Bài giảng thông tin quang nâng cao - Phan 2 pptx

Phần 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Vn Võ
Phần 2: Các phầ n tử cơ bản trong kỹ th uật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Vn Võ
Phần 3: Cơ sở kỹ thuật thông tin quang
Giảng viên: Hoàng Vn Võ
Phần 4: Hệ thống thông tin quang
Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm
Phần 5: Một số công nghệ quang tiên tiến
Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm
1
Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao
1. Sợi quang
2. Các phần tử biến đổi điện - quang
(phát quang)
3. Các phần tử biến đổi quang - điện
(thu quang)
Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật
thông tin quang
2
SỢI QUANG
1. Cấu trúc sợi quang
2. Vật liệu chế tạo sợi quang
3. Phân loại sợi quang
4. Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang
5. Các tham số cơ bản của sợi quang
6. Một số loại sợi quang mới
7. Cáp sợi quang
8. Chế tạo sợi quang
9. Kết nối sợi quang
3

1. CẤU TRÚC SỢI QUANG
 ĐÞnh nghÜa
 CÊu tróc
 Mét sè kÝch th-íc th«ng dông cña sîi quang
4
1. CU TRC SI QUANG
ịnh nghĩa:
Professor Charles Kao phát minh ra sợi quang, nhận
giải th-ởng IEE từ Pro. John Midwinter.
(1998 at IEE Savoy Place, London, UK)
Là ống dẫn sóng có khả nng mang thông tin d-ới
dạng ánh sáng. Kích th-ớc rt nhỏ.
5
1. CU TRC SI QUANG
Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm 3 lớp:
Lớp lõi hỡnh trụ th-ờng làm bằng vật liệu trong suốt (thủy tinh hay
nhựa) có chỉ số chiết suất lớn (n
1
) có tác dụng truyền lan ánh sáng
theo h-ớng song song với trục của nó.
Lớp vỏ phản xạ th-ờng làm bằng thuỷ tinh hay bằng nhựa với chiết
suất n
2
n
1
, có cấu trúc hỡnh trụ đồng tâm và bao quanh lớp lõi, có
tác dụng giam gi ánh sáng trong lớp lõi.
Lớp vỏ bảo vệ bằng nhựa hay sợi tổng hợp, có tác dụng bảo vệ lõi
và gia c-ờng thêm độ bền của sợi.
Cấu trúc:

Hỡnh 1
6
1. CU TRC SI QUANG
Một số kích th-ớc thông dụng của sợi quang:
Loại -ờng kính
lớp lõi (m)
-ờng kính
lớp vỏ (m)
-ờng kính
lớp bảo vệ (m)
I 8-10 125
250/500
II 50 125
250/500
III 62,5 125
250/500
IV 85 125
250/500
V 100 140
250/500
(Tính chất, -u nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng của từng loại sợi - xem
tài liệu: Lắp đặt hệ thống thông tin cáp sợi quang, nhà xuất bản B-u
điện- 1998)
7
2. VT LiU CH TO SI QUANG (1)
Các yêu cầu của vật liệu chế tạo sợi quang
ặc điểm vật liệu chế tạo sợi quang
Các loại sợi quang trên quan điểm vật liệu chế tạo sợi
Vật liệu chế tạo các sợi quang:
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh,

Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo,
Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo.
8
2. VT LiU CH TO SI QUANG (3)
Các yêu cầu của vật liệu chế tạo sợi quang:
ể bảo đảm truyền thông tin trong các hệ thống thông tin quang, các
vật liệu để chế tạo sợi quang phải bảo đản các yêu cầu sau:
Vật liệu phải đảm bảo tạo đ-ợc các sợi dẫn quang dài, mảnh và
mềm dẻo.
Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các b-ớc sóng làm việc
thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao.
Các vật liệu chế tạo ra lõi và vỏ của sợi phải có bản chất vật lý
t-ơng thích để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất lõi và vỏ là
khá nhỏ.
=> Vật liệu thủy tinh và chất dẻo trong suốt
9
2. VT LiU CH TO SI QUANG (5)
ặc điểm vật liệu chế tạo sợi quang:
Vật liệu thuỷ tinh:
Thủy tinh có suy hao lớn => Sợi đ-ợc chế tạo có lõi là thủy tinh
suy hao lớn thì dùng cho các cự ly truyền dẫn ngắn, tốc độ
thấp;
Thủy tinh có suy hao nhỏ => Sợi chế tạo từ thủy tinh có suy hao
nhỏ sẽ đ-ợc dùng rất rộng rãi cho các cự ly xa, tốc độ cao.
Vật liệu chất dẻo:
ối với các tuyến cự ly dài, các loại sợi làm bằng chất dẻo ít đ-ợc sử
dụng hơn vì suy hao của nó lớn hơn các loại sợi thủy tinh,
Nó chỉ đ-ợc dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi mà có tác động
cơ học mạnh.
10

2. VT LiU CH TO SI QUANG (7)
Các loại sợi quang trên quan điểm vật liệu chế
tạo sợi:
Trên cơ sở vật liệu chế tạo, có ba loại sợi sau:
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh,
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo,
Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo.
11
2. VT LiU CH TO SI QUANG (10)
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh
Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp lõi:
Cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp => Thuỷ tinh oxit.Trong đó dioxit
silic (SiO
2
) là lọai oxit thông dụng nhất để tạo ra sợi, chỉ số chiết suất tại
b-ớc sóng 850nm là 1,458.
ặc điểm của thủy tinh dioxit Silic: rất trong suốt ở vùng ánh sáng nhìn
thấy và vùng hồng ngoại, nhiệt độ làm biến dạng chúng vào khoảng
1000
0
C, rất ít bị nở ra khi nhiệt độ tăng; có tính bền vng hóa học cao.
Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo sợi dẫn quang:
- GeO
2
- SiO
2
(lõi SiO
2
có pha GeO
2

),
- P
2
O
5
- SiO
2
,
- GeO
2
- B
2
O
3
- SiO
2
.
- SiO
2
.
12
2. VT LiU CH TO SI QUANG (11)
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh
Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp vỏ phản xạ:
ể đạt đ-ợc mục tiêu của lớp vỏ là tạo ra phản xạ toàn phần của các tia
sáng truyền trong lớp lõi của sợi, tức là tạo ra hai loại vật liệu có chỉ số
chiết suất hơi lệch nhau.
Trên cơ sở vật liệu thuỷ tinh của lớp lõi ng-ời ta thêm vào một l-ợng Flo
và các oxit khác nhau nh- B
2

O
3
, GeO
2
và P
2
O
5
.
Nếu muốn tng chỉ số chiết suất thỡ thêm P
2
O
5
hoặc GeO
2
vào SiO
2
, nếu
muốn giảm chỉ số chiết suất thỡ thêm B
2
O
3
vào SiO
2
.
Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo lớp vỏ:
- SiO
2
,
- B

2
O
3
- SiO
2
,
13
2. VT LiU CH TO SI QUANG (12)
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh
Một số loại sợi quang lớp lõi và vỏ phản xạ:
Trên quan điểm vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi quang => Có một số loại
sợi quang thủy tinh nh- sau:
- Sợi có lõi GeO
2
- SiO
2
và vỏ phản xạ SiO
2
.
- Sợi có lõi P
2
O
5
- SiO
2
và vỏ phản xạ SiO
2
.
- Sợi có lõi GeO
2

- B
2
O
3
- SiO
2
và vỏ phản xạ B
2
O
3
- SiO
2
.
-Sợi có lõi SiO
2
và vỏ phản xạ B
2
O
3
- SiO
2
.
ặc điểm và khả nng ứng dụng:
Sợi có lõi thuỷ tinh và vỏ thuỷ tinh có suy hao nhỏ => các tuyến thông
tin quang cự ly xa và tốc độ cao.
14
2. VT LiU CH TO SI QUANG (14)
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo
Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp lõi:
Nh- loại sợi có lõi thuỷ tinh và vỏ thuỷ tinh.

Vật liệu chất dẻo để chế tạo lớp vỏ:
Vỏ th-ờng đ-ợc chế tạo từ hỗn hợp chất polimer (vật liệu nhựa
silicone) có chỉ số chiết suất thấp hơn lõi dioxit silic. Giá trị chỉ
số chiết suất vỏ này khoảng 1,405 tại b-ớc sóng 850nm,
Nhựa silicone còn tham gia vào việc tạo vỏ bảo vệ sợi dẫn
quang
15
2. VT LiU CH TO SI QUANG (15)
Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo
ặc điểm và khả nng ứng dụng :
- Giá thành hạ,
- Suy hao lớn => Cự ly ngắn
- Thông th-ờng, sợi thủy tinh vỏ chất dẻo chỉ sử dụng ở sợi có
chiết suất phân bậc với đ-ờng kính lõi khá lớn (khoảng 150
đến 600m).
- Sợi này có khẩu độ số rất lớn cho phép sử dụng cả các loại
nguồn phát quang có góc phát xạ lớn, vỡ vậy cho phép giảm
giá thành hệ thống một cách đáng kể.
16
2. VT LiU CH TO SI QUANG (17)
Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo
Vật liệu chất dẻo để chế tạo lớp lõi và lớp vỏ phản xạ:
Cả vật liệu chế tạo lớp lõi và vỏ đều bằng polimer, nh-ng có
cấu trúc hoặc thành phần hoá chất khác nhau nhằm để tạo ra
các chỉ số chiết suất lõi và vỏ khác nhau.
ặc điểm và khả nng ứng dụng:
- Khẩu độ số của sợi này lớn cho phép góc tiếp nhận ánh sáng
khoảng 70
0
.

- Sử dụng cho sợi chiết suất phân bậc cả lõi và vỏ.
- Loại sợi này chỉ đáp ứng cự ly truyền dẫn rất ngắn vỡ có suy hao
rất lớn.
17
3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (1)
 Mét sè quan ®iÓm ph©n lo¹i
 C¸c lo¹i sîi quang
 ChiÕt suÊt cña c¸c lo¹i sîi quang
18
3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (3)
 Mét sè quan ®iÓm ph©n lo¹i:
 Ph©n lo¹i sîi theo chØ sè chiÕt suÊt,
 Ph©n lo¹i theo mode truyÒn dÉn,
 Ph©n lo¹i theo cÊu tróc vËt liÖu.
19
3. PHN LOI SI QUANG (5)
Các loại sợi quang
Tiêu chí
Loại sợi
Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất
Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc
Sợi có chỉ số chiết suất Gradien
Phân loại theo mode truyền dẫn
Sợi đơn mode
Sợi đa mode
Phân loại theo cấu trúc vật liệu
Sợi lõi thủy tinh, vỏ thuỷ tinh
Sợi lõi thủy tinh, vỏ chất dẻo
Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo
20

3. PHN LOI SI QUANG (6)
Các loại sợi quang
Loại sợi ặc điểm
Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc
Sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở sợi lõi
(SI-Step Index).
Sợi có chỉ số chiết suất Gradien
Sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ
tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ
(GI-Graded Index)
Sợi đơn mode
Sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn
trong nó
Sợi đa mode
Sợi cho phép nhiều mode truyền dẫn
trong nó
21
3. PHN LOI SI QUANG (7)
Các loại sợi quang
Sợi có chiết suất phân bậc
Sợi có chiết suất Gradien
n
2
n
1
n
1
n
2
n

1
n
2
Sợi đa mode
Sợi đơn mode
Lõi
sợi
Vỏ phản
xạ
Vỏ
bảo vệ
Lõi
sợi
Vỏ phản
xạ
Vỏ
bảo vệ
Trên quan điểm chiết suất và mode, ta có sơ đồ phân loại sau:
Hỡnh 2
22
3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (8)
 C¸c lo¹i sîi quang
Trªn quan ®iÓm chiÕt suÊt vµ mode, ta cã 3 lo¹i sîi chÝnh sau:
n
2
n
2
n
1
Sîi chiÕt suÊt

ph©n bËc, ®¬n mode
Sîi chiÕt suÊt
ph©n bËc, ®a mode
n
1
n
2
n
2
n
2
n
1
n
2
Hình 3
23
Sîi chiÕt suÊt Gradien,
®a mode
3. PHN LOI SI QUANG (9)
Chiết suất của các loại sợi quang
Sợi quang có chiết suất phân bậc
n(r) =
n
1
với r a
n
2
= n
1

(1 - ) với r > a
Trong đó: r : khoảng cách bán kính tính từ trục sợi,
a : bán kính lõi sợi,
n
1
: chỉ số chiết suất của lõi và n
1
th-ờng là 1,48,
n
2
: chỉ số chiết suất lớp vỏ, n
2
< n
1-
,
: là sự khác nhau của chỉ số chiết suất lõi và vỏ, đ-ợc xác
định gần đúng theo công thức:
1
21
2
1
2
2
2
1
2
n
nn
n
nn

(2-1)
(2-2)
24
3. PHÂN LOẠI SỢI QUANG (10)
 ChiÕt suÊt cña c¸c lo¹i sîi quang
Sîi chiÕt suÊt Gradien
Lâi sîi
n(r)
n
1
n
2
TiÕp gi¸p
vá - lâi
MÆt c¾t lâi sîi më réng
Hình 4. ChØ sè chiÕt suÊt cña sîi gradien
25