyết định giá trị của một
thông số quan trọng của nó là khẩu độ số NA, khẩu
độ số đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn
Laser và sợi quang, nhưng nếu NA quá lớn sẽ làm
tăng 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 trị 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 phân tán 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 góc khác nhau, những mode truyền phức tạp
hơn sẽ mất thời gian lâu hơn và đòi hỏi một đường
truyền rộng hơn mode đơn giản (mode cơ bản). Bán
kính lõi càng lớn thì những mode truyền khác nhau
càng nhiều và hiệu ứng 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 quang chiết suất bậc là việc năng lượng của một
xung quang (trong tín hiệu nhị phân) được mang bởi
nhiều mode sóng lan truyền theo những quang lộ zig –
zag có chiều dài khác nhau nhưng có cùng vận tốc.
Ñeå khaéc phuïc ta söû duïng nhöõng loõi coù baùn kính ñuû nhoû ñeå coù theå
khoùa taát caû tröø nhöõng mode cô baûn, goïi ñoù laø sôïi quang
ñôn mode, do ñoù loaïi tröø söï môû roäng xung do hieäu öùng modal dispersion vaø
ñoä roäng daûi thoâng cao hôn nhieàu so vôùi sôïi ña mode nghóa laø nhöõng xung
coù thôøi gian truyeàn gaàn nhau nhieàu hôn vaø choàng laáp leân nhau.
Trong sôïi quang ña mode, chieát suaát baäc, söï taùn saéc chuû yeáu laø do taùn saéc
mode, khi aùnh saùng truyeàn trong moät khoaûng caùch L trong sôïi quang thì
noù coù thôøi gian treã traûi roäng treân khoaûng thôøi gian laø
2 = –
 T Lc1
(1 – )
L
c1
(1)
Keát quaû laø coù moät xung vôùi ñoä roäng laø:

T

L
2c1

Hiện tượng tán sắc mode trong sợi quang đa mode chiết suất
liên tục thì nhỏ hơn do mode sóng có quang lộ dài sẽ chuyển
động với vận tốc cao hơn các mode có quang lộ ngắn.

T
 f
1
2 
(2)
(3)
Độ rộng dải thông:
 T 
L 
4 c1
2
(4)
Ñoä roäng daûi thoâng ño löôøng khaû naêng mang döõ lieäu cuûa moät sôïi quang
( ví duï moät sôïi quang coù ñoä roäng daûi thoâng laø
400 MHz – km coù theå truyeàn 400 MHz ôû khoaûng caùch 1km hoaëc coù theå
truyeàn 20 MHz ôû khoaûng caùch 20 km).
Do môû roäng tín hieäu xung maø laøm cho caùc xung chaäp nhau, do ñoù phaûi
laøm roäng khoaûng caùch giöõa caùc xung, nghóa laø toác ñoä truyeàn phaûi giaûm
xuoáng, coù nghóa laø ñoä roäng daûi thoâng giaûm xuoáng. Muoán taêng thì
phaûi giaûm , seõ laøm giaûm khaåu ñoä soá cuûa sôïi quang vaø vieäc giaûm
xuoáng döôùi 1% seõ raát khoù khaên veà coâng ngheä. Ñeå giaûm söï taùn saéc
giöõa caùc mode, naâng cao ñoä roäng daûi thoâng thì cheá taïo sôïi quang lieân tuïc
ña mode.
 f

b) Ñoä taùn saéc truyeàn soùng ( Waveguide dispersion ) vaø ñoä taùn saéc vaät
lieäu ( Material dispersion)
Sự mở rộng xung xuất hiện do xung nguồn (xung đầu tiên) có
một độ rộng phổ xác định và vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước
sóng, hiệu ứng này gọi là Waveguide dispersion và Material
dispersion, trong đó hiệu ứng Material dispersion thường lớn
hơn Waveguide dispersion.
– Độ tán sắc truyền sóng: những bước sóng khác nhau truyền
với vận tốc khác nhau, giải pháp là sử dụng nguồn sáng là
LED hoặc Laser để tất cả các tia sáng truyền trong sợi đều có
bước sóng gần như nhau.
 T = D  L (5) với là độ rộng phổ của nguồn
D là hệ số khuếch tán
D = -
 0
c0 0d
2
d2n (6)
Tại bước sóng = 1.312 m , D = 0 tán sắc biến mất

o


D1
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
-200
-160
-120
-80
-40
0
40
Wavelength ( m )o 
D
is
pe
rs
io
n
co
ef
fi
ci
en
D
(p
s/
km
–
n
m
)
Ñoä taùn saéc vaät lieäu : laø keát quaû cuûa söï phuï thuoäc cuûa vaän toác nhoùm
cuûa moãi mode vôùi tæ soá giöõa baùn kính loõi vaø böôùc soùng.
 T
=  LDw (7)
Dw = –
W
 0
d
dw
1
v( ) = -( )V
21
2 co
d2
dV2
(8)
VI – ỨNG DỤNG
Lĩnh vực ứng dụng đầu tiên của sợi quang là y học và có thể nói
chúng đã đặt vào tay các bác sĩ y khoa một công cụ có tính chất
cách mạng để hiển thị hình ảnh, chẩn đoán và chữa bệnh. Những
sợi quang mềm mại và nhỏ bé có thể luồn sâu vào nhiều bộ phận
bên trong cơ thể con người mà bác sĩ không thể thâm nhập bằng
các phương pháp khác. Các bác sĩ có thể hướng một nguồn sáng
tới một bó sợi quang và quan sát ánh sáng phản xạ từ các cơ
quan nội tạng, các mạch máu của người bệnh để tìm hiểu những
chi tiết nhỏ nhất tại đây. Bằng cách phối hợp với những kĩ thuật
chẩn đoán khác , các sợi quang có thể giúp phân tích thành phần
của máu, đo được tốc độ lưu chuyển của máu, tính được áp suất
máu và áp suất thẩm thấu của màng tế bào, kiểm tra được nồng
độ tồn tại của các độc tố, các hormon và các loại thuốc chữa
bệnh bên trong cơ thể nguời.
Sợi quang cũng được dùng trong phẫu thuật và chữa bệnh bằng laser.
Ngành thông tin liên lạc có lẽ được ứng dụng nhiều
nhất. Các hệ thống bên trong mạng máy tính sử dụng
các sợi cáp quang để tăng nhanh thời 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 km trước khi một điện áp bổ sung cần
thiết phải được đưa vào tín hiệu, và đó là một cải thiện
vượt trội rất có ý nghĩa so với hệ thống quy ước truyền
tin nhờ dòng điện.
Truyền thông tin nhờ ánh sáng theo cáp quang không
tổn hao hoặc tổn hao rất ít vì nhiệt so với dùng các
mạch điện, do đó không cần đến hệ thống làm nguội
cồng kềnh. Dùng ánh sáng cũng không bị 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 trở khi bị uốn. Ngoài ra cáp sợ quang có giá thành rẻ hơn
dây đồng nhiều lần. Quan trọng hơn là sợi quang có thể mang
nhiều thông tin đi hơn dây đồng. Một sợi cáp quang kèm theo
sự giúp đỡ của laser điều biến có thể chuyển được các cuộc gọi
điện thoại và các chương trình truyền hình.
Trong cáp sợi quang thông tin đuợc chuyển thành xung ánh
sáng, xung này đuợc truyền đến một khoảng cách nào đó nhờ
sợi quang, sau đó đuợc chuyển thành thông tin.
Một số hình ảnh về việc sử dụng sợi quang
VII – ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM
ƯU ĐIỂM
An toàn trong truyền tin.
Tránh nghe trộm
Tổn hao nhỏ
Dải thông rộng
Khả năng phức hợp cao
Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ
Giá vật liệu chế tạo sợi quang rẻ.
NHƯỢC ĐIỂM
Tổn hao do cơ cấu bao gồm
– Do uốn cong sợi quang
– Do khớp nối
– Do hàn nối
Tổn hao do vật liệu:
– Hấp thụ bức xạ hồng ngoại
-Tán xạ của bức xạ điện từ: tán xạ tuyến tính và phi tuyến.
THANK YOU FOR
ATTENTION !