1. 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:

2. Lưu lại thông tin cần thiết:
Địa chỉ bạn đã tải:
Nơi bạn có thể thảo luận:
Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
Dự án dịch học liệu mở:
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:

4. 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
sôïi quang ñaõ ñöôïc duøng roäng raõi thay cho daây kim loaïi trong vieãn thoâng bôûi nhieàu öu ñieåm noåi baät cuûa noù.
Ngaøy nay

5. 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 ~ > 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.

6. Fiber Optics Fiber-optic cable
Internal reflection is the basis of fiber optics.
Very important for modern data transfer and communication systems  phones!
Total internal reflection

7. Optical fiber communication system
Electrical/optical converter
Decoder
Electric signal
Fiber
Optical/electrical converter
Encoder
Repeater
Digital encoding scheme
for optical communications
“One”
“Zero”
High-power pulse  “one”
Low-power pulse  “zero”
High-power pulse  “One”

8. Step-index Fiber In Out Time Step in the refractive index
Disadvantage: Pulse broadening
Intensity
Out
Time

9. Graded-index fiber In Out Time Pulse broadening is not so severe
Intensity remains almost constant
Refractive index vary parabolically across the cross-section In
Out
Time

10. 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!

11. 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

12. 2. CAÁU TAÏO SÔÏI QUANG Goàm hai phaàn chính: loõi (core)y
Cladding
Core z r f
Fiber axis
Goàm hai phaàn chính:
loõi (core)
lôùp voû (cladding)
Lôùp voû coù chieát suaát nhoû hôn lôùp loõi
Strength
Member
Outer
Jacket
Coating
Primary
Buffer
Fiber
Element
(Core and
Cladding)
Skew ray
Fiber axis 1 2 3 4 5

13. step-index singlemode
Sôïi quang lieân tuïc ( graded index)
Chieát suaát loõi phaân boá giaûm daàn töø trong ra ngoaøi
Sôïi quang chiết suất từng bậc (step – index)
Chieát suaát loõi khoâng ñoåi
step-index singlemode

14. 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 /

15. 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
Transmitted
(refracted) light k q t n
Evanescent wave t 2 n
> n 1 2 q q q k q k q
> q i c c i i r i c
TIR
Incident
Reflected
light
light
Goùc tôùi taêng ñeán khi goùc khuùc xaï baèng 900 ta goïi laø goùc tôùi haïn
Neáu goùc tôùi tieáp tuïc taêng vöôït qua giaù trò cuûa goùc tôùi haïn, luùc ñoù xaûy ra hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn

16. 2. Ñieàu kieän giao thoa n 2 z a y A 1 B q C p -2 - /2 k E x
Hai soùng tuyø yù 1 vaø 2 cuøng pha ban ñaàu, neáu khoâng noù seõ trieät tieâu nhau. n 2 z a y A 1 q C k E x -
Guide center p -2
Söï giao thoa cuûa 2 soùng 1 vaø 2 seõ taïo neân thaønh phaàn soùng ñöùng theo phöông y vôùi höôùng truyeàn z

17. 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 n1
Light n3 n2 y E ( )
y,z,t
) =
)cos( w t – b z m
= 0
Field of evanescent wave
(exponential decay) F i e l d o f g u a v E z 01
Core
Cladding
The electric field distribution of the mode in the transverse plane to the fiber axis z

18. Caû ba lôùp ñeàu voâ haïn theo truïc y,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
Light n3 n1 x y z
n2 > n3 > n1 n2
Giaû thuyeát soùng lan truyeàn theo truïc z coù daïng :

19. Moät mode lan truyeàn theo truïc z vôùi heä soá lan truyeàn  vaø theo truïc x laø h, coù theå bieåu dieãn baèng moät soùng baûn phaúng truyeàn theo phöông laøm moät goùc  vôùi truïc z coù heä soá lan truyeàn laø kn2 nhö moâ hình sau :   
kn2
, h, kn2 ñeàu laø caùc heä soá lan truyeàn theo caùc phöông khaùc nhau

20. (1)
Phöông trình truyeàn soùng Maxwell
Ñoái vôùi nhöõng soùng phaúng ñôn saéc, lôøi gaûi pt treân coù daïng :
(2)
Thay vaøo pt treân, ta coù :
Giaû thuyeát soùng lan truyeàn theo truïc z coù daïng :
Thay vaøo (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.

21. Vaäy soùng truyeàn trong linh kieän daãn soùng 3 lôùp treân laø :
, 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 :
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)

22. ÑIEÀU KIEÄN DUY TRÌ MODE TRONG LINH KIEÄN DAÃN SOÙNG
1. Thoûa ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn :
Ñònh luaät Snell :
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)
neân
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
Tia saùng bò nhoát laïi moät phaàn, öùng vôùi mode ñeá (substrate mode)
Maø
neân

23. kn3   : mode truyeàn daãn
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)
Keát luaän :
 < kn1 : mode böùc xaï
kn1   kn3 : mode ñeá
kn3   : 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

24. Nhö vaäy muoán truyeàn thoâng tin trong sôïi quang, phaûi thoûa :
Ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn
Ñieàu kieän giao thoa
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

25. 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)

26. cheá taïo phoâi keùo sôïi ( a ) ( b ) c Vapors: SiCl + GeCl + O4
+ GeCl
+ O 2
Rotate mandrel ( a )
Deposited soot
Burner
Fuel: H
Target rod
Deposited Ge doped SiO
cheá taïo phoâi ( b )
Furnace
Porous soot
preform with hole
Clear solid
glass preform
Drying gases c
Drawn fiber
Preform
keùo sôïi

27. 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

28. fiber attenuation wavelength
after Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics, (Prentice-Hall, 1999)
fiber attenuation
wavelength

29. 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

30. Haáp thuï do maïng tinh theå z
A solid with ions
Light direction k E x
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

31. SCATTERING
Scattered waves
Incident wave
Through wave
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.

32. Absorption & scattering losses in fibers
Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

33. 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

34. 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

35. S h a r p b e n d s c g t l o w v u i m y . T z f q ¢ , ;
Escaping wave q q¢
<
> c
Macrobending R
Cladding
Core
Field distribution S h a r p b e n d s c g t l o w v u i m y . T z f q , ;

36. Attenuation and dispersion in optical fiber
Attenuation: reduction of light amplitude
Dispersion: deterioration of waveform