Bài giảng Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang

Phần 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Văn Võ Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Văn Võ Phần 3: Cơ sở kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Văn Võ Phần 4: Hệ thống thông tin quang Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm Phần 5: Một số công nghệ quang tiên tiến Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm 1 Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao 1. Sợi quang 2. Các phần tử biến đổi điện - quang (phát quang) 3. Các phần tử biến đổi quang - điện (thu quang) Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang 2 SỢI QUANG 1. Cấu trỳc sợi quang 2. Vật liệu chế tạo sợi quang 3. Phõn loại sợi quang 4. Truyền súng ỏnh sỏng trong sợi quang 5. Cỏc tham số cơ bản của sợi quang 6. Một số loại sợi quang mới 7. Cỏp sợi quang 8. Chế tạo sợi quang 9. Kết nối sợi quang 3 1. CẤU TRÚC SỢI QUANG  Định nghĩa  Cấu trúc Một số kích th-ớc thông dụng của sợi quang 4 1. CẤU TRÚC SỢI QUANG  Định nghĩa: Professor Charles Kao phát minh ra sợi quang, nhận giải th-ởng IEE từ Pro. John Midwinter. (1998 at IEE Savoy Place, London, UK) Là ống dẫn sóng có khả năng mang thông tin d-ới dạng ánh sáng. Kích th-ớc rất nhỏ. 5 1. CẤU TRÚC SỢI QUANG Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm 3 lớp: • Lớp lõi hỡnh trụ th-ờng làm bằng vật liệu trong suốt (thủy tinh hay nhựa) có chỉ số chiết suất lớn (n1) có tác dụng truyền lan ánh sáng theo h-ớng song song với trục của nó. • Lớp vỏ phản xạ th-ờng làm bằng thuỷ tinh hay bằng nhựa với chiết suất n2  n1, có cấu trúc hỡnh trụ đồng tâm và bao quanh lớp lõi, có tác dụng giam giữ ánh sáng trong lớp lõi. • Lớp vỏ bảo vệ bằng nhựa hay sợi tổng hợp, có tác dụng bảo vệ lõi và gia c-ờng thêm độ bền của sợi.  Cấu trúc: Hỡnh 1 6 1. CẤU TRÚC SỢI QUANG  Một số kích th-ớc thông dụng của sợi quang: Loại Đ-ờng kính lớp lõi (m) Đ-ờng kính lớp vỏ (m) Đ-ờng kính lớp bảo vệ (m) I 8-10 125 250/500 II 50 125 250/500 III 62,5 125 250/500 IV 85 125 250/500 V 100 140 250/500 (Tính chất, -u nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng của từng loại sợi - xem tài liệu: Lắp đặt hệ thống thông tin cáp sợi quang, nhà xuất bản B-u điện- 1998) 7 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (1)  Các yêu cầu của vật liệu chế tạo sợi quang  Đặc điểm vật liệu chế tạo sợi quang  Các loại sợi quang trên quan điểm vật liệu chế tạo sợi  Vật liệu chế tạo các sợi quang:  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh,  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo,  Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo. 8 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (3)  Các yêu cầu của vật liệu chế tạo sợi quang: Để bảo đảm truyền thông tin trong các hệ thống thông tin quang, các vật liệu để chế tạo sợi quang phải bảo đản các yêu cầu sau:  Vật liệu phải đảm bảo tạo đ-ợc các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo.  Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các b-ớc sóng làm việc thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao.  Các vật liệu chế tạo ra lõi và vỏ của sợi phải có bản chất vật lý t-ơng thích để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất lõi và vỏ là khá nhỏ. => Vật liệu thủy tinh và chất dẻo trong suốt 9 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (5)  Đặc điểm vật liệu chế tạo sợi quang: Vật liệu thuỷ tinh:  Thủy tinh có suy hao lớn => Sợi đ-ợc chế tạo có lõi là thủy tinh suy hao lớn thì dùng cho các cự ly truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp;  Thủy tinh có suy hao nhỏ => Sợi chế tạo từ thủy tinh có suy hao nhỏ sẽ đ-ợc dùng rất rộng rãi cho các cự ly xa, tốc độ cao. Vật liệu chất dẻo: Đối với các tuyến cự ly dài, các loại sợi làm bằng chất dẻo ít đ-ợc sử dụng hơn vì suy hao của nó lớn hơn các loại sợi thủy tinh, Nó chỉ đ-ợc dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi mà có tác động cơ học mạnh. 10 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (7)  Các loại sợi quang trên quan điểm vật liệu chế tạo sợi: Trên cơ sở vật liệu chế tạo, có ba loại sợi sau:  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh,  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo,  Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo. 11 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (10)  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh • Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp lõi:  Cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp => Thuỷ tinh oxit.Trong đó dioxit silic (SiO2) là lọai oxit thông dụng nhất để tạo ra sợi, chỉ số chiết suất tại b-ớc sóng 850nm là 1,458.  Đặc điểm của thủy tinh dioxit Silic: rất trong suốt ở vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại, nhiệt độ làm biến dạng chúng vào khoảng 10000C, rất ít bị nở ra khi nhiệt độ tăng; có tính bền vững hóa học cao.  Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo sợi dẫn quang: - GeO2- SiO2 (lõi SiO2 có pha GeO2 ), - P2O5- SiO2 , - GeO2- B2O3- SiO2. - SiO2. 12 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (11) Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh • Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp vỏ phản xạ:  Để đạt đ-ợc mục tiêu của lớp vỏ là tạo ra phản xạ toàn phần của các tia sáng truyền trong lớp lõi của sợi, tức là tạo ra hai loại vật liệu có chỉ số chiết suất hơi lệch nhau.  Trên cơ sở vật liệu thuỷ tinh của lớp lõi ng-ời ta thêm vào một l-ợng Flo và các oxit khác nhau nh- B2O3, GeO2 và P2O5.  Nếu muốn tăng chỉ số chiết suất thỡ thêm P2O5 hoặc GeO2 vào SiO2, nếu muốn giảm chỉ số chiết suất thỡ thêm B2O3 vào SiO2.  Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo lớp vỏ: - SiO2, - B2O3- SiO2, 13 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (12)  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh • Một số loại sợi quang lớp lõi và vỏ phản xạ: Trên quan điểm vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi quang => Có một số loại sợi quang thủy tinh nh- sau: - Sợi có lõi GeO2- SiO2 và vỏ phản xạ SiO2. - Sợi có lõi P2O5- SiO2 và vỏ phản xạ SiO2. - Sợi có lõi GeO2- B2O3- SiO2 và vỏ phản xạ B2O3- SiO2. -Sợi có lõi SiO2 và vỏ phản xạ B2O3- SiO2. • Đặc điểm và khả năng ứng dụng: Sợi có lõi thuỷ tinh và vỏ thuỷ tinh có suy hao nhỏ => các tuyến thông tin quang cự ly xa và tốc độ cao. 14 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (14)  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo  Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp lõi: Nh- loại sợi có lõi thuỷ tinh và vỏ thuỷ tinh.  Vật liệu chất dẻo để chế tạo lớp vỏ: Vỏ th-ờng đ-ợc chế tạo từ hỗn hợp chất polimer (vật liệu nhựa silicone) có chỉ số chiết suất thấp hơn lõi dioxit silic. Giá trị chỉ số chiết suất vỏ này khoảng 1,405 tại b-ớc sóng 850nm, Nhựa silicone còn tham gia vào việc tạo vỏ bảo vệ sợi dẫn quang 15 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (15)  Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo • Đặc điểm và khả năng ứng dụng : - Giá thành hạ, - Suy hao lớn => Cự ly ngắn - Thông th-ờng, sợi thủy tinh vỏ chất dẻo chỉ sử dụng ở sợi có chiết suất phân bậc với đ-ờng kính lõi khá lớn (khoảng 150 đến 600m). - Sợi này có khẩu độ số rất lớn cho phép sử dụng cả các loại nguồn phát quang có góc phát xạ lớn, vỡ vậy cho phép giảm giá thành hệ thống một cách đáng kể. 16 2. VẬT LiỆU CHẾ TẠO SỢI QUANG (17)  Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo • Vật liệu chất dẻo để chế tạo lớp lõi và lớp vỏ phản xạ: Cả vật liệu chế tạo lớp lõi và vỏ đều bằng polimer, nh-ng có cấu trúc hoặc thành phần hoá chất khác nhau nhằm để tạo ra các chỉ số chiết suất lõi và vỏ khác nhau. • Đặc điểm và khả năng ứng dụng: - Khẩu độ số của sợi này lớn cho phép góc tiếp nhận ánh sáng khoảng 700. - Sử dụng cho sợi chiết suất phân bậc cả lõi và vỏ. - Loại sợi này chỉ đáp ứng cự ly truyền dẫn rất ngắn vỡ có suy hao rất lớn. 17 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (1)  Một số quan điểm phân loại  Các loại sợi quang  Chiết suất của các loại sợi quang 18 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (3)  Một số quan điểm phân loại:  Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất,  Phân loại theo mode truyền dẫn,  Phân loại theo cấu trúc vật liệu. 19 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (5)  Các loại sợi quang Tiêu chí Loại sợi Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc Sợi có chỉ số chiết suất Gradien Phân loại theo mode truyền dẫn Sợi đơn mode Sợi đa mode Phân loại theo cấu trúc vật liệu Sợi lõi thủy tinh, vỏ thuỷ tinh Sợi lõi thủy tinh, vỏ chất dẻo Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo 20 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (6)  Các loại sợi quang Loại sợi Đặc điểm Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc Sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở sợi lõi (SI-Step Index). Sợi có chỉ số chiết suất Gradien Sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ (GI-Graded Index) Sợi đơn mode Sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn trong nó Sợi đa mode Sợi cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó 21 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (7)  Các loại sợi quang Sợi có chiết suất phân bậc Sợi có chiết suất Gradien n2 n1 n1 n2 n1 n2 Sợi đa modeSợi đơn mode Lõi sợi Vỏ phản xạ Vỏ bảo vệ Lõi sợi Vỏ phản xạ Vỏ bảo vệ Trên quan điểm chiết suất và mode, ta có sơ đồ phân loại sau: Hỡnh 2 22 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (8)  Các loại sợi quang Trên quan điểm chiết suất và mode, ta có 3 loại sợi chính sau: n2 n2 n1 Sợi chiết suất phân bậc, đơn mode Sợi chiết suất phân bậc, đa mode n1 n2 n2 n2 n1 n2 Hỡnh 3 23 Sợi chiết suất Gradien, đa mode 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (9)  Chiết suất của các loại sợi quang  Sợi quang có chiết suất phân bậc n(r) = n1 với r  a n2 = n1(1 - ) với r > a Trong đó: r : khoảng cách bán kính tính từ trục sợi, a : bán kính lõi sợi, n1 : chỉ số chiết suất của lõi và n1 th-ờng là 1,48, n2 : chỉ số chiết suất lớp vỏ, n2 < n1- ,  : là sự khác nhau của chỉ số chiết suất lõi và vỏ, đ-ợc xác định gần đúng theo công thức: 1 21 2 1 2 2 2 1 2 n nn n nn     (2-1) (2-2) 24 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (10)  Chiết suất của các loại sợi quang Sợi chiết suất Gradien Lõi sợi n(r)n1 n2 Tiếp giáp vỏ - lõi Mặt cắt lõi sợi mở rộng Hỡnh 4. Chỉ số chiết suất của sợi gradien 25 3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (11)  Chiết suất của các loại sợi quang Sợi chiết suất Gradien Trong đó, r : khoảng cách bán kính tính từ trục sợi a : bán kính lõi sợi, n1 : chỉ số chiết suất tại trục lõi sợi, n2 : chỉ số chiết suất lớp vỏ, n2 < n1,  : là sự khác nhau của chỉ số chiết suất lõi và vỏ, đ-ợc xác định gần đúng theo công thức: với 0 r  a với r > a (2-3)                           21 2/1 1 2/1 1 121 21 )( nnn a r n rn  1 21 2 1 2 2 2 1 2 n nn n nn      : tham số xác định dạng của mặt cắt chỉ số chiết suất và không có thứ nguyên ;  ≥ 1.  =  => sợi có chiết suất phân bậc. (2-4) 26 SỢI QUANG  Mô tả quang hỡnh học quá trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Phương trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Các mode ánh sáng trong sợi quang  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang  Góc ghép tới hạn  Hệ số mở của sợi quang 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (1) 27 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (3)  Mô tả quang hỡnh học quá trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Sợi chiết suất phân bậc, đơn mode Ánh sỏng truyền trong loại sợi này được xem như những tia đi theo đường thẳng song song với trục của sợi. n1 n2 n2 Hỡnh 5 28 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (4)  Mô tả quang hỡnh học quá trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Sợi chiết suất phân bậc, đa mode Ánh sỏng truyền trong loại sợi này được xem như những tia sỏng đi theo đường zig-zac. n2 n1 n2 Hỡnh 6 29 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (4)  Mô tả quang hỡnh học quá trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Sợi chiết suất phân bậc, đa mode Tuy nhiờn, cú 2 loại đường đi: loại tia trục và tia xiờn. Cỏc tia trục là những tia nằm trờn mặt phẳng chứa trục trung tõm của sợi quang; cỏc tia xiờn là những tia khụng nằm trờn mặt phẳng này . (a) (b) Hỡnh 7. Cỏc tia trục và tia xiờn, trong đú: (a) Tia trục : dọc (bờn trỏi) và ngang (bờn phải) (b) Tia xiờn : dọc (bờn trỏi) và ngang (bờn phải) Để đơn giản, cỏc mụ tả quang hỡnh về đường đi của tia sỏng trong sợi quang chỉ xột đến tia trục 30 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (5)  Mô tả quang hỡnh học quá trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Sợi chiết suất Gradien, đa mode Ánh sỏng được khỳc xạ liờn tiếp qua cỏc lớp chiết suất này khiến cho gúc tới liờn tục giảm và sẽ giảm nhỏ hơn gúc tới hạn trước khi đi đến phần tiếp giỏp vỏ-lừi. Đường ỏnh sỏng sẽ trở thành cỏc đường cong parabol. n2 n2 n1 Hỡnh 8 31 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (7)  Phương trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Các ph-ơng trỡnh Maxwell Sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang thuân theo hệ ph-ơng trỡnh Maxwell. Với một môi tr-ờng điện môi đẳng h-ớng, tuyến tính, không có dòng điện, các ph-ơng trỡnh này có dạng: D =  E, B =  H,  là hằng số điện môi,  là độ từ thẩm của môi tr-ờng. t D    t B    (2-6) (2-5)  . D = 0  . B = 0 (2-7) (2-8) E: Cường độ điện trường [V/m], D: Vectơ cảm ứng điện [c/m2], H: Cường độ từ trường [A/m], B: Vectơ cảm ứng từ [H/m], z e y e x e zyx          Trong đó: (2-9) 32 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (8)  Lõi sợi Trục sợi r H-ớng truyền sóng z y x Giải các ph-ơng trỡnh Maxwell đối với lõi sợi quang hỡnh trụ, ta sẽ xác định đ-ợc ph-ơng trỡnh truyền sóng trong sợi quang. để phân tích quá trỡnh lan truyền của sóng điện từ dọc theo sợi quang, Tr-ớc hết, ta gắn hệ thống tọa độ trục (r,,z) xác định theo trục z nằm dọc theo trục của sợi (hỡnh 9). Trong tọa độ trục, các sóng điện từ truyền lan theo trục z sẽ có dạng sau: Hỡnh 9. Hệ thống tọa độ trục để phân tích sự truyền sóng điện từ trong sợi. (2-10)E = E0(r, ) e j(t - z) H = H0(r, ) e j(t -z) (2-11)  Phương trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang  Hệ tọa độ trục phân tích sự truyền ánh sáng trong sợi quang 33 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (9)  Phương trình truyền ánh sáng trong sợi quang Thay các công thức (2-10) và (2-11) vào công thức (2-5), (2-6) và biến đổi ta nhận đ-ợc ph-ơng trỡnh truyền sóng ánh sáng có dạng sau: Trong đó, q 2 = 2  - 2 = k2 - 2 . 0 11 2 2 2 22 2  z zzz Eq E rr E rr E       0 11 2 2 2 22 2  z zzz Hq H rr H rr H       (2-12) (2-13) Từ các ph-ơng trỡnh (2-12) và (2-13) ta thấy từng ph-ơng trỡnh chỉ chứa đựng một đại l-ợng hoặc là Ez hoặc là Hz. Điều này thể hiện các thành phần của E và H là tách biệt và đ-ợc chọn tùy ý miễn là chúng thỏa mãn các ph-ơng trỡnh (2-12) và (2-13).  Ph-ơng trỡnh truyền sóng 34 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (11)  Các mode ánh sáng trong sợi quang Giải hệ các ph-ơng trỡnh (2-12) và (2-13) với các điều kiện biên của lõi và vỏ phản xạ của sợi quang ta đ-ợc các nghiệm riêng. Các nghiệm riêng này chính là các mode truyền dẫn của sợi quang. - Mode bức xạ: không bị giam hãm ở lõi và bị khúc xạ khỏi lõi. - Mode dẫn: các mode chỉ truyền dẫn trong lõi của sợi quang hay các mode có hệ số truyền dẫn thỏa mãn điều kiện sau: (2-14) - Mode dò: Giam hãm một phần năng lượng trong lõi và suy hao do bức xạ công suất khỏi lõi khi lan truyền bởi hiệu ứng xuyên ngầm của sợi (fiber- tunnel effect) hoặc bất kz mode có hệ số truyền dẫn thỏa mãn điều kiện sau: (2-15) β : hệ số truyền dẫn của mode, k0 : hằng số truyền sóng a/s trong chân không Trong sợi quang có các mode sau: 35 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (13)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang  Trong kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang, ng-ời ta luôn tỡm mọi giải pháp công nghệ chế tạo sợi quang để hạn chế các mode rò và mode bức xạ. Do đó, d-ới đây ta nghiên cứu các mode dẫn của sợi quang.  Nếu các điều kiện biên không dẫn tới ghép giữa các thành phần tr-ờng, có thể sẽ có các mode thu đ-ợc với Ez= 0 và Hz= 0:  Khi Ez = 0, các mode thu đ-ợc gọi là mode điện trường ngang (mode TE).  Khi Hz= 0, các mode thu đ-ợc gọi là mode từ trường ngang (mode TM).  Nếu các điều kiện biên dẫn tới ghép giữa các thành phần tr-ờng, có thể tồn tại cả Ez và Hz khác không. Các mode ghép này sẽ là các mode HE hoặc EH tuỳ thuộc vào vai trò chủ đạo của Hz hoặc Ez. Nếu Hz đóng góp lớn hơn vào tr-ờng ngang thỡ ta có mode HE và t-ơng tự nếu Ez là lớn hơn thỡ ta có mode EH. 36 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (14)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang Một số mode dẫn cơ bản trong sợi quang gồm: HE11 HE21TH01TE01 Hỡnh 10. Các đ-ờng sức của 4 mode cơ bản bậc thấp trong sợi SI 37 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (15)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang Sự lai ghép các mode cơ bản trong sợi quang thành các mode phân cực tuyến tính (LP), cụ thể nh- sau: => LP11 với E đ-ợc phân cực nằm ngang (phân cực ngang) TH01 + HE21 TE01 + HE21 => LP11 với E đ-ợc phân cực thẳng đứng (phân cực dọc) TH01 + HE21 TE01 + HE21 Do điều kiện truyền dẫn trong sợi quang là không lý tưởng (do cấu trúc sợi quang có 2 lớp lõi và vỏ với các chiết suất khác nhau), làm cho các mode truyền dẫn bị suy biến và lai ghép với nhau tạo thành các mode phân cực tuyến tính. 38 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (16)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang LP11 với E đ-ợc phân cực nằm ngang Hy Ex Ex Hy Ex Hy Ex Hy HE21TH01 + HE21TE01 +  Phân cực nằm ngang (phân cực ngang) Hỡnh 11 39 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (17)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang LP11 với E đ-ợc phân cực thẳng đứng Hx Ey Ey Hx HE21TE01 + HE21TH01 + Ey Hx Ey Hx  Phân cực thẳng đứng (phân cực dọc) Hỡnh 12 40 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (18)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang Cỏc mode phõn cực tuyến tớnh (LP) cơ bản truyền dẫn trong sợi quang: Ex Hy Ex Hy LP11 với E đ-ợc phân cực nằm ngang Hy Ex Ex Hy LP11 với E đ-ợc phân cực thẳng đứng Hx Ey Ey Hx Ey Hx Ey Hx  Cỏc mode phõn cực tuyến tớnh (LP): Hỡnh 13 41 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (19)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang Để đánh giá khả năng truyền dẫn số l-ợng mode nhiều hay ít của sợi quang, ng-ời ta đ-a ra tham số tần số chuẩn hóa (normalized frequency) - ký hiệu là V. Tham số tần số chuẩn hóa (hay gọi là tham số V) xác định điều kiện cắt của sợi quang và đ-ợc xác định qua biểu thức sau:  Tham số tần số chuẩn hóa (normalized frequency):   2/12221 2 nnaV    Trong đó:  là b-ớc sóng ánh sáng trong chân không. a là bán kính lõi sợi, n1 là chỉ số chiết suất tại trục lõi sợi, n2 là chỉ số chiết suất lớp vỏ, n2 < n1 (2-16) 42 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (20)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang Khụng phải mode súng nào cũng truyền được trong sợi quang. Mỗi mode LPnm cú một tần số cắt tương ứng, ký hiệu là Vcn. Chỉ khi tần số chuẩn húa V của sợi quang lớn hơn tần số cắt Vcn thỡ mode thứ n đú mới truyền được trong sợi quang. Dưới đõy là một vài trị số Vcn bậc thấp để tớnh tần số chuẩn húa V: Vc1 = 2,405 Vc2 = 3,832 Vc3 = 5,138 Vc4 = 5,520 Vc5 = 6,380  B-ớc sóng cắt của mode dẫn trong sợi quang: ứng với V = Vcn, sẽ có  = cn gọi là b-ớc sóng cắt của mode dẫn trong sợi quang và đ-ợc xác định theo công thức:   ct a V n n  2 1 2 2 2( ) (2-17) 43 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (21)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang  Số l-ợng mode truyền dẫn trong sợi quang: 22 2    V N Số l-ợng mode lan tuyền trong một sợi quang đ-ợc xác định theo công thức:  Đối với sợi sợi chiết suất bậc, số l-ợng mode đ-ợc xác định theo công thức: )( 2 2   V N  Đối với sợi chiết suất gradien, số l-ợng mode đ-ợc xác định theo công thức: )2( 4 2   V N (2-18) (2-19) (2-20) 44 4. TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (22)  Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang  Điều kiện đơn mode trong sợi quang: Vùng đơn mode là vùng chỉ truyền duy nhất một mode dẫn và đ-ợc giới hạn bởi sóng LP11 t-ơng ứng với điều kiện tần số cắt chuẩn hóa Vc1 = 2,405, do đó t-ơng ứng b-ớc sóng cắt c1 . à c1 là một tham số quang quan trọng để xác định sợi quang làm việc ở vùng đơn mode. Điều kiện đơn mode của sợi quang đ-ợc xác định bởi công thức: 405,2)( 2 2 2 2 1  nn a V   Đây chính là giá trị mà tạị đó hàm Bessel bậc thấp nhất J0 = 0. Khi đó, tất cả các mode đều bị giới hạn, loại trừ mode LP11 Từ điều kiện (2-21), ng-ời ta có thể chế tạo sợi đơn mod