Tài liệu Kỹ thuật thông tin quang - Bài: Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang pdf

KYế THUAT THONG TIN QUANGKYế THUAT THONG TIN QUANG
Baứi 2:
NGUYE

NLY

TRUYE

NA

NH SA

NG
NGUYEN

LY

TRUYEN

ANH

SANG

TRONG SễẽI QUANG
NỘI DUNG
 Cơ sở quang học

Ca
á
utaosơiquang


Cau

ta
ï
o

sơ
ï
i

quang
 Nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang
 Khẩu đo
ä
số NA
(
Numerical A
p
erture
)
ä( p)
 Tán sắc mode
 Sơ
ï
i
q
uan
g
GI
(

Graded Index Fiber
)
ïq g ( )
 Mode sóng
 Phân loại sợi quang
CƠ SỞ QUANG HỌC
 nh sáng có hai tính chất:
−
Tính cha
á
tso
ù
ng: a
ù
nh sa
ù
ng la
ø
so
ù
ng điện tư
ø
Tính

chat

song:

anh

sang

la

song

điện

tư
− Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có
năng lượng E
()
1, 24
Ehf
m
λμ
==
f
c
λ
=
à
Tron
g
đó, f: ta
à
n số (Hz)
λ
: bước són
g

(m)
E: năng lượng photon (eV)
ät
áù
h
ù
th
â
kh
â
310
8
/
c: va
ä
n
t
oc an
h
san
g

t
ron
g
c
h
an
kh
on

g
, c =
3
.
10
8
m
/
s
h: hằng số Planck, h= 6,625.10
-34
(J.s)
CƠ SỞ QUANG HỌC
 Phổ sóng điện từ
Vùng hồng Vùng cực
f (Hz)
DC
VLF LF
MF
VHF VHF+SHF
+ EHF
ngoại tím

Tia X
Tia Γ
1300
nm
1,0
μm
1,1

μm
1,2
μm
1,3
μm
1,4
μm
1,5
μm
1,6
μm
0,8
μm
0,9
μm
0,6
μm
0,7
μm
0,4
μm
0,5
μm
1550
850
1550

nm
850

nm
Vùng ánh sáng khả kiến
Ánh sáng dùng trong thông tin quang
CƠ SỞ QUANG HỌC

Băng tần Tần số (f)
Bước sóng (λ)
VLF
3kH
30 kH
100 K
10 K
VLF
3

kH
z
÷
30

kH
z
100

K
m
÷
10

K

m
LF 30 kHz ÷ 300 kHz 10 Km ÷ 1 Km
MF 300 kHz ÷ 3 MHz 1 Km ÷ 100 m
HF
3MHz
÷
30 MHz
100 m
÷
10 m
HF
3

MHz

÷
30

MHz

100

m
÷
10

m
VHF 30 MHz ÷ 300 MHz 10 m ÷ 1 m
UHF 300 MHz÷ 3 GHz 1 m ÷ 1 dm
SHF 3 GHz

÷
30 GHz 1 dm
÷
1 cm
EHF 30 GHz ÷ 300 GHz 1 cm ÷ 1mm
Các băng sóng vô tuyến
F: Frequency L: Low M: Middle H: High
V: Very U:Ultra S: Supper E: Extra
CƠ SỞ QUANG HỌC
 nh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm
(tím) đến 780nm (đỏ)
 nh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong
vùng cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm-
á
1600nm) Ỉ
không tha
á
y đượ
c
 3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử
dụng trong thông tin quang:
850 nm, 1300 nm và
1550 nm
CƠ SỞ QUANG HỌC
 Chiết suất của môi trường:
n = c/v
c:
vận to
á
ca

ù
nh sa
ù
ng trong cha
â
n kho
â
ng c = 3 10
8
m/s
-
c:
vận

toc

anh

sang

trong

chan

khong
,
c

=

3
.
10
8
m/s
- v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét, v≤ c

Sư pha
û
nxava
ø
khu
ù
cxa:

Sư
ï
phan

xa
ï
va

khuc

xa
ï
:

Tia tới Tia phản xạ

θ
1
mo
â
itrươ
ø
ng 2
n
2
môi trường 1n
1
θ
1
’
θ
2
moi

trương

2
n
2
Tia khúc xạ
CƠ SỞ QUANG HỌC
− Tia tới, tia phản xạ và tia khúc xạ cùng nằm trên một
mặt phẳng
− Góc phản xạ bằng góc tới: θ
1
= θ

1
’
− Góc khúc xạ được xác đònh từ công thức Snell:
n
1
sin
θ
1
= n
2
sin
θ
2
Tia tới
Tia phản xạ
Tia tới
Tia phản xạ
θ
2
θ
1
môi trường 2
n
2
môi trường 1
n
1
θ
2
θ

1
môi trường 2
n
2
môi trường 1
n
1
Tia khúc xạ
2
Tia khúc xạ
n
1
<n
2
n
1
>n
2
CƠ SỞ QUANG HỌC
 Sự phản xạ toàn phần:
Tia tơ
ù
ihan
Tia phản xạ
θ
90
°
(
θ
θ

)
θ
c
n
1
Tia

tơi

ha
ï
n
(θ
1
> θ
c
)
θ
2
=
90
°
(
θ
1
=
θ
c
)
n

2
n
1
Tia khu
ù
cxa
θ
2
< 90°
(n
1
>n
2
)
(θ
1
< θ
c
)
− Trường hợp n
1
>n
2
, khi góc tới θ
1
lớn hơn góc tới hạn θ
c
thì
không có tia khúc xạ, tia tới phản xạ hoàn toàn về môi
t ườ t à

Tia

khuc

xa
ï
t
r
ườ
n
g

t
r
y
e
à
n
Ỉ
hiện tượng phản xạ toàn phần
CƠ SỞ QUANG HỌC
− Từ công thức Snell: θ
c
= arcsin(n
2
/n
1
)
− Điều kie
ä

n để xả
y
ra hie
ä
n tươn
g

p
hản xa toàn
p
hần
(p
xt
p)
?
ä
ï
gp
ï
p(pp)
+ n
1
>n
2
+ θ
1
> θ
c
= arcsin(n
2

/n
1
)
− Khi xả
y
ra hiện tượn
g
pxtp, năn
g
lượn
g
ánh sán
g
được bảo
toàn theo hướng truyền
Ỉ
Ư
Ùù
dt h
á
tơi
ø
t
àù
h
ù
Ỉ
Ư
n
g

d
ụn
g

t
ron
g
c
h
e
t
ạo s
ơ
ï
i
quan
g
va
t
ru
y
en an
h
san
g

qua sợi quang
CẤU TẠO SI QUANG
 Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:

+ Lõi (core): hình trụ, bán kính a, chiết suất n
1
á
+ Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b (b>a), chie
á
t
suất n
2
(n
1
> n
2
)
 Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic…)
 N
g
oài 2 lớp cơ bản, sợi quan
g
còn được bảo vệ bởi hai lớp
bên ngoài: lớp phủ (primary coating) và lớp vỏ (secondary
coatin
g)
g)
n
2
n
a
b
0
a

lõi (n
1
)
lớp bọc (n
2
)
n
1
a
b
0
b
NGUYE
Â
NLY
Ù
TRUYE
À
NA
Ù
NH SA
Ù
NG
NGUYEN

LY

TRUYEN

ANH

SANG

TRONG SI QUANG
 Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách
pha
û
nxatoa
ø
n pha
à
n qua lai mặt tie
á
pgia
ù
pgiư
õ
alo
õ
iva
ø
phan

xa
ï
toan

phan

qua

la
ï
i

mặt

tiep

giap

giưa

loi

va

lớp bọc
Ỉ
nh sáng có thể truyền được trong sợi quang bò uốn
con
g
với một độ con
g

g
iới hạ
n
(thỏa điều kiện phản xạ
toàn phần)

θ
>
θ
θ
θ
θ
n
1
n
2
n
a
a
b
0
θ
θ
θ’
θ
>

θ
c
θ
>
θ
’>
θ
c
a

b
KHA
Å
U ĐỘ SO
Á
NA
KHAU

ĐỘ

SO

NA
(NUMERICAL APERTURE)
 Điều kiện để một tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với góc
tới φ có thể truyền được trong lõi sợi quang?
φ
1
=φ
c
θ
1
=θ
c
> θ
2
θ
3
>
< φ

2
φ
3
<
θ
1
θ
3
θ
2
φ
3
3
Lõi (n
1
)
Lớp bọc (n
2
)
φ
1
1
α = 90
o
- θ
c
φ
2
1
2

KHA
Å
U ĐỘ SO
Á
NA
KHAU

ĐỘ

SO

NA
(NUMERICAL APERTURE)
 Kết luận:
− Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng
ù ù ùi û đ à i h û h ù ùi h
φ
co
ù

g
o
ù
c tơ
ùi
ơ
û

đ
a

à
u sợ
i
quan
g
n
h
o
û

h
ơn
g
o
ù
c tơ
ùi

h
ạn
φ
max
− sin φ
max
được gọi là khẩu độ số NA của sợi quang
−
NA bie
å
udie
ã

n kha
û
na
ê
ng ghe
ù
pa
ù
nh sa
ù
ng va
ø
o trong sơi
NA

bieu

dien

kha

nang

ghep

anh

sang

vao

trong

sơ
ï
i

quang:
+ NA lớn Ỉ hiệu suất ghép ánh sáng lớn
+
NA lơ
ù
n
Ỉ
nhie
à
u
mode so
ù
ng
Ỉ
ta
ù
nsa
é
cmode
+
NA

lơn

Ỉ
nhieu

mode

song
Ỉ
tan

sac

mode
 Tính NA?
22
121
2
NA n n n
=
−=
Δ
121
2
NA n n n
Δ
Δ = (n
1
–n
2
)/ n

1
: độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc
TA
Ù
NSA
É
CMODE
TAN

SAC

MODE
(MODAL DISPERSION)
α
3
>
α
2
>
α
1
=
0
o
θ
<
θ
<
θ
<

θ
=90
o
n
1
n
2
n
a
b
0
lõi (n
1
)
lớp bọc (n
2
)
α
2
α
3
1
2
3
α
3
>

α
2

>

α
1

0
θ
2
θ
3
θ
c
<

θ
3
<

θ
2
<

θ
1
=

90

Sơi quang co
ù

chie
á
tsua
á
t nha
û
ybậcSI(Step
-
Index Fiber)
α
3
α
3
a
b
3

Sơ
ï
i

quang

co

chiet

suat

nhay

bậc

SI

(Step
Index

Fiber)
 Các tia sáng có quãng đường truyền khác nhau: s
1
< s
2
< s
3
+ Tia song song với trục (α
1
= 0 ) có quảng đường truyền ngắn
nha
á
t
nhat
+ Góc tới càng lớn (α lớn)Ỉ quảng đường truyền càng dài
 Vận tốc truyền giữa các tia sáng bằng nhau: v
i
= v =c/n
1
à
 Thời
g

ian tru
y
e
à
n của các tia sán
g
khác nhau:
t
i
=s
i
/
v
Ỉ chênh lệch về thời gian truyền giữa các tia sáng
Ỉ
Hiện tương ta
ù
nsa
é
c (dispersion)
TA
Ù
NSA
É
CMODE
TAN

SAC

MODE

(MODAL DISPERSION)
α
2
α
3
1
2
3
α
3
> α
2
> α
1
= 0
o
2
1
Σ
τ
in
2
1
Σ
τ
out
Đò h hó
T ù é l ø hi ä t khi h ät
3
3

t
o
3
t
1
t
2
t
3
τ
in
Δτ

Đò
n
h
ng
hó
a:
T
a
ù
n sa
é
c
l
a
ø

hi

e
ä
n
t
ượng
khi
c
h
o mo
ät
xung
ánh sáng hẹp chiếu vào đầu sợi quang thì thu được
mo
ä
t xun
g
ánh sán
g
ro
ä
n
g
hơn ở cuối sơi
q
uan
g
äg gäg
ï
qg
 nh hưởng của tán sắc:

− Tín hiệu tượng tự: méo dạng tín hiệu
− Tín hiệu số: chồn
g
lấp
g
iữa các bit
Ỉ hạn chế dung lượng và cự ly truyền của tuyến quang
TA
Ù
NSA
É
CMODE
TAN

SAC

MODE
(MODAL DISPERSION)
 Một tia sáng được xem như một mode sóng Ỉ tán sắc mode.
 Nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc trên?
− Có nhiều tia sáng truyền trong sợi quang với quãng đøng truyền khác
nhau
− Va
ä
n tốc tru
y
ền bằn
g
nhau Ỉ thời
g

ian tru
y
ền khác nhau Ỉ
Δ
t
äyg
gy
 Làm cách nào để hạn chế tán sắc?
− Chỉ cho một tia sáng (mode sóng) truyền đi trong sợi quang Ỉ sợi
quang đơn mode SMF
(Single Mode Fiber)
quang

đơn

mode

SMF
(Single

Mode

Fiber)
− Giảm Δt giữa các tia sáng Ỉ sợi quang có chiết suất giảm dần GI
(Graded Index fiber)
SƠI QUANG GI
SƠ
Ï
I

QUANG

GI
(Graded-Index Fiber)
r
n
1
n
2
n(r)
a
b
0
α
3
1
3
α
3
> α
2
> α
1
= 0
o
r
α
2
n
1

a
b
1
r
2
2
 Sợi GI: sợi quan
g
có chiết suất
g
iảm dần
 Chiết suất lõi sợi quang có dạng hình parabol
2
1
1
()
r
r
r
na
a
nr
na
⎡⎤
⎛⎞
−
Δ≤
⎢⎥
⎜⎟
=

⎝⎠
⎢⎥
⎣⎦
≥
 Các tia sáng truyền theo đường cong Ỉ Tại sao?
2

r
na
≥
SƠI QUANG GI
SƠ
Ï
I

QUANG

GI
(Graded-Index Fiber)
r
n
1
n
2
n(r)
a
b
0
α
3

1
3
α
3
> α
2
> α
1
= 0
o
r
α
2
n
1
a
b
1
r
2
2
 Các tia sán
g
có quãn
g
đườn
g
tru
y
ền khác nhau: s

1
< s
2
< s
3
 Vận tốc truyền giữa các tia sáng khác nhau: v
1
< v
2
< v
3
Tit ( 0) (0)
lớ h át
Ỉ
(0) / (0) h û h át
+
T
ạ
i

t
rục
(
r=
0)
: n
(0)
=n
1
lớ

n n
h
a
át

Ỉ
v
(0)
=c
/
n
(0)
n
h
o
û
n
h
a
át
+ Càng ra xa trục vận tốc truyền càng lớn
Ỉ quảng đường truyền tỷ lệ thuận với vận tốc truyền
 Thời
g
ian tru
y
ền của các tia sán
g
khác nhau:
t

i
=s
i
/
v
i
Ỉ Δt
ij
= t
i
–t
j
nhỏ
SƠI QUANG GI
SƠ
Ï
I

QUANG

GI
(Graded-Index Fiber)
 Sợi GI có tán sắc mode nhỏ hơn nhiều so với sợi quang SI
 Tán sắc mode đơn vò d
mode
(ns/km) của sợi SI và GI:
Ỉ
á
1
modeSI

n
d
c
−
=
Δ
2
1
mod
8
eGI
n
d
c
−
Δ
=⋅
 SI và GI: sợi quan
g
đa mode: d
mode
≠
0
Ỉ
Hạn che
á
cự l
y
và
tốc độ bit truyền

Ỉ
Sơi quang đơn mode SMF: d
d
=0
Ỉ
Sơ
ï
i

quang

đơn

mode

SMF:

d
mo
d
e
=

0
 Ứng dụng:
+ Sợi SI: cự ly truyền ngắn và tốc độ bit truyền thấp
+ Sợi GI: cự ly truyền và tốc độ bit truyền trung bình
+ Sợi SM: cự ly truyền dài và tốc độ bit truyền cao
n
2

n(r)
a
b
0
r
r
n
1
a
b
0
r
n
1
n
2
n(r)
a
a
b
b
0
r
n
n(r)
b
r
r
n
1

n
2
n(r)
a
a
b
r
PHÂN LOẠI SI QUANG
 Phân loại theo dạng chiết suất của lõi:
− Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI
ááûà
− Sợi quang có chie
á
t sua
á
t gia
û
m da
à
n GI
− Sợi quang giảm chiết suất lớp bọc
− Sợi quang dòch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber)
− Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber)
n
1
n(r)

n(r)
n(r)
r

r
n
2
r
r
r
r
a
2
a
2
0
a
1

a
1
a
2
a
2
0
r
a
1
a
1
a
3

a
4
a
3
a
4
a
2
a
2
0
a
1
a
1
a
3
a
3
Giảm chiết suất lớ
p
bọc Sợi dòch tán sắc DSF Sợi san bằn
g
tán sắc DFF
PHÂN LOẠI SI QUANG
 Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang
− Sợi đa mode:
+ Sợi SI, GI (G.651):
+ (50/125μm), (62.5/125μm), (100/140μm)
Sơi đơn mode SMF (Single

Mode Fiber)
−
Sơ
ï
i

đơn

mode

SMF

(Single
-
Mode

Fiber)
+ Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.652):
o (9/125 μm)
o Hệ số su
y
hao: 0.38 dB/km (
λ
=1310nm) và 0.2 dB/km (
λ
= 1550nm)
o Hệ số tán sắc: bằng 0 tại λ=1310nm và 18ps/nm.km tại λ= 1550nm
+ Sợi DSF (G.653)
+ Sợi dòch tán sắc khác zero NZ-DSF (G.655)
PHÂN LOẠI SI QUANG

 Phân loại theo vật liệu chế tạo:
− Sợi thủy tinh (All-glass fiber): lõi và lớp bọc bằng thuỷ tinh
− Sợi plastic (All-plastic fiber): lõi và lớp bọc đều bằn
g
plastic
− Sợi PCS (Plastic-Cladded Silica): lõi bằng thủy tinh, lớp bọc
la
ø
mba
è
ng nhưa
lam

bang

như
ï
a
PHÂN LOẠI SI QUANG


Sợi thủy tinh Sợi PCS Sợi plastic

Đặc tính kỹ thuật:

- Kích thước sợi
(9/125
μ
m), (50/125
μ

m),

Đường kính lõi: 0,5-1mm
(62.5/125
μ
m)
- Chiết suất / NA
Δ
=0,2% -1,3%;

n
1
=1,46; n
2
=1,40

NA= 0.54
- Bước sóng hoạt động
0,8
μ
m -1,55
μ
m


0,5
μ
m -0,8
μ
m

-
Suy hao cưc tie
å
u
0 2dB/km (
λ
=1550nm)
8dB/km (
λ
=900nm)
55dB/km (
λ
=570nm)
-

Suy

hao

cư
ï
c

tieu

0
,
2dB/km

(

λ
=1550nm)
8dB/km

(
λ
=900nm)
55dB/km

(
λ
=570nm)
- Tán sắc cực tiểu
d
mat
=0 (
λ
=1300nm)

200 ns/km

Rất lớn
- Cư ly truyền

Hàng chục, trăm km

Vài trăm mét

-
To

á
c độ bit
Ha
ø
ng Gb/s
Băng thông
×
Cự ly truyền
B
×
L
= 5 (Mbit/s
×
km)
Va
ø
itra
ê
m Mbit/s

Toc

độ

bit


Hang

Gb/s

Vai

tram

Mbit/s

Ưu khuyết điểm
- Chất lượng tốt nhất
- Giá thành đắt
- Hàn nối khó
Ỉ
cần thiết
bò chuye
â
ndung
Chất lượng và giá thành
nằm giữa sợi thuỷ tinh và
sợi plastic
- Chất lượng thấp
- Giá thành rẻ
- Hàn nối dễ
bò

chuyen

du
ï
ng

Ứng dụng

-
Truyền dẫn thông tin
-
Hệ thống viễn thông,
mạng máy tính


- Tự động hoá