Cáp quang, với tư cách là các thành phần dẫn sóng quang học quan trọng, ngày càng được sử dụng rộng rãi trong viễn thông, quang phổ, chiếu sáng và các ứng dụng cảm biến. Việc hiểu các nguyên tắc hoạt động và các kỹ thuật tối ưu hóa hiệu suất của chúng là điều cần thiết để tối đa hóa tiềm năng của chúng trong các ứng dụng thực tế.
Sợi quang hoạt động như các ống dẫn sóng bằng cách sử dụng phản xạ toàn phần (TIR) để giới hạn và hướng ánh sáng bên trong các cấu trúc rắn hoặc lỏng. Loại sợi phổ biến nhất — sợi chỉ số bước — bao gồm một lõi có chiết suất cao hơn được bao quanh bởi lớp vỏ. Khi ánh sáng chiếu vào giao diện lõi-vỏ ở một góc vượt quá góc tới hạn, TIR xảy ra, bẫy ánh sáng bên trong lõi.
Góc chấp nhận (θ acc ) quy định góc tới tối đa cho TIR và được tính bằng Định luật Snell:
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
trong đó n core và n clad biểu thị chỉ số khúc xạ của lõi và lớp vỏ tương ứng, và n biểu thị chỉ số khúc xạ của môi trường bên ngoài. Các nhà sản xuất thường đặc trưng khả năng thu thập ánh sáng thông qua khẩu độ số (NA):
NA = √(n core ² - n clad ²)
Đối với sợi đa mode chỉ số bước lõi lớn, công thức này cung cấp các giá trị NA chính xác. Việc xác định thực nghiệm thông qua đo lường hồ sơ chùm tia trường xa (xác định góc mà cường độ giảm xuống 5% giá trị tối đa) cung cấp phương pháp xác minh thay thế.
Mỗi đường dẫn ánh sáng tiềm năng đi qua một sợi tạo thành một chế độ dẫn hướng. Hình học sợi và các thuộc tính vật liệu xác định số lượng chế độ, từ đơn mode đến hàng nghìn chế độ. Tần số chuẩn hóa (số V) ước tính các chế độ được hỗ trợ:
V = (2πa/λ) × NA
trong đó a là bán kính lõi và λ là bước sóng không gian tự do. Sợi đa mode thể hiện các giá trị V >>1 (ví dụ: V≈40.8 đối với sợi 50µm/0.39NA ở 1.5µm), hỗ trợ khoảng V²/2 chế độ. Sợi đơn mode duy trì V<2.405 thông qua lõi nhỏ hơn và NA thấp hơn.
| Loại | Đặc điểm | Chiến lược giảm thiểu |
|---|---|---|
| Uốn cong lớn | Độ cong vật lý vượt quá bán kính tới hạn | Duy trì bán kính uốn cong do nhà sản xuất chỉ định |
| Uốn cong nhỏ | Các khuyết tật giao diện lõi-vỏ | Quy trình sản xuất chất lượng |
| Loại phơi nhiễm | Ngưỡng lý thuyết | Mức an toàn thực tế |
|---|---|---|
| Hoạt động CW | ~1 MW/cm² | ~250 kW/cm² |
| Xung 10ns | ~5 GW/cm² | ~1 GW/cm² |
Cáp quang, với tư cách là các thành phần dẫn sóng quang học quan trọng, ngày càng được sử dụng rộng rãi trong viễn thông, quang phổ, chiếu sáng và các ứng dụng cảm biến. Việc hiểu các nguyên tắc hoạt động và các kỹ thuật tối ưu hóa hiệu suất của chúng là điều cần thiết để tối đa hóa tiềm năng của chúng trong các ứng dụng thực tế.
Sợi quang hoạt động như các ống dẫn sóng bằng cách sử dụng phản xạ toàn phần (TIR) để giới hạn và hướng ánh sáng bên trong các cấu trúc rắn hoặc lỏng. Loại sợi phổ biến nhất — sợi chỉ số bước — bao gồm một lõi có chiết suất cao hơn được bao quanh bởi lớp vỏ. Khi ánh sáng chiếu vào giao diện lõi-vỏ ở một góc vượt quá góc tới hạn, TIR xảy ra, bẫy ánh sáng bên trong lõi.
Góc chấp nhận (θ acc ) quy định góc tới tối đa cho TIR và được tính bằng Định luật Snell:
θ acc = arcsin(√(n core ² - n clad ²) / n)
trong đó n core và n clad biểu thị chỉ số khúc xạ của lõi và lớp vỏ tương ứng, và n biểu thị chỉ số khúc xạ của môi trường bên ngoài. Các nhà sản xuất thường đặc trưng khả năng thu thập ánh sáng thông qua khẩu độ số (NA):
NA = √(n core ² - n clad ²)
Đối với sợi đa mode chỉ số bước lõi lớn, công thức này cung cấp các giá trị NA chính xác. Việc xác định thực nghiệm thông qua đo lường hồ sơ chùm tia trường xa (xác định góc mà cường độ giảm xuống 5% giá trị tối đa) cung cấp phương pháp xác minh thay thế.
Mỗi đường dẫn ánh sáng tiềm năng đi qua một sợi tạo thành một chế độ dẫn hướng. Hình học sợi và các thuộc tính vật liệu xác định số lượng chế độ, từ đơn mode đến hàng nghìn chế độ. Tần số chuẩn hóa (số V) ước tính các chế độ được hỗ trợ:
V = (2πa/λ) × NA
trong đó a là bán kính lõi và λ là bước sóng không gian tự do. Sợi đa mode thể hiện các giá trị V >>1 (ví dụ: V≈40.8 đối với sợi 50µm/0.39NA ở 1.5µm), hỗ trợ khoảng V²/2 chế độ. Sợi đơn mode duy trì V<2.405 thông qua lõi nhỏ hơn và NA thấp hơn.
| Loại | Đặc điểm | Chiến lược giảm thiểu |
|---|---|---|
| Uốn cong lớn | Độ cong vật lý vượt quá bán kính tới hạn | Duy trì bán kính uốn cong do nhà sản xuất chỉ định |
| Uốn cong nhỏ | Các khuyết tật giao diện lõi-vỏ | Quy trình sản xuất chất lượng |
| Loại phơi nhiễm | Ngưỡng lý thuyết | Mức an toàn thực tế |
|---|---|---|
| Hoạt động CW | ~1 MW/cm² | ~250 kW/cm² |
| Xung 10ns | ~5 GW/cm² | ~1 GW/cm² |
