Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 2 sợi quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀ
I
GIẢ
NG
BÀ
I

GIẢ
NG
KỸ
THU
Ậ
T THÔNG TIN QUANG
KỸ

THU
Ậ
T

THÔNG

TIN

QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
B
ộ
môn: Thôn
g

Tin
Q
uan
g
–Khoa Vi
ễ
n thôn
g
2
ộ
gQg
g
Email: ,
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 2
S
Ợ
I QUANG
S
Ợ
I

QUANG
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 2
• Cấu trúc và phân loại sợi quang
• Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng

tron
g
sợi quan
g
• Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang
• Suy hao
• Tán sắc trong sợi quang
• Hiệu ứng phi tuyến
• Một số loại sợi quang mới
• Cáp sợi quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Cấu tạo sợi quang
 Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:
• Lõi (core): hình trụ, bán kính a, chiết suất n
1
• Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b (b>a),
chiết suất n
2
(n
1
> n
2
)
 Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic…)
Lõi
Lớp bọc

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 4
Cu Trỳc V Phõn Loi Si Quang
Cu to si quang (tt)
Ngoi 2 lp c bn, si quang cũn c bo v bi hai
l bờ i l h (i i )l
l
p
bờ
n ngo
i
:
l
p p
h

(
pr
i
mary coat
i
ng
)
v


l
p v

(secondary coating)
Lụự
p
bo
ù
c Lụự
p

p
huỷ Lụự
p
voỷ
Loừi
10/50
pù
125 um

pp
250 um

p
900 um

10/50
um

www.ptit.edu.vn
GING VIấN: VN VIT EM - PHM QUC HP

B MễN: THễNG TIN QUANG KHOA VIN THễNG 2
Trang 5
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Ánh sáng lan truyền trong sợi quang
 Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phản xạ
àhầ l i ặ iế iá iữ lõi à lớ b
to
à
n p
hầ
n qua
l
ạ
i
m
ặ
t t
iế
p g
iá
p g
iữ
a
lõi
v
à

lớ
p
b

ọc
»
Ánh sáng có thể truyền được trong sợi quang bị uốn cong với
một độ cong giới hạn (thỏa điều kiện phản xạ toàn phần)
n
1
n
2
n
a
b
0
θ
θ
θ’
θ
>
θ
c
θ > θ’> θ
c
a
b
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số
 Điều kiện để một tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với

ó ới
óhể ề đ lõi i?
g
ó
c t
ới
φ c
ó
t
hể
truy
ề
n
đ
ược trong
lõi
sợ
i
quang
?
φ
1
=φ
c
θ
1
=θ
c
> θ
2

θ
3
>
< φ
2
φ
3
<
θ
1
φ
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
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 7
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Kết luận: Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những
iá óóới ở đầ ihỏ h ó ớih
t
i
a s
á
ng c
ó
g
ó
c t
ới

ở

đầ
u sợ
i
quang n

hỏ

h
ơn g
ó
c t
ới

h
ạn
φ
max.

Định nghĩakhẩu độ số:
max
sin
θ
=
NA
Định

nghĩa

khẩu

độ

số:

Ý

n
g
hĩa: NA biểu diễn khả năn
g

g
hé
p
ánh sán
g
vào
max
g gg p g
trong sợi quang.
 Công thức xác định NA:
22
121
2NA n n n
=
−= Δ
độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc
2
1
2
2
2
1
2n
nn −
=Δ

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 8
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Góc nhận ánh sáng bằng
max
2
θ
θ
max
2×θ
max
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón
Vùng nhận
ánh sáng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Ví dụ 1

Một sợi quang SI có chiết suất lõi n
1
= 1,50 và chiết suất
lớp bọc n
2
= 1,485. Hãy xác định khẩu độ số và góc
nhận ánh sáng củasợi quang này.
nhận

ánh

sáng

của

sợi

quang

này.

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 11
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Giải ví dụ 1
Áp dụng công thức tính khẩu độ số:
Thế giá trị các đại lượng vào ta được kết quả:

2
2
2
1
nnNA
−
=
ể
21,046,15,1
22
=−=NA
i
θ
A

T
heo bi
ể
u thức định nghĩa:
Suy ra: Hay góc nhận ánh sáng:
max
s
i
n
θ
=N
A
0
max
12=

θ
0
max
242 =
θ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi 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 bằng plastic
• S
ợ
i PCS
(
Plastic-Cladded Silica
)
: lõi bằn
g
thủ
y
tinh
,
lớ
p
b
ọ

c
ợ (
) g y,p ọ
làm bằng nhựa
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
 Phân loại theo dạng chiết suất của lõi:
• Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI
• Sợi quang có chiết suất giảm dần GI
• S
ợ
i
q
uan
g

g
iảm chiết suất lớ
p
b
ọ
c
ợ qgg p ọ
• Sợi quang dịch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber)
• Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber)
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
 Sợi chiết suất bậc SI (Step-Index)
â ố ế ấ
• Dạng ph
â
n b
ố
chi
ế
t su
ấ
t:
⎨
⎧
≤
=
arn
r
n
,
)
(
1
n
1
n

⎩
⎨
≤
≤
=
bran
r
n
,
)
(
2
r
0
bab a
n
2
• Các tia sáng truyền theo đường thẳng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 15
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
 Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần
â ố ế ấ
• Dạng ph
â
n b
ố

chi
ế
t su
ấ
t: parabol
⎪
⎨
⎧
≤
⎥
⎤
⎢
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
Δ
−
a
r
r
n
,
1
)
(
2

1
⎪
⎩
⎪
⎨
≤≤
⎥
⎥
⎦
⎢
⎢
⎣
⎟
⎠
⎜
⎝
=
bran
a
r
n
,
,
)
(
2
1
• Các tia sáng truyền theo đường cong Æ Tại sao?
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP

BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 16
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
n(r)

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

r
a
1

a
1
a
2
a
2
0

r
a
1
a
1
a
3
a
4
a
3
r
a
4
a
2
a
2
0
r
r
a
1
a
1
a
3
a
3
Gia

û
mchie
á
tsua
á
tlô
ù
pboc
Sôi dòch ta
ù
nsa
é
cDSF
Sôi san ba
è
ng ta
ù
nsa
é
cDFF
Giam

chiet

suat

lôp

bo
ï

c
Sô
ï
i

dòch

tan

sac

DSF

Sô
ï
i

san

bang

tan

sac

DFF
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 17

Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
 Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang
• Sợi đa mode:
– Sợi SI, GI (G.651):
– (50/125μm), (62.5/125μm), (100/140μm)
• Sợi đơn mode SMF (Single-Mode Fiber)
– Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.652):
»
(
9/125
μ
m
)
(
μ
)
» Hệ số suy hao: 0.38 dB/km (λ=1310nm) và 0.2 dB/km (λ=
1550nm)
» Hệ số tán sắc: bằng 0 tại λ=1310nm và 18ps/nm.km tại λ=
1550nm
– Sợi DSF (G.653)
• Sợi dịch tán sắc khác zero NZ-DSF (G.655)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 18
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Cơ sở toán học
 Toán tử curl

i
i
i
z
y
x
zyx
i
i
i
AcurlArot
∂
∂
∂
∂
∂
∂
==

Toán tử del
zyx
AAA

Toán

tử

del
iii
z

y
x
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=∇
z
y
x
y
∂
∂
∂
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 19
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Cơ sở toán học (tt)

T
ích hữu hướng của hai vector và
A
B
zyx

zyx
B
B
B
AAA
iii
BA =×
 Toán tử div:
zyx
B
B
B
AAdiv .∇=
r
Suy ra:
AAcurlArot ×∇==
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Cơ sở toán học (tt)
 Toán tử Laplace:
được gọi là toán tử Laplace, được ký hiệu
Δ
2
∇
(
)
EEEE ×∇×∇−∇∇=Δ=∇

2
• Trong hệ tọa độ Descartes:
zzuyxx
EiEiEiE Δ+Δ+Δ=Δ
f
f
f
∂
∂
∂
2
2
2
Và đối với hàm vô hướng
•
Trong hệ tọa độ trụ
z
f
y
f
x
f
f
∂
∂
+
∂
∂
+
∂

∂
=Δ
2
2
2
•
Trong

hệ

tọa

độ

trụ
zz
r
r
r
r
iEi
r
E
E
r
Ei
r
E
E
r

EE
2
22
2
22
22
22
∇+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
∂
∂
+∇+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
∂

∂
×−∇=∇
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕϕ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 21
⎠
⎝
⎠
⎝
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Hệ phương trình Maxwell:
r
Mối quan hệ giữa các đại lượng
(1)
(
2
)
0
∇
B
r
ρ
=∇ D
r

.
= µ (5)
= ε + (6)
=
σ
(
7
)
E
D
H
B
P
J
E
(
2
)
(
3
)
0
. =
∇
B
B
E
∂
×
∇

r
r
ρ: Mật độ điện tích khối [c/m
3
]
Vt ờ độ điệ t ờ [V/ ]
=

σ
(
7
)
J
E
(
3
)
(
4
)

t
E
∂
−=
×
∇
D
J
H

∂
+
=
×
∇
r
rr
:
V
ec
t
ơ cư
ờ
ng
độ

điệ
n
t
rư
ờ
ng
[V/
m
]
: Vectơ cảm ứng điện [c/m
2
].
: Vectơ cường độ từ trường [A/m].
E

D
H
(
)
t
J
H
∂
+
=
×
∇
: Vectơ mật độ dòng điện mặt [A/m
2
].
: Vectơ cảm ứng từ [H/m].
:Vectơ phân cực điện
J
B
P
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 22
:

Vectơ

phân

cực

điện
P
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Đối với sợi quang độ dẫn điện bằng 0, hệ pt
Maxwell được viết lại như sau:
(1)
0. =∇ D
r
(2)
0. =∇ B
r
(3)
t
B
E
∂
∂
−=×∇
r
r
D
∂
r
(4)
t
D
H
∂

∂
=×∇
r
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 23
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ
(r,φ,z):
 Phương trình sóng:
22 2
22
222
11
()
0
EE E
E
ω
ε
μβ
φ
∂∂ ∂
+
++−=
∂∂∂
 Nghiệm phương trình sóng:
222
()

rrrr
μβ
φ
∂∂∂
() ()cos () ()cos
Er a AJur k Er a AKwr k
φφ
≤≥
– với A
1
, A
2
: hằng số điện trường
– J(x) có dạng hàm Bessel
12
() ()cos

() ()cos

Er a AJur k Er a AKwr k
φφ
≤
=
≥
=
– K(x) có dạng hàm Hankel (hàm Bessel cải tiến loại hai)
– u
2
= β
2

1
- β
2
với β
1
= ω(ε
1
μ
1
)
1/2 =
ω n
1
/c
– w
2
= β
2
- β
2
2
với β
2
= ω(ε
2
μ
2
)
1/2
= ω n

2
/c
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 24
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ
(r,φ,z) (tt):
 Giải hệ PT sóng tại biên r=a Æ nghiệm của PT Æ số
mode sóng truyền trong sợi quang

Mộtsố kếtquả rút ra từ việcgiảiPTsóng:

Một

số

kết

quả

rút

ra

từ

việc

giải

PT

sóng:
• Tần số chuẩn hóa: V = (2πa/ λ).(n
1
2
–n
2
2
)
1/2
= (2π/ λ).a.NA
• Các mode sóng được gọi là các mode phân cực tuyến tính: LP
lm
(li l l i d d ) ớil
0
1
2
1
2
3
(li
near
l
y po
l
ar
i

ze
d
mo
d
e
)
v
ới

l
=
0
,
1
,
2
,…; m=
1
,
2
,
3
,…
• Mode LP
01
được gọi là mode cơ bản
• Số lượng mode sóng phụ thuộc vào giá trị của V:
– Đối với sợi SI, tổng số mode M ≈V
2
/2 (đúng với M>20)

– Mode LP
lm
tồn tại khi V > V
clm
(tần số cắt của mode LP
lm
)
» Điều kiện để sợi quang truyền đơn mode: V≤ 2,405
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 25