Thứ tư, 1/3/2023 | 10:53 GMT+7

Truyền ánh sáng trong sợi quang

Tiếp theo bài viết Đại Cương về Sợi Quang, bài viết kỳ Truyền ánh sáng trong sợi quang này sẽ chú trọng vào quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang cũng như một số định lý cơ bản liên quan đến quá trình truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang và phân bố chiết suất trong sợi quang

Chương 2: Truyền ánh sáng trong sợi quang

2.1 Phổ sóng điện từ:

Các bức xạ điện từ có thể xem như sóng hoặc hạt (photon). Người ta phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số khác nhau như:

+ Tần số: ký hiệu , đơn vị Hertz (Hz).

+ Bước sóng: ký hiệu , đơn vị met (m).

+ Năng lượng photon: ký hiệu E, dơn vị electron Volt (eV).

Các thông số trên có thể được chuyển đổi qua lại theo các công thức sau:

trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không » 300.000 km/s = 3.10⁸ m/s, và

trong đó

h là hằng số Planck,

Hình 2.1 mô tả sự phân chia của phổ sóng điện từ theo hai thông số thông dụng là tần số và bước sóng.

Hình 2.1: Phổ số điện từ phân chia theo tần số và bước sóng (Crisp and Elliott, 2005).

Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800 nm đến 1600 nm. Đặc biệt, có 3 bước sóng thông dụng là 850 nm, 1300 nm, và 1550 nm. Hình 2.2 mô tả đặc tính truyền dữ liệu có tính đến khoảng cách và suy hao trên 03 cửa sổ bước sóng thông dụng này.

Hình 2.2: Đặc tính truyền trên 03 bước sóng thông dụng (Crisp and Elliott, 2005)

2.2 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng:

Chiết suất của môi trường: Chiết suất của một môi trường được định nghĩa là tỉ số giữa vận tốc ánh sáng truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường đó.

trong đó n là chiết suất của môi trường cần tìm.

c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.10⁸m/s.

v là vận tốc ánh sáng trong môi trường cần tìm (m/s).

vì v << c nên n ≥ 1.

Khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt tiếp giáp môi trường 2 thì tia sáng tách thành 02 tia mới: 01 tia phản xạ lại môi trường 1 và 01 tia khúc xạ sang môi trường 2.

Góc khúc xạ được tính theo định lý Snell:

trong đón₁ là chiết suất của môi trường 1.

n₂ là chiết suất của môi trường 2 (n_{2 <}n₁).

α là góc phản xạ.

β là góc khúc xạ.

Hình 2.2: Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.

2.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần:

Theo định lý Snell, khi điều chỉnh tia sáng đến môi trường 1 sao cho góc phản xạ α tăng thì góc khúc xạ β cũng tăng theo. Khi góc khúc xạ β = 90⁰ thì góc phản xạ α lúc này được gọi là góc tới hạn α_T . Nếu tiếp tục tăng góc α > α_Tthì lúc này không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ. Hiện tường này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Hình 2.3 minh họa thêm về hiện tượng này.

Hình 2.3: Hiện tượng phản xạ toàn phần

2.4 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng – khẩu độ số NA:

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n₁ và lớp bọc bằng thủy tinh có chiết suất n₂ với n₁ > n₂. Ánh sáng truyền trên lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) qua lại giữa lõi và lớp bọc. Do đó, ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong giới hạn.

Hình 2.4: Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Hình 2.5 mô tả đường đi của tia sáng với góc phản xạ không đổi khi truyền bên trong lõi sợi quang.

Hình 2.5: Đường đi của ánh sáng với góc phản xạ không đổi bên trong sợi quang

Khẩu độ số của sợi quang là thông số biểu thị sự tập trung của ánh sáng bên trong nó. Khẩu độ số được kí hiệu là NA là nó được tìm ra dựa trên hệ số chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc.

trong đó

n_core: chiết suất của lõi quang.

n_cladding: chiết suất của vỏ bọc.

2.5 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang:

2.5.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc:

Sợi quang này có chiết suất của lõi và vỏ bọc chênh lệch như hình bậc thang. Các tia sáng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau. Hình 2.6 mô tả quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI).

Hình 2.6: Truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc.

Các tia sáng truyền trong lõi có cùng vận tốc nhưng do chiết suất n₁ không thay đổi trong khi chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền của các tia sáng này cũng khác nhau. Điều này dẫn đến hiện tượng tán sắc, là khi truyền một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Do độ tán sắc lớn nên sợi quang này không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được.

2.5.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần:

Sợi quang này có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Hình 2.6 mô tả quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất giảm dần (GI).

Hình 2.6: Truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất giảm dần.

Đường truyền của các tia sáng trong sợi quang này cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng vận tốc truyền cũng lớn hơn và ngược lại. Tia truyền dọc trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Thời gian của các tia truyền này sẽ bằng nhau nếu chiết suất được phân bố theo đường parabol và khi đó các tia sáng có dạng hình sin. Sợi quang này có độ tán sắc nhỏ hơn rất nhiều so với sợi quang có chiết suất nhảy bậc.

2.5.3 Các dạng chiết suất khác:

Dạng giảm chiết suất lớp bọc: nhằm giảm độ chênh lệch chiết suất giữa lõi và lớp bọc.

Dạng dịch độ tán sắc: nhằm dịch điểm tán sắc bị triệt tiêu đến bước sóng 1,550nm.

Dạng san bằng tán sắc: giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng trong kỹ thuật WDM.

2.5.4. Tài liệu tham khảo:

[1] J.Crisp and Barry Elliott, Introduction to Fiber Optics, Elsevier, 2005.

[2] Gerd Keiser, Optical Fiber Communication, Mc Graw Hill, 2000.

[3] Sợi quang và công nghệ SDH, www.ebook.edu.vn, 2009.