Bài giảng thông tin quang nâng cao - Phan 2 pptx

Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm 3 lớp: • Lớp lõi hỡnh trụ th-ờng làm bằng vật liệu trong suốt thủy tinh hay nhựa có chỉ số chiết suất lớn n1 có tác dụng truyền lan ánh sáng theo h-ớng

PhÇn 1: Tæng quan vÒ kü thuËt th«ng tin quang

Gi¶ng viªn: Hoµng Văn Vâ

PhÇn 2: C¸c phÇn tö c¬ b¶n trong kü thuËt th«ng tin quang

Gi¶ng viªn: Hoµng Văn Vâ

PhÇn 3: C¬ së kü thuËt th«ng tin quang

Gi¶ng viªn: Hoµng Văn Vâ

PhÇn 4: HÖ thèng th«ng tin quang

Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m

PhÇn 5: Mét sè c«ng nghÖ quang tiªn tiÕn

Gi¶ng viªn: Vò TuÊn L©m

1

1 Cấu trúc sợi quang

2 Vật liệu chế tạo sợi quang

3 Phân loại sợi quang

4 Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

5 Các tham số cơ bản của sợi quang

6 Một số loại sợi quang mới

7 Cáp sợi quang

8 Chế tạo sợi quang

9 Kết nối sợi quang

3

 CÊu tróc

 Mét sè kÝch th-íc th«ng dông cña sîi quang

 ĐÞnh nghÜa:

Professor Charles Kao ph¸t minh ra sîi quang, nhËngi¶i th-ëng IEE tõ Pro John Midwinter

(1998 at IEE Savoy Place, London, UK)

Lµ èng dÉn sãng cã kh¶ năng mang th«ng tin d-íid¹ng ¸nh s¸ng KÝch th-íc rất nhá

5

Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm 3 lớp:

• Lớp lõi hỡnh trụ th-ờng làm bằng vật liệu trong suốt (thủy tinh hay nhựa) có chỉ số chiết suất lớn (n1) có tác dụng truyền lan ánh sáng theo h-ớng song song với trục của nó.

• Lớp vỏ phản xạ th-ờng làm bằng thuỷ tinh hay bằng nhựa với chiết suất n2  n1, có cấu trúc hỡnh trụ đồng tâm và bao quanh lớp lõi, có tác dụng giam giữ ánh sáng trong lớp lõi.

• Lớp vỏ bảo vệ bằng nhựa hay sợi tổng hợp, có tác dụng bảo vệ lõi

Hỡnh 1

 Mét sè kÝch th-íc th«ng dông cña sîi quang:

Lo¹i Đ-êng kÝnh

líp lâi (m)

Đ-êng kÝnh líp vá (m)

Đ-êng kÝnh líp b¶o vÖ (m)

 ĐÆc ®iÓm vËt liÖu chÕ t¹o sîi quang

 C¸c lo¹i sîi quang trªn quan ®iÓm vËt liÖu chÕ t¹o sîi

 VËt liÖu chÕ t¹o c¸c sîi quang:

 Sîi lâi thuû tinh, vá thuû tinh,

 Sîi lâi thuû tinh, vá chÊt dÎo,

 Sîi lâi chÊt dÎo, vá chÊt dÎo.

 Các yêu cầu của vật liệu chế tạo sợi quang:

Để bảo đảm truyền thông tin trong các hệ thống thông tin quang, các vật liệu để chế tạo sợi quang phải bảo đản các yêu cầu sau:

 Vật liệu phải đảm bảo tạo đ-ợc các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo.

 Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các b-ớc sóng làm việc thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao.

 Các vật liệu chế tạo ra lõi và vỏ của sợi phải có bản chất vật lý t-ơng thích để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất lõi và vỏ là khá nhỏ.

=> Vật liệu thủy tinh và chất dẻo trong suốt

9

 Thủy tinh có suy hao lớn => Sợi đ-ợc chế tạo có lõi là thủy tinh suy hao lớn thì dùng cho các cự ly truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp;

 Thủy tinh có suy hao nhỏ => Sợi chế tạo từ thủy tinh có suy hao nhỏ sẽ đ-ợc dùng rất rộng rãi cho các cự ly xa, tốc độ cao.

Vật liệu chất dẻo:

Đối với các tuyến cự ly dài, các loại sợi làm bằng chất dẻo ít đ-ợc sử dụng hơn vì suy hao của nó lớn hơn các loại sợi thủy tinh,

Nó chỉ đ-ợc dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi mà có tác động cơ học mạnh.

 C¸c lo¹i sîi quang trªn quan ®iÓm vËt liÖu chÕ

t¹o sîi:

Trªn c¬ së vËt liÖu chÕ t¹o, cã ba lo¹i sîi sau:

 Sîi lâi thuû tinh, vá thuû tinh,

 Sîi lâi thuû tinh, vá chÊt dÎo,

 Sîi lâi chÊt dÎo, vá chÊt dÎo.

11

 Cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp => Thuỷ tinh oxit.Trong đó dioxitsilic (SiO2) là lọai oxit thông dụng nhất để tạo ra sợi, chỉ số chiết suất tạib-ớc sóng 850nm là 1,458.

 Đặc điểm của thủy tinh dioxit Silic: rất trong suốt ở vùng ánh sáng nhìnthấy và vùng hồng ngoại, nhiệt độ làm biến dạng chúng vào khoảng

10000C, rất ít bị nở ra khi nhiệt độ tăng; có tính bền vững hóa học cao

 Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo sợi dẫn quang:

- GeO2- SiO2 (lõi SiO2 có pha GeO2 ),

- P2O5- SiO2 ,

- GeO2- B2O3- SiO2

- SiO2.

Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh

• Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp vỏ phản xạ:

 Để đạt đ-ợc mục tiêu của lớp vỏ là tạo ra phản xạ toàn phần của các tiasáng truyền trong lớp lõi của sợi, tức là tạo ra hai loại vật liệu có chỉ sốchiết suất hơi lệch nhau

 Trên cơ sở vật liệu thuỷ tinh của lớp lõi ng-ời ta thêm vào một l-ợng Flo

và các oxit khác nhau nh- B2O3, GeO2 và P2O5

 Nếu muốn tăng chỉ số chiết suất thỡ thêm P2O5 hoặc GeO2 vào SiO2, nếumuốn giảm chỉ số chiết suất thỡ thêm B2O3 vào SiO2

 Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo lớp vỏ:

- SiO2,

- B2O3- SiO2,

13

• Một số loại sợi quang lớp lõi và vỏ phản xạ:

Trên quan điểm vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi quang => Có một số loạisợi quang thủy tinh nh- sau:

- Sợi có lõi GeO2- SiO2 và vỏ phản xạ SiO2

- Sợi có lõi P2O5- SiO2 và vỏ phản xạ SiO2

- Sợi có lõi GeO2- B2O3- SiO2 và vỏ phản xạ B2O3- SiO2.-Sợi có lõi SiO2 và vỏ phản xạ B2O3- SiO2

• Đặc điểm và khả năng ứng dụng:

Sợi có lõi thuỷ tinh và vỏ thuỷ tinh có suy hao nhỏ => các tuyến thông tin quang cự ly xa và tốc độ cao

 Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo

 Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp lõi:

Nh- loại sợi có lõi thuỷ tinh và vỏ thuỷ tinh.

 Vật liệu chất dẻo để chế tạo lớp vỏ:

Vỏ th-ờng đ-ợc chế tạo từ hỗn hợp chất polimer (vật liệu nhựa silicone) có chỉ số chiết suất thấp hơn lõi dioxit silic Giá trị chỉ

số chiết suất vỏ này khoảng 1,405 tại b-ớc sóng 850nm,

Nhựa silicone còn tham gia vào việc tạo vỏ bảo vệ sợi dẫn quang

15

• ĐÆc ®iÓm vµ kh¶ năng øng dông :

 Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo

• Vật liệu chất dẻo để chế tạo lớp lõi và lớp vỏ phản xạ:

Cả vật liệu chế tạo lớp lõi và vỏ đều bằng polimer, nh-ng có cấu trúc hoặc thành phần hoá chất khác nhau nhằm để tạo ra các chỉ số chiết suất lõi và vỏ khác nhau.

• Đặc điểm và khả năng ứng dụng:

- Khẩu độ số của sợi này lớn cho phép góc tiếp nhận ánh sáng khoảng 700.

- Sử dụng cho sợi chiết suất phân bậc cả lõi và vỏ.

- Loại sợi này chỉ đáp ứng cự ly truyền dẫn rất ngắn vỡ có suy hao rất lớn.

17

 C¸c lo¹i sîi quang

 ChiÕt suÊt cña c¸c lo¹i sîi quang

 Mét sè quan ®iÓm ph©n lo¹i:

 Ph©n lo¹i sîi theo chØ sè chiÕt suÊt,

 Ph©n lo¹i theo mode truyÒn dÉn,

 Ph©n lo¹i theo cÊu tróc vËt liÖu.

19

Tiêu chí Loại sợi

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

Sợi có chỉ số chiết suất Gradien

Phân loại theo mode truyền dẫn Sợi đơn mode

Sợi đa mode

Phân loại theo cấu trúc vật liệu

Sợi lõi thủy tinh, vỏ thuỷ tinh Sợi lõi thủy tinh, vỏ chất dẻo Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo

 Các loại sợi quang

Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc Sợi có chỉ số chiết suất đồng đều ở sợi lõi

(SI-Step Index)

Sợi có chỉ số chiết suất Gradien

Sợi có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từtâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ(GI-Graded Index)

Sợi đơn mode Sợi chỉ cho phép một mode truyền dẫn

trong nó

Sợi đa mode Sợi cho phép nhiều mode truyền dẫn

trong nó

21

Vỏ phản xạ

Vỏ bảo vệ

Lõi sợi

Vỏ phản xạ

Vỏ bảo vệ

Trên quan điểm chiết suất và mode, ta có sơ đồ phân loại sau:

 C¸c lo¹i sîi quang

Trªn quan ®iÓm chiÕt suÊt vµ mode, ta cã 3 lo¹i sîi chÝnh sau:

 Sîi quang cã chiÕt suÊt ph©n bËc

1

2 2

2 1

n n n

 ChiÕt suÊt cña c¸c lo¹i sîi quang

Sîi chiÕt suÊt Gradien

Lâi sîi

n(r)

n1

n2TiÕp gi¸p

vá - lâi MÆt c¾t lâi sîi më réng

Hình 4 ChØ sè chiÕt suÊt cña sîi gradien

25

Trong đó, r : khoảng cách bán kính tính từ trục sợi

2 / 1 1

2 / 1

1

12

1

21)

(

n n

n

a

r n

r n



1

2 1 2

1

2 2

2 1

n n n

 M« t¶ quang hình häc qu¸ trình truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi

quang

 Phương trình truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang

 C¸c mode ¸nh s¸ng trong sîi quang

 C¸c mode dÉn c¬ b¶n trong sîi quang

 Gãc ghÐp tíi h¹n

 HÖ sè më cña sîi quang

27

 Sợi chiết suất phân bậc, đơn mode

Ánh sỏng truyền trong loại sợi này được xem như những tia đi theo đường thẳng song song với trục của sợi.

n1

n2

n2Hỡnh 5

 M« t¶ quang hình häc qu¸ trình truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi

quang

 Sîi chiÕt suÊt ph©n bËc, ®a mode

Ánh sáng truyền trong loại sợi này được xem như những tia sáng đi theođường zig-zac

 Sîi chiÕt suÊt ph©n bËc, ®a mode

Tuy nhiên, có 2 loại đường đi: loại

tia trục và tia xiên Các tia trục là

những tia nằm trên mặt phẳng chứa

trục trung tâm của sợi quang; các tia

xiên là những tia không nằm trên

mặt phẳng này

(a)

(b)

Hình 7 Các tia trục và tia xiên, trong đó:

(a) Tia trục : dọc (bên trái) và ngang (bên phải) (b) Tia xiên : dọc (bên trái) và ngang (bên phải)

Để đơn giản, các mô tả quang hình

về đường đi của tia sáng trong sợi

quang chỉ xét đến tia trục

 M« t¶ quang hình häc qu¸ trình truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang

 Sîi chiÕt suÊt Gradien, ®a mode

Ánh sáng được khúc xạ liên tiếp qua các lớp chiết suất này khiến cho góc tới

liên tục giảm và sẽ giảm nhỏ hơn góc tới hạn trước khi đi đến phần tiếp

31

 C¸c ph-¬ng trình Maxwell

Sù lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi

quang thu©n theo hÖ ph-¬ng trình

Maxwell Víi mét m«i tr-êng ®iÖn

 D = 0

 B = 0

(2-7)(2-8)

E: Cường độ điện trường [V/m],D: Vectơ cảm ứng điện [c/m2], H: Cường độ từ trường [A/m],B: Vectơ cảm ứng từ [H/m],

z

e y

e x

(2-9)

Lõi sợi

Trục sợi r

H-ớng truyền sóng

z y

x

Giải các ph-ơng trỡnh Maxwell đối với lõi sợi quang hỡnh trụ, ta sẽ xác định đ-ợcph-ơng trỡnh truyền sóng trong sợi quang để phân tích quá trỡnh lan truyền củasóng điện từ dọc theo sợi quang, Tr-ớc hết, ta gắn hệ thống tọa độ trục (r,,z) xác

định theo trục z nằm dọc theo trục của sợi (hỡnh 9)

Trong tọa độ trục, các sóng điện từ truyền lan theo trục z sẽ có dạng sau:

Hỡnh 9 Hệ thống tọa độ trục để phân tích sự truyền sóng điện từ trong sợi

(2-10)

E = E0(r, ) ej(  t -  z) H = H0(r, ) ej(  t -  z) (2-11)

 Phương trỡnh truyền ánh sáng trong sợi quang

 Hệ tọa độ trục phân tích sự truyền ánh sáng trong sợi quang

33

Thay các công thức (2-10) và (2-11) vào công thức (2-5), (2-6) và biến đổi ta nhận đ-ợc ph-ơng trỡnh truyền sóng ánh sáng có dạng sau:

Trong đó, q 2 = 2  - 2 = k2 - 2

01

2

2

2 2

E r r

2

2

2 2

H r

r

H r r

và H là tách biệt và đ-ợc chọn tùy ý miễn là chúng thỏa mãn các ph-ơngtrỡnh (2-12) và (2-13)

 Ph-ơng trỡnh truyền sóng

 C¸c mode ¸nh s¸ng trong sîi quang

Gi¶i hệ c¸c ph-¬ng trình (2-12) vµ (2-13) víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn cña lâi vµ

vá ph¶n x¹ cña sîi quang ta ®-îc c¸c nghiÖm riªng C¸c nghiÖm riªngnµy chÝnh lµ c¸c mode truyÒn dÉn cña sîi quang

- Mode bøc x¹: kh«ng bÞ giam h·m ë lâi vµ bÞ khóc x¹ khái lâi.

- Mode dÉn: c¸c mode chØ truyÒn dÉn trong lâi cña sîi quang hay c¸c mode

cã hÖ sè truyÒn dÉn tháa m·n ®iÒu kiÖn sau:

(2-14)

- Mode dß: Giam h·m mét phÇn năng lượng trong lâi vµ suy hao do bøc x¹c«ng suÊt khái lâi khi lan truyÒn bëi hiÖu øng xuyªn ngÇm cña sîi (fiber-tunnel effect) hoÆc bÊt kz mode cã hÖ sè truyÒn dÉn tháa m·n ®iÒu kiÖn

β : hÖ sè truyÒn dÉn cña mode,

k0 : h»ng sè truyÒn sãng a/s trong ch©n kh«ng

Trong sîi quang cã c¸c mode sau:

35

 Trong kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang, ng-ời ta luôn tỡm mọigiải pháp công nghệ chế tạo sợi quang để hạn chế các mode rò và modebức xạ Do đó, d-ới đây ta nghiên cứu các mode dẫn của sợi quang.

 Nếu các điều kiện biên không dẫn tới ghép giữa các thành phần tr-ờng, cóthể sẽ có các mode thu đ-ợc với Ez= 0 và Hz= 0:

 Khi Ez = 0, các mode thu đ-ợc gọi là mode điện trường ngang (mode TE)

 Khi Hz= 0, các mode thu đ-ợc gọi là mode từ trường ngang (mode TM)

 Nếu các điều kiện biên dẫn tới ghép giữa các thành phần tr-ờng, có thểtồn tại cả Ez và Hz khác không Các mode ghép này sẽ là các mode HEhoặc EH tuỳ thuộc vào vai trò chủ đạo của Hz hoặc Ez

Nếu Hz đóng góp lớn hơn vào tr-ờng ngang thỡ ta có mode HE và t-ơng tựnếu Ez là lớn hơn thỡ ta có mode EH

 C¸c mode dÉn c¬ b¶n trong sîi quang

Mét sè mode dÉn c¬ b¶n trong sîi quang gåm:

Sù lai ghÐp c¸c mode c¬ b¶n trong sợi quang thµnh c¸c mode ph©n cựctuyến tÝnh (LP), cô thÓ nh- sau:

=> LP11 víi E ®-îc ph©n cùc n»m ngang (ph©n cùc ngang)

 C¸c mode dÉn c¬ b¶n trong sîi quang

 C¸c mode dÉn c¬ b¶n trong sîi quang

Các mode phân cực tuyến tính (LP) c¬ b¶n truyÒn dÉn trong sîi quang:

Để đánh giá khả năng truyền dẫn số l-ợng mode nhiều hay ít của sợiquang, ng-ời ta đ-a ra tham số tần số chuẩn hóa (normalized frequency) -

ký hiệu là V Tham số tần số chuẩn hóa (hay gọi là tham số V) xác định

điều kiện cắt của sợi quang và đ-ợc xác định qua biểu thức sau:

 Tham số tần số chuẩn hóa (normalized frequency):

2

2 1

2

n n

 Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang

Khụng phải mode súng nào cũng truyền được trong sợi quang Mỗi mode

LPnm cú một tần số cắt tương ứng, ký hiệu là Vcn Chỉ khi tần số chuẩn húa V của sợi quang lớn hơn tần số cắt Vcn thỡ mode thứ n đú mới truyền được trong sợi quang.

Dưới đõy là một vài trị số Vcn bậc thấp để tớnh tần số chuẩn húa V:

Vc1 = 2,405 Vc2 = 3,832

Vc3 = 5,138 Vc4 = 5,520

Vc5 = 6,380

 B-ớc sóng cắt của mode dẫn trong sợi quang:

ứng với V = Vcn, sẽ có  = cngọi là b-ớc sóng cắt của mode dẫn trong sợiquang và đ-ợc xác định theo công thức:

2 2

Số l-ợng mode lan tuyền trong một sợi quang đ-ợc xác định theo côngthức:

 Đối với sợi sợi chiết suất bậc, số l-ợng mode đ-ợc xác định theo côngthức:

)

( 2

( 4

 Các mode dẫn cơ bản trong sợi quang

 Điều kiện đơn mode trong sợi quang:

Vùng đơn mode là vùng chỉ truyền duy nhất một mode dẫn và đ-ợc giới hạnbởi sóng LP11t-ơng ứng với điều kiện tần số cắt chuẩn hóa Vc1 = 2,405, do đót-ơng ứng b-ớc sóng cắt c1 à

c1 là một tham số quang quan trọng để xác định sợi quang làm việc ở vùng

đơn mode

Điều kiện đơn mode của sợi quang đ-ợc xác định bởi công thức:

405 ,

2 )

Định nghĩa:

Đ-ờng kính tr-ờng mode là đ-ờng kính của một hỡnh tròn cắt ngang sợiquang, mà tại chu vi của nó c-ờng độ ánh sáng giảm e lần so với c-ờng

độ ánh sáng tại trục của sợi

Để đánh giá mức độ tập trung năng l-ợng tr-ờng trong sợi quang, ng-ời

ta đ-a ra khái niệm đ-ờng kính tr-ờng mode

ý nghĩa của đ-ờng kính tr-ờng mode:

Đ-ờng kính tr-ờng mode đặc tr-ơng cho phân bố c-ờng độ ánh sángtrong sợi quang

 Đ-ờng kính tr-ờng mode:

Một cách gần đúng, ng-ời ta có thể mô tả cho phân bố c-ờng độ ánh sángtrong sợi quang bằng phân bố Gauss:

Hỡnh 14 phân bố c-ờng độ ánh sáng trong sợi quang

Đ-ờng kính tr-ờng mode đ-ợc mô tả ở hỡnh

bên:

Trong đó:

I : C-ờng độ ánh sáng trong sợi,

I0 : C-ờng độ ánh sáng tại trục của sợi,

1

 C¸c mode dÉn c¬ b¶n trong sîi quang

 Đ-êng kÝnh tr-êng mode:

Ðường kính trường mode phụ thuộc vào bước sóng Bước sóng càng lớntrường mode càng tăng

Ðối với sợi đơn mode SI, đường kính trường mode (p) thường lớn hơn đườngkính lõi của sợi quang, và được tính theo công thức gần đúng :

quang với một góc g lớn hơn một

giá trị nào đó (gth) thỡ khi ánh sáng

đi qua mặt phân cách giữa vỏ và lõi

sợi quang không chỉ phản xạ, mà

còn khúc xạ ra lớp vỏ của sợi

quang

 Khi giảm dần góc g của ánh sáng

chiếu vào sợi quang thỡ góc khúc

xạ của ánh sáng đi qua mặt phân

cách giữa vỏ và lõi sợi quang sẽ

 Góc ghép tới hạn

 Khi ánh sáng chiếu vào sợi vào sợi quang với một góc g (<gth) thỡ khi ánhsáng đi qua mặt phân cách giữa vỏ và lõi sợi quang sẽ không khúc xạ ralớp vỏ của sợi quang, mà phản xạ toàn phần trong lớp lõi của sợi quang

 Góc ghép càng nhỏ thỡ điều kiện phản xạ toàn phần càng xảy ra (nh-ngcông suất ánh sáng của nguồn quang ghép vào sợi quang càng nhỏ)

 Góc ghép càng nhỏ thỡ điều kiện phản xạ toàn phần càng xảy ra (nh-ngcông suất ánh sáng của nguồn quang ghép vào sợi quang càng nhỏ)

 Khi góc ghép tăng tới một giá trị xác định, mà khi đó xuất hiện hiện t-ợngphản xạ toàn phần tại mặt phân cách giữa lớp vỏ và lớp lõi của sợi quang,

thỡ giá trị đó của góc ghép gọi là góc ghép tới hạn (góc ghép tối đa) của ánhsáng vào sợi quang

51

arcsin n12 n22

Hình 16

 Hệ số mở của sợi quang

Định nghĩa: Hệ số mở của sợi quang (NA) là sin của góc ghép tới hạn.

Hệ số mở của sợi quang đ-ợc xác định theo công thức sau:

) ( n12 n22Sin

NA  gth   (2-24)

ý nghĩa của hệ số mở:

 Hệ số mở thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung các tia

sáng của sợi, cũng vỡ thế mà cho phép ta tính toán đ-ợc hiệu quả của

quá trỡnh ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang

 Giá trị của hệ số mở luôn nhỏ hơn một đơn vị và nằm trong dải từ 0,14

đến 0,50

53