Sợi quang: Tìm hiểu những điều cơ bản

Không có gì thay đổi thế giới truyền thông nhiều như sự phát triển và triển khai cáp quang. Bài viết này cung cấp các nguyên tắc cơ bản cần thiết để làm việc với công nghệ này.
 

Nhân viên kỹ thuật và tiếp thị

Sợi quang được làm từ thủy tinh hoặc nhựa. Hầu hết đều có đường kính gần bằng sợi tóc người và có thể dài nhiều dặm. Ánh sáng được truyền dọc theo tâm sợi từ đầu này sang đầu kia và có thể truyền tín hiệu. Hệ thống cáp quang vượt trội hơn dây dẫn kim loại trong nhiều ứng dụng. Ưu điểm lớn nhất của họ là băng thông. Do bước sóng của ánh sáng nên có thể truyền tín hiệu chứa nhiều thông tin hơn đáng kể so với tín hiệu có thể truyền bằng dây dẫn kim loại - thậm chí là dây dẫn đồng trục. Các ưu điểm khác bao gồm:

• Cách ly điện - Cáp quang không cần nối đất. Cả máy phát và máy thu đều được cách ly với nhau và do đó không có vấn đề về vòng lặp nối đất. Ngoài ra, không có nguy cơ xảy ra tia lửa hoặc điện giật.

• Không bị nhiễu điện từ - Sợi quang không bị nhiễu điện từ (EMI) và bản thân chúng không phát ra bức xạ để gây ra các nhiễu sóng khác.

• Tổn thất điện năng thấp - Điều này cho phép chạy cáp dài hơn và ít bộ khuếch đại lặp lại hơn.

• Nhẹ hơn và nhỏ hơn - Sợi quang nặng ít hơn và cần ít không gian hơn so với dây dẫn kim loại có khả năng truyền tín hiệu tương đương.

Dây đồng nặng hơn khoảng 13 lần. Sợi cũng dễ lắp đặt hơn và cần ít không gian ống dẫn hơn.

Ứng dụng

Một số lĩnh vực ứng dụng chính của sợi quang là:

• Truyền thông - Truyền giọng nói, dữ liệu và video là những ứng dụng phổ biến nhất của cáp quang, bao gồm:

– Viễn thông
– Mạng cục bộ (LAN)
– Hệ thống điều khiển công nghiệp
– Hệ thống điện tử hàng không
– Hệ thống chỉ huy, điều khiển và liên lạc quân sự

• Cảm biến - Sợi quang có thể được sử dụng để truyền ánh sáng từ một nguồn ở xa tới máy dò để thu được thông tin về áp suất, nhiệt độ hoặc quang phổ. Sợi cũng có thể được sử dụng trực tiếp như một bộ chuyển đổi để đo một số tác động của môi trường, chẳng hạn như độ căng, áp suất, điện trở và độ pH. Những thay đổi về môi trường ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng, pha và/hoặc độ phân cực theo những cách có thể được phát hiện ở đầu kia của sợi.

• Cung cấp năng lượng - Sợi quang có thể cung cấp mức năng lượng cao đáng kể cho các nhiệm vụ như cắt laser, hàn, đánh dấu và khoan.

• Chiếu sáng - Một bó sợi tập hợp lại với nhau bằng nguồn sáng ở một đầu có thể chiếu sáng những khu vực khó tiếp cận - ví dụ như bên trong cơ thể con người, kết hợp với ống nội soi. Ngoài ra, chúng có thể được sử dụng như một bảng hiệu trưng bày hoặc đơn giản là đèn chiếu sáng trang trí.

 

Hình 1. Sợi quang bao gồm lõi, lớp bọc và lớp phủ.

 

Sự thi công

Một sợi quang bao gồm ba phần tử đồng tâm cơ bản: lõi, lớp bọc và lớp phủ bên ngoài (Hình 1).

Lõi thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, mặc dù các vật liệu khác đôi khi cũng được sử dụng, tùy thuộc vào phổ truyền mong muốn.

Lõi là phần truyền ánh sáng của sợi. Lớp bọc thường được làm bằng vật liệu giống như lõi, nhưng có chỉ số khúc xạ thấp hơn một chút (thường thấp hơn khoảng 1%). Sự chênh lệch chỉ số này làm cho phản xạ nội toàn phần xảy ra tại ranh giới chỉ số dọc theo chiều dài của sợi để ánh sáng truyền xuống sợi và không thoát ra ngoài qua các thành bên.

 

 

Hình 2.Một chùm ánh sáng truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác có chiết suất khác bị bẻ cong hoặc khúc xạ tại mặt phân cách.

Lớp phủ thường bao gồm một hoặc nhiều lớp phủ vật liệu nhựa để bảo vệ sợi khỏi môi trường vật lý. Đôi khi vỏ kim loại được thêm vào lớp phủ để bảo vệ vật lý hơn nữa.

Sợi quang thường được xác định theo kích thước của chúng, được biểu thị bằng đường kính ngoài của lõi, lớp bọc và lớp phủ. Ví dụ: 62,5/125/250 sẽ đề cập đến sợi có lõi đường kính 62.5-µm, lớp bọc đường kính 125-µm và đường kính 0.{{8} }mm lớp phủ bên ngoài đường kính.

 

 

Có 81 nhà cung cấp Sợi quang tại Photonics Marketpla

 

Nguyên tắc

Vật liệu quang học được đặc trưng bởi chiết suất của chúng, được gọi là n. Chỉ số khúc xạ của vật liệu là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong vật liệu. Khi một chùm ánh sáng truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác có chiết suất khác, chùm tia bị bẻ cong (hoặc khúc xạ) tại mặt phân cách (Hình 2).

Khúc xạ được mô tả bởi định luật Snell:

Ở đâun_IVàn_Rlà chiết suất của vật liệu mà chùm tia khúc xạ qua đó vàIVàRlà góc tới và góc khúc xạ của chùm tia. Nếu góc tới lớn hơn góc tới hạn của giao diện (thường là khoảng 82 độ đối với cáp quang), ánh sáng sẽ bị phản xạ trở lại môi trường tới mà không bị tổn thất bởi một quá trình được gọi là phản xạ nội toàn phần (Hình 3).

Hình 3.Phản xạ nội toàn phần cho phép ánh sáng vẫn ở bên trong lõi sợi.

 

Xem video định nghĩa về phản xạ toàn phần.

Chế độ

Khi ánh sáng được dẫn xuống sợi quang (như sóng vi ba được dẫn xuống ống dẫn sóng), sự dịch pha xảy ra ở mọi ranh giới phản xạ. Có một số lượng hữu hạn các đường đi xuống sợi quang (được gọi là các chế độ) tạo ra sự dịch chuyển pha mang tính xây dựng (cùng pha và do đó cộng thêm) để củng cố quá trình truyền. Bởi vì mỗi chế độ xảy ra ở một góc khác nhau so với trục sợi khi chùm tia truyền dọc theo chiều dài, nên mỗi chế độ truyền đi một độ dài khác nhau qua sợi từ đầu vào đến đầu ra. Chỉ có một chế độ, chế độ không thứ tự, truyền dọc theo chiều dài của sợi quang mà không bị phản xạ từ các thành bên. Điều này được gọi là sợi đơn mode. Số lượng mode thực tế có thể được truyền trong một sợi quang nhất định được xác định bởi bước sóng ánh sáng, đường kính và chiết suất của lõi sợi.
 

Có một số nguyên nhân gây suy hao trong sợi quang:

 

• Tán xạ Rayleigh - Sự thay đổi chiết suất của vật liệu lõi ở quy mô vi mô có thể gây ra sự tán xạ đáng kể trong chùm tia, dẫn đến tổn thất đáng kể công suất quang. Tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào bước sóng và ít quan trọng hơn ở bước sóng dài hơn. Đây là cơ chế suy hao quan trọng nhất trong các sợi quang hiện đại, thường chiếm tới 90% tổng tổn hao xảy ra.

 

• Khả năng hấp thụ - Các phương pháp sản xuất hiện nay đã làm giảm khả năng hấp thụ do tạp chất (đặc biệt là nước trong chất xơ) xuống mức rất thấp. Trong phạm vi dải truyền của sợi quang, tổn thất hấp thụ là không đáng kể.

• Uốn - Các phương pháp sản xuất có thể tạo ra những uốn cong nhỏ về hình dạng sợi. Đôi khi những chỗ uốn cong này đủ lớn để làm cho ánh sáng bên trong lõi chạm vào bề mặt lõi/vỏ ở góc nhỏ hơn góc tới hạn khiến ánh sáng bị mất vào vật liệu vỏ. Điều này cũng có thể xảy ra khi sợi bị uốn cong trong một bán kính hẹp (chẳng hạn như nhỏ hơn vài cm). Độ nhạy uốn cong thường được biểu thị bằng tổn thất dB/km đối với bán kính uốn cong và bước sóng cụ thể.

 

 

Hình 4.Khẩu độ số phụ thuộc vào góc mà tia đi vào sợi và đường kính lõi sợi.

 

Các loại sợi

Về cơ bản có ba loại sợi quang: chế độ đơn, chỉ số phân loại đa chế độ và chỉ mục bước đa chế độ. Chúng được đặc trưng bởi cách ánh sáng truyền xuống sợi và phụ thuộc vào cả bước sóng của ánh sáng và hình dạng cơ học của sợi. Ví dụ về cách chúng truyền ánh sáng được thể hiện trong Hình 5.

 

 

Công ty chúng tôi chuyên sản xuất sợi/cáp quang nhựa và các loại dây nhảy quang, nếu bạn quan tâm xin vui lòng liên hệ với tôi.