Vật lý laser - Sợi quang

MÔN: VẬT LÝ LASER HV: Nguyễn Thị Hoài Phƣơng Lớp Cao học Quang học K21 NỘI DUNG Cấu tạo Tính chất, phân loại, công nghệ chế tạo Các mode truyền dẫn trong sợi quang Tổn hao trong sợi quang Truyền thông tin bằng sợi quang Ứng dụng khác 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. CẤU TẠO Cấu tạo sợi quang Lõi: để truyền dữ liệu, có chiết suất cao hơn lớp sơn phủ Lớp sơn phủ: tăng độ phản chiếu, ngăn chặn sự thất thoát và suy giảm thông tin Hình ảnh cáp quang 2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TÍNH CHẤT: Sợi quang phải có độ tổn hao (do hấp thụ bức xạ và tán xạ bức xạ) thấp Lựa chọn vật liệu và bước sóng tia laser sao cho hệ số hấp thụ thấp nhất Nâng cao chất lượng vật liệu Giải pháp giảm tán xạ của bức xạ Sợi quang phải có tính cơ học thích hợp, độ bền và chịu rung động cao Cáp quang trong lòng biển có san hô và tảo biển đeo bám 2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PHÂN LOẠI: Theo đặc tính truyền dẫn (theo số mode có thể truyền dẫn trong sợi quang): Sợi quang dạng bậc đơn mode SI- SM (Step Index Single Mode) Sợi quang liên tục đa mode GI- MM (Grated Index Multi Mode) Theo sự biến thiên chiết suất: Sợi có chiết suất dạng bậc SI (Step Index) Sợi có chiết suất biến thiên liên tục GI (Grated Index) Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang. Các loại sợi quang: a) Sợi quang dạng bậc đơn mode (SI- SM) b) Sợi quang dạng bậc đa mode (SI- MM) c) Sợi quang liên tục đa mode (GI-MM) 2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PHÂN LOẠI: Độ biến thiên chiết suất: Đối với sợi quang đa mode: ∆≈ 0,02 Đối với sợi quang đơn mode: ∆≈ 0,005 1 21 n nn Khẩu độ số NA (Numerical Apeture): Khi độ chênh chiết suất không quá lớn: NA ≈ NA đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laser với sợi quang. Nhưng nếu NA quá lớn làm tăng sự tán sắc dẫn đến tín hiệu thiếu trung thực. 2 1 2 2 2 1max )(sin nnNA 2 1 1 )2(n 2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PHÂN LOẠI: Tần số chuẩn hóa: NAaV .. 2 V: tần số chuẩn hóa a: bán kính sợi quang NA: khẩu độ sợi quang : bước sóng làm việc Số mode truyền được trong sợi SI: 2 2V N Số mode truyền được trong sợi GI: 4 2V N Giá trị điển hình của sợi đa mode: Đường kính lõi: d = 50 m Đường kinh lớp bọc: D= 125 m Gọi là sợi đa mode 50/125 m Chiết suất lõi: n1 = 1,47 ( = 1300nm) Khẩu độ số: NA = 0,2 – 0,29 Giá trị điển hình của sợi đơn mode: Đường kính lõi: d = 9-10 m Đường kinh lớp bọc: D= 125 m Chiết suất lõi: n1 = 1,465 ( = 1300nm) Khẩu độ số: NA = 0,13 – 0,18 2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO: lõi và vỏ được chế tạo đồng thời và liên tục. Sự khác nhau về chiết suất được thực hiện bằng cách thay đổi nồng độ tạp chất trong vật liệu. • Lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) • Lắng đọng theo trục từ pha hơi (Vapour Axial Deposition- VAD) CHẾ TẠO PHÔI • Từ các thỏi phôi có phân bố chiết suất xác định người ta kéo thành sợi có phân bố chiết suất theo thiết kế KÉO SỢI 2. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI, CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO: lõi và vỏ được chế tạo đồng thời và liên tục. Sự khác nhau về chiết suất được thực hiện bằng cách thay đổi nồng độ tạp chất trong vật liệu. Cáp quang gồm từ vài sợi đến vài chục sợi quang có lõi thép để hạn chế độ cong xoắn và có thể có một số dây dẫn điện để tải dòng điện cung cấp cho bộ nguồn của các bộ hồi phục trên đường dây. • Lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) • Lắng đọng theo trục từ pha hơi (Vapour Axial Deposition- VAD) CHẾ TẠO PHÔI • Từ các thỏi phôi có phân bố chiết suất xác định người ta kéo thành sợi có phân bố chiết suất theo thiết kế KÉO SỢI m dn m 22 cos 2 . 2 1 0 3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG DẠNG BẬC: Các mode sóng gián đoạn được phép dẫn truyền: : góc dịch pha khi phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn giữa lõi và vỏ : bước sóng ánh sáng trong không khí. Mỗi giá trị m ứng với một mode được phép thứ m. Vì << 2 , ta có công thức gần đúng cos Với d= 50 m, 0=1 m, n= 1,5 thì m có giá trị khá lớn, nghĩa là có nhiều mode được truyền dẫn trong sợi quang → thời gian mỗi mode truyền qua sợi quang khác nhau 0 d m n m . .2 1 3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG DẠNG BẬC: Độ giãn tín hiệu xung: Xung sáng bị giãn ra, gọi là hiện tượng tán sắc giữa các mode. Sự giãn các xung sáng dẫn đến sự giới hạn độ rộng giải thông của sợi quang. c nAB v AB t mm 1 max . sin 1 . sinc nAB v AB t 1min . 1 2 1 minminmax n n tttt Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau trong sợi quang. 3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG ĐA MODE: Độ giãn tín hiệu xung có thể biểu diễn dưới dạng L: chiều dài sợi quang tmin= : thời gian dẫn truyền Độ rộng dải thông cực đại: Với L = 1km, ∆n = 0,01; n1 = 1,5 thì B = 5 M bit/s << độ rộng dải thông có thể 20.000 GHz. Hiện tượng tán sắc giữa các mode trong sợi quang đa mode làm độ rộng dải thông thu hẹp lại 211 2 1. .4 . .4 1 nnnL nc t B Tăng B: chế tạo sợi quang liên tục đa mode (chiết suất lõi n1 thay đổi liên tục đến n2) )( 21 2 1 2 21 nn cn Ln n nn t 3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG BẬC ĐƠN MODE: Tần số chuẩn hóa Điều kiện đơn mode: Bước sóng 2 1 2 2 2 1 2 nn d V d: đường kính lõi : bước sóng dẫn truyền trong lõi 405,2V 2 1 2 2 2 1 405,2 .2 nn d c c c : sợi quang đơn mode : sợi quang đa mode Nếu lấy n1 = 1,53 và n1 – n2 = 0,002 thì điều kiện đơn mode là d ≤ 6 . Sợi quang đơn mode không gặp hiện tƣợng tán sắc giữa các mode. BẬC ĐƠN MODE: 3. CÁC MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG Hai loại tán sắc: n1=n1( ) Nguồn sáng 1, 2 Sự giãn xung sáng Tán sắc do vật liệu: Tán sắc do linh kiện dẫn sóng: có bao nhiêu bước sóng trong xung sáng phát ra từ nguồn sẽ có bấy nhiêu hướng lan truyền liên quan đến mode m → sự tán sắc do mode giống như trong sợi quang đa mode. 4. TỔN HAO TRONG SỢI QUANG • Do khớp nối • Do uốn cong sợi quang • Do hàn nối TỔN HAO DO CƠ CẤU • Hấp thụ bức xạ hồng ngoại • Tán xạ trong sợi quang TỔN HAO DO VẬT LIỆU Tổn hao do cơ cấu 4. TỔN HAO TRONG SỢI QUANG • Do khớp nối • Do uốn cong sợi quang • Do hàn nối TỔN HAO DO CƠ CẤU • Hấp thụ bức xạ hồng ngoại • Tán xạ trong sợi quang TỔN HAO DO VẬT LIỆU 4. TỔN HAO TRONG SỢI QUANG • Do khớp nối • Do uốn cong sợi quang • Do hàn nối TỔN HAO DO CƠ CẤU • Hấp thụ bức xạ hồng ngoại • Tán xạ trong sợi quang TỔN HAO DO VẬT LIỆU 2 loại tán xạ: - Tán xạ tuyến tính: do các bất hoàn hảo của sợi quang, do thăng giáng chiết suất (gọi là tán xạ Rayliegh) - Tán xạ phi tuyến: các quá trình thay đổi tần số của photon 5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG DẢI THÔNG RỘNG NHỎ, NHẸ, DỄ UỐN CONG TÍNH BẢO MẬT ƢU ĐIỂM ÍT SUY HAO TÍN HIỆU TÍN HIỆU KHÔNG NHIỄU CÁCH ĐIỆN KHÔNG SỢ ĂN MÒN GIÒN, DỄ GÃY VẤN ĐỀ AN TOÀN LAO ĐỘNG VẤN ĐỀ SỬA CHỮA VẤN ĐỀ BIẾN ĐỔI ĐIỆN- QUANG NHƢỢC ĐIỂM 5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG BỘ PHẬN TRUYỀN: tạo ra và mã hóa các tín hiệu ánh sáng CÁP QUANG: dẫn các tín hiệu ánh sáng BỘ PHẬN TÁI TẠO ÁNH SÁNG: có thể cần thiết để tăng tín hiệu ánh sáng BỘ PHẬN THU ÁNH SÁNG: nhận và giải mã các tín hiệu ánh sáng 5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG Multimode: sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn. Graded index: thường dùng trong các mạng LAN. Step Index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soi trong. Single mode: dùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp. 5. TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG SỢI QUANG 6. ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SỢI QUANG TRANG TRÍ Y TẾ CÔNG NGHIỆP