Tiểu luận: Sợi quang và thông tin quang ppsx

Cử nhân vật lý k6
Trường ĐHKH-ĐHTN
Thái Nguyên 04/2010

Người thực hiện :
1. Phạm Trung Kiên
2. Lê Hồng Phong
3. Trương Thị Hành
4. Hà Thị Phan Phương
5. Hoàng Thị Lý
Người hướng dẫn:

•
Phần 1:Lời mở Đâu`
•
Phần 2: Lịch Sử Phát Triển
•
Phần 3: Sợi Quang Và Thông Tin
Quang
•
Phần 4: Kết Luận

NỘI DUNG

Phần 1: Lời Mở Đầu
Phần 1: Lời Mở Đầu
•
Như các bạn đã biết thế giới là sự kết nối thông
Như các bạn đã biết thế giới là sự kết nối thông
tin.Trải qua một quá trình phát triển lâu dài con người

tin.Trải qua một quá trình phát triển lâu dài con người
dần tìm ra các phương thức truyền tải thông tin 1 cách
dần tìm ra các phương thức truyền tải thông tin 1 cách
nhanh chóng và chính xác. Ngày nay thông tin quang
nhanh chóng và chính xác. Ngày nay thông tin quang
được sử dụng như 1 đột phá về truyền dẫn thông
được sử dụng như 1 đột phá về truyền dẫn thông
tin.Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là
tin.Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là
khả năng nhận biết của con người về chuyển động,
khả năng nhận biết của con người về chuyển động,
hình dáng và màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt.
hình dáng và màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt.
Tiếp đó, một hệ thống thông tin điều chế đơn giản
Tiếp đó, một hệ thống thông tin điều chế đơn giản
xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn
xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn
hiệu….Để có cái nhìn rõ nét về thông tin quang trước
hiệu….Để có cái nhìn rõ nét về thông tin quang trước
tiên chúng ta đi tìm hiểu quá trình phát triển của nó…
tiên chúng ta đi tìm hiểu quá trình phát triển của nó…

Phần 2: Lịch Sử Phát Triển
Phần 2: Lịch Sử Phát Triển
. Năm 1791,VC.Chape phát minh ra một
máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng
khí quyển như là một môi trường truyền dẫn
và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện
về thời tiết. Để giải quyết hạn chế này,
Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô

tuyến có khả năng thực hiện thông tin giữa
những người gửi và người nhận ở xa nhau.

•
Năm 1960:
Năm 1960: Laser Rubi ra đời, do T.H.Maiman
chế tạo trong phòng thí nghiệm Hughes,
USA. Lần đàu tiên một nguồn ánh sang
mạnh, đơn sắc và kết hợp hoạt động ở một
bước song trở thành hiện thực. Chính laser
này là xuất phát điểm của nghiên cứu
thong tin quang hiện đại
•
Năm 1963 hàng loạt các loại sợi thủy tinh
được chế tạo để dẫn quang trong khoảng
cách ngắn, song yếu điểm của chúng là
mất mát lớn, do đó chúng không được phát
triển để sử dụng làm sợi quang dẫn ánh
sáng.

Phát minh ra laser vào đầu những năm
1960 là một bước phát triển có tính chất
quyết định đối với ngành
quang học sợi. Laser là một nguồn phát
sáng ổn định, phát ra một chùm ánh sáng
cường độ mạnh
và tập trung cao, và có thể bơm ánh sáng
đó vào trong một sợi quang mỏng.

. Năm 1966 C.K.KAO và G.A.Hockman, làm việc

trong phòng thí nghiệm Viễn thong tiêu chuẩn của
Anh đã đề xuất sử dụng thủy tinh dạng cáp đồng trục
để truyền dẫn ánh sáng. Loại sợi quang này đã giảm
mất mát xuống còn 20 dB/km
. Năm 1970 Kao và Hockman đã nghiên cứu về cơ
chế giảm quang trong phòng thí nghiệm đã phát hiện
thấy thủy tinh có hệ số mất mát nhỏ ở bước sóng 0,85
; 1,3 và 1,55 µm. Đối với các bước song này hệ số mất
mát có thể giảm xuống đến 0,2 dB/km

•
Năm 1966 C.K.KAO và G.A.Hockman,
làm việc trong phòng thí nghiệm Viễn
thong tiêu chuẩn của Anh đã đề xuất sử
dụng thủy tinh dạng cáp đồng trục để
truyền dẫn ánh sáng. Loại sợi quang
này đã giảm mất mát xuống còn 20
dB/km
•
Năm 1970 Kao và Hockman đã nghiên
cứu về cơ chế giảm quang trong phòng
thí nghiệm đã phát hiện thấy thủy tinh
có hệ số mất mát nhỏ ở bước sóng 0,85
; 1,3 và 1,55 µm. Đối với các bước sóng
này hệ số mất mát có thể giảm xuống
đến 0,2 dB/km

•
Những laser đầu tiên phát ra ánh sáng hồng
Những laser đầu tiên phát ra ánh sáng hồng

ngoại và cần phải làm lạnh. Trong những năm
ngoại và cần phải làm lạnh. Trong những năm
1970, những laser thiết thực hơn đã được phát
1970, những laser thiết thực hơn đã được phát
triển có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ
triển có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ
phòng. Đây là một đột phá công nghệ mang lại
phòng. Đây là một đột phá công nghệ mang lại
tiện nghi cho ngành truyền thông quang học.
tiện nghi cho ngành truyền thông quang học.

. Đầu năm 1980, A.G.Bell – đã nghĩ ra một
thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi
dao động của máy hát thành ánh sáng. Tuy
nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống
này đã bị bỏ bễ do sự xuất hiện hệ thống vô
tuyến.

•
Đầu những năm 80 (1982-1983): hệ thống
Đầu những năm 80 (1982-1983): hệ thống
Thông tin quang thế hệ ІІ sử dụng laser
Thông tin quang thế hệ ІІ sử dụng laser
1310 nm bắt đầu được sử dụng. Thời gian
1310 nm bắt đầu được sử dụng. Thời gian
đầu, tốc độ bít chỉ đạt 100Mb/s do sử dụng
đầu, tốc độ bít chỉ đạt 100Mb/s do sử dụng
sợi đa mốt. Khi sợi đơn mốt được đưa vào
sợi đa mốt. Khi sợi đơn mốt được đưa vào
sử dụng, tốc độ bít đã được tăng lên rất cao.

sử dụng, tốc độ bít đã được tăng lên rất cao.
Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310
Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310
nm có tốc độ bít 1,7Gb/s với khoảng cách
nm có tốc độ bít 1,7Gb/s với khoảng cách
lặp 50km đã trở thành hàng hoá thương
lặp 50km đã trở thành hàng hoá thương
mại. Hệ số suy hao trong sợi ~ 0,5dB/km tại
mại. Hệ số suy hao trong sợi ~ 0,5dB/km tại
bước sóng 1310 nm.
bước sóng 1310 nm.

•
Năm 1990 hệ thống thông tin quang thế hệ ІІІ
Năm 1990 hệ thống thông tin quang thế hệ ІІІ
sử dụng laser bán dẫn bước sóng 1550 nm có
sử dụng laser bán dẫn bước sóng 1550 nm có
độ suy hao trong sợi quang cỡ 0,2dB/km đã
độ suy hao trong sợi quang cỡ 0,2dB/km đã
được thương mại hoá. Tốc độ bít đã đạt đến
được thương mại hoá. Tốc độ bít đã đạt đến
2,5Gb/s và sau đó đã đạt đến 10Gb/s.
2,5Gb/s và sau đó đã đạt đến 10Gb/s.

•
Thế hệ thứ ІV của thông tin cáp quang là sử dụng
Thế hệ thứ ІV của thông tin cáp quang là sử dụng
khuếch đại quang để tăng khoảng cách lặp và ghép
khuếch đại quang để tăng khoảng cách lặp và ghép
nhiều bước sóng trong một sợi quang để tăng tốc độ

nhiều bước sóng trong một sợi quang để tăng tốc độ
bít trong một sợi quang
bít trong một sợi quang
•
. Năm 1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có
. Năm 1991 lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có
EDFA (các bộ khuyếch đại quang)được thử nghiệm
EDFA (các bộ khuyếch đại quang)được thử nghiệm
truyền tín hiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách
truyền tín hiệu số tốc độ 2,5Gb/s trên khoảng cách
21.000km và 5Gb/s trên khoảng cách 14.300km
21.000km và 5Gb/s trên khoảng cách 14.300km
.
.

•
Năm 1996 hệ thống thông tin cáp quang dưới
Năm 1996 hệ thống thông tin cáp quang dưới
biển có tốc độ 5Gb/s trên khoảng cách
biển có tốc độ 5Gb/s trên khoảng cách
11.300km được đưa vào sử dụng, năm 1997 hệ
11.300km được đưa vào sử dụng, năm 1997 hệ
thống Âu – Á có tên FLAG có tốc độ bít 5Gb/s
thống Âu – Á có tên FLAG có tốc độ bít 5Gb/s
và khoảng cách 27.000km đã đưa vào hoạt
và khoảng cách 27.000km đã đưa vào hoạt
động. Hệ thống cáp quang vòng quanh châu
động. Hệ thống cáp quang vòng quanh châu
Phi (Africa One) có khoảng cách 35.000km
Phi (Africa One) có khoảng cách 35.000km

cũng đã đước lắp đặt trong năm 1997
cũng đã đước lắp đặt trong năm 1997



•
Ngày nay, hệ thống điện
Ngày nay, hệ thống điện
thoại và truyền thông dữ
thoại và truyền thông dữ
liệu chạy trong một
liệu chạy trong một
mạng sợi quang thủy
mạng sợi quang thủy
tinh có tổng chiều dài
tinh có tổng chiều dài
lên tới hơn 1 tỉ km. Nếu
lên tới hơn 1 tỉ km. Nếu
như lượng sợi quang ấy
như lượng sợi quang ấy
được quấn quanh Trái
được quấn quanh Trái
đất, thì nó đủ để quấn
đất, thì nó đủ để quấn
quanh địa cầu hơn
quanh địa cầu hơn
25.000 vòng – và lượng
25.000 vòng – và lượng
sợi quang vẫn tiếp tục
sợi quang vẫn tiếp tục

tăng thêm hàng giờ
tăng thêm hàng giờ





Sợi quang là gì ???
Sợi quang là gì ???
•
Sợi quang là những dây nhỏ và
Sợi quang là những dây nhỏ và
dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy
dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy
được và các tia hồng ngoại. Chúng
được và các tia hồng ngoại. Chúng
có lõi ở giữa và có phần bao bọc
có lõi ở giữa và có phần bao bọc
xung quanh lõi. Để ánh sáng có
xung quanh lõi. Để ánh sáng có
thể phản xạ một cách hoàn toàn
thể phản xạ một cách hoàn toàn
trong lõi thì chiết suất của lõi lớn
trong lõi thì chiết suất của lõi lớn
hơn chiết suất của áo một chút.
hơn chiết suất của áo một chút.
•
Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh
Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh
hay chất dẻo (Silica), chất dẻo, kim

hay chất dẻo (Silica), chất dẻo, kim
loại, fluor, sợi quang kết tinh).
loại, fluor, sợi quang kết tinh).
Vỏ
Vỏ
bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi
bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi
quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng
quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng
thời chống xuyên âm với các sợi đi
thời chống xuyên âm với các sợi đi
bên cạnh và làm cho sợi quang dễ
bên cạnh và làm cho sợi quang dễ
xử lý. Để bọc ngoài ta dùng các
xử lý. Để bọc ngoài ta dùng các
nguyên liệu mềm và độ tổn thất
nguyên liệu mềm và độ tổn thất
năng lượng quang lớn.
năng lượng quang lớn.

Bên trong sợi quang
Bên trong sợi quang
•
Nguyên lý cơ bản trong sợi quang là hiện tượng vật lí
Nguyên lý cơ bản trong sợi quang là hiện tượng vật lí
gọi là phản xạ lại ánh sáng toàn phần . Trong quy định
gọi là phản xạ lại ánh sáng toàn phần . Trong quy định
để có phản xạ ánh sáng toàn phần là ánh sáng xuất
để có phản xạ ánh sáng toàn phần là ánh sáng xuất
phát có góc triết quang trung bình ( khúc xạ ) - bằng

phát có góc triết quang trung bình ( khúc xạ ) - bằng
hoặc lớn hơn góc giới hạn ( gọi là góc Brewster ) .
hoặc lớn hơn góc giới hạn ( gọi là góc Brewster ) .

•
Đúng như tên của nó , sợi quang dùng ánh sáng để truyền dữ liệu . Ở một đầu
cable là LED (Light Emitting Diode) hoặc Laser bán dẫn làm nguồn sáng .
•
Sợi quang không dẫn điện , như vậy những vấn đề liên quan đến dòng điện
không bị ảnh hưởng . Như điện thế dòng điện giữa những thiết bị hoặc những
vấn đề liên quan đến ánh sáng .
•
Sợi quang hoàn toàn không chịu tác động của trường điện từ , có nghĩa là dữ
liệu không bị hỏng trong quá trình truyền dẫn .
Có hai kiểu sợi quang : Multimode và Singlemode ( hoặc gọi là
Monomode ) . Những kiểu này đại diện cho kiểu ánh sáng
được truyền bên trong sợi lõi .

•
Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ
Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ
hơn), hệ số thay đổi khúc
hơn), hệ số thay đổi khúc
xạ thay đổi từ lõi ra
xạ thay đổi từ lõi ra
cladding ít hơn multimode
cladding ít hơn multimode
•
Các tia truyền theo
Các tia truyền theo

phương song song trục.
phương song song trục.
•
Xung nhận được hội tụ tốt,
Xung nhận được hội tụ tốt,
ít méo dạng.
ít méo dạng.
(c) Sîi ®¬n mode, (d) Sîi lâi thuû tinh, vá pha t¹p Flo
Mode đơn
Mode đơn
(
(
Single mode
Single mode
)
)

Ứng dụng
Ứng dụng
Mode đơn
Mode đơn
•
Dùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các
Dùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các
mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp.
mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp.


Multimode (đa mode)
Multimode (đa mode)

•
Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100
Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100
micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều
micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều
đường khác nhau trong lõi: thẳng, zig-zag… tại điểm đến sẽ
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.
nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị méo dạng.
•
Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các
Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các
đèn soi trong
đèn soi trong