Khái niệm chung về 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.. So với dây kim loại, sợi qua

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.

Nếu cự ly truyền dẫn 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.

Hình 3.1 Sơ đồ khối sợi quang

Sơ đồ khối trạm chuyển tiếp

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.

Tín hiệu quang Bộ

thu quang Khuếch đại

Nguồn quang

Hình 3,2 Sơ đồ trạm chuyển tiếp quang

Sửa dạng Tín hiệu quang

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

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.

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:

2 2

1

1 sin θ n sin θ

+ Nếu tiếp tục tăng θ1 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 n 1 , vỏ bọc cũng

bằng thủy tinh có chiết suất n 2 , với n 1 >

n 2

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

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:

Hình 3.4 Sự truyền dẫn trong sợi quang

Mặt cắt sợi quang Chiết suất

Lớp bọc: n2Lõi: n1Lớp bọc: n2Đường truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

• Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI:

Step – Index), ánh sáng truyền trong lõi có cùng vận tốc Vì n 1 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

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( 0 ): công suất đầu sợi (z = 0).

• P( z ): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi.

∀ α: hệ số suy giảm.

( ) ( ) 0 10 10

z

P z

P

α

−

=

3.6.2 Độ suy giảm tín hiệu

Độ suy giảm tín hiệu được tính theo biểu thức:

(3.6)

• P 1 = P( 0 ): công suất đưa vào đầu sợi.

• P 2 = P( L ): công suất ở cuối sợi.

• Hệ số suy giảm là suy giảm trung bình:

( ) ( ) ( )

km L

dB

A km

dB / =

α

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

3.6.4 Dải thông của sợi quang

Sợi quang cũng có thể được xem như hệ

tuyến tính có hàm truyền:

P 1 (f m ) và P 2 (f m ) là biên độ công suất quang

ở đầu và cuối sợi quang ở tần số điều chế

) (

1

2

fm P

fm

P f

H m =

D

B = 0 , 44

• 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

lập trình trong đó sử dụng dây cáp đồng trục

để liên hệ giữa PC và bốn trạm vào/ra

(I/O).

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

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).