Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là:
- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về sợi quang
- Xây dựng hệ thí nghiệm khảo sátmột số tính chất vật lí của sợi quang.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: Tương tác giữa trường laser với sợi tinh thể quang tử
Phạm vi:Khảo sát sự suy hao và xác định khẩu độ số của sợi quang.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về sợi tinh thể quang tử nói chung, khẩu độ số và hiện tƣợng suy hao trong sợi quang nói riêng
- Xây dựng và thực nghiệm đo khẩu độ số, khảo sát suy hao trong sợi quang.
Phương pháp nghiên cứu đề tài
Sử dụng phương pháp thực nghiệm để tính độ suy hao và khẩu độ số của sợi quang
TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG
Lịch sử phát triển sợi quang
Trong suốt lịch sử phát triển của nhân loại, việc giao tiếp và trao đổi thông tin giữa con người đã trở thành một nhu cầu thiết yếu Điều này không chỉ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia mà còn là yếu tố quyết định góp phần vào sự tiến bộ của nền văn minh nhân loại.
Sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến đã thúc đẩy việc sử dụng ánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin hiệu quả Mặc dù môi trường truyền dẫn truyền thống như cáp đồng vẫn còn được sử dụng, thông tin quang đã tiến bộ vượt bậc theo thời gian với nhiều mốc lịch sử quan trọng.
Vào năm 1790, kỹ sư người Pháp Claude Chappe đã phát minh ra hệ thống điện báo đầu tiên, bao gồm một chuỗi các tháp với đèn báo hiệu Hệ thống này cho phép truyền tải tin tức qua khoảng cách 200km chỉ trong 15 phút.
Năm 1870, nhà vật lý người Anh John Tyndall đã chứng minh rằng ánh sáng có thể được dẫn truyền qua các ống nước uốn cong nhờ nguyên lý phản xạ toàn phần, một nguyên lý vẫn được ứng dụng trong công nghệ thông tin quang hiện nay.
Năm 1880, Alexander Graham Bell, một nhà phát minh người Mỹ, đã giới thiệu hệ thống thông tin Photophone, cho phép truyền tải âm thanh bằng ánh sáng qua không khí Tuy nhiên, công nghệ này chưa được áp dụng thực tế do gặp phải nhiều vấn đề về nhiễu tín hiệu.
- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ nhận bằng sáng chế hệ thống thông tin quang,sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyềndẫn
- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES xây dựng và phát triểnLaser
- 1960: THEODOR H MAIMAN đƣa laser vào hoạt động thànhcông
- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn đƣợc thừa nhận Vấn đề còn lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thíchhợp
- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM hai kĩ sƣ phòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh đề xuất dùng sợi thuỷ tinh
4 dẫn ánh sáng nhƣng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao quá lớn (ở khoảng1000dB/Km)
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng1310nm
- 1972: Loại sợi GI đƣợc chế tạo với độ suy hao 4[dB/km]
- 1978: Ý tưởng về sợi quang cách tử Bragg
- 1992: Ý tưởng về sợi quang tử lõi khí
- 1996: Chế tạo thành công sợi quang đơn mode vỏ quang tử
- 1997: Sợi quang tử đơn mode không giới hạn
- 1999: Sợi quang tử vùng cấm có lõi khí
- 2000: Sợi quang tử lƣỡng chiết cao và Phát siêu liên tục
- 2001: Chế tạo thành công sợi quang Bragg
- 2002: Sợi quang tử với tán sắc siêu phẳng
- 2003: Sợi quang Bragg với thủy tinh và lõi khí.
Một số ứng dụng của sợi quang
Sợi quang hoạt động như một ống dẫn sóng, cho phép ánh sáng truyền dọc theo trục của nó Để đảm bảo ánh sáng có thể truyền qua, sợi quang cần phải trong suốt với dải tần số làm việc Do đó, sợi quang thường được chế tạo từ thủy tinh thạch anh có chỉ số chiết suất n = 1.5 hoặc từ chất dẻo với độ tổn hao thấp.
Hình 1.1.Cấu trúc sợi quang
Sợi quang được cấu tạo từ hai lớp điện môi, với chiết suất lõi 𝑛1 lớn hơn chiết suất vỏ 𝑛2 Kích thước của sợi quang rất nhỏ, trong đó lõi sợi có đường kính khoảng từ 10 đến 50 micromet, còn vỏ sợi có đường kính 125 micromet.
5 bảo vệ sợi quang tránh những tác động cơ học lên sợi người ta bọc thêm một lớp chất dẻo bên ngoài, thường là polyme
Sợi quang đã trở thành công cụ cách mạng trong y học, đặc biệt trong lĩnh vực nội soi, giúp bác sĩ hiển thị hình ảnh, chẩn đoán và chữa bệnh hiệu quả hơn Những sợi quang mềm, nhỏ gọn có khả năng thâm nhập vào các bộ phận bên trong cơ thể mà các phương pháp khác không thể tiếp cận Bác sĩ có thể chiếu ánh sáng qua sợi quang để quan sát ánh sáng phản xạ từ các cơ quan nội tạng và mạch máu, từ đó phát hiện những chi tiết nhỏ Khi kết hợp với các kỹ thuật chẩn đoán khác, sợi quang hỗ trợ phân tích thành phần máu, đo tốc độ lưu thông, áp suất máu, áp suất thẩm thấu của tế bào, cũng như kiểm tra nồng độ độc tố, hormone và thuốc trong cơ thể.
Sợi quang được ứng dụng rộng rãi trong ngành thông tin liên lạc, cho phép các hệ thống mạng máy tính truyền tải thông tin nhanh chóng và hiệu quả Ánh sáng trong sợi cáp quang có thể di chuyển hàng trăm km mà không cần điện áp bổ sung, mang lại sự cải thiện vượt trội so với hệ thống truyền tin bằng điện Việc truyền thông qua cáp quang ít hao hụt năng lượng và không cần hệ thống làm mát phức tạp Hơn nữa, ánh sáng không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng giao thoa sóng điện, giúp giảm thiểu méo tín hiệu Cáp quang cũng linh hoạt hơn, dễ uốn cong và có giá thành rẻ hơn nhiều so với dây đồng, đồng thời có khả năng mang nhiều thông tin hơn Một sợi cáp quang kết hợp với laser có thể truyền tải cuộc gọi điện thoại và chương trình truyền hình một cách hiệu quả.
Sợi quang có nhiều công dụng trong viễn thám Trong một số ứng dụng,
Sợi quang là một trong 6 loại cảm biến chính, thường được sử dụng để kết nối với bộ cảm biến sợi quang Sợi quang có kích thước nhỏ gọn, không cần nguồn điện ở những khu vực xa xôi, và cho phép nhiều cảm biến hoạt động song song bằng cách sử dụng các bước sóng ánh sáng khác nhau hoặc cảm nhận thời gian trễ của ánh sáng khi đi qua từng cảm ứng.
Cảm biến bên ngoài mang lại lợi ích lớn nhờ khả năng tiếp cận những khu vực khó khăn, như việc đo nhiệt độ bên trong động cơ phản lực thông qua cáp truyền bức xạ tới hỏa kế bên ngoài Chúng cũng có thể được sử dụng để đo nhiệt độ bên trong máy biến áp điện, nơi mà các phương pháp đo lường khác bị hạn chế do ảnh hưởng của cực trường điện Ngoài ra, cảm biến bên ngoài còn có khả năng đo lường độ rung, xoay, di dời, vận tốc, gia tốc và mô-men xoắn.
Cảm biến sợi quang được sử dụng phổ biến trong các hệ thống bảo vệ phát hiện xâm nhập tiên tiến Ánh sáng được truyền qua cáp cảm biến sợi quang đặt trên hàng rào, đường ống, hoặc hệ thống cáp thông tin liên lạc Các tín hiệu phản hồi từ cáp sẽ được theo dõi và phân tích để phát hiện rối loạn Tín hiệu này được xử lý kỹ thuật số nhằm phát hiện sự xâm phạm và phát đi cảnh báo kịp thời.
Cáp quang không chỉ mang lại những ứng dụng truyền thông vượt trội mà còn mở ra tiềm năng mới trong lĩnh vực cảm biến Sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị cảm biến sợi quang hứa hẹn sẽ tạo ra nhiều cơ hội trong tương lai.
Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang
1.3.1 Mô tả quang hình học quá trình lan truyền ánh sáng trong sợi quang
Quá trình dẫn ánh sáng trong sợi quang có thể được giải thích qua lý thuyết quang hình, mặc dù đây chỉ là một mô tả gần đúng cho quá trình dẫn sóng ánh sáng Lý thuyết này áp dụng hiệu quả cho các sợi quang có bán kính lõi a lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng λ, vì vậy nó thường được sử dụng trong lĩnh vực này.
7 chỉ đúng đối với sợi quang đa mode a Sợi quang chiết suất bậc (SI)
Trong sợi chiết suất bậc, cơ chế truyền dẫn ánh sáng được mô tả qua lý thuyết tia Khi tia sáng đi vào lõi sợi từ môi trường ngoài có chiết suất n0 với góc θi so với trục sợi, tia sáng sẽ bị khúc xạ về phía trục sợi do chiết suất của môi trường ngoài thường nhỏ hơn chiết suất lõi sợi Góc khúc xạ θr được xác định theo định luật Snell: n0 sinθi = n1 sinθr.
Tia sáng tiếp cận bề mặt giữa lõi và vỏ với góc tới ф Nếu góc này nhỏ hơn góc tới hạn фc, tia sáng sẽ bị khúc xạ ra ngoài vỏ; ngược lại, nếu lớn hơn góc tới hạn, tia sáng sẽ phản xạ toàn phần trong lõi sợi và truyền trong sợi quang Góc tới hạn được xác định theo định luật Snell với công thức: sin фc = n2 / n1 Chỉ những tia sáng có góc ф lớn hơn фc mới bị giữ lại trong sợi quang nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần.
0sin i 1sin c 1 2 n n n n (1.3) ở đây θr =π/2 - фc Phương trình (1.3) cũng định nghĩa khẩu độ số (Numerical Apature – NA) của sợi chiết suất bậc [3]:
NA = n1(2∆) 1/2, với ∆ = (n1 - n2)/n1, trong đó ∆ đại diện cho độ lệch chiết suất tương đối giữa lõi và vỏ Khẩu độ số liên quan đến góc vào lớn nhất của tia sáng vào sợi quang, thể hiện khả năng tiếp nhận ánh sáng của sợi quang và ảnh hưởng đến hiệu suất ghép cặp công suất quang của nó.
Hình 1.2 Mô tả quang hình cơ chế lan truyền ánh sáng trong sợi SI
Dưới góc nhìn lý thuyết tia, mode sợi quang được coi là một loại tia sáng di chuyển trong sợi với góc xác định Khi ánh sáng vào sợi đa mode chiết suất bậc, nó sẽ lan truyền qua nhiều mode, tức là nhiều tia sáng với các góc khác nhau Vì chiết suất của lõi trong sợi chiết suất bậc là không đổi, các tia sáng sẽ di chuyển thẳng trong lõi và phản xạ toàn phần tại bề mặt giữa lõi và vỏ, tạo ra quỹ đạo zig-zac Sự lan truyền của các tia ở các góc khác nhau dẫn đến quãng đường đi khác nhau, gây ra hiện tượng tán sắc mode và làm méo dạng xung quang trong quá trình truyền.
Có 2 loại tia sáng lan truyền trong sợi quang: tia kinh tuyến (tia thẳng) và tia xiên Các tia kinh tuyến là các tia bị giam hãm trong mặt phẳng đi qua trục tâm sợi Một tia kinh tuyến xác định chỉ phản xạ toàn phần dọc theo sợi quang trong một mặt phẳngđơn
Các tia xiên di chuyển theo đường xoáy ốc dọc theo sợi quang, không bị giới hạn trong một mặt phẳng đơn đi qua tâm Mặc dù sợi quang có khả năng hỗ trợ các tia xiên, nhưng chúng dễ bị tán xạ khi gặp các điểm uốn cong hoặc khuyết tật, và thường trải qua sự suy hao lớn hơn so với các tia kinh tuyến.
Hình 1.3 Mô tả hình học sự lan truyền của tia xiên trong sợi quang b Sợi quang chiết suất biến đổi
Sợi chiết suất biến đổi có đặc điểm là chiết suất lõi giảm dần theo khoảng cách từ tâm sợi Mặt cắt chiết suất của sợi có thể được mô tả một cách tổng quát như sau:
Hệ số mặt cắt chiết suất α xác định dạng biến đổi của mặt cắt chiết suất trong lõi sợi, với a là bán kính lõi sợi và r là khoảng cách xuyên tâm Đa số các sợi có chiết suất biến đổi có dạng mặt cắt parabol, trong đó α thường bằng 2.
Khẩu độ số của sợi chiết suất biến đổi bên trong lõi phụ thuộc vào vị trí trên mặt cắt lõi sợi, do chiết suất biến đổi Tại vị trí r, khẩu độ số được xác định bởi một hàm cụ thể.
NA r ( ) 0 , n>a trong đó NA(0) là khẩu độ số tại tâm sợi
Nhƣ vậy, khẩu độ số của sợi GI giảm dần từ NA(0) đến 0 khi r dịch từ trục sợi tới biên giữa lõi và vỏ
Sự biến đổi chiết suất trong lõi sợi làm cho tia sáng không truyền thẳng mà bị uốn cong Quỹ đạo của tia sáng có thể được mô tả gần đúng bằng một phương trình nhất định.
Trong bài viết này, chúng ta xem xét phương trình (1.8) với r là khoảng cách của tia so với trục, và khi α = 2, nghiệm của phương trình có dạng r = r0 cos(pz) + (r / )sin(pz)0, với p = Δ(2/a^2)^(1/2) và r0, r0' là vị trí và hướng của tia đi vào sợi Quỹ đạo các tia sáng trong sợi GI có hình dạng đường cong hình sin, và phương trình (1.9) cho thấy các tia sẽ phục hồi vị trí và hướng ban đầu tại khoảng cách z = 2mπ/p, với m là số nguyên Do đó, sợi mặt cắt parabol không biểu thị tán sắc mode, mặc dù sợi chiết suất biến đổi vẫn có tán sắc mode nhưng nhỏ hơn nhiều so với sợi chiết suất bậc.
Cũng nhƣ sợi SI, có hai loại tia gồm tia kinh tuyến và tia xoắn đƣợc hỗ trợ
Khi lan truyền trong sợi, các tia xoắn không đi qua trục sợi mà bị uốn cong, tạo thành các vòng xoắn chiếu trên mặt cắt lõi sợi.
Hình 1.4 Quỹ đạo của tia sáng trong sợi GI
1.3.2 Lý thuyết truyền sóng Để hiểu đƣợc bản chất mode truyền ánh sáng và các đặc tính truyền dẫn khác trong sợi quang, đặc biệt trong sợi đơn mode, lý thuyết truyền sóng sử dụng hệ phương trình Maxwell cần được sử dụng
Các hiện tượng sóng điện từ và quá trình lan truyền của trường quang học trong sợi quang được mô tả qua hệ phương trình Maxwell Hệ phương trình này thể hiện mối quan hệ giữa điện trường (E) và từ trường (B), cùng với sự thay đổi theo thời gian (t).
là vectơ cường độ điện trường,
là vectơ cảm ứng điện,
là vectơ cường độ từ trường,
là vectơ cảm ứng từ,
J là vectơ mật độ dòng, ρ là mật độ điện tích tự do Đối với môi trường như sợi quang thì không có điện tích tự do nên J 0 và
0 Các vectơ cảm ứng liên hệ với các vectơ cường độ trường qua các hệ thức:
Suy hao trong sợi quang
Suy hao là yếu tố quan trọng trong sợi quang, ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống thông tin quang Nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuếch đại quang trong đường truyền.
1.4.1 Hệ số suy hao sợiquang
Khi ánh sáng di chuyển trong sợi quang, công suất sẽ giảm theo hàm mũ theo khoảng cách Cụ thể, nếu P(0) là công suất quang tại điểm z = 0, thì công suất P(z) tại khoảng cách z sẽ giảm xuống.
Hệ số suy hao của sợi quang, ký hiệu là α, có đơn vị là m⁻¹ hoặc km⁻¹, và cũng có thể được gọi là neper Để đơn giản hóa quá trình tính toán suy hao tín hiệu trong sợi quang, việc hiểu rõ hệ số suy hao này là rất quan trọng.
16 thường sử dụng đơn vị dB/km và được xác định bởi:
Tham số này đặc trưng cho suy hao sợi quang và phụ thuộc vào bước sóng Khi công suất quang được đo bằng dBm, hệ số suy hao có thể được xác định một cách chính xác.
Sợi quang có mức suy hao rất nhỏ, đặc biệt khi chiều dài sợi ngắn, dẫn đến P(0) = P(z) và α = 0 dB/km Trong thực tế, suy hao của sợi quang rất thấp, cho phép truyền dẫn ở khoảng cách vài chục km với tốc độ cao Suy hao chủ yếu do sự hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh, trong đó ta tập trung vào sự suy hao do hấp thụ.
1.4.2 Nguyên nhân gây suy hao
Suy hao tín hiệu trong sợi quang có nhiều nguyên nhân, trong đó ba nguyên nhân chính bao gồm suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao do uốn cong Quá trình hấp thụ là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu quang.
Quá trình hấp thụ trong sợi quang được chia thành hai loại chính: suy hao do hấp thụ thuần và suy hao do hấp thụ ngoài Suy hao do hấp thụ thuần liên quan đến sự hấp thụ của thủy tinh tinh khiết, trong khi suy hao do hấp thụ ngoài được gây ra bởi các tạp chất trong thủy tinh Hình 1.5 minh họa phổ suy hao của sợi quang và sự phụ thuộc vào bước sóng của các cơ chế suy hao cơ bản Mọi vật liệu đều hấp thụ tại các bước sóng nhất định tương ứng với tần số cộng hưởng điện tử và dao động của các phân tử cụ thể Đối với SiO2, tần số cộng hưởng điện tử xảy ra ở vùng cực tím (l < 0,4 µm), trong khi tần số cộng hưởng dao động nằm trong vùng hồng ngoại (l > 7 µm) Do bản chất cấu trúc của thủy tinh, các tần số cộng hưởng này tạo thành các dải hấp thụ với các đuôi mở rộng vào vùng nhìn thấy Suy hao do hấp thụ ngoài xuất hiện do sự hiện diện của các tạp chất.
17 tạp chất trong nền thủy tinh Các tạp kim loại chuyển tiếp nhƣ Fe, Cu, Co, Ni,
Mn và Cr có khả năng hấp thụ mạnh trong dải bước sóng 0,6 – 1,6 µm Để đạt được mức suy hao nhỏ hơn 1 dB/km, lượng tạp chất cần được giảm xuống dưới 1 phần tỉ (ppb) Việc sản xuất thủy tinh có độ tinh khiết cao như vậy có thể thực hiện được nhờ các kỹ thuật chế tạo hiện đại.
Hình 1.5 Phổ suy hao của sợi quang và sự phụ thuộc bước sóng của một số cơ chếsuy hao cơ bản[5]
Nguồn hấp thụ chính trong sợi thủy tinh hiện nay là hơi nước, với tần số cộng hưởng của ion OH xảy ra gần 2,73 µm Các tần số hài và tổ hợp của nó với thủy tinh tạo ra sự hấp thụ tại các bước sóng 1,39 µm, 1,24 µm và 0,95 µm Ba đỉnh phổ này, như thấy trong hình 1.5, là do sự có mặt của hơi nước dư trong thủy tinh, với nồng độ chỉ 1 phần triệu (ppm) có thể gây suy hao khoảng 50 dB/km tại 1,39 µm Các sợi quang hiện đại đã giảm nồng độ OH dư xuống dưới 1 ppb để hạ thấp đỉnh 1,39 µm xuống dưới 1 dB Trong một loại sợi quang mới gọi là sợi khô, nồng độ OH được giảm xuống rất thấp, gần như triệt tiêu đỉnh 1,39 µm như thể hiện trong hình 1.6.
Hình 1.6 Phổ suy hao và đặc tính tán sắc của sợi quang [5] b Quá trình tán xạ
Tán xạ Rayleigh là cơ chế suy hao cơ bản do sự thăng giáng mật độ vi mô trong thủy tinh vô định hình, nơi các phân tử SiO2 kết nối ngẫu nhiên Sự thăng giáng này, cùng với sự pha tạp để thay đổi chiết suất, tạo ra biến đổi chiết suất nhỏ hơn bước sóng, dẫn đến tán xạ ánh sáng Khi ánh sáng bị tán xạ, một phần năng lượng có thể thay đổi hướng lan truyền, thậm chí ngược lại, gây ra suy hao Mức suy hao do tán xạ Rayleigh ở các sợi thủy tinh phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
Hằng số C trong khoảng 0,7 – 0,9 (dB/km) phụ thuộc vào thành phần của lõi sợi, với giá trị R = 0,12 − 0,16 dB/km tại λ= 1,55 Điều này cho thấy suy hao sợi quang chủ yếu do tán xạ Rayleigh gây ra ở bước sóng này.
Hình 1.7 Mô tả quá trình tán xạ Rayleigh trong sợi quang [5]
Do phụ thuộc vào bước sóng λ –4, tán xạ Rayleigh có thể giảm xuống dưới 0,01 dB/km cho các bước sóng dài hơn 3 µm Tuy nhiên, sợi thủy tinh không thể sử dụng trong vùng bước sóng này do hấp thụ hồng ngoại bắt đầu chiếm ưu thế sau 1,6 µm Các nỗ lực đã được thực hiện để tìm kiếm vật liệu phù hợp có mức hấp thụ nhỏ sau 2 µm Sợi fluorozirconate (ZrF4) có mức hấp thụ lý tưởng khoảng 0,01 dB/km gần 2,55 µm, nhưng vẫn gặp phải mức suy hao thực tế khoảng 1 dB/km do hấp thụ ngoài.
Ngoài tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie cũng có thể xảy ra trong sợi quang do các khuyết tật cấu trúc, dẫn đến sự không đồng đều về chiết suất ở cỡ dài hơn bước sóng Tuy nhiên, mức đóng góp của tán xạ Mie là không đáng kể khi quá trình chế tạo sợi được giám sát và kiểm soát chặt chẽ, với các biến đổi giữ ở mức nhỏ hơn 1% và suy hao do tán xạ chỉ dưới 0,03 dB/km.
Suy hao do uốn cong sợi là hiện tượng suy hao ánh sáng bên ngoài bản chất của sợi quang khi sợi bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định Hiện tượng này dẫn đến việc phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi, làm giảm cường độ ánh sáng lan truyền trong lõi sợi Có hai loại uốn cong sợi cần lưu ý.
- Uốn cong vĩ mô hay uốn cong lớn có bán kính uốncong lớn tương đương hoặc lớn hơn so với đường kính sợi
- Uốn cong vi mô hay vi uốn congthường liên quan đến quá trình chế tạo cáp
Hiện tƣợng suy hao do uốn cong có thể thấy đƣợc khi góc tới lớn hơn góc
20 tới hạn ở các vị trí uốn cong [7]
Hình 1.8 Mô tả suy hao uốn cong theo lý thuyết tia Tại chỗ uốn cong các tia thay đổi góc [7]
Suy hao do uốn cong lớn xảy ra trong quá trình sử dụng cáp sợi quang, khi các tia sáng thay đổi góc lan truyền tại vị trí uốn cong Một số tia có góc tới lớn hơn góc tới hạn sẽ bị khúc xạ ra ngoài vỏ do hiện tượng phản xạ toàn phần Theo lý thuyết trường mode, mỗi mode dẫn trong sợi có đuôi trường quang giảm dần theo hàm mũ trong lớp vỏ, và khi sợi bị uốn cong, đuôi trường ở phía xa tâm bán kính cong phải dịch chuyển nhanh hơn để theo kịp trường quang trong lõi Tại khoảng cách tới hạn x C từ tâm sợi, đuôi trường sẽ không thể dịch chuyển với tốc độ ánh sáng, dẫn đến việc năng lượng quang trong đuôi trường lớn hơn x C sẽ bức xạ ra ngoài sợi.
Hình 1.9 Phác họa trường mode cơ bản trong đoạn sợi bị uốn cong [5]
Kết luận chương 1
Chương này trình bày lịch sử phát triển và ứng dụng của sợi quang, từ lý thuyết lan truyền ánh sáng qua hai quan điểm: quang hình học và lượng tử Theo quan điểm quang hình học, chúng tôi xác định khẩu độ số của sợi quang, yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình lan truyền ánh sáng Trong khi đó, từ quan điểm lượng tử, chúng tôi phát triển phương trình lan truyền xung và phân tích các yếu tố gây mất mát trong quá trình này Dựa trên lý thuyết đã trình bày, chúng tôi tiến hành đo khẩu độ số và khảo sát sự mất mát do uốn cong trong sợi quang, nội dung sẽ được tiếp tục trong chương 2 của luận văn.
XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆMKHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA SỢI QUANG
Khảo sát khẩu độ số của sợi quang
2.1.1 Lắp ráp hệ thí nghiệm Để khảo sát các tính chất của sợi quang chúng ta cần phải giải quyết đƣợc vấn đề là đƣa đƣợc ánh sáng lan truyền trong sợi quang Do sợi quang có cấu trỳc cỡ àm nờn việc đƣa ỏnh sỏng lan truyền trong sơi quang để tiến hành khảo sát là một khó khăn rất lớn Vì vậy, để khảo sát đƣợc các tính chất vật lý của sợi quang trước hết chúng tôi xây dựng thí nghiệm nhằm điều chỉnh ánh sáng vào sợi quang, sau đó thiết kế và lắp ráp hệ thí nghiệm đo khẩu độ số của sợi quang
Sơ đồ nguyên lý và hệ thí nghiệm nhƣ hình 2.1
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm đo khẩu độ số
Chúng tôi đã lắp ráp hệ thí nghiệm bằng các thiết bị nêu trên và tiến hành thực nghiệm, cũng như xử lý các kết quả đo được Hệ thí nghiệm thực tế được thể hiện qua hình ảnh 2.2.
Hình 2.2 Hệ thí nghiệm khảo sát khẩu độ số của sợi quang
Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng nguồn laser S1FC635PM từ hãng Thorlabs, với bước sóng 635 nm và công suất đầu ra tối thiểu là 2.5 mW.
Nguồn laser đơn mode model S1FC635PM của hãng Thorlab được sử dụng để hội tụ chùm song song vào sợi quang Để thực hiện điều này, chúng tôi đã áp dụng các vật kính có độ tụ L: 10X, 20X và 40X từ hãng Newsport.
Khảo sát khẩu độ số của sợi quang, chúng tôi thực nghiệm trên sợi quang học đơn mode dùng trong hệ thống internetvà sợi PCF
Sợi quang sử dụng trong internet bao gồm ba lớp: lớp lõi trong suốt với chỉ số khúc xạ n2, lớp vỏ trong suốt có chỉ số khúc xạ n1 (với n2 > n1), và lớp đệm bên ngoài được sơn màu xanh.
Chúng tôi sử dụng thanh ray trượt để di chuyển màn ảnh, kết hợp với thước dây để đo khoảng cách di chuyển của màn ảnh, nhằm tối ưu hóa việc hứng chùm sáng sau khi rời khỏi sợi quang.
Hình 2.5 Sợi quang đơn mode
2.1.2 Khảo sát khẩu độ số của sợi quang đơn mode
Chúng tôi đã hoàn thiện công đoạn lắp ráp hệ thí nghiệm và điều chỉnh ánh sáng chiếu vào sợi quang Sử dụng camera CCD, chúng tôi quan sát ánh sáng phát ra sau khi đi qua sợi quang, với kết quả được trình bày trong hình 2.6.
Hình 2.6 Hình ảnh ánh sáng lan truyền trong sợi quang thường
Hình 2.7 Hình ảnh ánh sáng lan truyền trong sợi quang PCF
Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã xác định chiều dài từ đầu sợi quang đến màn chắn và đo bán kính của chùm sáng trên màn ánh Kết quả thu được cho thấy các thông số quan trọng liên quan đến sự truyền dẫn ánh sáng qua sợi quang, góp phần vào việc hiểu rõ hơn về hiệu suất và ứng dụng của công nghệ quang học.
Bảng 2 Số liệu đo khẩu độ số của sợi quang SM 600- ( 633nm- 780nm)
Lần đo Chiều dài từ đầu sợi quang đến màn chắn x (mm)
Bán kính độ rộng của chùm sáng trên màn chắn (mm)
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của độ rộng chùm tia vào khoảng cách giữa nguồn và màn chắn đối với sợi quang thông thường
Từ các số liệu thu đƣợc chúng tôi xác định đƣợc: x = 𝑥 ∆x = (86,8 33,2)mm; ∆x = ∆𝑥 + ∆xdc= 32,2 + 1= 33,2mm y = 𝑦 ∆y =(17,0465 5,233)mm; ∆y = ∆𝑦 + ∆ydc= 5,233+ 16,233mm
Từ đồ thị chúng ta có: tan max =y/x=0.1877 Do góc nhỏ vì vậy chúng tôi xác đinh đƣợc khẩu độ số:
NA= sin max = 0.1877 Tiến hành hoàn toàn tương tự chúng tôi xác định khẩu độ số của sợi quang PCF.Số liệu thực nghiệm trình bày trong bảng 3
Bảng 3 Số liệu đo khẩu độ số của sợi quang PCF
Lần đo Chiều dài từ đầu sợi quang đến màn chắn x (mm)
Bán kính độ rộng của chùm sáng trên màn chắn (mm)
Hình 2.9 Sự phụ thuộc của độ rộng chùm tia vào khoảng cách giữa nguồn và màn chắn đối với sợi quang PCF
Từ các số liệu thu đƣợc chúng tôi xác định đƣợc: x = 𝑥 ∆x = (13,8 5,96)mm; ∆x = ∆𝑥 + ∆x dc = 5,96 + 1= 6,96mm y = 𝑦 ∆y =(5,6505 1,0089)mm ; ∆y = ∆𝑦 + ∆ydc= 1,0089+ 1= 2,0089mm
Từ đồ thị chúng ta cótan max =y/x=0.2886 Do góc nhỏ vì vậy chúng tôi xác đinh đƣợc khẩu độ số:
Khẩu độ số NA = sinθ max = 0.2866 cho thấy rằng nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng đưa ánh sáng vào sợi quang Thông số này là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng việc đưa ánh sáng vào sợi quang PCF dễ dàng hơn so với sợi quang thông thường Hơn nữa, sợi quang PCF có hiệu suất ghép ánh sáng cao hơn so với sợi quang thông thường, mang lại lợi ích vượt trội trong việc sử dụng ánh sáng.
Khảo sát sự suy hao do uốn cong
2.2.1 Lắp ráp hệ thí nghiệm
Chúng tôi đã thực hiện lắp ráp hệ thống thí nghiệm để khảo sát sự suy hao do uốn cong khi xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang Sơ đồ nguyên lý của thí nghiệm được thể hiện trong hình 2.10, trong khi hình 2.11 minh họa hệ thống thí nghiệm thực tế.
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm khảo sát suy hao trong sợi quang
Hình 2.11 Hệ thí nghiệm khảo sát sự mất mát của xung lan truyền trong sợi quang đơn mode
Nguồn laser SRC: Để nghiên cứa sự lan truyền xung trong sợi quang nên chúng tôi sử dụng nguồn phát xung laser 1064nm
Hình 2.12 Nguồn laser phát xung bước sóng 1064nm
Kính lọc Thorlabs KNDC-100C-4M - Bộ lọc ND liên tục đƣợc thay đổi, ỉ100 mm, OD: 0 - 4.0: Để thay đổi cường độ của nguồn laser chiếu vào sợi quang
Kính lọc trung hòa KNDC-100C-4M của hãng Thorlab được sử dụng để hội tụ chùm song song từ nguồn laser vào sợi quang Để đạt được hiệu quả tối ưu, chúng tôi sử dụng các vật kính có độ tụ L: 10X, 20X, và 40X của hãng Newsport.
Sợi quang đơn mode được sử dụng trong truyền tải mạng cáp quang internet có cấu trúc gồm ba lớp: lớp lõi trong suốt với chiết suất n1, lớp vỏ trong suốt với chiết suất n2, và lớp bảo vệ bên ngoài Khảo sát suy hao tín hiệu trong sợi quang này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất truyền tải dữ liệu tối ưu.
(n 1 > n 2 ), ngoài cùng là lớp đệm đƣợc sơn xanh phủ bên ngoài)
CCD camera đặt sau sợi quang để quan sát chùm ánh sáng ra sau khi đƣợc truyền qua sợi quang
Phổ kế Avantes là thiết bị kết nối với máy tính, sử dụng phần mềm Avasoft 8.5.1.0, cho phép người dùng thu được hình ảnh phổ của xung với bước sóng trong khoảng từ 850nm đến 1800nm.
Hình 2.16 Phổ kế Avantes spectromecter
Hình 2.17 Phần mềm Avasolt 8.5.1.0 kết nối với phổ kế
XYZ satge: Bộ điều chỉnh tịnh tiến XYZ nhằm điều chỉnh ánh sáng đi vào sợi quang
Để khảo sát suy hao do uốn cong khi xung lan truyền trong sợi quang đơn mode, chúng tôi đã sử dụng một đoạn sợi quang dài 2 m Ánh sáng được đưa vào sợi quang và công suất đầu vào được cố định bằng bộ kính lọc, đồng thời đầu vào ánh sáng cũng được cố định với sợi quang Kết quả được thu nhận cho trường hợp sợi quang thẳng và xác định xung ra như thể hiện trong hình 2.19.
Hình 2.19 Xung ánh sáng sau khi lan truyền qua sợi quang thẳng
Chúng tôi đã giữ nguyên các thông số đầu vào và thay đổi độ cong của sợi quang bằng cách quấn nó vào các ống tròn có bán kính khác nhau Kết quả khảo sát được trình bày như hình 2.20.
Hình 2.20 Xung ánh sáng truyền qua sợi quang bị uốn cong
Khảo sát cho trường hợp giữ nguyên bán kính cong nhưng uốn thành nhiều vòng Kết quả khảo sát ảnh hưởng của sự uốn cong nhiều vòng với
34 cùng một bán kính giống nhau, kết quả thu đƣợc nhƣ hình 2.21:
Hình 2.21 Xung ánh sáng truyền qua sợi quang bị uốn cong cùng bán kính nhƣng với số vòng khác nhau
Hiện tượng suy hao do uốn cong ở sợi quang không phải là vấn đề của bản chất sợi mà là do cách lắp đặt và sử dụng Khi ánh sáng chiếu vào sợi quang bị uốn cong, một phần ánh sáng sẽ thoát ra ngoài lớp vỏ bọc Nếu sợi quang bị uốn cong ít (bán kính cong lớn), chỉ một lượng nhỏ ánh sáng bị mất mát Tuy nhiên, khi sợi quang bị uốn cong nhiều hơn (bán kính cong nhỏ), mức độ suy hao sẽ gia tăng đáng kể.
Kết quả từ hình 2.20 cho thấy rằng, khi bán kính cong R1 > R2 > R3, sự mất mát năng lượng của xung ánh sáng tăng lên khi bán kính uốn cong tăng.
Từ hình 2.21, khi uốn cong sợi quang ở cùng một bán kính nhƣng số vòng khác nhau thì sự suy hao cũng tăng dần theo số vòng quấn
Các kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy rằng để giảm suy hao khi lan truyền xung trong sợi quang, cần kéo thẳng sợi quang và nếu phải uốn cong, bán kính uốn cong nên càng lớn càng tốt Điều này sẽ giúp giảm đáng kể suy hao trong quá trình lan truyền xung.
Trong chương này, chúng tôi đã thiết lập một hệ thống thí nghiệm để nghiên cứu khẩu độ số và phân tích sự suy hao do uốn cong khi truyền xung trong sợi quang.
Kết quả thực nghiệm khảo sát khẩu độ số trên sợi quang thông thường và sợi PCF cho thấy hiệu suất ghép nguồn của sợi quang PCF vượt trội hơn so với sợi quang thông thường Điều này khẳng định tính ưu việt của sợi PCF so với các loại sợi quang đang được sử dụng phổ biến hiện nay.
Khảo sát sự suy hao do uốn cong khi truyền xung trong sợi quang đơn mode, loại sợi quang phổ dụng trong hệ thống internet, cho thấy kết quả thực nghiệm có ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu này giúp khuyến cáo các nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng trong việc sử dụng cáp quang, nhằm hạn chế suy hao tín hiệu truyền dẫn.
Trong bài viết này, chúng tôi đã khám phá sự phát triển của sợi quang và nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang từ hai quan điểm: quang hình học và lượng tử, thông qua hệ phương trình Maxwell Bên cạnh đó, chúng tôi cũng đã tóm tắt một số đặc tính vật lý của sợi quang và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền xung trong sợi quang.
Khẩu độ số và suy hao tín hiệu trong sợi quang là những yếu tố quan trọng mà các nhà sản xuất và người sử dụng luôn chú ý để tối ưu hóa quá trình truyền dẫn Chúng tôi đã thiết lập hệ thí nghiệm để khảo sát khẩu độ số của sợi quang, bao gồm sợi quang đơn mode thông thường và sợi quang PCF Kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ là cơ sở để khám phá thêm các đặc tính của sợi quang và quá trình lan truyền xung trong sợi quang.
Chúng tôi không chỉ xây dựng hệ thí nghiệm khảo sát khẩu độ số mà còn nghiên cứu sự suy hao do uốn cong của sợi quang Kết quả cho thấy, khi sợi quang bị uốn cong với bán kính nhỏ hơn, sự suy hao tín hiệu càng lớn Ngoài ra, khi sợi quang bị uốn cong với cùng một bán kính nhưng số vòng khác nhau, sự suy hao tín hiệu truyền dẫn cũng tăng lên theo số vòng uốn cong.