Bài giảng Cáp soi Quang pptx

-1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo gồm
một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó . Tin tức vượt qua chặng đường 200km
trong vòng 15 phút .
-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được
theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần . Điều vẫn được áp dụng trong
thông tin quang hiện nay .
-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tin
Photophone. Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí . Nhưng
chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu.
- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống thông tin quang.
Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.
- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và phát triển
Laser
- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.
- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn lại là phải tìm
môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng thí nghiệm
Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng. Nhưng
do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao quá lớn (ỏ khoảng
1000dB/Km)
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ
hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm.
- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].
- 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ.
Lịch sử phát triển
2
2
Ph ca súng in t
Ph ca súng in t

Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem
Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem
nh sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong
nh sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong
từng vùng. Đặc tr ng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ
từng vùng. Đặc tr ng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ
bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động điện từ hay còn
bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động điện từ hay còn
gọi là sóng điện từ đ ợc sinh ra, hoặc là dải b ớc sóng t ơng ứng. Hai đại
gọi là sóng điện từ đ ợc sinh ra, hoặc là dải b ớc sóng t ơng ứng. Hai đại
l ợng tần số và b ớc sóng tỷ lệ với nhau theo công thức:
l ợng tần số và b ớc sóng tỷ lệ với nhau theo công thức:


C(m/s)=
C(m/s)=


(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f
(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f
Trong đó :
Trong đó :
C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ]
C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ]


H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ]
H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ]
3
3

á
á
nh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với b ớc sóng
nh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với b ớc sóng
từ 800nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba b ớc sóng thông dụng là 850nm,
từ 800nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba b ớc sóng thông dụng là 850nm,
1300nm và 1550nm
1300nm và 1550nm
.
.


Các b ớc sóng trong thông tin quang
Các b ớc sóng trong thông tin quang
Tia tử
ngoại
Tia
Rơnghen
Tia
Gamma
Tia
Vũ trụ
Tia hồng
ngoại
Tia vô
tuyến
1,6
1,5
1,4 1,3 1,2 1,1 1 900 800 700
600

500
400
à
m
Đỏ
Tím
á
á
4
4
CHIT SUT CA MễI TRNG
CHIT SUT CA MễI TRNG


Chiết suất của môi tr ờng đ ợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
Chiết suất của môi tr ờng đ ợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng
trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi tr ờng ấy.
trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi tr ờng ấy.


trong đó : n : Chiết suất của môi tr ờng
trong đó : n : Chiết suất của môi tr ờng


V : Vận tốc ánh sáng trong môi tr ờng
V : Vận tốc ánh sáng trong môi tr ờng

Mà C
Mà C


V nên n
V nên n


1.
1.




Chiết suất của môi tr ờng phụ thuộc vào b ớc sóng của ánh sáng truyền
Chiết suất của môi tr ờng phụ thuộc vào b ớc sóng của ánh sáng truyền
cho nó.
cho nó.
5
5
HIN TNG PHN X TON PHN
HIN TNG PHN X TON PHN



Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi tr ờng có chiết suất n1 sang môi tr
Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi tr ờng có chiết suất n1 sang môi tr
ờng thứ hai có chiết suất n2 (n1<n2) nh hình vẽ sau
ờng thứ hai có chiết suất n2 (n1<n2) nh hình vẽ sau

a) (b)
a) (b)






Hiện t ợng phản xạ ánh sáng toàn phần
Hiện t ợng phản xạ ánh sáng toàn phần
n
1

1
n
2
n
12
2
1

T

P
n
2
P

T
2
Vùng phản xạ toàn phần
a) (b)
:n1
:n1
n2
n2
n1
n1
n2
n2
P
P
P
P


T
T
2
2


1
1
2
2
2

2


T
T


6
6



Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2. Vậy chỉ
Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2. Vậy chỉ
còn điều kiện là góc tới
còn điều kiện là góc tới


t phải lớn hơn góc tới hạn
t phải lớn hơn góc tới hạn


th (
th (


t >
t >

th). Nên
th). Nên
ng ời ta đ a ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa
ng ời ta đ a ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa
là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi.
là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi.




áp dụng công thức : Snelious để tính N:
áp dụng công thức : Snelious để tính N:


n0Sin
n0Sin


th=n1.Sin
th=n1.Sin


. (n0=1 : chiết suất của không khí)
. (n0=1 : chiết suất của không khí)

1.Sin
1.Sin


th=n1.Sin
th=n1.Sin


=n1Cos
=n1Cos


1.
1.


(Sin
(Sin


=Sin(900-
=Sin(900-


t)=Cos
t)=Cos


t)
t)

n
0
n
2
n
1

th

t

n1
n1


t
t


th
th
n0
n0
===

==
==
2.nnnSinNA
nn
n
n
1.nSin
n
n
1Sin1Cos
1
2
1
2
2th
2
1
2
2
2
1
2
2
1th
2
1
2
2
t
2

t
7
7
Với gọi là độ lệch chiết suất t ơng đối
Với gọi là độ lệch chiết suất t ơng đối




Vậy điều kiện để đạt đ ợc hiện t ợng phản xạ toàn phần ở
Vậy điều kiện để đạt đ ợc hiện t ợng phản xạ toàn phần ở
trong lõi là khi đ a nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong
trong lõi là khi đ a nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong
một hình nón có góc mở
một hình nón có góc mở
.
.


2
1
2
2
2
1
n.2
nn
=
= 2.narcsin
1th

Cáp quang
- Khái niệm
- Khái niệm
:
:
Sợi quang: là những dây nhỏ và truyền các
Sợi quang: là những dây nhỏ và truyền các
ánh sáng nhìn thấy được
ánh sáng nhìn thấy được
Chúng có lõi ở giữa và phần vỏ bao bọc ở
Chúng có lõi ở giữa và phần vỏ bao bọc ở
ngoài.
ngoài.
Chiêt suất lõi lớn hơn chiết suất vỏ
Chiêt suất lõi lớn hơn chiết suất vỏ
.
.
Sợi quang

-Cấu tạo bên trong của sợi quang
-Cấu tạo bên trong của sợi quang
•
Lõi - Core : lõi được làm bằng những sợi nhỏ mỏng thuỷ tinh hoặc nhựa ,
micra, ở đó ánh sáng được truyền qua . đường kính của lõi càng lớn thì
càng có nhiều ánh sáng được truyền dẫn .
•
Lớp sơn phủ - Clading : lớp này ngay sát lõi có chỉ số khúc xạ thấp hơn
chỉ số khúc xạ của lõi .
•
Đệm nhựa : lớp này để bảo vệ sợi quang từ những tác động va đập và độ

cong quá mức .
•
Vỏ ngoài : vỏ ngoài phủ lên sợi quang.
-Phân loại sợi quang

Gồm hai loại chính
Gồm hai loại chính
:
:
-
-
Multimode (đa mode
Multimode (đa mode
)
)


-
-
Single mode (đơn mode)
Single mode (đơn mode)


Hai loại này đại diện cho kiểu ánh sáng truyền trong lõi sợi quang
Hai loại này đại diện cho kiểu ánh sáng truyền trong lõi sợi quang
+
+
Multimode (đa mode)
Multimode (đa mode)
:có 2 loại

:có 2 loại
• +Multimode graded index (chiết xuất liên tục):
• + Multimode stepped index (chiết xuất bước):
- MM có các bước sóng chuẩn là: 780, 850 và 1300. Hiện nay các thiết bị ít dùng bước sóng 780.
a.
a.
Multimode graded index (chiết xuất liên tục):
Multimode graded index (chiết xuất liên tục):
-
-
Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding. Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding
Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding. Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding


b.
b.
Multimode stepped index (chiết xuất bước):
Multimode stepped index (chiết xuất bước):
•
Multimode stepp ed index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100
micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều
đường khác nhau trong lõi: thẳng, zig-zag… tại điểm đến
sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị méo dạng



Single mode (đơn mode
Single mode (đơn mode
)
)

-
-
chỉ truyền được một mode sóng do đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 10
chỉ truyền được một mode sóng do đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 10
micromet).
micromet).


- do chỉ truyền một mode sóng nên SM không bị ảnh hưởng bởi hiện
- do chỉ truyền một mode sóng nên SM không bị ảnh hưởng bởi hiện
tượng tán sắc và thực tế SM thường được sử dụng hơn so với MM.
tượng tán sắc và thực tế SM thường được sử dụng hơn so với MM.
- SM có các bước sóng: 1310, 1550, 1627. Hiện nay các thiết bị SM dùng
- SM có các bước sóng: 1310, 1550, 1627. Hiện nay các thiết bị SM dùng
công nghệ WDM thì còn có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nữa.
công nghệ WDM thì còn có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nữa.
- Các tia truyền theo phương song song trục.
- Các tia truyền theo phương song song trục.
- tín hiệu ít méo dạng.
- tín hiệu ít méo dạng.
-


Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
•
- Sợi quang là vật liệu truyền thông tin dựa trên định luật phản
xạ toàn phần ánh sáng.
•
- Tia sáng khi đi từ môi trường có chiết suất cao qua môi trường

chiết suất thấp thì không đi thẳng (hay còn gọi là tán xạ) mà sẽ
phản xạ lại.


a.Single mode
a.Single mode
:
:
•
- Trong Single mode, ánh sáng đi theo gần như một đường thẳng trùng với trục cáp.
•
Single mode chỉ có thể truyền 1 ánh sáng với 1 bước sóng nhất định.

b.Multi Mode:
b.Multi Mode:
•
- Trong Multi Mode, ánh sáng đi theo một chùm tia sáng có dạng sơ đồ hình Sin
đồng trục
•
-Multi mode có thể truyền cùng lúc nhiều ánh sáng với góc anpha khác nhau.



Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
:
:
Hình 1. Ánh sáng truyền trong sợi
quang MM-SI
n

2
n
2
n
1
1
Hình 2 .Ánh sáng truyền trong sợi
quang MM-GI
n
2
n
2
n
1
Hình 3 .Ánh sáng truyền trong sợi quang
SM
n
2
n
2
n
1


Suy hao trong sợi quang
Suy hao trong sợi quang
:
:
Suy hao (Attenuation):
Suy hao (Attenuation):

mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình
mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình
truyền dẫn trên một khoảng cách xác định. Ký hiệu dB/km
truyền dẫn trên một khoảng cách xác định. Ký hiệu dB/km
•
Các loại suy hao thương gặp:

Suy hao tín hiệu do điện tử hấp thụ .

Suy hao do tán xạ rayleigh .

Suy hao tín hiệu do vật liệu hấp thụ

Suy hao do uốn cong sợi.

Suy hao lớp vỏ và lõi

Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng
Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng
Ứng Dụng:

Multimode
Multimode
•
Sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao
gồm:
•
Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn
soi trong.
•

Graded index: thường dùng trong các mạng LAN
•
Single mode
Single mode
•
Dùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các
mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp.

21
21


Danh mục
Danh mục


Loại sợi
Loại sợi
Phân loại sợi theo chỉ số
Phân loại sợi theo chỉ số
chiết suất
chiết suất
-Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc
-Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc
-Sợi có chỉ số chiết suất Gradien
-Sợi có chỉ số chiết suất Gradien


Phân loại theo mode truyền
Phân loại theo mode truyền

dẫn
dẫn
-Sợi đơn mode
-Sợi đơn mode
-Sợi đa mode
-Sợi đa mode
Phân loại theo cấu trúc vật
Phân loại theo cấu trúc vật
liệu
liệu
-Sợi thuỷ tinh
-Sợi thuỷ tinh
-Sợi chất dẻo
-Sợi chất dẻo
-Sợi thuỷ tinh đa thành phần
-Sợi thuỷ tinh đa thành phần
Phân loại dựa theo các chức
Phân loại dựa theo các chức
năng đặc biệt
năng đặc biệt
-Sợi lỗ không khí
-Sợi lỗ không khí
-Sợi duy trì phân cực
-Sợi duy trì phân cực
22
22
Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang
Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang

Suy hao do hấp thụ:
Suy hao do hấp thụ:


Gồm 2 loại chính:
Gồm 2 loại chính:


+ Hấp thụ ngoài
+ Hấp thụ ngoài


+ Hấp thụ thuần
+ Hấp thụ thuần
Suy hao do tán xạ:
Suy hao do tán xạ:


Suy hao do sợi bị uốn cong
Suy hao do sợi bị uốn cong


Có 2 loại suy hao do uốn cong sợi:
Có 2 loại suy hao do uốn cong sợi:


+ Uốn cong vĩ mô
+ Uốn cong vĩ mô

+ uốn cong vi mô
+ uốn cong vi mô
Một số suy hao khác
Một số suy hao khác
- Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang
- Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang
- Suy hao do hàn nối
- Suy hao do hàn nối
- Suy hao trong môi tr ờng hidrogen và chiếu xạ gamma
- Suy hao trong môi tr ờng hidrogen và chiếu xạ gamma
23
23
§Æc tuyÕn suy hao
§Æc tuyÕn suy hao



Cã ba vïng b íc sãng suy hao thÊp nhÊt, cßn gäi lµ ba cöa sæ suy hao.
Cã ba vïng b íc sãng suy hao thÊp nhÊt, cßn gäi lµ ba cöa sæ suy hao.
24
24

Suy hao truyền dẫn thấp
Suy hao truyền dẫn thấp

Di thụng rt rng
Di thụng rt rng

Nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền
Nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền

Không bị ảnh h ởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây
Không bị ảnh h ởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây
chập, cháy.
chập, cháy.

Bảo mật thông tin cao
Bảo mật thông tin cao
U iM CA SI QUANG
25
25



Khã kh¨n trong viÖc ghÐp nèi,
Khã kh¨n trong viÖc ghÐp nèi,



Kh«ng sö dông ® îc trong vïng bÞ chiÕu x¹
Kh«ng sö dông ® îc trong vïng bÞ chiÕu x¹
NHƯỢC ĐiỂM SỢI QUANG