ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ
***
đ ỉ iài ỉ
Bộ THÍ NGHIỆM cơ sở VỀ THÔNG TIN QUANG SỢl,
SỐ HOÁ TỐC Độ 10MB/S
MẢ SỐ : QG 02.05
CHÚ TRÌ ĐỂ TÀI : THS NGUYÊN QUỐC TUẤN
ị s Ố - .S ữ U S P . .
H à nội 20 04
♦
TÓM TÁT DỂ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC
a. Tên đề tài : Bộ thí nghiệm cơ sở về thông tin quang sợi sô hoá tốc độ
lOMb/s
Mà sô : QG 02 05
b. Chú trì đề tài : Ths Nguyễn Quốc Tuấn
c. C ác cán bô tham gia :
Vũ Doãn Miên
PGs. Ts
Viện khoa học Vật liệu
Phạm văn Hội
PGs. Ts Viện khoa học Vật liệu
Nguyễn Kim Giao
PGs. Ts Khoa Công nghệ
Chử đức Trình
Ths
Khoa Công nghệ
Đinh triều Dương
Ths
Khoa Công nghệ
Phạn phi Hừng

Ths
Khoa Công nghệ
Nguyễn văn Thành
Kĩ SƯ Học viện bull chính Viễn thông
Phạm thị Tuyết
Ki sư Khoa Công nghệ
d. Nội dung nghiên cứu :
• Mục tiêu nghiên cứu :
Xây dung hệ đo, bàl thực tập thông tin quang cho sinh viên bậc Đại học
và cao học gồm :
i. Thực tập cơ sở về truyền tin sô trên cáp quang, tốc độ
lOMb/s
ii. Thực tập về hệ đo thông số linh kiện quang tử
iii. Thực tập về truyền dẫn ảnh qua cáp quang
■ Nội dung nghiên cứu :
i. Xây dung các bài thực tập về : Truyền dẫn thông tin số. các
linh kiện quang tử, truyền dẫn ảnh trên cáp quang
ii. Viết lí thuyết, bài thực tập thí nghiệm cho các bài thực tập
trên
iii. Triển khai trong nghiên cứu đào tạo bậc đại học
e. Kết quá nghiên cứu :
- Đă triển khai bộ thí nghiệm cơ sở về thông tin quang, số hoá tốc độ
lOMb/s gồm :
ị. Hệ thí nghiệm truyền tin số qua sợi quang
1
ii. Giáo trình lí thuyết
Đã triển khai bộ thí nghiệm đo thông số linh kiện quang tử gồm :
i. Hệ thí nghiệm
ii. Giáo trình lí thuyết thực tập
/. Tình hình kinh phí cùa đề tài :

Năm 2002 được cấp 30 triệu
Năm 2003 được cấp 20 triệu
Đã chi theo các khoản mục đúng theo dự toán
XÁC NHẬN CỦA ĐƠN VỊ
CHU TRI ĐE TAI
p H Q c H u N H
Nguyễn Quốc Tuấn
XÁ C NHẢN C ỦA TRirỜNG
2
SUMMARY OF SCIENTIFIC RESEARCH
g. Title : Optical fiber communication Trainning
Code: QG 02 05
h Project Leader: Nguyen Quoc Tuan, M.Sc.
i. Project Team:
Vu Doan Mien
Prof.,
Dr.
Phdin Van Hoi
Prof.,
Dr.
Nguyen Kim Giao
Prof.,
Dr.
Chu Due Trinh
M.Sc.
Dinh Trieu Duong
M.Sc.
Pham Phi Hung
M.Sc.
Nguyen Van Thanh

Eng.
Pham Thi Tuyet Eng.
j. R esearch content:
Institute of Materials Science
Institute of Materials Science
Technology Faculty, HNU
Technology Faculty, HNU
Technology Faculty, HNU
Technology Faculty, HNU
Academy of Post (^Telecommunication
Technology Faculty, HNU
■ Objectives:
Develop measurement set and optical communication practice for under
and post-graduate students, including:
i. Elementary practice on optical fiber digital communication,
speed lOMb/s
ii. Practice on measurement system of quantum-optical
parameters.
iii. Practice on image transmission via optical fiber.
■ Content:
i. Develop practices on digital communication, quantum-optical
accessories, image transmission on optical fiber.
ii. Write theoretical instruction and manual procedures for the
developed practices.
iii. Apply in undergraduate research and training.
k. Resu lts:
3
Established the elementary experiment set on optical, digitized
communication, speed lOMb/s, including:
i. Experimental set on digital communication via optical fiber.

ii. Theoretical guideline of the practice.
Developed a set to measure parameters of quantum-optical
accessories, including:
i. Experimental set
ii. Theoretical guideline of the practice.
I. Project budget:
Annual allocation:
- 2002: VND 30 millions.
- 2003: VND 20 millions.
All expenses of the project have been duly settled in compliance with approved
cost estimate and current financial regulations of HNU and the Faculty.
Technology faculty Project leader
HANOI N ATION AL U NIVERSITY
4
ĐẶT VẤN ĐỂ
Ngày nay, kĩ thuật thông tin qua cáp quang được phát triển rất mạnh mẽ ở
Việt nam và trên thế giới. Ngành công nghệ Quang tử, trong đó bao gồm các lĩnh
vực thông tin quang sợi và công nghệ quang điện tứ là một ngành công nghệ cao
và là một bộ phận cấu thành của nền kinh tế tri thức. Đế đáp ứng yêu cầu phát
triển rất nhanh cua nền kinh tế năng động, nhiều cơ sở đào tạo đại học và trên đại
học đang gấp rút đào tạo một số lượng lớn nhân lực trong lĩnh vực này.
Do là ngành mới phát triển trong thập kỷ 90, nhu cầu sử dụng các thiết bị
quang điện tử để nghiên cứu, giảng dạy bậc đại học và trên đại học ở nước ta hiện
nay là rất lớn. Bên cạnh việc nỗ lực đối mới và cập nhật giáo trình giảng dạy, tình
hình chung hiện nay ở các trường Đại học và dạy nghể ở nước ta là rất thiếu các
phương tiện thực nghiệm cho cả giáo viên, nghiên cứu sinh, học sinh. Mặt khác,
các thiêt bị loại này thường có giá rất cao trên thị trường quốc tế. Ví dụ: Một bộ thí
nghiệm về thông tin quang sợi của hãng PHO TONIC TEC H gồm một bộ phát
LED ở bước sóng 850nm. thu bằng photo diode Si, và một bộ điều biến bằng tin
hiệu ANALOG và D IGITAL băng tần lOMb/s kèm một sô phụ kiện dịch chuyển

cơ học bán với giá khoảng 10.000 USD. Do vậy việc thiết kế chế tạo một sô
thiết bị quang điện tử dùng trong giảng dạy và nghiên cứu bậc đại học cũng như
trên đại học ở trong nước ta với giá thành hợp lý, chủ động thiết kế bảo dưỡng là
hoàn toàn có ý nghĩa thực tiễn. Việc phát triển công nghệ chế tạo thiết bị không
những giảm đáng kể giá thành chê tạo so với giá thành nhập ngoại mà còn góp
phần xây dung tiểm lực công nghệ cao trong nước, góp phần nâng cao chất lượng
đào tạo kỹ sư, cử nhân công nghệ quang tử, điện tử viễn thông.
Đây một công việc lớn, đòi hỏi nhiều đầu tư thời gian để nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo và thử nghiệm trong sử dụng đào tạo phù hợp các môn chuyên ngành.
Theo thoả thuận với các cơ quan phối hợp và sẽ sử dụng kết quả của để tài gồm:
Viện Vật liệu - Trung tâm khoa học và công nghệ quốc gia, Viện khoa học kỹ
thuật bưu điện, Học viện bưu chính Viễn thông. Đề tài này lựa chọn một số sản
phẩm công nghệ cao vể thông tin quang sợi nhằm đáp íửig nhu cầu cấp thiết của
khoa Công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội trong đào tạo về lĩnh vực này.
Trong suốt thời gian tiến hành thực hiện đề tài, chúng tôi luôn nhận được
sự giúp đỡ. quan tâm và úng hộ của Đảng uỷ, Ban Chủ nhiệm khoa Công nghệ
cũng như Ban Khoa học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội. Đề tài đã thực hiện
trong hơn một năm và đã tiến hành cho sinh viên năm thứ 4, chuyên nghành Điện
tử Viễn thông thực tập trong năm qua và đã thu được kêt quả tích cực. Nhân đây
chúng tôi xin trân trọng cám ơn sự giúp đỡ đó, giúp chúng tôi hoàn thành để tài
khoa học này.
CÁC VẤN ĐỂ TRONG sơl QUANG
Phồn lí thuụết
0.1 Lịch sử phát triển cùa fib e r O ptics
Phương pháp truyền thông tin bằng quang học đã có từ thời xa xưa. Trước
đây người ta gửi bản tin bằng các tín hiệu lửa được đốt lên hoặc bằng các tín hiệu
khói. Sau nữa các đèn báo hiệu được sứ dụng đế thông tin liên lạc giữa các con tàu
trên biển. Tuy nhiên, mẫu đầu tiên dùng cho hệ thống thông tin quang được đite
vào năm 1880. Lúc đó, Alecxander Graham Bell đưa ra một “ photophone" và
biếu diễn sự truyền dẫn đầu tiên trên 1 luồng sáng tại khoảng cách 200m.

Photophone được chỉ ra trong hình
0.1. Một tế bào selenium nhạy sáng
được sử dụng đê phát hiện ra sự thay
đổi của cường độ tia sáng. Tuy nhiên
phương pháp này được lưu ý rằng - nó
hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện khí
hậu là môi trường truyền tin mà tất cả
những ai tifng lái xe trong những ngày
có sương mù đểu biết rất rõ điều đó
không đáng tin cậy như thế nào.
! Uy»» rtifft»
vc«l»‘o
Ui
í! àị'1'l .1QH>
s'
vl %»
ìl
/
POữ
Iiiricr «í
Mcvuig
IU vaty
t * .ỈI . It io ỉ *
l'tr:fWn Um
ỉipcakfi(
Hình 01 : Sơ đồ nguyên lý của Alexađer Graham
Bell
/ s3«lfCC
Một ông dẫn sóng được làm bằng vật liệu không dẫn điện có thể truyền được
ánh sáng (chất điện môi) như thuỷ tinh, nhựa là môi trường truyền dẫn ánh

sáng đáng tin cậy hơn nhiểu bơỉ vì nó
không phụ thuộc vào sự thay đổi của
khí quyển. Dẫn sáng bằng chất điện
môi không phải là một ý tưởng mới,
vào năm 1870, John Tydall đã chỉ ra
rằng, ánh sáng có thể dẫn trong
dòng nước chảy. Thực nghiệm của
Tydall được chí ra trong hình 0.2.
Mãi đến năm 1910, Hondros và
Debye đã mở rộng lý thuyết ống dẫn
sáng của chất điện môi.
>-A
%' 'Că*r
ỡl wr :
/
7
/
Gvtft-ĩ fiđf
Hình 02 : Thi nghiệm của Tydall
ống dẫn sáng sợi quang được sử dụng làm môi trường truyền dẫn cho hiện nay
và mai sau cho các hệ thống thông tin số được đánh dấu bới 2 sự kiện:
• Đầu tiên là sự biểu diễn của vận hành Laser đầu tiên vào năm 1960.
7
• Tiếp theo là tính toán cúa 2 nhd khoa học C.Kđo và G.A.Hockham vào các
năm 1966 rằng: ông quang sợi có thê hoàn toàn như với cáp đồng trục
đang có đế truyền dữ liệu nếu sợi quang có độ truyền dẫn lớn hơn 1% của
ánh sáng sau khi truyền trên quãng đường 1 km.
Lull ý rằng: điều này hết sức quan trọng vì vào lúc đó, năng lượng của ánh sáng chi
tụt xuống còn < 1% sau khi truyền qua quãng đường 20m với sợi quang tốt nhất
khi đó và chưa có 1 chuyên gia vật liệu nào có thể dự đoán rằng ‘Yêu cầu truyền

dẫn chất lượng cao đã có thê đạt được“ .
Rất nhiểu nhóm nghiên cứu đã đi theo hướng này. Vào các năm 1970,
Corning Glass Works đã khám phá ra rằng các thuỷ tinh giàu Silica đế làm sợi
quang và 1 báo cáo đầu tiên về độ truyền dẫn > 1% trên khoảng cách lkm đã
được đăng. Nhóm này sau đó tăng độ truyền dẫn !ên tới > 40% trên khoảng cách
lkm . Ngày nay độ truyền dẫn trong dẳi 95-96% trên lkm . Để so sánh, ta tưởng
tượng nếu nước biến có độ truyền qua cỡ 79% thì mọi người có thể nhìn thấy tận
đáy biển, chỗ sâu nhất trong đại dương Tiến trình nâng cao độ truyền qua của sợi
quang được chỉ ra trong hình 0.3.
Nhờ có độ truyền qua cao, mất mát
~~ thấp, theo đó các ưu điếm bổ sung của
f sợi quang như: Khả năng mang một số
lượng lớn thông tin, chống được can
nhiễu của sóng điện từ. kích thước và
khối lượng bé đã tạo ra 1 công nghệ
mới. Sợi quang đã trở thành 1 môi
trường được chọn cho các íửig dụng
truyền thông. Lấy ví dụ: Hệ thống TAT-
8 (Trans-Atlantic-Telephone #8) đã
được xây dựng và hoàn thiện năm 1988
với khoảng 6500km chiều dài liên kết
quang sợi xuyên biển Atllantic có dung
__
__
___________
_
lượng truyền dẫn khoảng 20.000 kênh
thoại. So với TAT-1 được hoàn thiện
Hình 03 : Sự tiến trong truyền dẫn thông tin năm 1955 có thê’ m 5 0 kênh thoạị
quang sơi tai bước song 850nm và 1550nm , 5. .» ^

băng cáp đông trục. Do vậy
Pacific Bell thông báo 1 kế hoạch chuyến tất cả cáp điện thành cáp sợi quang. Họ
đã xây đựng 1 kế hoạch dài hạn để truyền các cuộc gọi đường dài trên quang sợi
vào các năm 2005 và thay thế mọi đường dây thường bằng sợi quang vào năm
2025. Sợi quang còn được dùng trong các mạng LAN để truyền dẫn hỉnh ảnh,
tiếng nói bên trong hay giữa các toà nhà. Nhiều toà nhà hiện nay khi xây dựng đã
được lắp sợi quang đế mong muốn sử dụng mạng LAN trong tương lai.
01
001
i K 78 8? ô:
8
Sợi quang còn được sử dụng trong các ứng dụng Sensor, nơi có độ nhạy
lớn, độ suy hdO thấp và tránh nhiễu loạn của trường điện từ. Sợi quang là linh hoạt
và các sensor có thê được thiết kê đế phát hiện nhiều tham sô Vật lý như : Nhiệt
độ, áp suất, độ xoắn và trường điện từ - khi sử dụng các đặc tính truyền dẫn công
suất lớn của sợi đa mode lẫn đặc tính nhạy phase của sợi đơn mode. Các ứng dụng
khác của sợi quang còn có trong y học. khi đó Laser đang được xem xét đê điều trị
và chuấn đoán, và sợi quang được sử dụng đê đưa các tia này vào tới các vị trí bên
trong cơ thể con người.
0.2 Q uang hình và quang sợi
0.2.1 Ánh sáng dược coi là sóng diện từ
Ánh sáng hàng ngày xung quanh ta mà ta nhìn thấy là 1 phần của dải - hay
của phổ - của sóng điện từ kéo dài từ dải Radio tới bức xạ phố Gama công suất
lớn như trong hình 0.4. Các sóng này là tổ hợp của trường điện từ mà nó có thế
truyền qua môi trường chân không. Sự phân biệt giữa chúng chủ yếu là bước sóng
và tần số dao động. Dải bước sóng cho ánh sáng nhìn thấy khoảng 400nm cho tới
700nm (1 nm bằng 1 phần tỷ của met). Với sợi quang người ta thường sử dụng
nguồn bức xạ sóng điện từ ngoài vùng nhìn thấy, trong vùng hồng ngoại gần với
bước sóng lân cận 800 nm cho tới 1500nm.
Thật khó đưa ra những gì đã xảy ra

trong hệ thống quang sợi nếu ánh
sáng đi vào hệ được vẽ theo hình
dạng di chuyển sóng của ánh sáng
Với trường hợp đơn giản nhất, dễ
nhất là coi sự di chuyển của ánh sáng
như là các chuỗi mà khi truyền các tia
sáng qua không gian. Thực nghiệm
thấy như các tia nắng mặt trời đi qua
các
đám mây vào những ngày trời có mây cho ta 1 ví dụ tương tự như là sự tập hợp
các tia sáng.
Trong chân không, ánh sáng truyền với vận tốc 3x10S m/s. Trong môi
trường vật chất khác, như không khí, nước thì tốc độ này bị giảm xuống. Với
không khí, tốc độ truyền giảm xuống không đáng kế còn trong nước sạch thì tốc
độ giảm đi 25%, còn trong thuỷ tinh tốc độ truyền giảm xuống từ 30% cho tới
50%
4 CC' I 11 ỉ co in'
~ r
X ítoyt utiíì ^ Míỉrcó
>
Micro
wives
i LL
i
Hình 04 : Phổ năng lượng điện từ
9
Trong hầu hết các trường hợp, kết quả của sự tương tác của sóng điện từ
với môi trường vật chất có thế được biểu thức bằng con sô đơn lẻ - chỉ số khúc xạ
của môi trường - Chỉ số khúc xạ của môi trường là tỷ số của tốc độ ánh sáng trong
chân không (c) với tốc độ ánh sáng trong môi trường có vật chất (V) và kí hiệu:

n = c / V (0.1)
Do tốc độ ánh sáng trong môi trường có vật chất luôn bé hơn trong chân
không do vậy tỉ số này luôn lớn hơn 1. Với môi trường không khí chỉ số này xấp xỉ
bằng 1 còn trong nước n = 4/3 = 1.333 còn trong thuỷ tính n nhận giá trị từ
1.44 đến 1.9. Chú ý rằng :
• Chí số khúc xạ thay đổi theo bước sóng của ánh sáng. Điều này được
gọi là tán sắc ánh sáng và sẽ được miêu tả trong phần sau.
• Môi trường vật chất không chí làm chậm tốc độ truyền sáng mà còn hấp
thụ 1 vài ánh sáng truyền qua nó. Độ hấp thụ thay đối theo bước sóng
và được gọi là lọc.
Trong môi triíờng đồng nhất, tại đó chí số khúc xạ là 1 hằng số và ánh sáng
truyền theo đường thắng. Chí khi ánh sáng gặp sự thay đổi liên tục hay gián đoạn
về chí số khúc xạ thì tia sáng đó sẽ rẽ khỏi chiều trước đó nó được truyền.
Trong trường hợp có sự thay đối vể chỉ sô khúc xạ bên trong môi trường vật
chất, tia sáng sẽ phải tuân theo quy luật của sự thay đối về ch? số khúc xạ trong
không gian. Lấy ví dụ : Không khí trên mặt đường bị đốt nóng bởi ánh sáng mặt
trời giữa buổi trv.fa làm giảm mật độ
không khí. Do chí sô khúc xạ tăng
theo sự tăng của mật độ do vậy chỉ
sô khúc xạ của không khí trên mặt
đường lúc đó tăng theo chiều cao.
Điều này được gọi là gradien chí sô
khúc xạ chi lên phía cao. Khi đó
tương tự như chúng ta có một cái
gương lớn trên mặt đường với điểm
đính lập úp xuống ( hình 0.5 ). Anh
sáng từ vật bị cong xuống mặt đường Hình 05 : Sự cong của tia sáng bởi sự thay đối chi
không chỉ đến trực tiếp so khuc xa
Mắt người quan sát mà còn 1 số ánh sáng từ vật in xuống mặt đường và là vật
được hấp thụ bởi con đường đi tới mắt người quan sát. Kết quả là cái mà mọi người

nhìn thấy dưới mặt đường sẽ là vật phản xạ gọi là “ mirage “ ảo của 1 vật trên mặt
đường . điều này giống như là nhin thấy sự phản xạ trên mặt hồ nước. Sự bẻ cong
của ánh sáng bởi gradien chỉ số khúc xạ được sử dụng trong các sợi quang nhằm
0.2.2 Anh sáng trong các môi trường uột chất
Occttề&ng Ircrtism g ix r c a s iQ
Tcrợerstun Deỉisny R etfJdivc Inữcx
1 t t
M -■
•7 Ạ -
. I cìw 1
'• -V
Í í r t
ịU_LJ* ị
Ị ọ ^ Đ X ìỢ
«*\ W* ■ W V ’*
** ■
I « V <!rt»
\4
____
1-
10
tăng dung lượng mang thông tin và tạo ra các thấu kính cho các hệ thống sợi
quang.
Nếu sự thay đổi chỉ sô khúc xạ không từ từ như trường hợp của gradien chỉ
sô khúc xạ kê trên mà thay vào đó nó thdy đổi đột ngột giống như giữa thuỷ tinh
và không khí thì chiều truyền của ánh sáng sẽ tuân theo các định luật quang hình.
Nếu góc kích thích 0, của tia sáng đi vào môi trường vật chất tại điếm tiệm cân trực
giao với điếm giao diện giũci 2 bề mặt vật chất thì:
• Góc phản xạ Of được đo cùng giá
trị :

0, = 0,
• Góc mà ánh sáng được truyền
qua xác định bởi :
rij sin ( 0,) = n2 sin (Gr )
Định luật đầu tiên được gọi là định luật
phản xạ, còn định luật sau được gọi là
định luật khúc xạ hay còn gọi là định
Hình 06 : Hình ảnh về khúc xạ và phản xạ luật Snel!
Người ta dùng 1 môi trường mà chi sô khúc xạ lớn hơn môi trường kia làm
dày đặc quang học (denser optic) và một môi trường mà chỉ số khúc xạ bé hơn môi
trường kia và gọi là làm thưa đi quang học (rare optic). Vì thế ánh sáng đi vào môi
trường dày đặc sẽ bẻ cong theo hướng tiến còn ánh sáng đi vào môi trường thite đi
bị bẻ cong theo chiểu ngược lại. Trong hình 07. một chuồi các tia trong môi
trường dày đặc tới mặt phân cách theo các góc khác nhau. Tia sô
#1 khúc xạ tại giao diện, phù hợp với
định luật Snell. Tia thứ #2 bị tới hạn là @ 0 0
góc sao cho góc khúc xạ bằng 90°.
Nếu góc tới hạn của tia số #3 đưa vào
định luật Snell, ta sẽ tỉm thấy giá trị lớn
hơn 1 và do vậy tia số #3 phải bị phản
xạ lại, không truyền vào môi trường
tiếp như trường hợp thứ #2 và được
phản xạ, gọi là phản xạ toàn phần.
Góc tới hạn là góc incident sao
cho tia truyền qua bị khúc xạ dọc theo Hinh 07 : Hình ảnh dân tời phản xạ toàn phần
bề mặt của giao diện ( tia sô #2 ). Khi đó :
sin (ỡcri ) = n , / n2 (0.4)
11
Tại hỉnh trên phương pháp phản xạ toàn phần giông như 1 gương hoàn
thiện, nếu phương pháp này được xem xét đế truyền sóng, như lý thuyết dự đoán

Vđ thực nghiệm đã khắng định là: trường điện từ yếu tồn tại trong môi trường
hiếm, nhiửig nó suy hđO rất nhanh theo khoảng cách từ giao diện đi vào và không
đủ năng lượng để truyền trong môi trường hiếm (trường này gọi là trường chóng
phai mờ - evanescent field). Nhưng còn trong môi trường dày đặc lại cho phép
mặc dù có 1 số ít đi vào môi trường thứ 2 và gọi nó là frustrated phản xạ bên trong
toàn phần và sẽ được mô tả sau.
0.2.3 Ánh sáng trong các sợi quang
Nếu có ai đó mà chí dùng sợi quang chứa 1 đơn chất hoặc thuỷ tinh hoặc
nhựa thì ánh sáng có thế mất ớ bất kì điếm nào tại bề mặt của chúng. Vì thế để
ánh sáng có thê truyền được sẽ phụ thuộc vào phương pháp sử dựng và cách giữ
chúng trong sợi quang. Sợi quang cũng phải mềm mại để có thể di chuyển được
trong khi sử dụng nó. Đê giải quyết vấn đề này cáp quang thường có 2 lõi, tâm lõi
dẫn sáng được gọi là core hay là lỗi, được bao bọc xung quanh bởi ống hình trụ
gọi là cladding (Hình 08) hay là vổ. vỏ lại được bao phủ bảo vệ bởi lớp nhụte
Do chí số phản xạ giữa lõi và
vỏ là bé hơn trong trường hợp
lõi là không khí, góc tới hạn là
lớn hơn nhiều đối với vỏ của sợi
quang. Chí số của vỏ là nci vẫn
còn bé hơn chỉ số của lõi nc6e
bởi vì phản xạ toàn phần chỉ
xảy ra khi ncore > nci Hãy nhìn
lại hình [08] thấy rằng 1 tia hình
nón được sợi quang nhận được
xác định bởi
sự khác nhau giữa các chí sô khúc xạ của vỏ và lõi. Sự khác nhau về chỉ số khúc xạ
được cho bởi :
A = ( ncore - ncl ) / ncore. (0.5)
Bới vì chỉ sô khúc xạ của lõi là hằng số và chí số thay đôi tại biên, giao diện
giCfa lỏi và vỏ. Loại sợi quang trong hình [08] này được gọi là sợi quang chỉ số bộc.

Xác định góc tới hạn có thể được sử dụng đế tìm kích thước của lõi của ánh sáng
mà nó được nhận bởi sợi quang với sự sai khác chí số số khúc xạ A. Trong hỉnh
08, tia sáng được vỗ có được góc tới hạn tại giao diện giữd lõi và vổ. Nếu góc hình
nón là 0t thì theo định luật Snell ta có :
. r i
<w-*-ì
1
Hình 08 ; Sợi quang vời chỉ số khúc xah nhẩy bậc
12
nc sin Oc = niore sin Oc = ncoresin ( 9Ơ’ - Ocore )
= " c o r e cos 0
= n ,or,'
ựọ - s i n ' ế T j
Từ biểu thức (0-4): sin (ơcore ) = ncl / ncore vi thế
ncsinOc = V ( " L “ n d ) (° - 6)
Số mở NA là sô đo liệu có bao nhiêu ánh sáng có thể được nhận bởi hệ
thống quang như là cáp quang, thâu kính hiển vi hoặc là thấu kính ảnh. Nó là sản
phấm của chí số khúc xạ của môi trường tới với sin của góc tối đa
NA = n, sin 0max (0.7)
Trong hầu hết các trường hợp, ánh sáng tới từ khônq khí và do vậy n = 1 Khi
đó số mở của cáp chí số nhẩy bậc từ biểu thức (0.6) và (0.7) là:
NA = - n h (0.8)
Khi À « 1 , biếu thức 0.8 có thể xấp xỉ bằng :
NA = V k w,+ '7 ,/ K ,
= Ậ 2ncore\” corA ) = (0.9)
Điều kiện trong đó A « I tương ứng với ống dẫn yếu. NA của sợi quang sẽ được
đo trong phần tiếp theo.
t«
Hinh 09 : Hình ảnh trễ khac nhau của càc tia trong sợi
quang có chiết suất nhảy bậc

cách L ị , từ hình học chúng ta thấy :
Trong hình 0.9 chỉ ra 2 tia,
Một tia trục đi dọc theo trục
của lõi sợi quang còn tia kia, tia
mép đi dọc theo đường gần góc
tới hạn chỗ giao tiếp vỏ và là
góc tia lớn nhất mà nó sẽ được
truyền trong fiber. Tại điểm nơi
mà tia ớ mép gặp giao tiếp, nó
đã đi được 1 quãng đường là L 2
trong khi đó tia trúc lại đi được
khoảng
sin 0 = ncl/ ncore = L , / L 2
(0. 10)
13
Độ dài L 2 là hệ sô ncore/ nCỊ dài hơn L ị như trong trường hợp chí ra trong
hình Đối với độ dài nào L của sợi quang, khoảng cách thêm vào được di chuyển
bởi tia mép là :
ỎL = ("core - n,i) L /nel (0.11)
Biểu thúc (0.11) có thể đơn giản bằng : ỔL = L a . Thời gian thêm vào: để cho
ánh sáng đi dọc theo tia mép là :
ổt = ỔL / V = La ncore/c (0.12)
Vì thế, một xung có độ dài t biểu diễn 1 bit thông tin sẽ bị kéo dài thêm 1
khoảng t + ốt . Sự sai lệch về mặt thời gian giữa tia trục và tia mép sẽ gây ra xung
bị bấn và vì thế sẻ hạn chế sô xung trong 1 giây có thể được truyền qua fiber và
được phân biệt tại đầu xa kia. Trong trường hợp như vậy, hệ thống có thể được
giới hạn không chỉ bới tốc độ bật hay tắt của nguồn hoặc tốc độ đáp ífng của đầu
đo mà còn bới sự sai lệch thời gian trễ khi tia sáng truyền qua sợi quang. Sự bẩn
(trễ) của xung có thể được được chữa trị bằng cách sử dụng các cáp với chí số
graded hoặc đơn mode.

Ngay từ ban đầu, người ta lưu ý rằng, các tia sáng có thể được làm lệch
bằng cách thay đổi chỉ số khúc xạ của môi trường như là bất ngờ đối giao diện gịCte
hai chỉ số. Có 1 số cách đê tạo ra điều khiến gradient chí số. Một vài giải pháp giới
thiệu sự pha tạp vào trong lớp mỏng của thuỷ tinh và chúng lắng đọng trên đế.
Cách làm này không tạo ra xứ lí liên tục do chỉ sô khúc xạ trong mỗi một lớp là
gần như khòng đối. Kết quả là sự thay đỗi của chỉ số khúc xạ trong sợi quang có sự
tương đồng của một chuỗi các vòng cây đồng tâm (các vòng có chỉ sô khúc xạ
khác nhdu đột ngột ) chứ không phải là sự thay đổi từ từ, mềm mại của chỉ số khúc
xạ. Một kĩ thuật khác là bỏ đi một vài chất khỏi thuỷ tinh cơ sở bằng xử lí hoá học.
Các sợi quang có lõi với chí số khúc xạ thay đổi gradient được gọi là fiber-index-
graded. Loại cáp này có chí sô khúc xạ thay đổi từ từ theo lý thuyết .
Mỗi một sợi quang chí sô khúc
xạ gradient có thể được điều khiến
chế tạo bớ. nhà máy đê thiết kế
chế tạo các sợi quang, xác định
cách sử dụng với chí số khúc xạ
cho trước n(r) , sự thay đối của chí
sô theo khoảng cách bán kính của
lõi. Thường thỉ sự thay đổi này
tuân theo định luật cho như sau :
14
n2(r) = n \ ( 1 - 2 A ( r/a f )
(0.13)
Tại đây nr là chí sô khúc xạ tại tâm của lõi, còn A là sự sai lệch chỉ số khúc
xạ tại biểu thức 0.5 trên đây, nhifng n, bây giờ thay thế cho ncore Tham số a là
exponent của định luật công suất và xác định dạng của graded-index-profile. Với
a=2 cho ta profile dạng parabolic như hình 0 10. Profile này thường gặp trong hầu
hết các sợi quang chí sô khúc xạ graded dùng trong viễn thông vì nó đã loại trừ
được thời gian trễ khác nhdU giưa tia trục và tia phản xạ. Số mở của sợi quang chỉ
số khúc xạ graded cũng cũng giống như sợi quang chỉ số khúc xạ nhấy bậc chỉ các

tia trục đi vào cáp. Với các tia đi vào tại các điểm khác của lỗi, số mở địa phương
sẽ bé bới vi chí số địa phương rt( r) phải được sử dụng nhtf trong biểu thức 0.8.
Trong trường hợp với sợi quang chí số parabolic graded, tong số các tia nhận được
chỉ bằng một nứa tổng số các tia nhận được bới sợi quang chỉ số nhay bậc với cùng
một giá trị A.
Chẳng cần đifa vào tính toán cũng nhận được rằng sợi quang chí số
parabolic graded bổ đi thời gian trễ, giảm được các xung bẩn và có thể có chất
lượng xung tốt hơn. Thay vỉ các tia mạnh bị mất tại giao diện lõi-vổ như là trong
sợi quang chí số nhấy bậc, các tia sẽ đi theo các đường cong mềm mại trong sợi
quang chi sô parabolic graded, các đường này có dạng sinusoidial. Đó là con đường
có thế được mô tả bằng 1 hàm sin trong không gian.
Người ta thấy rằng đường đi các tia sáng có một biên độ bán kính lớn và
thậm chí vẫn còn dài hơn quãng đường đi theo trục của sợi quang. Nhưng bới vi
với các sợi quang với chí sô khúc xạ graded, vận tốc ánh sáng tại tâm của cáp thỉ
nhỏ hơn vận tốc ánh sáng tại mép của lõi. Do vậy cho dù ánh sáng đi gần tới mép
của sợi quang có quãng đường xa hơn nhifng nó đi nhanh hơn và do vậy đến đầu
cuối của sợi quang có cùng một thời gian so với ánh sáng đi theo trục cáp. Nếu độ
dài của sợi quang là L , còn tốc độ của ánh đi trong tâm của cáp là V = c/nc thì
thời gian để cho 1 xung đi tới đầu cuối của sợi quang là
t - L / V - n, L / c
Để ánh sáng đi theo con đường hình sin, độ dài quãng đường tia sáng phải
đi là L' và do vậy thời giđn tia sáng phải đi là í = n( r,z ) L' / c sản phấm của
con đường hỉnh học và chí số khúc xạ được gọi là độ dài con đường quang học.
Nếu độ dài con đường quang học n( r ) L là giống nhau cho tất cả các con đường
thì không có sự sai khác về thời gian trễ của các tia đi qua sợi quang. Để cho tất cả
các độ dài con đường quang nhau là như nhau, thỉ profile phải ỉà parabolic với a=
2
15
0.2.4 Cóc thấu kính chí số graded.
w

*%4
(b)
Một vấn để lưu ý trong
hình 0.10 là một sự xoè ra của
các tia đưa vào tại một điếm và
rồi thì lại gặp nhau tại 1 điếm
khác chung trên trục kiểu như là
các tia từ một vật nhổ được lắp
ảnh lại bới 1 thấu kính. Khoảng
cách đế 1 tia đi trọn 1 quãng
đường hình sin được gọi là bước
( pitch ) của sợi quang. Độ dài
của 1 bước được xác định bằng
A, sự sai khác chỉ số khúc xạ
Nếu sợi quang chỉ số khúc xạ
parabolic được cắt với độ dài
bằng 1 / 4 của bước thì nó có
ư , -r, . . . ~D(AÍ . - thế đươc dùng như là các thấu
Hình 11: Thâu kinh GRIN pitch 0.25 (a) và 0.29 (b)
kính cực ki tốt ( Đôi khi còn được gọi là thấu kính GRIN, viết tắt của GRaded
Index ) cho các ứng dụng fiber như trong hình 0 11 Do vị trí ra của sợi quang tại
bể mặt có độ dài ngắn, ánh sáng từ thấu kính sẽ được chuẩn trực cũng như các tia
phân ki tại điếm hội tụ của thấu kính được trực chuẩn lại. Do đặc tính của thấu
kính được xác định bởi độ dài của nó mà các thấu kính gradeci-index được chấp
nhận với độ dài 1/4 hay 0.25 pitch Trong 1 vài trường hợp, không nhất thiết phải
chuan trực ánh sáng mà lại cần đê hội tụ của lối ra sợi quang trên 1 đầu đo nhỏ
hoặc hội tụ vào lõi của 1 sợi quang. Cách dễ nhất để làm điều này là tăng quãng
đường của thấu kính GRIN lên tới 0.29 pitch lens như trong hình 0.11. Điều này
cho phép người thiết kế hệ thông quang sợi di chuyển nguồn sáng ngược lại về
phía thấu kính để có sự hội tụ ánh sáng truyền tới. Trên thực tế, điều này được sử

dụng cho các khớp ghép nguồn tới sợi quang hay là từ sợi quang tới các đầu thu.
Cả 2 thấu kính GRIN với 0.25 và 0.29 pitch đều được sử dụng trong phần bài tập
sau này.
0.3 Tính chât quang học và các m ode trong sợi quang
0.3.1 Các trường sóng trong fiber
Các định luật truyền ánh sáng trong quang sợi được trình bày trong các
phương trình Maxwell giống như các định luật miêu tả sự truyền ánh sáng trong
môi trường chân không hoặc môi trường nào khác. Khi thông tin về vật liệu là
không đổi ví như chí số khúc xạ và các điểu kiện biên cho hình ống của lõi và vổ
16
được kết hợp chặt chẽ vào trong biểu thức, chứng có thế được kết hơp để tạo ra 1
hàm sóng mà hàm sóng đó có thể được giải đối với sự phân bô trường điện từ mà
nó sẽ truyền qua sợi quang. Cốc điều này cho phép phân bố của trường điện từ
qua sợi quang được chuẩn hoá như là các m odes của sợi quang. Chúng cũng
tương tự như các modes tim thấy trong các hốc vi sóng và các hốc laser. Khi số
lượng các modes trở thành lớn như trường hợp với sợi quang có đường kính lõi lớn,
hình ảnh tia mà chúng ta đã sử dụng miêu tả đầy đủ sự truyền sóng trong sợi
quang.
ơ đây tần sô ánh sáng tính theo radian / sec ( to = 2 Tty ) còn V là tần sô
tuyến tính theo H ER TZ cycle/sec, còn p là hằng số truyền được tính theo radian
trên đơn vị khoảng cách, còn ỵ là hằng số phase được cấp hiệu chính biên độ tại
thời điểm t = 0 và vị trí z = 0 với q là 1 số nguyên. Tham số p là quan trọng để
chí ra sự truyền ánh sáng trong sợi quang như thế nào. Theo sự miêu tả hình học
tia sáng, ịi là hình chiếu của vector truyền lên trên trục z, tại đó độ lớn của vector
truyền là k = 2 rcn / Ằn với Ẫ0 là độ dài sóng ánh sáng trong chân không. Một điểu
hết sức quan trọng để phân biệt giữd độ lớn của vector truyền k hằng sô truyền (i
là thành phần z của vector truyền nhằm đê tránh các rắc rối sau này.
Giải bài toán đối với p, f ( r ) và q bằng cách thay thế biểu thức 0.14 vào trong
hàm sóng. Bài toán sẽ phụ thuộc vào dạng hinh học của sợi quang, chỉ số profile
bao gồm của cả lõi lẫn vổ được xem dưới đây. Profile step-index là một trong số ít

profile chí số khúc xạ được dùng đế giải bài toán 1 cách chính xác. Trong nhiều
trường hợp, đê giải bài toán người ta sử dụng hàm Bessel (Rất nhiều người không
thích dùng hàm Bessel do hầu như hiếm khi thu được các hàm lượng giác thậm chí
là các hàm hyperbolic. Trong khi đó các hàm lượng giác được học ở toán cấp 3.
Như sự dao động của dây dàn Guitar thực ra là sin nhưng không nhìn thấy do rung
Sự miêu tả các mode truyền trong
sợi quang được giải phương trinh
sóng trong toạ độ trụ đối với trường
điện của ánh sáng trong sợi quang.
Hệ thống toạ độ trụ trong sợi
quang được minh hoạ trong hinh
0.12, Khi giải chúng ta sẽ thu được
sự đơn điệu ( chứa hàm sin và cos)
theo không gian và thời gian dưới
dạng :
Hinh 12 : Trục toạ độ cho các Mode trong sợi quang
E ( r,ệ,z ) = f ( r ) cos ( cot - Ịìz +
V
) COS ( qệ ) (0.14)
17
. P ĩ / I b X >
động của nó với tần số cao. Tuy nhiên hàm Bessel lại rât dễ tìm chỉ cần 1 bể mặt
có thế di chuyển 1 cách tự do và biên hình trụ là bề mặt đó. Ai đó mang tới 1 cốc
caphê vìte đủ, gõ nhẹ vào bên cạnh cốc và nhìn các sóng hình tròn phát ra trên bể
mặt - Đó chính là hàm Bessel).
Một đại lượng quan trọng xác
định các mode của trường điện từ
là một tham số được gọi "tham
số đặc tính ống dẫn sóng" hay
còn gọi là "Sô sóng thông

thường" hay đơn giản nhất là “V-
number" cúa sợi quang. Trong
hình 0.13 đã cho 1 vài bậc thấp
nhất của các mode. Sô của các
mode truyền được xác định bởi
số các đường cong cắt qua đường
thắng đííng tại V-number của sợi
quang. Chú ý rằng, các sợi quang
với
V < 2.405 chỉ có đơn mode được truyền trong sợi quang. Đây là loại đơn mode
mà bước sóng tại V < 2.405 đợc gọi là bước sóng cut-off được biểu thị bởi Xc do
đường kính của lõi và NA cũng như bước sóng phát ra được tăng thêm đó là những
bước sóng mode bậc cao được loại bỏ và chí nhCfng mode đơn lẻ sẽ được truyền ở
trong sợi quang.
Một sợi quang mà chí truyền mode H E n được gọi là sợi quang đơn-mode,
ví dụ như loại sợi quang F-SV có đường kính lõi 4f.tm và NA khoảng 0.11. Theo
biểu thức 0.14 cáp này có V-number là 2.19 cho ánh sáng với bước sóng 633nm
sẽ làm việc tốt ở vùng đơn mode. Thực nghiệm vấn đề này sỗ làm trong phần sau.
Trong các sợi với ổ << 1 giải chính xác lý thuyết ống dẫn sóng H E(orecó thể
được thay thế bằng cách đặt các mode mà từ đó được phân cực tuyến tính, được
gọi là LP mode ( Chi tiết về sự phân cực sóng trong sợi quang sẽ được nói trong
phần 0.3.2 ). Các mode LP này được kết hợp cuả các mode được tìm thấy từ lí
thuyết ống dẫn sóng
đã có. Các mode phân cực tuyến tính này có thể được đặc
trưng bới 2 kí hiệu : m và n Kí hiệu đầu tiên (m) cho số của góc phương vị (hay
là góc, các nodes zeroes mà sẽ xuất hiện trong phân bố trường điện của mode).
Còn tham số
Hinh 13: Các mode bậc thấp của 1 sợi quang. Mỗi
một V-num biểu diễn 1 cấu hình sợi quang khác nhau
18

lf*w
thứ 2 n của bán kính nodes ( radial
nodes ) mà nó xuất hiện. Chúng có
thê được nhận dạng bởi các mẫu
hinh quang lối ra của sợi quang.
Các mẫu này có tính đối xứng với
tâm của chùm tia và vùng sáng
phân biệt với vùng tối. (Các nodes
được xác định theo số bậc của m và
n ). Một vài trong số đó được chỉ ra
trong hình 14. Người ta giả định
rằng, trường zero tại mép ngoài của
phân bô trường được đếm như là 1
node sao cho n >=1. Với các node
phương vị, M >= 0, bậc thấp nhất
H E U chứa hai LP mode, với phân
cực góc phải cho mode này còn lại
Hình 14: Các kiểu chiếu sáng do một vàl mode cho mode kia. Hình 15 chí ra hằng
phân cực bậc thấp gộ'
truyền của các mode này như là 1 hàm của V-number.
> -V
Khi v_number lớn hơn 2.405 (giá trị mà tại đó giá trị zero đầu tiên của hàm
Bessel bậc zero xuất hiện ), mode tiếp theo được phân cực tuyến tính L P U có thể
được trợ giúp bởi sợi quang sao cho cả hai mode L-P01 lẫn LP n sẽ truyền. Với sợi
quang có V-number khoảng 3.832 (phù hợp với giá trị zero đầu tiên của hàm
Bessel bậc một) hai mode phân cực tuyến tính nữa được truyền LP Z1 và LP 02. Bằng
cách thdy đổi vị trí và góc của chùm tia lối vào trên sợi quang đa
mode với V-number thấp, các
mode phân cực tuyến tính riêng rẽ
sẽ được phát ra trong sợi quang và

quan sát được tại lối ra. Sự truyền
của các mode riêng rẽ trong sợi
quang như thế có thể được quan
sát trong phần sau.
Điều này giúp vượt qua một trong
các khó khăn của khái niệm mode
trong sợi quang và làm cho mọi
người hiểu được chúng là cái gì và
chúng khác nhau như thế nào
Hinh 15: Các mode phân cực tuyến tinh bậc thấp
trong 1 sợi quang
0.3.2 Các mode
cáp cỉa mode
19
Cáp đd mode thường được dùng trong viễn thông có thể có a = 25(.im,
NA=0.20 hoặc ở = 50 ịam còn NA = 0.30 đối với ánh sáng có bước sóng
633nm , V-number nằm trong khoảng 50 cho đến 150. Điều này có nghĩa là một
sô lớn các mode sẽ được trợ giúp bới sợi quang. Trong sô ánh sáng được mang bởi
mỗi một mode sẽ được xác định bởi lối vào. hoặc bới cách đưa vào hay các điều
kiện. Lấy ví dụ: nếu góc trải của tia từ nguồn lớn hơn góc trải có thể được chấp
nhận bới sợi quang (NA của bức xạ lối vào lớn hơn NA cua sợi quang) và bán kính
của chùm tia lối vào lớn hơn bán kính lõi thi nói rằng đã tràn -o v e r fille d (hình
0.16a) - Đó là một vài tia từ nguồn đặt vào trong sợi quang không có thể truyền
được bởi sợi quang. Ngược lại khi chùm tia lối vào có NA bé hơn NA của sợi quang
và bán kính của chùm tia lối vào cũng bé hơn bán kính lõi
sợi quang thì được gọi là thiếu -
u nd erfilled (hình lỏb) và chỉ
các mode bậc thấp (các tia góc
thấp trong trong ảnh tia) sẽ
được kích thích trong sợi

quang. Hai điều này phân bố
với độ suy hao đo được là khác
nhau Với trường hợp
overfilled có độ mất mát lớn
hơn trường hợp underfilled.
Các tia bậc cao hơn sẽ mất
nhiều thời gian hơn gần giao
diện vổ - lõi và sẽ có nhiều hơn
sự phai mờ kéo dài
tận vào trong vổ sợi quang do vậy có độ suy hao cao. Cũng như vậy, nếu sợi
quang bị bẻ, các tia tại góc lớn so với trục của sợi quang không đảm bảo điểu kiện
góc tới hạn và do vậy không phản xạ toàn phần.
Do năng lượng từ các mode này phát tán vào trong vỏ do vậy tăng suy hao.
Chúng được coi như là radiation m ode Còn 1 chế độ khác của mode được gọi
là leaky-m ode Mode này có 1 phần năng lượng trường điện từ của chúng phân
bố bên trong lõi và 1 phần phân bô tại vó. Nhưng không có một sự phân bố năng
lượng nào tại giao diện vỏ-lõi. Năng lượng phân bô trong lõi "dò rí" vào trong vổ
bằng các xử lí đã biết trong cơ học lượng tử gọi là đường hầm (tunnel). Mode dò rí
không là mode ống thực sự nhưng có thể không hoàn toàn mất cho đến khi ánh
sáng đã đi được 1 quãng đường dài.
(*-»)
Hình 16 : Điều kiện đưa vào sợi quang đa mode (a)
Overfilled (b) UnderFilled
20
Hình 17: Mode xáo trộ của sợi quang do sự bẻ cong
Sau khi ánh sáng đã được đặt vào
trong sợi quang và truyền với 1
khoảng cách đáng kể ( có thể là 1
vài km), một sự phân bố năng lượng
bên trong lõi của sợi quang đã tăng

lên mà về cơ bản không phụ thuộc
vào khoảng cách truyền. Điểu này
được gọi là "phân bô mode ôn định
Nói chung, tương xứng với mode
on định là không nhạy với sự bẻ
cong nhỏ và sự
vặn xoắn trong sợi quang dù cho chỉ với độ dài sợi quang ngắn. Một kĩ thuật được
gọi là mode-filtering (mode lọc) được dùng. Mode-filtering được coi là đồng loã với
cách dùng mode xáo trộn (mode-scrambling). Mode srambling có bằng cách bẻ
cong sợi quang theo các đoạn như chí ra trong hình 0.17. Hiệu quả của các sự bề
cong này là loại bó ghép ra ánh sáng các mode radiation và leaky và đưa ánh sáng
vào mode dẫn của sợi quang, tạo ra 1 sự xấp xỉ sự phân bô mode ổn định. Mode
scrambling cho độ lặp lại, chính xác về phép đo suy hao trong phòng thí nghiệm,
thậm chí với độ dài sợi quang đủ ngắn. Nó được sử dụng trong 1 vài phần tiếp sau
đây.
0.3.3 Sự phân cực của sóng
Pi oợiạaUon
Direction
Trường điện từ là một đại lượng
vector. Cả hai thành phần trường điện
và trường từ đều là vector theo góc phải
tương ửng với nhau. Trong nhiều trường
hợp, cả hai vuông góc lẫn nhau, vuông
góc với vector truyền của ánh sáng như
chỉ ra trong hình 0.18. Mỗi một khi
vector truyền sóng có thành phần z là
p và chiểu truyền của nó dọc theo tia
sáng là được biết. Thông tin về trường điện là tất cả những cái được yêu cầu dể xác
định đầy đủ trong môi trường (trường từ có thể được xác định từ thông tin này).
Chiều của trường điện xác định sự phân cực của sóng.

_
>.
Hinh 18 : Các thành phần của trường điện từ
Trong nhiều nguồn sáng, sự phân cực cúa ánh sáng thay đổi một cách ngẫu
nhiên, và nguồn này được gọi là “ được phân cực ngẫu nhiên Các nguồn khác
như là lối ra của nhiều laser được phân cực tuyến tính. Khi ánh sáng được phân
cực tuyến tính, vector trường điện giữ 1 giá trị không đôi trong không gian như
được vẽ trong hình 0.19a. Do trường điện là 1 vector, nó có thể chiếu thành phần
của nó lên hai trục vuông góc, nếu có 1 sự chậm trễ thời gian giữa hai thành phần
21
71
mà nó có thể được chuyến đối thành sự trễ pha thì dạng khác của sự phân cực
được tạo ra. Ví dụ nếu thời gian khác nhau giữd hai phân cực trực giao là 1/4 của
chu kì ( phù hợp với 1/4 bước sóng ) sự sai pha giữa hai thành phần là 90°. Vector
trường điện của sóng là kết quả của hai thành phần và vector trường điện đê lại
hình ellippse trong không gian ( hình 19b ). Vì nguyên nhân đó ánh sáng được gọi
là "phân cực elliptically Nêu hai thành phần của chúng bằng nhdU và vuông pha
90" sóng sẽ được phân cực trong như hình 0.19c. Trong trường hợp, sợi quang
phân cực ánh sáng truyền qua nó. chúng có thê đảo ngược hoặc có thê xáo trộn
một cách ngẫu nhiên sự phân cực ánh sáng phụ thuộc vào sợi quang đang dùng.
Khi ánh sáng tương tác với vật liệu,
các điện tử trong vật liệu được đặt
trong sự di động. Trong khi hầu hết
các ánh sáng được truyền bởi môi
trường thì 1 phần nhỏ của ánh sáng
bị phân tán bởi điện tử và bởi các
khuyết tật trong môi trường. Trong
nguồn sáng được phân cực ngẫu
nhiên, ánh sáng sẽ bị phân tán đĩ
theo mọi hướng. Nếu ánh sáng trong

môi trường được phân cực tuyến tính
thì có rất ít ánh sáng bị phát tán dọc
theo chiều của vector phân cực. Hầu
hết các ánh sáng được phân tán bên
trong hoặc gần mặt phắng vuông góc
với chiều phân cực như chỉ ra trong
hình 0.20. Điều này có nghĩa là nếu
chúng ta gứi ánh sáng phân cực
tuyến tính qua 1 môi trường mà môi
Hình 20: Tan xạ của ánh sáng bàng trường phân trương đo thay đoi chieu phan cực
cực tuyến tinh nhưng không xáo trộn nó và chúng
ta có thể dọc theo hướng của phân
cực qua môi trường ( hinh 0.21 ).
Hinh 19 : Dạng phân cực của ánh sang
tvj
stftttefCJd Atang
P&ẠiợtUẩyì OniVTnn
Trong sợi quang tròn hoàn toàn đối xtfng, hai thành phần phân cực của
mode H E n ( mode LP0 1 với ỊDhân cực trực giao ) di chuyên với cùng 1 vận tốc do
chúng có 1 hằng số truyền đồng nhất. Nếu sợi quang không hoàn toàn đối xứng,
thỉ sợi quang sẽ “ birefringent - lưỡng chiết “ do hai thành phần phân cực có hằng
số truyền khác nhau. Lấy ví dụ: sợi quang với lõi dạng elliptical sẽ tạo ra lưỡng
chiết mà trong đó trục nhanh và chậm là suốt theo trục chính-major và trục phụ-
minor của ellipse. Cái tính elliptical này có thế do cả tình cờ có - do lỗi khi chê tạo
lẫn sự cô ý chế tạo sợi quang. Như đã chí ra trong "bow-tie" sợi quang lưỡng chiết
được minh hoạ trong hình 0.22. Tại đây, trục chậm là song song với là trục high
10><ệChộft
22
stress của bow-tie (song song với bow-tie) còn trục nhanh thì vuông góc với trục
high-stress.

Nêu ánh sáng được khới động với 1 thành phần tuyến tính dọc theo trục
quang học. Sự khác nhạy trong hằng số truyền gây ra vector tổng hợp của hai
phân cực biển đoi tuần hoàn theo khoảng cách dọc theo sợi quang. Khi hai thành
phần này cùng phase thì ánh sáng được phân cực tuyến tính. Do ánh sáng truyền
và các thành phần lại khác phase, trạng thái phân cực đi từ tuyến tính tới elliptical
và lại quay trớ lại thành phần tuyến tính tại phase khác 180°. Khi hai thành phần
ỊD h â n cực được đặt bằng nhau về biên độ bằng cách phát ánh sáng đó phân cực
tuyến tính với góc 45° so với quang trục, độ phân cực thay đổi từ tuyến tính tới
elliptical rồi tới tròn rồi tới elliptical rồi quay trở lại tuyến tính trong 1 mặt phắng
sao cho đó là tại góc 90 tới mặt phắng phân cực tuyến tính nguyên thuỷ. Trình tự
này của trạng thái thay đối phân cực liên tục dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi
quang. Khoảng cách L p mà độ phân cực quay hết 360° được gọi là độ dài phách -
beat length của sợi quang. ( Thay đổi độ hội tụ và hội tụ lại nhờ sợi quang chí số
graded làm nâng độ dài pitch, một sợi quang lưỡng chiết tạo ra một độ dài phách).
Độ dài phách liên quan đến độ lưỡng chiết ổn = nbeal - nfring bởi : Lp = 2ĩt/sp
ớ đây ÔỊỈ = 2n ổ n / Ả0. Độ dài phách này có thế được quan sát một cách thông
thường khi ánh sáng từ 1 laser Helium-Neon được phát vào sợi quang với chiểu của
hướng được phân cực bằng 45" so với trục nhanh của sợi quang. Như đã thảo luận
trước đây, Sự phân tán từ tâm được
huỳnh quang bởi ánh sáng phân cực
tuyến tính thay đổi từ zero tới
maximum cũng như góc quan sát thay
đối dọc theo chiều phân cực vuông
góc với nó. Vì thê khi ánh sáng qua
sợi quang lưỡng chiết, sô lượng của
ánh sáng được phân tán ra ngoài tại
các góc phải sẽ thay đổi với trạng thái
của sự phân cực tại mỗi một điểm.
Trong trường hợp của một sợi quang
phân cực được bảo vệ với điểu kiện

phát được miêu tả như ở trên, độ
phân cực đi từ tuyến tính tới tròn rồi quay trở lại, có một sự khác chút ít so với cái
được minh hoạ trong hình 0.21 do là đó là trường hợp của sự phân cực tuyến tính
quay. Tuy nhiên tại các điểm mà tại đó độ phân cực là tuyến tính, ánh sáng phân
tán là yếu hay là mạnh (phụ thuộc vào chiều quan sát) hơn tại điểm vị trí được
phân cực tròn. Bằng cách đo lặp lại các khoảng cách để xác định sự phân tán ánh
sáng thay đổi. độ dài phách của sợi quang có thế được xác định
Hình 21: Sự phat tán ánh sáng do môl trường
23
Hình 22: Mặt cất của sợi quang phân cực
— Owe
Khi ánh sáng được phân cực
tuyến tính được phát vào với vector
phân cực song song với cả trục
nhđnh và trục chậm của 1 sợi quang
lưỡng chiết cao, phân cực lối ra vẫn
còn được phản cực tuyến tính mặc dù
sợi quang cong. Sự giữ nguyên phân
cực này được dùng để giảm độ nhạy
với hiệu ífng môi trường. Đối với điều
kiện phát vào khác, điều này sẽ
không đúng nữa. Thay vào đó sợi
quang sẽ làm thay đổi độ phân cực
của ánh sáng. Kết quả thực tới ánh sáng được phân cực lối vào được xác định bởi
điểu kiện phát, độ dài phách và độ dài của sợi quang. Sợi quang mà phân cực giữ
nguyên có nhiều ứng dụng tại những nơi mà độ phân cực của ánh sáng được
truyền phải được ổn dịnh và xác định rất rõ. Các ửng dụng này như là sợi quang
sensor giao thoa kế nghiên cứu trong phần sau, sợi quang con quay hồi chuyển và
các hệ thống phát hiện tạo phách.
0.3.4 Sự kết hợp của sóng

Lối ra của nhiều Laser có độ đơn sắc rất cao. Về mặt lí tưởng, người ta coi
ánh sáng từ Laser là ánh sáng đơn màu. trên thực tế, nó bao gồm ánh sáng của
một sô ít các dải của bước sóng AÂ. Có một số cách để xác định mức độ đơn sắc
và hơn nũci là độ rộng các bước sóng AẦ. Nó có thể được đặc trứng như băng
thông tần số Av. Hai đại lượng đó Hên quan với nhau bởi :
Băng thông càng hẹp thì độ đơn sắc của ánh sáng càng cao.
Một cách khác miêu tả sự đơn sắc của một nguồn thông qua độ dài kết hợp
của chúng “ coherence length Nếu 1 nguổn hoàn toàn đơn sắc, lối ra chứa 1
trường điện từ biên độ không đổi mà nó dao động trong 1 thời gian dài vô hạn chỉ
cho ra 1 tần số và bước sóng riêng lé. Bất kì sự sai lệch nào dù nhỏ về biên độ và
ngắn lại về độ dài dao động mà làm tăng băng thông của nguồn hoặc ngược lại
làm giảm sự kết hợp của bức xạ. Người ta có thể miêu tả điều này như là một chuỗi
các sóng mà độ dài của nó biểu diễn sự đơn sắc của nguồn Quan hệ giữa độ dài
kết hợp và băng thông là :
Av = A Ả c / Ả2 hoặc AẢ = AV c / V 2
lc = c / A = Ả2 / ÂẢ
24