Transcript NOÄI DUNG 1. CAÁU TAÏO SÔÏI QUANG 2. CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ VEÀ SÖÏ TRUYEÀN SOÙNG TRONG SÔÏI QUANG 3.

NOÄI DUNG
1. CAÁU TAÏO SÔÏI QUANG
2. CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ VEÀ SÖÏ TRUYEÀN SOÙNG TRONG SÔÏI QUANG
3. CAÙC MODE DAÃN TRUYEÀN TRONG SÔÏI QUANG
4. COÂNG NGHEÄ CHEÁ TAÏO SÔÏI QUANG
5. PHAÂN LOAÏI SÔÏI QUANG
6. MAÁT MAÙT TRONG SÔÏI QUANG
7. ÑOÄ TAÙN SAÉC
8. HEÄ THOÁNG THOÂNG TIN SÖÛ DUÏNG SÔÏI QUANG:
Địa chỉ bạn đã tải:
http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/semin
Nơi bạn có thể thảo luận:
http://myyagy.com/mientay/
Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html
Dự án dịch học liệu mở:
http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo: [email protected]
Gmail: [email protected]
GIÔÙI THIEÄU
Töø nhöõng naêm 60 cuûa theá kyû 20
Laser xuaát hieän, vaán ñeà ñaët ra laø
truyeàn vaø xöû lyù thoâng tin khoâng phaûi baèng doøng ñieän hay soùng ñieän töø voâ
tuyeán maø baèng tia saùng
Naêm 1966
Kao vaø Hock-ham baét ñaàu nghieân cöùu truyeàn thoâng tin baèng chuøm
Laser trong sôïi thuyû tinh.
Cuoái thaäp kyû 70
daây ñieän baèng kim loaïi hay soùng voâ tuyeán ñöôïc thay
theá baèng sôïi quang hay linh kieän daãn soùng quang
Ngaøy nay
sôïi quang ñaõ ñöôïc duøng roäng raõi thay cho daây kim loaïi trong vieãn
thoâng bôûi nhieàu öu ñieåm noåi baät cuûa noù.
Öu ñieåm cuûa truyeàn thoâng tin baèng sôïi quang:
- Traùnh ñöôïc söï giao thoa cuûa soùng ñieän töø
- Traùnh söï chaäp maïch hay noái ñaát
- An toaøn trong truyeàn tin, traùnh bò nghe troäm
- Toån hao nhoû
- Truyeàn thoâng tin toát
- Kích thöôùc nhoû, troïng löôïng nheï
- Vaät lieäu reû, doài daøo
Toác ñoä thoâng tin coù theå truyeàn ñi phuï thuoäc tröïc tieáp vaøo taàn soá cuûa tín hieäu.
Aùnh saùng coù taàn soá f ~ 1014 -> 1015 Hz lôùn hôn nhieàu so vôùi taàn soá song voâ tuyeán
f ~ 106 Hz
=> Aùnh saùng truyeàn löôïng thoâng tin nhieàu hôn
Thoâng tin ñöôïc chuyeån thaønh xung aùnh saùng, xung naøy truyeàn ñeán moät khoaûng caùch naøo ñoù
nhôø sôïi quang, sau ñoù ñöôïc giaûi maõ trôû laïi thoâng tin ban ñaàu.
Fiber Optics
• Internal reflection is
the basis of fiber
optics.
Very
important
for
modern data transfer and
communication systems
 phones!
Total
internal
reflection
Optical fiber communication system
Electrical/optical converter
Electric
signal
Encoder
Fiber
Digital encoding scheme
for optical communications
High-power pulse  “one”
Low-power pulse  “zero”
Repeater
Decoder
Optical/electrical converter
“One”
“Zero”
Step in the
refractive
index
Intensity
Step-index Fiber
In
Disadvantage: Pulse broadening
Out
Time
Graded-index fiber
Pulse broadening is not so
severe
In
Intensity remains
almost constant
Out
Time
Refractive
index vary
parabolically
across the
cross-section
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. CAÁU TAÏO SÔÏI QUANG
y
y
Goàm hai phaàn chính:
loõi (core)
lôùp voû (cladding)
Cladding
f
Lôùp voû coù chieát suaát nhoû hôn lôùp loõi
n
1
Primary
Buffer
Coating
Fiber
Element
(Core and
Cladding)
Strength
Member
Outer
Jacket
z Fiber axis
r
Core
2
3
Fiber axis 4
1
Skew ray
5
5
4
2
3
Chieát suaát loõi phaân boá giaûm daàn töø trong ra ngoaøi
Sôïi quang lieân tuïc ( graded index)
2
O
O'
O''
3
2
1
2
3
n1
n
n2
Sôïi quang chiết suất từng bậc (step – index)
Chieát suaát loõi khoâng ñoåi
n2
n1
step-index
singlemode
O
3
2
1
n
Tuøy thuoäc vaøo khaû naêng truyeàn taûi thoâng tin trong loõi maø ta coù :
Trong sôïi quang ña mode, coù raát nhieàu mode (hoaëc nhieàu tia) ñöôïc truyeàn taûi
Ngöôïc laïi, trong sợi quang ñôn mode, chæ coù moät mode ñöôïc truyeàn taûi trong loõi
“mode” can be thought of as a ray of light (1)
Sôïi quang ña mode :
Ñöôïc phaùt trieån ñaàu tieân vaø ñöôïc duøng roäng
raõi trong nhieàu heä thoáng truyeàn taûi thoâng tin
Loõi cuûa noù raát lôùn, coù theå truyeàn taûi haøng traêm tia
töø nguoàn saùng ñi vaøo loõi vôùi caùc goùc tôùi khaùc nhau
Sôïi quang ñôn mode :
Coù loõi raát nhoû, chæ cho pheùp nhöõng chuøm raát heïp
töø nguoàn saùng ñôn saéc vôùi ñoâï taùn saéc cuûa xung raát
nhoû
(1). FIBER OPTIONS, INC. / 80 Orville Drive / Bohemia / New York / 11746-2533
3. CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ VEÀ SÖÏ TRUYEÀN AÙNH SAÙNG TRONG SÔÏI
QUANG
1. Ñeå aùnh saùng ñöôïc daãn ñi trong sôïi quang, noù phaûi thoûa ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn beân trong
qt
ki
qi q
i
Transmitted
(refracted) light
kt
n2
n 1 > n2
kr
Evanescent wave
qc qc
Incident
Reflected
light
light
Goùc tôùi taêng ñeán khi goùc khuùc xaï baèng 900 ta goïi laø goùc tôùi haïn
qi >qc
TIR
n2
sin qC 
 n12
n1
Neáu goùc tôùi tieáp tuïc taêng vöôït qua giaù trò cuûa goùc tôùi haïn, luùc ñoù xaûy ra hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn
2. Ñieàu kieän giao thoa
n2
A
1
E
q
q
k1
2
B
p-2q
A C
2q-p/2
q
n1
n2
y
2a
x
1
Hai soùng tuyø yù 1 vaø 2 cuøng pha ban
ñaàu, neáu khoâng noù seõ trieät tieâu
nhau.
z
B
n2
A
Söï giao thoa cuûa 2 soùng 1 vaø 2 seõ taïo neân
thaønh phaàn soùng ñöùng theo phöông y vôùi
höôùng truyeàn z
1
E
2
Guide center
C a-y
q
q
k
A
p-2q
a
y
y
x
z
4. CAÙC MODE DAÃN TRUYEÀN TRONG SÔÏI QUANG
Mode quang hoïc caùch phaân boá theo khoâng gian cuûa naêng löôïng quang trong moät hay nhieàu chieàu
toïa ñoä
Veà maët toaùn hoïc, mode laø ñieän tröôøng thoûa maõn caùc phöông trình Maxwell vôùi nhöõng ñieàu kieän
nhaát ñònh
y
Field of evanescent wave
(exponential decay)
n1
Field of guided wave
E(y)
m= 0
E (y,z,t ) = E(y)cos(wt– b z)
Light
n2
n3
The electric field distribution of the mode in the transverse plane
to the fiber axis z
Core
Cladding
E
E01
z
Xeùt tröôøng hôïp cuï theå : tia saùng lan truyeàn trong moät linh kieän daãn soùng 3 lôùp
Laø linh kieän daãn soùng ñöôïc giôùi haïn bôûi caùc maët phaân caùch phaúng, song song, vuoâng goùc vôùi truïc
x. Lôùp 1 vaø 3 laø baùn voâ haïn theo truïc x, lôùp 2 beà daøy dx .
Caû ba lôùp ñeàu voâ haïn theo truïc y,z
x
n2 > n3 > n1
Light
Light
z
y
Light
n2
n1
n3
Giaû thuyeát soùng lan truyeàn theo truïc z coù daïng :


E( r )  E( x, y ) exp(-ibz )
b : heäsoálan truyeàn
Light
Moät mode lan truyeàn theo truïc z vôùi heä soá lan truyeàn b vaø theo truïc x laø h, coù
theå bieåu dieãn baèng moät soùng baûn phaúng truyeàn theo phöông laøm moät goùc q
vôùi truïc z coù heä soá lan truyeàn laø kn2 nhö moâ hình sau :

kn2
q
b
h 2  b 2  k 2 n22
b, h, kn2 ñeàu laø caùc heä soá lan truyeàn theo caùc phöông khaùc nhau

 E( r ,t )  
Phöông trình truyeàn soùng Maxwell
2

 E( r ,t )
2
t 2
(1)
Ñoái vôùi nhöõng soùng phaúng ñôn saéc, lôøi gaûi pt treân coù daïng :


E(r ,t )  E(r ) eiwt
Thay vaøo pt treân, ta coù :


w
2 2 

 E( r )  k n ( r ) E( r )  0 ; k  : soásoùng
c
2



E( r )  E( x, y ) e ( -ibz )
Giaû thuyeát soùng lan truyeàn theo truïc z coù daïng :
Thay vaøo (2) :

 E( x , y )
2
x
2
(2)

 E( x , y )
2

y 2

 [ k n - b ] E( x , y )  0
2 2
2
Tröôøng hôïp ñaây laø soùng ngang, baûn phaúng truyeàn theo truïc z, neân ta coù theå gaûi thuyeát :
Ex = 0 vaø Ez = 0
Theâm vaøo ñoù, Ey khoâng phuï thuoäc vaøo y vaø z, vì theo caùc truïc ñoù caùc lôùp vaät lieäu laø voâ haïn neân khoâng
coù söï phaûn xaï, khoâng taïo thaønh soùng ñöùng.
Vaäy soùng truyeàn trong linh kieän daãn soùng 3 lôùp treân laø :
E y ( x)  Sin k 2 n22 - b 2 x   Sin(hx)


h 2  b 2  k 2 n22
b, h, kn2 ñeàu laø caùc heä soá lan truyeàn theo caùc phöông khaùc nhau
Coù 3 loaïi mode coù theå coù trong quaù trình truyeàn soùng trong linh kieän daãn soùng 3 lôùp :
1. Mode böùc xa (a)ï: chæ xaûy ra hieän töôïng khuùc xaï khi gaëp 2 maët phaân caùch
Khoâng coù lôïi trong vieäc truyeàn tín hieäu
2. Mode ñeá (b):
Giaûm theo haøm muõ khi ra
ngoaøi vaø toàn taïi daïng haøm sin
trong ñeá
Khoâng coù lôïi trong vieäc
truyeàn tín hieäu
3. Mode truyeàn daãn (c)
ÑIEÀU KIEÄN DUY TRÌ MODE TRONG LINH KIEÄN DAÃN SOÙNG
1. Thoûa ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn :
sin1 n 2

sin 2 n1
Ñònh luaät Snell :
sin 2 n 3

sin 3 n 2
;
3 laø goùc tôùi. Töø ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn, ta coù theå tìm ñieàu kieän cuûa heä soá daãn truyeàn ñeå
duy trì mode daãn truyeàn
Khi 3 nhoû, tia saùng seõ ñi xuyeân qua caû hai maët phaân caùch, chæ xaûy ra hieän töôïng khuùc xaï ôû caùc maët phaân
caùch ñoù
Tröôøng hôïp naøy öùng vôùi mode böùc xaï (radiation mode)
sin 2  sin 2th , sin 2 
b
b
neân
kn2
kn2

n1
 b  kn1
n2
Khi 3 taêng leân ñeå cho 2 ñaït ñeán goùc tôùi haïn cuûa hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn beân trong ôû maët phaân
caùch n2 _ n1
sin1  1  sin 2th 
n1
n
  2  ar sin( 1 )
n2
n2
Tia saùng bò nhoát laïi moät phaàn, öùng vôùi mode ñeá (substrate mode)
Maø
sin 2 
b
kn2
neân
b
kn2

n1
 b  kn1
n2
Khi 3 tieáp tuïc taêng leân ñeå cho 2 ñaït ñeán goùc tôùi haïn cuûa hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn beân
trong ôû maët phaân caùch n2 _ n3
Tia saùng bò nhoát laïi hoaøn toaøn öùng vôùi mode truyeàn daãn (guided mode)
n3
)
n2
 2  ar sin(
Keát luaän :
b < kn1
kn1 b  kn3
kn3  b
b
kn2

n3
 b  kn3
n2
: mode böùc xaï
: mode ñeá
: mode truyeàn daãn
2. Ñieàu kieän bieân:
Aùnh saùng lan truyeàn lieân tuïc phaûn xaï toaøn phaàn taïi maët bieân cuûa loõi
Cho neân cöôøng ñoä ñieän tröôøng taïi maët bieân phaûi baèng 0 do giao thoa giöõa soùng tôùi vaø
soùng phaûn xaï
Ñaây laø ñieàu kieän bieân cuûa hieän töôïng truyeàn daãn soùng trong sôïi quang
Nhö vaäy muoán truyeàn thoâng tin trong sôïi quang, phaûi thoûa :
1. Ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn
2. Ñieàu kieän giao thoa
3. Ñieàu kieän bieân
Tính chaát caàn thieát phaûi coù cuûa sôïi quang:
Sôïi quang phaûi coù ñoä toån hao thaáp
Phaûi coù tính chaát cô hoïc thích hôïp, coù ñoä beàn, ñoä chòu moûi do rung
ñoäng cao
Phaûi coù tính laõo hoùa thaáp, coù theå söû duïng oån ñònh trong vaøi chuïc
naêm
5. COÂNG NGHEÄ CHEÁ TAÏO SÔÏI QUANG
Khi moâ taû sôïi quang, chuùng ta xem sôïi quang ñöôïc caáu taïo töø hai phaàn : loõi vaø voû
Trong coâng ngheä cheá taïo vaø veà maët vaät lieäu thì hai phaàn ñoù ñöôïc cheá taïo ñoàng thôøi
vaø lieân tuïc veà maët vaät lieäu
Söï khaùc nhau veà chieát suaát trong hai phaàn ñoù ñöôïc thöïc hieän baèng caùch thay ñoåi noàng ñoä phuï gia
Coâng ngheä cheá taïo sôïi quang ñöôïc chia laøm hai giai ñoaïn : giai ñoaïn cheá taïo phoâi (perform) vaø giai
ñoaïn keùo sôïi
Giai ñoaïn cheá taïo phoâi baèng phöông phaùp CVD :
doøng khí mang H2 thoåi qua caùc bình ñöïng SiCl4 vaø GeCl4 ñeå taïo doøng hôi
Doøng hôi hoãn hôïp naøy ñöôïc khoáng cheá vaø ñieàu chænh ñöôïc thoåi qua moät oáng thaïch anh
Caùc haït SiCl4 pha taïp GeO2 ngöng tuï leân thaønh oáng laøm cho thaønh oáng daøy leân daàn
Ta coù moät phoâi vôùi söï phaân boá chieát suaát caàn theo thieát keá
Giai ñoaïn keùo sôïi
Töø caùc thoûi phoâi ngöôøi ta keùo ra caùc sôïi quang coù phaân boá chieát suaát theo thieát keá tröôùc
Sôïi quang ñöôïc keùo xuoáng phía döôùi ñöôïc boïc lôùp baûo veä polime (jacket)
Vapors: SiCl 4 + GeCl 4 + O 2
Fuel: H 2
Burner
Deposited soot
Target rod
Deposited Ge doped SiO
2
Rotate mandrel
cheá taïo phoâi
(a)
Drying gases
Porous soot
preform with hole
Furnace
Preform
Furnace
keùo sôïi
(b)
Clear solid
glass preform
(c)
Drawn fiber
TOÅN HAO TRONG SÔÏI QUANG
Coù 4 nguyeân nhaân gaây ra maát maùt chính khi daãn truyeàn soùng trong sôi quang:
1. Do taùn xaï (Scattering)ï:
2. Do haáp thuï (Absorption)ï
3. Taïi nhöõng choã cong kích thöôùc raát nhoû (Microbend Loss)û
4. Taïi nhöõng choã cong kích thöôùc lôùn (Macrobend Loss)û
fiber attenuation
after Jeff Hecht,
Understanding Fiber
Optics, (PrenticeHall, 1999)
wavelength
Absorption
• Absorption is caused by three different mechanisms:
1- Impurities in fiber material: from transition metal ions (must
be in order of ppb) & particularly from OH ions with
absorption peaks at wavelengths 2700 nm, 400 nm, 950 nm &
725nm.
2- Intrinsic absorption (fundamental lower limit): electronic
absorption band (UV region) & atomic bond vibration band
(IR region) in basic SiO2.
3- Radiation defects
A solid with ions
Ex
Light direction
k
z
Haáp thuï do maïng tinh theå
Soùng dao ñoäng khieán ion maïng dao ñoäng taïo neân moät soùng cô hoïc trong tinh theå
Vì vaäy naêng löôïng seõ bò maát, cung caáp cho dao ñoäâng maïng
SCATTERING
Incident wave
Through wave
Scattered waves
The field forces dipole oscillations in the particle (by polarizing it)
which leads to the emission of EM waves in "many" directions so
that a portion of the light energy is directed away from the incident
beam.
Absorption & scattering losses in fibers
Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000
Bending Loss (Macrobending & Microbending)
•
Macrobending
Loss:
The
curvature of the bend is much
larger than fiber diameter.
Lightwave suffers sever loss due
to radiation of the evanescent
field in the cladding region. As
the radius of the curvature
decreases, the loss increases
exponentially until it reaches at a
certain critical radius. For any
radius a bit smaller than this
point, the losses suddenly
becomes extremely large. Higher
order modes radiate away faster
than lower order modes.
Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000
Microbending Loss
•
Microbending Loss:
microscopic bends of the fiber
axis that can arise when the
fibers are incorporated into
cables. The power is dissipated
through the microbended fiber,
because of the repetitive
coupling of energy between
guided modes & the leaky or
radiation modes in the fiber.
Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000
Field distribution
Macrobending
Escaping wave
Cladding
q  q
Core
q q
q
q  qc
q
R
Sharp bends change the local waveguide geometry that can lead to waves
escaping. The zigzagging ray suddenly finds itself with an incidence
angle q that gives rise to either a transmitted wave, or to a greater
cladding penetration; the field reaches the outside medium and some light
energy is lost.
Attenuation and dispersion in
optical fiber
• Attenuation: reduction
of light amplitude
• Dispersion:
deterioration of
waveform
http://www.tpub.com/neets/tm/106-13.htm