Bài giảng Cáp soi Quang pptx

Tin tức vượt qua chặng đường 200km trong vòng 15 phút .-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn ph

- 1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó Tin tức vượt qua chặng đường 200km trong vòng 15 phút

-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần Điều vẫn được áp dụng trong thông tin quang hiện nay

-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tin Photophone Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu.

- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống thông tin quang

Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.

- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và phát triển Laser

- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.

- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp.

- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng Nhưng

do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao quá lớn (ỏ khoảng 1000dB/Km)

- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm.

- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].

- 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ.

Lịch sử phát triển

Phổ của súng điện từ

Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem

nh sóng hoặc hạt (photon) Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng Đặc tr ng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ đ ợc sinh ra, hoặc là dải b ớc sóng t ơng ứng Hai đại

l ợng tần số và b ớc sóng tỷ lệ với nhau theo công thức:

C(m/s)= C(m/s)=λ(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f Trong đó :

C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ]

H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ]

ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với b ớc sóng

từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt có ba b ớc sóng thông dụng là 850nm, 1300nm và 1550nm.

Các b ớc sóng trong thông tin quang

Tia tử ngoại

Tia Rơnghen

Tia Gamma

Tia

Vũ trụ

Tia hồng ngoại

CHIẾT SUẤT CỦA MễI TRƯỜNG

Chiết suất của môi tr ờng đ ợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi tr ờng ấy.

trong đó : n : Chiết suất của môi tr ờng

V : Vận tốc ánh sáng trong môi tr ờng

Mà C ≥ V nên n ≥ 1.

Chiết suất của môi tr ờng phụ thuộc vào b ớc sóng của ánh sáng truyền cho nó.

HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN

 Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi tr ờng có chiết suất n1 sang môi tr ờng thứ hai có chiết suất n2 (n1<n2) nh hình vẽ sau

αT2

Vùng phản xạ toàn phần a) (b)

:n1

n2

n1 n2

P P

 Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2 Vậy chỉ còn điều kiện là góc tới αt phải lớn hơn góc tới hạn αth (αt >αth) Nên

ng ời ta đ a ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa

là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi.

áp dụng công thức : Snelious để tính N:

n0Sinαth=n1.Sinβ (n0=1 : chiết suất của không khí)

⇒ 1.Sinαth=n1.Sinβ=n1Cosα1.

(Sinβ=Sin(900-αt)=Cosαt)

⇒

−

= α

−

= α

2 n n n Sin

NA

n n n

n 1 n Sin

n

n 1 Sin

1 Cos

1

2 1

2 2 th

2 1

2 2 2

1

2 2 1

th

2 1

2 2 t

2 t

2 2

2 1

 -Cấu tạo bên trong của sợi quang

• Lõi - Core : lõi được làm bằng những sợi nhỏ mỏng thuỷ tinh hoặc nhựa , micra, ở đó ánh sáng được truyền qua đường kính của lõi càng lớn thì càng có nhiều ánh sáng được truyền dẫn

• Lớp sơn phủ - Clading : lớp này ngay sát lõi có chỉ số khúc xạ thấp hơn chỉ số khúc xạ của lõi

• Đệm nhựa : lớp này để bảo vệ sợi quang từ những tác động va đập và độ cong quá mức

• Vỏ ngoài : vỏ ngoài phủ lên sợi quang

-Phân loại sợi quang

 Gồm hai loại chính:

- Multimode (đa mode)

- Single mode (đơn mode)

Hai loại này đại diện cho kiểu ánh sáng truyền trong lõi sợi quang

+ Multimode (đa mode):có 2 loại

• +Multimode graded index (chiết xuất liên tục):

• + Multimode stepped index (chiết xuất bước):

- MM có các bước sóng chuẩn là: 780, 850 và 1300 Hiện nay các thiết bị ít dùng bước sóng 780.

a Multimode graded index (chiết xuất liên tục):

-Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding

 b Multimode stepped index (chiết xuất bước):

micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều 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

Single mode (đơn mode)

- chỉ truyền được một mode sóng do đường kính lõi rất nhỏ (khoảng 10 micromet)

- do chỉ truyền một mode sóng nên SM không bị ảnh hưởng bởi hiện

tượng tán sắc và thực tế SM thường được sử dụng hơn so với MM.

- SM có các bước sóng: 1310, 1550, 1627 Hiện nay các thiết bị SM dùng công nghệ WDM thì còn có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nữa

- Các tia truyền theo phương song song trục.

- tín hiệu ít méo dạng.

- Sự truyền ánh sáng trong sợi quang

xạ toàn phần ánh sáng.

chiết suất thấp thì không đi thẳng (hay còn gọi là tán xạ) mà sẽ phản xạ lại

 a.Single mode:

• - Trong Single mode, ánh sáng đi theo gần như một đường thẳng trùng với trục cáp.

• Single mode chỉ có thể truyền 1 ánh sáng với 1 bước sóng nhất định.

 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang :

Hình 1 Ánh sáng truyền trong sợi

 Suy hao trong sợi quang:

Suy hao (Attenuation): mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình truyền dẫn trên một khoảng cách xác định Ký hiệu dB/km

Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng

mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp.

Ph©n lo¹i sîi theo chØ sè

Ph©n lo¹i theo mode truyÒn

Ph©n lo¹i theo cÊu tróc vËt

-Sîi thuû tinh ®a thµnh phÇn Ph©n lo¹i dùa theo c¸c chøc

C¸c nguyªn nh©n g©y suy hao trªn sîi quang

Suy hao do hÊp thô:

Gåm 2 lo¹i chÝnh:

+ HÊp thô ngoµi

+ HÊp thô thuÇn

Suy hao do t¸n x¹:

Suy hao do sîi bÞ uèn cong

Cã 2 lo¹i suy hao do uèn cong sîi:

+ Uèn cong vÜ m«

+ uèn cong vi m«

Mét sè suy hao kh¸c

- Suy hao do sù kh«ng hoµn h¶o cÊu tróc sîi quang

- Suy hao do hµn nèi

- Suy hao trong m«i tr êng hidrogen vµ chiÕu x¹ gamma

§Æc tuyÕn suy hao

 Cã ba vïng b íc sãng suy hao thÊp nhÊt, cßn gäi lµ ba cöa sæ suy hao.

 Suy hao truyÒn dÉn thÊp

 Dải thông rất rộng

 Nguån nguyªn liÖu rÊt dåi dµo rÎ tiÒn

 Kh«ng bÞ ¶nh h ëng cña nhiÔu ®iÖn tõ, kh«ng dÉn ®iÖn, kh«ng g©y chËp, ch¸y.

 B¶o mËt th«ng tin cao

ƯU ĐiỂM CỦA SỢI QUANG

 Khã kh¨n trong viÖc ghÐp nèi,

 Kh«ng sö dông ® îc trong vïng bÞ chiÕu x¹

Khả năng của sợi và cáp quang

 Để vừa đảm bảo đ ợc bền vững cơ học, vừa đảm bảo đ ợc đặc tính truyền dẫn cáp quang phải đáp ứng đ ợc những yêu cầu rất ngặt nghèo Nếu xét trong một chừng mực nào đó thì cáp quang thể hiện tính u việt so với cáp kim loại nh : -Sợi quang là vật liệu cách điện nên hoàn toàn không nhạy cảm với nhiễu

điện từ, do đó trong cáp không cần có lớp bao che điện từ nh đối với cáp kim loại.

-Sợi quang là rất nhỏ, tốn ít nguyên liệu Nếu xét trong cùng một khoảng thời gian truyền dẫn thì 1 gam thuỷ tinh làm sợi dẫn quang thay thế đ ợc vài kg

đồng để làm cáp kim loại Nguyên liệu chế tạo cáp quang là sẵn có trong tự nhiên, trong khi đó kim loại màu chế tạo cáp kim loại thì ngày càng khan hiếm -Sợi quang rất dòn và dễ gẫy Thế nh ng nhờ lớp bảo vệ trực tiếp bao quanh sợi

đã làm co sợi tránh đ ợc độ ẩm, tăng độ bền cơ học và dễ uốn dẻo Khi chế tạo thành cáp thì cấu trúc của cáp còn v ợt xa những đặc điểm này của sợi

-Xét về ph ơng diện truyền sóng, nếu sợi bị uốn cong nhỏ thì năng l ợng của tr ờng lọt từ ruột ra vỏ gây ra tiêu hao phụ Nếu sợi quang trong cáp không đ ợc bảo

vệ cẩn thận thì sẽ chịu các tác động của bên ngoài, sợi bị uốn cong hoặc khi sợi cáp bị uốn cong với bán kính nhỏ, sợi cũng bị uốn theo gây suy hao phụ

Bởi vậy, cáp quang phải đ ợc chế tạo một cách bền vững với các tác động cơ học và nhiệt độ của môi tr ờng, để đảm bảo sợi vừa không bị đứt vừa không giảm sút các đặc tính truyền dẫn, trong mọi điều kiện sử dụng cáp.

CÊu tróc tæng qu¸t cña c¸p quang

28

Phân loại theo mục đích sử dụng

- Cáp dùng để trên mạng thuê bao, nội hạt, nông thôn.

- Cáp trung kế giữa các tổng đài.

- Cáp đ ờng dài.

Phân loại theo điều kiện lắp đặt

- Cáp treo ngoài trời.

- Cáp đặt trong ống n ớc.

- Cáp chôn trực tiếp.

- Cáp ngập n ớc và thả biển.

- Cáp dùng trong nhà và cáp nhảy

 Thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến trong nước, các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại tây d ơng Công nghệ nagỳ nay đã tạo ra thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu

h ớng hiện đại và kinh tế nhất.

 Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ đã làm đơn giản việc tăng chiều dài của toàn tuyến thông tin quang, kết hợp với công nghệ khuếch đại quang ra đời sẽ làm tăng chiều dài gấp đôi hoặc gấp n lần Chất l ợng của tín hiệu thu đ ợc trên hệ thống này sẽ

đ ợc cải thiện một cách đáng kể.

Những ứng dụng của sợi quang

giai ®o¹n hiÖn nay:

 M¹ng ® êng trôc xuyªn quèc gia.

 M¹ng riªng cña c¸c c«ng ty ® êng s¾t, ®iÖn lùc.

 § êng trung kÕ

 § êng c¸p th¶ biÓn liªn quèc gia

 § êng truyÒn sè liÖu, m¹ng LAN

 M¹ng truyÒn h×nh