Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 2: Sợi quang

Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 2: Sợi quang cung cấp cho học viên những thông tin về hiện tượng phản xạ toàn phần; các phương trình Maxwell; các mode truyền dẫn; các loại sợi quang đơn mode, đa mode; suy hao trong sợi quang; tán sắc trong sợi quang; cáp sợi quang: những yêu cầu cơ bản; các thành phần của cáp sợi quang; các loại cáp sợi quang và ứng dụng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG 2

SỢI QUANG

Nội dung của chương 2

➢ Hiện tượng phản xạ toàn phần

➢ Các phương trình Maxwell

➢ Các mode truyền dẫn

➢ Các loại sợi quang đơn mode, đa mode

➢ Suy hao trong sợi quang

➢ Tán sắc trong sợi quang

➢ Cáp sợi quang: những yêu cầu cơ bản

Hiện tượng phản xạ toàn phần

Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong sợi quang

Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần như sau:

+ Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn

+ Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

Hiện tượng phản xạ toàn phần

) n

n ( cos

n sin

n0 i = 1 c = 12 − 22

46

2 2

Determine Numerical Aperture of the Fiber?

(i) n 1 = 1.46 and n 2 = 1 (air)

(ii) n 1 = 1.465 and n 2 = 1.45

Application of Eq:

(i)

) (

n

NA = i = −

Khẩu độ số (NA) của sợi

được gọi là khẩu độ số (NA) của sợi Nó

đặc trưng khả năng tập trung ánh sáng vào sợi

Khẩu độ số (NA) của sợi

Ảnh hưởng của NA và đường kính lõi đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng

và sợi quang

Truyền dẫn sóng trong sợi quang

Các phương trình Maxwell

Review Related Equations

Các phương trình dẫn sóng

Các phương trình Maxwell (tt)

Các mode trong sợi quang chiết suất phân bậc (tt)

Single-mode condition: V < 2.405

the fundamental HE 11 mode.

o Using Eq (2.2.35)

to estimate the core radius of single-mode fibers

used in lightwave systems

Suy hao công suất trên sợi quang

Suy hao tín hiệu trên sợi quang

Suy hao tín hiệu do hấp thụ

❖ Suy hao do tạp chất hấp thụ: chủ yếu do sự không tinh khiết

trong sợi: các tạp chất iôn OH và các iôn kim loại chuyển tiếp: ion sắt, crom, coban, đồng làm tăng đặc tính suy hao Ion OH tạo ra các đỉnh tổn hao ở 1200nm và 1400nm Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp: các cửa sổ truyền dẫn 850nm, 1300nm,

1550nm

❖ Suy hao do vật liệu hấp thụ: Các liên kết nguyên tử vật liệu hấp

thụ ánh sáng có bước sóng dài Đuôi đường đặc tính kéo dài tới vùng cửa số ba làm cho vùng bước sóng này không giảm suy hao

Suy hao tín hiệu do điện tử hấp thụ

Suy hao do tán xạ rayleigh

Suy hao do uốn cong sợi

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi

-Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi

-Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên và

thường bị xảy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp

Một phương pháp để giảm thiểu suy hao do uôn cong là lồng lớp

vỏ chịu áp suất bên ngoài sợi

Suy hao do uốn cong sợi

Suy hao do ngoại lực

Tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang

Ánh sáng truyền trong các loại sợi

1 n2

n2

n1

n2

Tán sắc mode

▪ Tán sắc mode là do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền khác nhau.

▪ Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính của lõi sợi Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi

đa mode.

Tán sắc mode

▪ Số mode M là nghiệm của phương trình Maxwell biểu diễn sự

lan truyền sóng trường điện từ trong sợi quang.

▪ Theo p2 quang hình học: Ánh sáng truyền trong sợi quang như một tập hợp những tia sáng riêng lẽ Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang, ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc biến thiên từ 0 đến như mô tả như hình vẽ 

Tán sắc mode (tt)

n1 lõi

n2 lớp bọc

n2 lớp bọc

Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang

▪Số lượng mode của một sợi quang phụ thuộc vào đặc tính

quang và hình học của sợi

▪Sô mode trong sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi d, khẩu

độ số NA và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng

Tán sắc mode (tt)

Gọi V là tần số chuẩn hóa ta có:

với

thì số lượng mode được tính:

(đối với sợi SI)

NA

d V





=

2 2

2

1 n n

Example: Determine core radius of the MM –SI fiber

1.48

Tán sắc mode (tt)

Tán sắc mode (tt)

Tán sắc vận tốc nhóm (GVD)

❖ Tín hiệu bao gồm nhiều thành phần phổ

❖ Mỗi thành phần phổ tương ứng với tần số góc được truyền

trong sợi với một vận tốc nhóm riêng biệt

❖ Vận tốc nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm và chiết suất

nhóm thay đổi theo tần số góc

❖  mỗi thành phần phổ được truyền với vận tốc khác nhau nên khi phát đồng thời, đưa vào sợi thì chúng không đến cùng một lúc

ở đầu ra tạo nên giãn nở xung do tán sắc vận tốc nhóm

Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) (tt)

Xét sợi đơn mode có chiều dài L Một thành phần phổ riêng biệt

tại bước sóng sẽ đến ngõ ra cuối sợi sau một độ trễ về mặt thời

gian là T = L/vg trong đó vg là vận tốc nhóm, và được định nghĩa:

vg = dω/dβ

Với β là hệ số truyền sóng được tính theo biểu thức :

Bằng cách sử dụng trong phương trình trên ta thấy trong đó là chiết suất nhóm và được cho bởi:

n

c c

n c

n f n

 = 0 =

c

v =

Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) (tt)

 Vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số làm cho các thành phần phổ khác nhau của xung lan truyền với thời gian khác nhau và

không đến cùng một lúc tại ngõ ra của sợi gây nên hiện tượng

giãn nở xung Phạm vi mở rộng xung đối với sợi có chiều dài L

được cho bởi:

L d

d d

dT T

d T

g

2

d  

Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) (tt)

Tán sắc vận tốc nhóm D là tổng của hai số hạng:

Trong đó D M là tán sắc vật liệu và D W là tán sắc ống dẫn sóng và được cho bởi:

d

dn dV

Vb Vd

n

n

D W 2 g ( 2 ) 2g ( )

2 2

2 2





Tán sắc vật liệu

❖ Tán sắc vật liệu xảy ra do chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau

❖ Nguồn gốc của tán sắc vật liệu là do có các tần số cộng hưởng riêng tại lúc vật liệu hấp thụ bức xạ điện từ

Tán sắc vật liệu (tt)

Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước sóng của Silica nóng chảy.

Tán sắc ống dẫn sóng

Tán sắc các loại sợi khác nhau

Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi

Các thông số tán sắc của một số sợi quang

theo ITU

Bảng đặc tính của các sợi quang

phổ biến trên thị trường

 Fiber Type and Trade

80 80 80

Corning Vascade Lucent TrueWave-RS

Corning LEAF Lucent TrueWave-XL

101 50 72 72

0.060 0.050 0.060 0.112

Bảng đặc tính của các sợi quang

đơn mode SMF



Bảng đặc tính của các sợi quang

dịch chuyển tán sắc DSF



Tán sắc mode phân cực



Các thành phần cơ bản của sợi quang

điển hình



Cấu trúc sợi quang với lớp vỏ

có dạng ống đệm lỏng



Cấu trúc sợi quang với lớp vỏ

có dạng ống đệm khít



Cấu trúc sợi quang với lớp vỏ

có dạng băng dẹt



Cấu trúc cơ bản của sợi quang điển hình



Cấu trúc cáp treo



Cấu trúc cáp thả biển



Cấu trúc cáp chôn trực tiếp



Cấu trúc cáp trong nhà



Cấu trúc cáp quang dưới nước

và dưới biển



KẾT THÚC CHƯƠNG 2

