Khái niệm chung về sợi quang

Chương 3

SỢI QUANG


3.1 Khái niệm chung về sợi quang
&
hệ thống truyền dẫn quang
Ngày nay sợi quang được sử dụng rộng rãi
trong các hệ thống thông tin - đo lường điều khiển. Nguyên lý phản xạ toàn phần,
cơ sở lý thuyết của sợi quang đã được nhà
vật lý người Anh John Tyndall phát hiện từ
năm 1854 khi cho ánh sáng chiếu qua tia
nước. Ánh sáng bị tia nước bẻ cong và
quay lại nền nhà, kỹ sư Mỹ đã nhận bằng
sáng chế về hệ thống thông tin quang với
phương tiện truyền dẫn là các thanh thủy
tinh


Tín hiệu điện có thể là tương tự hoặc
số,phổ biến là tín hiệu số. Sơ đồ khối hình
3.1 gồm 3 khối chính: thiết bị phát, sợi
quang và thiết bị thu.

3.1 Sơdẫn
đồ khối
sợi quang
Nếu cự lyHình
truyền
dài,

tín hiệu bị suy
giảm nhiều thì giữa hai trạm đầu đầu, đầu
cuối có thêm vài trạm chuyển tiếp có sơ đồ
khối trên hình 3.2.


Sơ đồ khối trạm chuyển tiếp

Tín hiệu quang

Bộ
thu quang

Sửa dạng

Nguồn quang

Tín hiệu quang

Khuếch đại

Hình 3,2 Sơ đồ trạm chuyển tiếp quang

Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín
hiệu quang, còn gọi là nguồn quang có
nhiệm vụ phát ánh sáng có công suất tỷ lệ
với dòng điện qua nó. Hiện nay nguồn
quang chủ yếu là các đèn LED và tia
LASER.

Linh kiện thu quang biến đổi tín hiệu quang sang
tín
hiệu điện, còn gọi là linh kiện tách sóng quang, có
nhiệm vụ ngược lại với nguồn quang tức là tạo
dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang
chiếu vào nó.
So với dây kim loại, sợi quang có những ưu điểm
chính sau đây:
• Suy giảm bé, cho phép kéo dài khoảng cách ch/
tiếp,
• Dải thông rất rộng, có thể thiết lập hệ thống
truyền dẫn số tốc độ cao,
• Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, dễ lắp đặt,
• Không bị nhiễu do trường điện từ,
• Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể,
• Vật liệu chế tạo có sẵn trong thiên nhiên.


3.2 Cơ sở lý thuyết về sợi dẫn quang
• Ánh sáng dùng trong thông tin
quang trong vùng cận hồng ngoại với
bước sóng từ
800 nm đến 1600 nm. Đặc biệt
thường dùng ba bước sóng: 850,
1300 và 1550 nm.
• Khi tia sáng truyền từ môi trường 1
có chiết suất n1 sang môi trường 2 có
chiết suất n2 (hình 3.3) qua mặt phân
giới thì tia sáng bị phân tách thành

hai tia: tia phản xạ lại môi trường 1
và tia khúc xạ sang môi trường 2


• Phản xạ và khúc xạ của ánh sáng

• Định luật Snell:

n1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2


- Ta nhận thấy nếu n1 < n2 thì θ 1
> θ2
tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp
tuyến.
+ Khi n1 > n2 thì θ 1 < θ 2, nếu tăng
θ 1 thì θ 2 cũng tăng.
+ Khi θ 2 = 90o thì tia khúc xạ song
song với mặt phân giới.
+ Nếu tiếp tục tăng θ 1 thì không
còn tia khúc xạ nữa, mà chỉ có tia
phản xạ. Hiện tượng này gọi là sự
phản xạ toàn phần.


3.3. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi
quang
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần,
sợi quang được chế tạo gồm một lõi bằng
thủy tinh có chiết suất n1, vỏ bọc cũng

bằng thủy tinh có chiết suất n2, với n1 >
n2.
Ánh sáng truyền trong sợi quang sẽ phản
xạ nhiều lần trên mặt tiếp xúc giữa lõi và
vỏ bọc. Ánh sáng có thể được truyền trong
sợi quang có cự ly dài, ngay cả khi sợi
quang bị uốn cong với độ cong giới hạn
(hình 3.4).


• Truyền dẫn trong sợi quang
Lớp bọc: n2
Lõi: n1
Lớp bọc: n2
Mặt cắt sợi quang

Chiết suất

Đường truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Hình 3.4 Sự truyền dẫn trong sợi
quang

3.4 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi
quang
Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi
thủy tinh có chiết suất lớn và một lớp vỏ
bọc cũng bằng thủy tinh nhưng có chiết
suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp vỏ không
đổi còn chiết suất của lõi, nói chung thay

đổi theo bán kính. Ta phân ra:


• Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI:
Step – Index), ánh sáng truyền trong lõi có
cùng vận tốc . Vì n1 không đổi nên chiều
dài đường truyền khác nhau và thời gian
truyền cũng khác nhau với cùng một chiều
dài sợi quang. Điều này dẫn đến hiện
tượng khi đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu
sợi quang, xung ra sẽ rộng hơn. Đây là
hiện tượng tán sắc.

Step index

Mặt cắt

chiết suất

Đường truyền quang

xung vào

xung ra


• Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI:
Graded – Index), Chiết suất của lõi có phân
bố hình parabol (hình b). Vì chiết suất của
lõi thay đổi liên tục nên tia sáng truyền

trong lõi bị uốn cong dần. Tia truyền dọc
đường trục có đường truyền ngắn nhất
nhưng với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở
trục là lớn nhất.

Mặt cắt

chiết suất

Đường truyền

xung vào

xung ra


• Sợi đơn mode SM (Single Mode) là sợi có
kích thước nhỏ để chỉ có một sóng cơ bản
được truyền, mode sóng là một trạng thái
đường truyền ổn định của ánh sáng trong
sợi quang. Vì chỉ có một mode sóng được
truyền nên độ tán sắc do nhiều đường
truyền bằng không. Sợi đơn mode có dạng
phân bố chiết suất nhảy bậc.

Single mode

Sợi đơn mode

mặt cắt

Đường truyền

xung vào

xung ra


3.5. Cấu trúc chung của cáp quang
Thành phần chính của sợi quang gồm có
lõi và vở bọc. Cả hai đều bằng thủy tinh có
chiết suất khác nhau. Lõi để dẫn ánh sáng
còn vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung
trong lõi nhờ phản xạ toàn phần.
Để bảo vệ sợi quang tránh các ảnh hưởng
cơ, nhiệt bên ngoài sợi quang và được bọc
thêm vài lớp nữa là:
* Lớp vỏ thứ nhất chống xâm nhập của hơi
nước, chống trầy xước, giảm ảnh hưởng vì
uốn cong. Lớp phủ được bọc ngay trong
quá trình kéo sợi. Chiết suất của lớp phủ
lớn hơn chiết suất lớp bọc để không có
phản xạ toàn phần giữa lớp phủ và lớp
bọc.


* Lớp vỏ thứ hai nhằm tăng cường độ bền
của sợi quang do ứng suất cơ và nhiệt. Lớp
này thường có dạng đệm lỏng, đệm khí
hoặc băng dẹt. Lớp phủ có thể nhuộm màu

hoặc có vòng đánh dấu các thành phần
chính của cáp quang (hình 3.6) gồm:
Sợi quang, các sợi được bọc phủ và sắp
xếp theo thứ tự nhất định.
Vỏ PVC
Sợi quang đổ epoxy

Vỏ thép

Hình 3.6 Cấu tạo sợi quang


3.6. Các thông số của sợi quang
Hai thông số quan trọng nhất của sợi
quang là độ suy giảm và dải thông của
đường truyền.
3.6.1 Độ suy giảm công suất
Tương tự như tín hiệu điện, công suất
quang truyền trên sợi quang cũng giảm
dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ :

P( z ) = P( 0).10

−αz
10

• P(0): công suất đầu sợi (z = 0).
• P(z): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi.
∀ α: hệ số suy giảm.

3.6.2 Độ suy giảm tín hiệu
Độ suy giảm tín hiệu được tính theo biểu
thức:

P1
A( dB ) = 10 lg
P2

(3.6)

• P1 = P(0): công suất đưa vào đầu sợi.
• P2 = P(L): công suất ở cuối sợi.
• Hệ số suy giảm là suy giảm trung bình:

A( dB )
α ( dB / km ) =
L( km )


3.6.3. Sự tán sắc
• Tương tự tín hiệu điện, tín hiệu quang
thường truyền qua sợi quang cũng bị hiện
tượng méo dạng tín hiệu, làm hạn chế dải
thông của đường truyền.
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang ký
hiệu D, tính bằng giây (s) được xác định
bằng:

D = τ .τ

2
0

ra.

2
i

(s)

trong đó τ i , τ o là độ rộng xung vào và


3.6.4. Dải thông của sợi quang
Sợi quang cũng có thể được xem như hệ
tuyến tính có hàm truyền:
P2 ( fm)
H ( fm ) =
P1 ( fm)
P1(fm) và P2(fm) là biên độ công suất quang
ở đầu và cuối sợi quang ở tần số điều chế
fm.

Dải thông của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ
tán sắc tổng và được tính theo công thức:

0,44
B =
D

trong đó B được tính bằng GHz và D bằng
ns.


• 3.7. Mạng thông tin cáp quang
Do nhiều ưu điểm về kinh tế và kỹ thuật,
ngày nay hệ thống thông tin, đo lường,
điều khiển đang được chuyển sang sử
dụng cáp quang.
PC

I/O#4

I/O#2
I/O#1

I/O#3

Hình 3.13 Mạng thông tin điều khiển lập trình

Hình 3.13 là sơ đồ mạng thông tin điều
khiển
lập trình trong đó sử dụng dây cáp đồng
trục


Bộ điều khiển lập trình đưa từng trạm vào
hoạt động theo tuần tự. Mọi trạm I/O có
thể nghe thông tin của bộ điều khiển lập
trình nhưng chỉ một trạm hiện tại có thể

trả lời.
Giả thiết trên đường truyền cáp đồng trục
có sự cố, ta muốn thay đoạn dây sự cố
bằng cáp quang. Vậy ta có thể sử dụng
mạch lai như hình 3.14, trong đó sử dụng
đồng thời cáp đồng trục và cáp quang.


• Sơ đồ mạng lai cáp đồng trục - cáp quang
-------

I/O#2

PC

I/O#4

I/O#1

I/O#3

Hình 3.14 Mạng lai cáp đồng trục – cáp quang
cáp đồng trục,

---- cáp quang


PC

dây dẫn

PC

Sợi quang

I/0 # 1

Bộ khối ghép hình sao

I/0 # 2

I/0 # 3

I/0 # 1

I/0 # 4

I/0 # 2

I/0 # 3

I/0 # 4

Hình 3.15 Mạng hình mắc xích

Hình 3.16 Mạng phối ghép hình sao


3.8. Nguyên lý làm việc của cảm biến sợi
quang

Bộ cảm biến sợi quang gồm các khối sau:
• Nguồn sáng: gồm một hoặc nhiều nguồn
đơn sắc, liên kết hoặc không liên kết, liên
tục hoặc xung. Nguồn thông dụng nhất là
LED, điôt laser.
• Ống dẫn quang: là sợi quang đơn mode
hoặc đa mode, có thể được tiêu chuẩn hóa,
hoặc ống dẫn sóng tích hợp trên một đế
bán dẫn, các đầu nối quang.
• Bộ điều biến là phần tử nhạy cảm với các
đại lượng vật lý cần đo: Tạo nên sự tương
ứng giữa đại lượng cần đo và đại lượng đặc
trưng cho ánh sáng.


• Bộ thu quang thường là photodiot, tiếp theo
là tầng khuếch đại.
• Bộ giải điều nhằm khai thác thông tin về các
đại lượng cần đo.
• Khối nguồn cung cấp.
Nhiều hiện tượng quang học được ứng dụng
để đo các đại lượng vật lý khác nhau khi điều
biến ánh sáng trong sợi quang. Độ nhạy của
từng thiết bị đo phụ thuộc vào vật liệu sợi
quang và cấu trúc của dụng cụ. Các thiết bị
đo có thể được phân thành năm loại tùy theo
cách điều biến ánh sáng: cảm biến có thể
được điều biên, điều pha, bị phân cực, thay
đổi bước sóng, điều thời gian (biến đổi thời
gian cường độ, pha, cực tính hay phổ).