TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
TIÊU HAO VÀ TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ K35
GV hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Ths. Hoàng Xuân Dinh
Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
Lớp: Sư Phạm Vật Lý
Mã số SV: 1090200
Cần Thơ, 5/2012
LỜI CẢM ƠN
……
Sau một thời dài nghiên cứu tôi đã hoàn thành luận văn của
mình. Đó là kết quả của sự cố gắng của bản thân cùng với sự
hướng dẫn tận tình của quý thầy cô, đặc biệt là thầy Hoàng Xuân
Dinh đã gợi ý, định hướng và cung cấp tư liệu hỗ trợ cho tôi thực
hiện đề tài.
Với tấm lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cám ơn đến:
- Quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý – Khoa Sư Phạm
trường Đại Học Cần Thơ đã tận tìnhgiảng dạy em trong
5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................................. 2
Phần NỘI DUNG ............................................................................................................ 3
Chương I
SỢI QUANG. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG........ 3
I. CƠ SỞ QUANG HỌC .................................................................................................. 3
1. Tính chất của ánh sáng ................................................................................................. 3
2. Phổ sóng điện từ........................................................................................................... 3
3. Chiết suất khúc xạ ........................................................................................................ 4
II. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG .......................... 4
1. Định luật truyền thẳng ánh sáng ................................................................................... 4
2. Định luật phản xạ ánh sáng .......................................................................................... 5
3. Định luật khúc xạ ánh sáng .......................................................................................... 5
4. Phản xạ toàn phần ....................................................................................................... 7
III. CẤU TẠO SỢI QUANG ........................................................................................... 8
1.Những bậc thầy của công nghệ ánh sáng – Sợi quang ................................................... 8
2. Cấu tạo sợi quang......................................................................................................... 13
3. Đặc điểm của sợi quang ............................................................................................... 14
Chương II
CÁC LOẠI SỢI QUANG ................................................................................................ 15
I. KHÁI NIỆM MODE .................................................................................................... 15
II. SỢI QUANG ĐƠN MODE ......................................................................................... 15
III. SỢI QUANG ĐA MODE........................................................................................... 16
1. Sợi quang Multimode chiết suất bậc (Step Index Multimode) ...................................... 17
2. Sợi quang Multimode chiết suất biến đổi (Grade Index Multimode)............................. 18
3. Ứng dụng ..................................................................................................................... 18
4. So sánh sợi quang đơn mode (singlemode) hay sợi đa mode (multimode) ................... 19
Chương III
TIÊU HAO TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG ........................................................ 20
I. TỔNG QUAN .............................................................................................................. 20
II. TIÊU HAO TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG ................................................... 20
2. Tán xạ mode hay tán xạ đa mode ................................................................................. 33
2.1. Định nghĩa............................................................................................................. 33
2.2. Hiện tượng ............................................................................................................ 34
3. Tán xạ mặt cắt.............................................................................................................. 34
3.1. Định nghĩa............................................................................................................. 34
3.2. Hiện tượng ............................................................................................................ 34
4. Tán xạ sợi dẫn sóng.................................................................................................... 35
4.1. Định nghĩa............................................................................................................. 35
4.2. Hiện tượng ............................................................................................................ 35
4.3. Nguyên nhân ........................................................................................................ 37
IV. ẢNH HƯỞNG ........................................................................................................... 37
Chương V
GIẢM TIÊU HAO TRUYỀN DẪN VÀ CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TRUYỀN DẪN BĂNG
RỘNG CỦA CÁP SỢI QUANG POLIME HIỆU NĂNG CAO ....................................... 39
I. MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 39
II. KHÁI NIỆM ............................................................................................................... 40
III. GIẢM TIÊU HAO TRUYỀN DẪN VÀ CẢI THIỆN KHẢ NĂNG TRUYỀN DẪN
BĂNG RỘNG CỦA POF (POLYMER OPTICAL FIBER) ................................................. 42
Chương VI
CÁCH KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG.......................... 45
I. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................................. 45
II. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁCH TỬ CHIẾU XẠ FBG ......... 46
1. Lịch sử phát triển của cách tử Bragg quang.................................................................. 46
2. Khái niệm ................................................................................................................... 48
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Luận văn tốt nghiệp
càng tăng đòi hòi các kỹ thuật tiên tiến hiện đại hơn, song các hệ thống truyền dẫn nói trên
không tổ chức được các luồng kênh cực lớn. Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã
có thể tạo ra được các hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nước trên thế giới ngày
nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng
mới của ngành viễn thông ngày nay là cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia
và đường truyền dẫn quốc tế. Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công
nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hoàn thành vô hoá mạng
lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia
2,5 Gb/s với cấu hình Ring. Và trong giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp quang
hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những ưu điểm siêu việt của cáp sợi
quang.
Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn quang được chế tạo
thành cáp sợi quang. Sợi quang với các đặc tính của bó quyết định các đặc tuyến truyền dẫn
trên tuyến. Do đó, phải xác định chính xác các thông số của nó. Thông thường, thông số của
sợi quang đã được xác định do nhà sản xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi công, lắp
đặt, sử dụng… ta cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyến cáp sợi quang như
: tiêu hao toàn tuyến, tiêu hao trung bình, tiêu hao hàn nối, tiêu hao ghép, khoảng cách của
cuộn cáp sử dụng, khoảng cách của toàn tuyến…
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang1
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang2
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết tài liệu trên máy và trao đổi với giáo viên
hướng dẫn.
Bước 4: Nộp bài cho giáo viên hướng dẫn; tham khảo ý kiến và chỉnh sửa.
Bước 5: Viết luận văn hoàn chỉnh và chuẩn bị nội dung cho báo cáo tổng kết đề tài.
Bước 6: Bảo vệ luận văn.
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang3
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
Phần NỘI DUNG
...…
Trang4
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
- Vùng hồng ngoại: chia làm 3 phần:
+ Vùng hồng ngoại gần: 780nm – 1400nm.
+ Vùng hồng ngoại giữa: 1,4 m 6 m .
+ Vùng hồng ngoại xa: 6m 1mm .
- Ánh sáng dùng trong thông tin quang: 800nm - 1600nm (nằm trong vùng hồng ngoại
gần và một phần vùng hồng ngoại giữa).
- Ba vùng bước sóng thông dụng được dùng trong các hệ thống thông tin quang được
gọi là 3 cửa sổ quang:
+ Cửa sổ 1: =850nm.
+ Cửa sổ 2: =1300nm
+ Cửa sổ 3: =1550nm.
3. Chiết suất khúc xạ
Ánh sáng có thể xem như là một chùm tia sáng. Các tia sáng lan truyền trong các
môi trường khác nhau với vận tốc khác nhau. Có thể xem các môi trường khác nhau cản trở
sự lan truyền ánh sáng bằng các lực khác nhau. Điều này được đặc trưng bằng chiết suất
khúc xạ của môi trường.
Chiết suất của một môi trường trong suốt (n) được xác định bởi tỉ số giữa vận tốc
ánh sáng truyền trong chân không với vận tốc của ánh sáng lan truyền trong môi trường ấy.
n
c
v
Trong môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng.
Hình 1.1: Sự truyền thẳng ánh sáng
2. Định luật phản xạ ánh sáng
Hiện tượng các tia sáng bị hắt trở lại theo các phương xác định khi chiếu tới một mặt
nhẵn bóng gọi là hiện tượng phản xạ ánh sáng.
N
S
S
i’
i
I
N
Hình1.2: Sự phản xạ ánh sáng
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang6
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
+ Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới.
trường tới.
+ Nếu n > 1 (ta nói môi trường khúc xạ chiết quang hơn môi trường tới) thì sini > sinr
hay i > r.
+ Nếu n < 1 (ta nói môi trường khúc xạ chiết quang kém môi trường tới) thì sini < sinr
hay i < r.
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang7
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
1’
Tia khúc xạ
r
2’
Môi trường 2: n2
Môi trường 1: n1
3
iT
3’
Trang8
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
2. Góc tới i thỏa mãn
i igh
Người ta ứng dụng nguyên tắc này để chế tạo sợi quang.
Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang được thể hiện trong hình vẽ sau:
Lớp áo (cladding) n2
n2
n
n1
Lõi (core) n1
Lớp áo (cladding) n2
Hình 1.5: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
III. CẤU TẠO SỢI QUANG
1. Những bậc thầy của công nghệ ánh sáng - Sợi quang
Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2009 vinh danh ba nhà khoa học, những người đã có vai
trò quan trọng trong việc định hình hình thành công nghệ thông tin hiện đại, với nửa giải trao
cho Charles Kuen Kao, và Sterling Boyle và George Elwood Smith thì cùng chia sẻ nửa giải
cáp quang. Chỉ có sợi quang mới có khả năng truyền tải những lượng lớn dữ liệu mà công
nghệ cảm biến ảnh điện tử mang lại.
Sự có mặt của ánh sáng
Nó đến thông qua ánh sáng mặt trời mà chúng ta nhìn ngắm thế giới. Tuy nhiên, phải
mất một thời gian dài trước khi loài người có được những kĩ năng cần thiết để điều khiển
ánh sáng và hướng nó vào một bộ dẫn sóng. Theo kiểu này, các tin nhắn đã mã hóa có thể
được truyền đi tới nhiều người một cách đồng thời.
Sự phát triển này đòi hỏi có hàng loạt phát minh, lớn và nhỏ, hình thành nên những nền
tảng cho xã hội thông tin hiện đại. Sợi quang đòi hỏi phải có công nghệ thủy tinh hiện đại để
phát triển và chế tạo. Một nguồn phát ánh sáng xác thực cũng là cần thiết và yêu cầu được
đáp ứng bởi công nghệ bán dẫn. Cuối cùng, cần có một hệ thống bố trí khéo léo được lắp
ghép và mở rộng, gồm có các transistor, các bộ khuếch đại, bộ chuyển mạch, máy phát và
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang10
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
máy thu, cũng như những đơn vị khác, cùng làm việc đồng bộ với nhau. Cuộc cách mạng
viễn thông trở thành hiện thực nhờ công sức của hàng nghìn nhà khoa học và nhà phát minh
từ khắp nơi trên thế giới.
Đùa với ánh sáng
Năm 1889, Hội chợ quốc tế ở Paris đã tổ chức lễ kỉ niệm 100 năm cuộc cách mạng
Pháp. Tháp Eiffel trở thành một trong những đài kỉ niệm nổi tiếng nhất của cuộc triển lãm
này. Tuy nhiên, có một trò chơi với ánh sáng chứng tỏ một viễn cảnh ít người nhớ tới hơn.
Ths. Hoàng Xuân Dinh
trong sợi quang, phản xạ trên thành thủy tinh và di chuyển về phía trước vì chiết suất của
thủy tinh cao hơn không khí xung quanh (xem hình 1.7)
Hình 1.7: Kích cỡ sợi quang chừng 125 micromet. Lõi sợi thường có đường kính
khoảng 10 micromet, nhỏ hơn một sợi tóc người. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55
micromet mang lại sự thất thoát thấp nhất và ngày nay được dùng trong truyền thông quang
học.
Giới y khoa đã sử dụng các sợi quang ngắn và đơn giản kể từ thập niên 1930. Với một
bó sợi thủy tinh mỏng mảnh, họ có thể nhìn vào dạ dày của bệnh nhân hoặc rọi sáng răng
trong khi phẫu thuật. Tuy nhiên, khi các sợi quang chạm vào nhau, chúng rò rỉ ánh sáng, và
chúng dễ dàng bị bong ra. Việc tráng bên ngoài sợi quang trần một lớp sơn phủ thủy tinh có
chiết suất thấp hơn có thể mang đến những cải thiện đáng kể trong thập niên 1960 đã lát
đường cho việc sản xuất ở quy mô công nghiệp các thiết bị dùng cho điều trị dạ dày và
những công dụng y khoa khác.
Tuy nhiên, đối với truyền thông đường dài, thì những sợi quang này là vô dụng. Ngoài
ra, chỉ có vài ba loại sợi thích hợp với ánh sáng quang học; đấy là thời đại của điện tử học và
công nghệ vô tuyến. Năm 1956, đường cáp xuyên đại dương đầu tiên được triển khai, và nó
có sức chứa 36 cuộc điện thoại đồng thời. Rồi các vệ tinh sớm đáp ứng các yêu cầu truyền
thông ngày càng tăng – hệ thống điện thoại phát triển một cách ngoạn mục và vô tuyến
truyền hình đòi hỏi dung lượng truyền tải ngày càng cao. So với sóng vô tuyến, ánh sáng
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang12
nhận vấn đề này là khả thi nhưng rất khó khăn. Mục tiêu là sản xuất thủy tinh có độ trong
suốt trước nay chưa từng đạt tới. Sự nhiệt tình của Kao đã truyền cảm hứng sang những
người khác cùng chia sẻ quan điểm với ông về tiềm năng tương lai của ngành quang học sợi.
Thủy tinh được sản xuất từ thạch anh, khoáng chất có hàm lượng phong phú nhất trên
Trái đất. Trong quá trình sản xuất, người ta cho thêm những chất phụ gia khác như soda và
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang13
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
lime vào để đơn giản hóa tiến trình. Tuy nhiên, để sản xuất thủy tinh tinh khiết nhất thế giới,
Kao cho rằng có thể sử dụng thạch anh nóng chảy, silic nóng chảy. Nó nóng chảy ở gần
2000 0C, một nhiệt độ khó làm chủ nhưng từ đó người ta có thể kéo ra những chỉ sợi cực
mảnh.
Bốn năm sau, năm 1971, các nhà khoa học tại Corning Glass Works ở Mĩ, một nhà sản
xuất thủy tinh với hơn 100 năm kinh nghiệm, đã chế tạo được một sợi quang dài 1 km bằng
các quá trình hóa học.
Chứa đầy ánh sáng
Các sợi cực mảnh chế tạo từ thủy tinh trông có vẻ như thật yếu ớt. Tuy nhiên, khi thủy
tinh được kéo chính xác thành một sợi chỉ dài, thì các tính chất của nó thay đổi hẳn. Nó trở
nên bền, nhẹ và dẻo, đó là điều kiện tiên quyết nếu như sợi quang bị chôn ngầm dưới nước
hoặc uốn cong ở những chỗ rẽ. Không giống như dây cáp đồng, sợi thủy tinh không nhạy
với tia sét, và không giống như truyền thông vô tuyến, sợi thủy tinh không bị ảnh hưởng bởi
thông dữ liệu trên khắp thế giới. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micromet ngày
nay được dùng trong mọi mạng truyền thông đường dài vì với ánh sáng này, sự thất thoát là
thấp nhất.
Dung lượng của mạng lưới cáp quang vẫn đang tăng lên ở tốc độ đáng ngạc nhiên –
việc truyền hàng nghìn gigabit mỗi giây không còn là một giấc mơ nữa. Phát triển công nghệ
hiện đang hướng tới xu thế truyền thông ngày một mang tính tương tác nhiều hơn, trong đó
mạng lưới cáp quang được thiết kế để đi tới mọi hang cùng ngõ hẻm, đến từng nhà và đến
với mỗi người chúng ta. Công nghệ ấy đang hiện diện. Còn việc chúng ta làm gì với nó thì
đó là một câu hỏi khác nữa.
2. Cấu tạo sợi quang
Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:
Sợi quang là những sợi thủy tinh dài, mỏng, rất tinh khiết và bằng khoảng đường kính
của một sợi tóc con người. Chúng được sắp xếp trong các bó gọi là cáp quang và được sử
dụng để truyền tín hiệu ánh sáng trên một khoảng cách dài.
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:
+ Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có
chiết suất n1, được gọi là lõi sợi, dùng để lan truyền ánh sáng.
+ Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding),
có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1, tránh bị trầy
xước trong suốt quá trình sản xuất cáp quang.
Ngoài 2 lớp cơ bản, sợi quang còn được bảo vệ bởi 2 lớp bên ngoài: lớp phủ, lớp vỏ.
- Lớp phủ:
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang15
Lớp bọc
Hình 1.8: Cấu trúc cơ bản của sợi quang
3. Đặc điểm của sợi quang
Khi kéo một sợi quang nó sẽ bị dãn dài ra và sau đó trở lại độ dài ban đầu của nó. Kéo
một sợi với lực đủ mạnh nó sẽ bị đứt gãy (bắt đầu tại một điểm yếu hay vết rạn bề mặt) sau
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang16
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
khi dãn dài khoảng 5%. Kéo một dây đồng nó sẽ dãn dài tới khoảng 30% và không trở về độ
dài ban đầu của nó. Như vậy sợi quang là đàn hồi và dây đồng là không đàn hồi.
Sợi quang có thể chịu ứng suất hàng trăm ngàn pao trên in vuông diện tích tiết diện. Về
lý thuyết, độ bền của sợi đạt tới 2000 kpsi, khoẻ hơn thép, nhưng trong thực tế sợi đứt gãy ở
những ứng suất thấp hơn, với những vết rạn bắt đầu từ các sai hỏng bề mặt, ứng suất đặt vào
trong sợi có thể gây nên những sai hỏng bề mặt mà sau này có thể dẫn tới phá hỏng cáp. Một
sợi tiêu chuẩn 125 m có diện tích tiết diện chỉ 0,000019 in.
Thực tế là những sợi quang hay gãy tại những vết rạn bề mặt gây một hậu quả nghiêm
trọng. Sợi càng dài có thể càng chứa nhiều vết rạn có thể gây gãy ở một ứng suất nhất định.
Các nhà sản xuất sợi thường có phép kiểm tra đơn giản loại bỏ những điểm yếu nhất trong
Hình 2.1: Sợi quang đơn mode
Là sợi quang mà trong đó chỉ có một tia sáng Axial được lan truyền là một tia chạy
song song với trục của sợi. Do đó, hiện tượng tán xạ ánh sáng không xuất hiện ở sợi quang
Singlemode. Điều này làm cho sợi quang Singlemode có băng thông lớn hơn và truyền dữ
liệu xa hơn so với sợi quang Multimode.
Hình 2.2: Ánh sáng lan truyền trong sợi đơn mode
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
MSSV:1090200
Trang18
Luận văn tốt nghiệp
Ths. Hoàng Xuân Dinh
Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một mode sóng
trong sợi, do đó độ tán xạ xấp xỉ bằng không.
Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10m), đường kính lớp
bọc 125m, độ lệch chiết suất =0,003, chiết suất lõi n=1,46.
Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của bước sóng
cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung trong không gian của
cường độ trường mode cơ bản.
Điều kiện để sợi làm việc ở chế độ đơn mode là thừa số sóng V của sợi tạo bước sóng
làm việc V
Số mode sóng truyền được trong một sợi quang phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó
số có tần số được chuẩn hóa V( Normalized Frequency). Tần số được chuẩn hóa V được xác
định như sau:
V
2
.a.NA k .a.NA
(2.1)
Với:
A: bán kính lõi sợi quang.
: bước sóng làm việc.
k
2
(2.2)
NA: khẩu độ số của sợi quang.
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương
(2.4)
( g 2)
(2.5)
-Số mode truyền được trong sợi GI:
N
V2
2
-Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số. giá trị điển hình:
Đường kính lõi: d=50 m .
Đường kính 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
- Có 2 loại sợi quang Multimode gồm:
1. Sợi quang Multimode chiết suất bậc (Step Index Multimode)
Hình 2.3: Sợi quang đa mode SI
Sợi quang có lõi (core) đồng nhất có chiết suất không đổi là n1 và lớp phản xạ ánh
sáng (cladding) xung quanh lõi có chiết suất n2 nên tại mặt phân cách vỏ-ruột chiết suất có
bước nhảy (n2 < n1).
SVTH: Nguyễn Lâm Thuỳ Dương