Giáo trình Thông tin quang: Phần 1 CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng

(NB) Giáo trình Thông tin quang gồm 6 chương và được chia thành 2 phần. Phần 1 sẽ gồm những nội dung chính sau: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang; Sợi quang; Bộ phát quang...Mời các bạn tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG

KHOA ĐIỆN TỬ - TIN HỌC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LẠI NGUYỄN DUY HUỲNH THANH HÒA

GIÁO TRÌNH

THÔNG TIN QUANG

(GIÁO TRÌNH DÙNG CHO HỆ CAO ĐẲNG NGÀNH

CNKT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG CHUYÊN NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG)

TP HỒ CHÍ MINH, 09 - 2018

(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Trang 3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1

1.1 Mô hình chung của hệ thống thông tin sợi quang 1

1.1.1 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang 1

1.1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin sợi quang 1

1.1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin quang 3

1.2 Một số vấn đề cơ bản về quang vật lý trong kỹ thuật thông tin quang 4

1.2.1 Một số vấn đề cơ bản về ánh sáng 4

1.2.2 Vật liệu bán dẫn quang 8

1.2.3 Các hiệu ứng cơ bản của vật liệu quang 9

BÀI TẬP CHƯƠNG 1 10

CHƯƠNG 2: SỢI QUANG 11

2.1 Cấu trúc và phân loại sợi quang 11

2.1.1 Cấu tạo sợi quang 11

2.1.2 Phân loại sợi quang 12

2.2 Mô tả quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang 14

2.2.1 Khái niệm mode và tia sáng 14

2.2.2 Sợi quang đơn mode và đa mode 14

2.3 Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang 15

2.3.1 Tổng quan về mode truyền 15

2.3.2 Phương trình sóng đặc trưng cho sợi quang 16

2.4 Tán sắc và suy hao trong sợi quang 26

2.4.1 Tán sắc trong sợi quang 26

2.4.2 Suy hao trong sợi quang 31

CHƯƠNG 3: BỘ PHÁT QUANG 34

3.1 LED 34

31.1 Cấu trúc của LED 34

3.1.2 Đặc tính phổ của LED 35

3.1.3 Đặc tính điều chế của LED 36

3.1.4 Mạch phát sử dụng LED 38

3.2 Laser diode 39

3.2.1 Cấu trúc Laser diode 39

3.2.2 Đặc tính của Laser diode 40

Trang 4

3.2.3 Mạch phát sử dụng Laser diode 41

CHƯƠNG 4: BỘ THU QUANG 45

4.1 Các khái niệm cơ bản 45

4.1.1 Độ đáp ứng phần tử chuyển đổi quang- điện 45

4.1.2 Thời gian đáp ứng phần tử chuyển đổi quang- điện 46

4.2 Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán dẫn 46

4.2.1 Photodiode p -n 46

4.2.2 Photodiode PIN 47

4.2.3 Photodiode APD 48

4.3 Nhiễu trong bộ thu quang 49

4.3.1 Nhiễu nổ 49

4.3.2 Nhiễu nhiệt 50

CHƯƠNG 5: KHUYẾCH ĐẠI QUANG 52

5.1 Các khái niệm cơ bản 52

5.1.1 Phổ và độ rộng băng tần khuếch đại quang 52

5.1.2 Nhiễu trong bộ khuếch đại quang 54

5.1.3 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang 54

5.2 Một số vấn đề trong ứng dụng của các bộ khuếch đại quang 55

5.2.1 Tiền khuếch đại quang 55

5.2.2 Tích luỹ nhiễu trong hệ thống quang cự li dài 56

CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 59

6.1 Hệ thống thông tin quang tương tự 59

6.1.1 Tổng quan về tuyến TTQ tương tự 59

6.1.2 Tuyến điểm nối điểm và điểm nối đa điểm 62

6.2 Hệ thống thông tin quang số 64

6.2.1 Một số vấn đề trong thiết kế hệ thống thông tin quang 65

6.2.2 Các nguồn bù công suất trong thiết kế hệ thống thông tin quang 67

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP 70

CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

Trang 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Kỹ thuật thông tin quang ngày càng sử dụng rộng rãi trong viễn thông, truyền số liệu, truyền hình cáp, … Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang, các ưu điểm và nhược điểm của cáp sợi quang, và các lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin sợi quang

1.1 MÔ HÌNH CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

1.1.1 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang

Hình 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối, số liệu hoặc Fax được đưa đến

bộ E/O (chuyển đổi điện quang) để chuyển thành tín hiệu quang, sau đó gửi vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra Khi truyền tới đầu bên kia sợi quang, tín hiệu này được đưa vào bộ O/E (chuyển đổi quang điện) để tạo lại tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng như ban đầu mà máy điện thoại, số liệu và Fax đã gửi đi

Hình 1.1 Cấu hình của một hệ thống thông tin quang

1.1.2 Cấu hình của một hệ thống thông tin quang

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang có thể được mô tả đơn giản như hình 1.2, gồm: Bộ phát quang, bộ thu quang và môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

Trang 6

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Trên hình 1.2 chỉ mới minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo một hướng Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hướng

Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hướng

Như vậy, để thực hiện truyền dẫn giữa hai điểm cần có hai sợi quang Nếu cự ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có một hoặc nhiều trạm lặp (Repeater) Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp (cho một hướng truyền dẫn) được minh họa ở hình 1.4

Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang

+ Khối E/O: bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín hiệu điện đó thành tín hiệu quang, và đưa tín hiệu quang này lên đường truyền (sợi quang) Đó là chức năng chính của khối E/O ở bộ phát quang Thường người ta gọi khối E/O là nguồn quang Hiện nay linh kiện được sử dụng làm nguồn quang là LED

và LASER

+ Khối O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽ được thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát Đó là chức năng của khối O/E ở bộ thu quang Các linh kiện hiện nay được sử dụng để làm chức năng này là PIN và APD, và chúng thường được gọi là linh kiện tách sóng quang (photo-detector)

+ Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do sợi quang có độ suy hao) Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp đầu thu không nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp (hay còn gọi là trạm tiếp vận) Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo chúng

Trang 7

trở lại thành tín hiệu điện Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu Như vậy, tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều ở dạng quang, và trong trạm lặp có cả khối O/E

+ Một nhược điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của tín hiệu Điều này có nghĩa là tốc độ dữ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất và giảm khoảng cách lan truyền thực tế Đối với cáp quang thì suy hao không thay đổi theo tần số của tín hiệu

+ Dải thông rộng Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên đến hàng THz + Trọng lượng nhẹ Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng Một cáp quang có 2 sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp Category 5 có 4 đôi Cáp quang

có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn

+ Kích thước nhỏ Cápsợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp

+ Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp

+ Tính an toàn, vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện

Bảng 1.1 So sánh giữa cáp quang và cáp đồng

+ Tính bảo mật Sợi quang rất khó trích tín hiệu Vì nó không bức xạ năng lượng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang

+ Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video

Trang 8

+ Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

+ Vấn đề an toàn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín

để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diện đầu sợi quang hay các khớp nối

để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng

sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt

1.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ QUANG VẬT LÝ TRONG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Tần số: Ký hiệu f Đơn vị: Hz (Hertz), hay cps (cycle per second)

Bước sóng: Ký hiệu: λ Đơn vị: m (µm, nm)

Giữa tần số và bước sóng có mối quan hệ sau:

Với c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s

Ví dụ: Ta có thể xem quan hệ giữa bước sóng và tần số ở bảng 1.2

Trang 9

Bảng 1.2 Các băng sóng vô tuyến

+ Vùng ánh sáng nhìn thấy được: chiếm dải phổ từ 380 nm đến 780 nm

Chiết suất khúc xạ (Refractive index):

Ánh sáng có thể xem như là một chùm tia sáng Các tia sáng lan truyền trong các môi trường khác nhau với vận tốc khác nhau Có thể xem các môi trường khác nhau cản trở sự lan truyền canh sáng bằng các lực khác nhau Điều này được đặc trưng bằng chiết suất khúc xạ của môi trường Chiết suất của một môi trường trong suốt (n) được xác định bởi tỉ số giữa vận tốc ánh sáng lan truyền trong chân không với vận tốc của ánh sánh lan truyền trong môi trường ấy

(1.2)Với n: chiết suất của môi trường, không có đơn vị v: vận tốc ánhsáng trong môi

Trang 10

trường, (m/s) và c: vận tốc ánh sáng trong chân không, (m/s)

Ví dụ: Chiết suất của một vài môi trường thông dụng: Vì v ≤ c nên n ≥ 1

Hình 1.6 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Ðịnh luật phản xạ ánh sáng: được phát biểu tóm tắt như sau

Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới

Góc phản xạ bằng góc tới:

Ðịnh luật khúc xạ ánh sáng: được phát biểu tóm tắt như sau

Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới

Góc khúc xạ và góc tới liên hệ nhau theo công thức Snell:

(1.3)

Trang 11

 n1> n2:

Hình 1.8 Hiện tượng phản xạ toàn phần

(a): còn tia khúc xạ, (b): xuất hiện tia phản xạ (tia 3) Như vậy, khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn tia khúc xạ lệch về phía xa pháp tuyến hay lệch gần về phía mặt ngăn cách giữa hai môi trường 1 và 2

Cho nên khi tăng góc tới θ1 = θc < 900 thì θ2 = 900 (hình 1.8 (b))

Và khi θ1 > θc thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trường 1, và được gọi là hiện tượng phản xạ hoàn toàn (total reflection)

Với θc được gọi là góc giới hạn (critical angle), suy ra:

Trang 12

Đối với các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s cùng sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục µw, các diode phát quang bán dẫn thường là các nguồn sáng tốt nhất

Laser bán dẫn:

Các cấu phần cơ bản:

+ Photon source: tái hợp điện tử lỗ trống phát sinh photon

+ Feedback: Các photon được đưa ngược lại vào miền tái hợp nhờ phản xạ để tạo ra phát xạ kích thích

+ Energy source: dòng tiêm hạt tải, cung cấp công suất

Chuyển mức năng lượng xảy ra giữa vùng dẫn và vùng hoá trị:

+ Bán dẫn vùng cấm thẳng (direct bandgap): cực đại vùng hoá trị và cực tiểu vùng dẫn ở cùng 1 giá trị xung lượng điện tử chuyển từ cực tiểu vùng dẫn về cực đại vùng hoá trị mà không thay đổi xung lượng→ trao đổi năng lượng giữa các điện tử và các photon feedback xảy ra dễ hơn vì không cần trao đổi xung lượng Các vật liệu: GaAs, InAs

+ Bán dẫn vùng cấm xiên: cực đại và cực tiểu các vùng không cùng giá trị xung lượng để xảy ra hấp thụ hay phát xạ photon thì sự chênh lệch xung lượng giữa trạng thái đầu và cuối phải được trao đổi với dao động mạng tinh thể sự trao đổi năng lượng giữa điện tử và Photon phải qua quá trình 2 bước không thích hợp cho cơ chế laser feedback (tương tự với tình huống một mạch có độ lợi vòng quá thấp, không đủ để duy trì dao động) Các vật liệu: Si, Ge, GaP có vùng cấm xiên

Diode phát quang (LED):

Diode phát quang là linh kiện bán dẫn quang điện tử Nó có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiện tượng tái hợp xảy ra trong tiếp xúc P-N Diode phát quang thường được gọi tắt là LED do viết tắt từ các từ tiếng Anh: Light- Emitting Diode Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sáng bức xạ ra ở các vùng bước sóng khác nhau

Trong mục này ta sẽ trình bày trước hết về LED bức xạ ra ánh sáng nhìn thấy gọi là LED chỉ thị LED chỉ thị có ưu điểm là tần số hoạt động cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp khi bắt đầu làm việc LED không cần kính lọc mà vẫn cho

ra màu sắc LED chỉ thị rất rõ khi trời tối Tuổi thọ của LED khoảng 100 ngàn giờ

LED hồng ngoại:

Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản là giống các LED chỉ thị Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1,43 eV tương ứng với bức xạ bước sóng khoảng 900nm Hình 1.9 mô

tả cấu trúc của một LED hồng ngoại bức xạ ánh sáng 950nm

Trang 13

Hình 1.9 Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bước sóng 950nm

Trong phần epitaxy lỏng trong suốt GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lưỡng tính với tạp chất Silic là GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N được hình thành Với sự pha tạp chất Silic ta có bức xạ với bước sóng 950 nm Mặt dưới của LED được mài nhẵn tạo thành một gương phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N

2.2.3 Hiệu ứng cơ bản của vật liệu quang

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát

ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sáng trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Hình 1.10 Hiệu ứng quang điện Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tượng quang điện trong (thường xảy ra với các chất bán dẫn) Khi chiếu các bức xạ điện từ vào cácchất bán dẫn, nếu năng lượng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do

đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên

do chiếu sáng) Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời,

Trang 14

Ví dụ: Diode quang hay Photodiode là một loại Diode bán dẫn thực hiện chuyển

đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện

Các photon có thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia

gamma Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của photodiode là tiếp giáp p-n hoặc cấu

trúc PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dòng điện Tùy theo cách thức chế tạo, mà

dòng điện này nhỏ và photodiode dùng làm cảm biến photon, hay dòng điện đủ lớn để làm nguồn điện như trong pin mặt trời Cảm biến photodiode có ứng dụng rộng rãi

trong kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin, điều khiển, Chúng được chế tạo từ dạng đơn lẻ để cảm biến trạng thái nào đó như giấy

trong khay của máy in còn hết, đến dạng tích hợp mảng lớn (array) như cảm biến

ảnh với hàng triệu phần tử Để làm việc với vùng phổ ánh sáng chọn lọc thì các màng lọc phù hợp được phủ lên bề mặt photodiode.

BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Câu 1: Vẽ sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang và giải thích

Câu 2: Nêu các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang

Câu 3: Cho biết các thành phần chính của trặm lặp quang và tầm quan trọng của trặm

lặp trong hệ thống thông tin quang

Câu 4: Cho biết các ưu và nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang

Câu 5: So sánh các đặc tính giữa cáp quang và cáp đồng

Câu 6: Cho biết khoảng bước sóng truyền trong hệ thống thông tin quang

Câu 7: Liệt kê các vật liệu bán dẫn quang và cho biết các đặc tính và ứng dụng của

chúng

Câu 8: Trình bày về các hiệu ứng cơ bản của vật liệu quang

Câu 9: Cáp quang có chiết suất 1.6 và lớp bọc ngoài với chiết suất 1.5, tính góc giới hạn

phản xạ toàn phần để truyền tín hiệu và vận tốc truyền tín hiệu trong cáp quang

Câu 10: Cho góc tới bằng 30 độ, chiết suất môi trường 1= 1,5, chiết suất môi trường 2 =

2 Xác định góc khúc xạ

Câu 11: Cho góc tới bằng 60 độ, góc khúc xạ bằng 40 độ, chiết suất môi trường 1 = 1,5

Xác định chiết suất môi trường 2

Trang 15

CHƯƠNG 2:SỢI QUANG

CHƯƠNG 2 SỢI QUANG

Trang bị cho sinh viên: Kiến thức về về cấu tạo và các loại sợi quang

2.1 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI SỢI QUANG

2.1.1 Cấu tạo sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp: + Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

+ Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản sợi quang, gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding)

Ánh sáng truyền từ đầu này đến đầu kia sợi quang bằng cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi-lớp bọc, và được định hướng trong lõi

Hình 2.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

Trang 16

Khẩu độ số NA (Numerical Aperture):

Khẩu độ số cho ta biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang Ðây là thông số cơ bản ảnh hưởng đến hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang

Sự phản xạ toàn phần sẽ xảy ra trong lõi sợi quang chỉ đối với những tia sáng có góc

tới ở đầu sợi quang nhỏ hơn θmax Khẩu độ số của sợi quang được định nghĩa:

NA = sinθmax

Ðối với sợi SI ta tính được:

Với: n1: chiết suất lõi sợi quang;

n2: chiết suất lớp bọc sợi quang

Hình 2.3 Khẩu độ số trong sợi quang

2.1.2 Phân loại sợi quang

Phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất:

+ Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index):

Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với chiết suất lớp

vỏ phản xạ Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao

và cự ly quá dài

Hình 2.4 Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc (SI:Step Index)

Trang 17

+ Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index):

Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi thay đổi một cách liên tục, giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Độ tán sắc của GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

Hình 2.5 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index)

Phân loại theo mode truyền dẫn: Sợi đơn mode và Sợi đa mode

- Ðặc điểm của sợi đa mode là truyền đồng thời nhiều mode sóng

- Số mode sóng truyền được trong một sợi quang phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó có tần số được chuẩn hóa V (Normalized Frequency)

Tần số được chuẩn hóa V được xác định như sau:

Với: a: bán kính lõi sợiquang

λ: bước sóng làm việc

NA: khẩu độ số của sợi quang

Một cách tổng quát, số mode sóng truyền được trong sợi quang được xác định gần đúng như sau: Với g là số mũ trong hàm chiết suất

Trang 18

2.2 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG

2.2.1 Khái niệm mode và tia sáng

Ánh sáng là 1 loại sóng điện từ, ánh sáng có thể nhìn thấy được có bước sóng từ 780nm

380-Hình 2.6 Dải bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được

Sử dụng nguồn phát laser truyền tia sáng xuyên suốt vì vậy tín hiệu ít bị suy hao và có tốc độ khá lớn

Các tia sáng kiểu Step index truyền theo nhiều hướng khác nhau vì vậy có mức suy hao cao và tốc độ khá chậm Step index ít phổ biến, thường dùng cho cáp quang POF Các tia sáng kiểu Graded index truyền dẫn theo đường cong và hội tụ tại một điểm Do đó Graded index ít suy hao và có tốc độ truyền dẫn cao hơn Step index Graded index được

sử dụng khá phổ biến

2.2.2 Sợi quang đa mode và đơn mode

Sợi quang đơn mode (single mode) hay sợi quang đa mode (multi mode) đều chỉ truyền một tín hiệu (là dữ liệu mà ta cần truyền) Muốn truyền nhiều dữ liệu từ các kênh khác nhau, ta phải dùng đến công nghệ WDM (truyền nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang) Sợi đa mode (multi mode) có thể truyền cùng lúc nhiếu ánh sáng với góc anpha khác nhau, còn sợi đơn mode (single mode) chỉ có thể truyền 1 ánh sáng với 1 bước sóng nhất định Do sợi quang là vật liệu truyền thông tin dựa trên định luật phản xạ ánh sáng Tia sáng khi đi từ môi trường có chiết suất cao qua môi trường chiết suất thấp thì không đi thằng (hay còn gọi là tán xạ) mà sẽ phản xạ lại Do đó, khi ánh sáng mang thông tin, sẽ được truyền đi mà không bị suy hao gì cả (vì nó cứ chạy lòng vòng trong

đó, phản xạ bên này, rồi phản xạ bên kia Sợi quang đơn mode (single mode) thì lõi có chiết suất là một hằng số và chiết suất của vỏ cũng là 1 hằng số Khi đó ánh sáng sẽ truyền đi theo đường ziczac trong sợi quang (độ lệch pha của tín hiệu khi đó sẽ đáng kể) Sợi đa mode (multi mode) là công nghệ tiên tiến hơn, chiết suất từ lõi ra đến vỏ sẽ giảm từ từ (nhưng vẫn đảm bảo một tỉ số chiết suất để ánh sáng chỉ phản xạ chứ không tán xạ), khi đó thì ánh sáng sẽ đi theo đường cong, độ lệch pha sẽ ít hơn nhiều so với hình ziczac của loại đơn mode (single mode) Đa mode (multi mode) còn chia làm 2 loại, đó là step mode và grade mode Step mode thì chiết suất từ lõi đến vỏ giàm dần, nhưng theo từng nấc, còn grade mode thì giàm liên tục và dĩ nhiên là grade mode sẽ tốt

Trang 19

hơn step mode Dĩ nhiên là việc dùng đa mode (multi mode) thì còn phụ thuộc nhiều yếu tố nữa như là giá thành, các thiết bị đầu cuối (thiết bị ghép kênh quang) Sợi đơn mode (single mode) chỉ truyền được một mode sóng do đường kính lõi rất nhỏ (khoảng

10 micromet) Do chỉ truyền một mode sóng nên đơn mode (single mode) không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc và thực tế đơn mode (single mode) thường được sử dụng hơn so với đa mode (multi mode) Sợi đa mode (multi mode) có đường kính lõi lớn hơn đơn mode (single mode) (khoảng 6-8 lần), có thể truyền được nhiều mode sóng trong lõi

Sợi cáp quang đơn mode truyền xa và tốt hơn sợi cáp quang đa mode Trong Single mode, ánh sáng đi theo gần như một đường thẳng trùng với trục cáp, còn trong Multi Mode, ánh sáng đi theo một chùm tia sáng có dạng đồ hình sin đồng trục (vì thế mà ta

có thể ghép thêm nhiều ánh sáng có các bước sóng khác nhau) Sợi quang đa mode sẽ gặp hiện tượng tán sắc trong sợi quang giữa các mode truyền dẫn Đây là yếu điểm chính của đa mode so với đơn mode Do đó mà tín hiệu trong sợi quang đa mode dễ bị tán xạ hơn, tốc độ truyền kém hơn và khoảng cách truyền gần hơn

2.3 TRUYỀN SONG ANH SANG TRONG SỢI QUANG

2.3.1 Tổng quan về mode truyền

Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái truyền ổn định của các đường này được gọi là các mode sóng Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng Chúng ta dùng từ bậc (order) để chỉ các mode Quy tắc như sau: góc lan truyền của mode càng nhỏ thì bậc của mode càng thấp Rõ ràng mode lan truyền dọc theo trục trung tâm của sợi quang là mode bậc 0 và mode với góc lan truyền là góc tới hạn là mode bậc cao nhất đối với sợi quang này Mode bậc 0 được gọi là mode cơ bản Đặc điểm của các mode truyền trong sợi quang:

+ Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng

+ Các mode hoàn toàn độc lập với nhau

+ Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước sóng xác định

Mode tự nhiên (mode thực hay chính xác): Các mode tự nhiên này (còn có thể gọi là mode thực hay chính xác) có thể hoàn toàn là các sóng ngang (TE hay TM) hoặc dọc (tức là, theo hướng lan truyền) (các mode ghép HE và EH) Lưu ý chúng ta thường dùng hai chỉ số dưới

Các mode phân cực tuyến tính (PL): Sợi quang trên thực tế có độ dẫn kém Do đó, các

mode tự nhiên trong sợi quang sẽ kết hợp (suy thoái) thành các mode phân cực tuyến tính (LP)

Ví dụ: Hình 2.7 là một cách kết hợp các mode tự nhiên thành các mode tuyến tính

Khảo sát kỹ các hình này chúng ta sẽ hiểu rõ ý nghĩa của thuật ngữ mode Các chỉ

số mode có nghĩa như sau: l là một nửa số điểm cường độ cực đại (hay cực tiểu) xảy

ra khi tọa đó thay đổi từ 0 đến 2π radian; m là số điểm cường độ cực đại xảy ra khi tọa độ bánkính thay đổi từ không đến vô cùng

Trang 20

Hình 2.7 Kết hợp các mode HE21 + TE01 và HE21 + TM01 thành các mode LP11

(Vết đen chỉ phân bốcường độ; mũi tên chỉ các trường TE và TM)

(a) Cấu tạo của hai mode LP11 từ hai mode tự nhiên và

phân bố trường TE, cường độ của chúng;

(b) Bốn hướng trường TE và TM và các phân bố cường độ tương ứng của LP11

2.3.2 Phương trình sóng đặc trưng cho sợi quang

Hệ phương trình Maxwell:

Sợi quang là một ống dẫn sóng hình trụ trong đó ánh sáng lan truyền trên cở sở của lý thuyết mode Các mode là các lời giải của các phương trình Maxwell cho các điều kiện biên cụ thể Các phương trình Maxwell xác định mối liên hệ giữa hai

Trang 21

thành phần của ánh sáng là trường điện E và trường từ H Lý thuyết lan truyền sóng điện từ là phương pháp tốt nhất để mô tả sự lan truyền của xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang Để hiểu được phương pháp này, chúng ta cần giải phương trình Maxwell cho ống dẫn sóng hình trụ

Lý thuyết của Maxwell dựa trên một tập bốn phương trình, đó là các phương trình Maxwell Tập phương trình này, được viết dưới dạng vi phân:

Trong đó, ý nghĩa của các thuật ngữ như sau:

Toán tử delta được định nghĩa:

ρ: Mật độ điện tích khối [c/m3]

E: Cường độ điện trường [V/m]

D: Vectơ cảm ứng điện [c/m2]

H: Cường độ từ trường [A/m]

J: Vectơ mật độ dòng điện mặt [A/m2]

B: Vectơ cảm ứng từ [H/m]

Ta có B= µH với µ là độ từ thẩm Vectơ cảm ứng điện D được định nghĩa với hệ thức:

Với: ε0 là hằng số điện [F/m]

P là vectơ phân cực điện

Đối với môi trường tuyến tính, đẳng hướng hoặc cường độ trường điện không quá lớn ta có:

Với: ε là độ thẩm điện của môi trường [F/m]

ε0 chính là độ thẩm điện trong chân không, ε0 = 8.854x10-12 F/m

Tương tự đối với môi trường tuyến tính, đẳng hướng hoặc cường độ trường từ không

Trang 22

quá lớn ta có:

Với: µ là độ thẩm từ của môi trường [H/m] Độ thẩm từ trong chân không được

gọi là hằng số từ µ0, µ0 = 4πx10-7 H/m

Theo định luật Ohm, J liên hệ với E bởi hệ thức:

Với: δ là độ dẫn điện của môi trường, đo bằng [A/V.m]

Phương trình gọi là định luật Gauss đối với trường điện Định luật này phát biểu như sau: "Thông lượng của vectơ cảm ứng điện giữa qua mặt kín mặt kín bất kỳ bằng tổng các điện tích ảo phân bổ trong thể tích bao bởi mặt kín đó" Divergence (toán tử delta) của trường điện bằng mật độ điện tích khối của nguồn.Phương trình gọi là định luật Gauss đối với trường từ Định luật này phát biểu như sau: "Thông lượng của vectơ cảm ứng từ gửi qua mặt kín mặt kín tùy ý luôn luôn bằng không" Điều này chứng tỏ: trường vectơ cảm ứng từ B không có nguồn Trong tự nhiên không tồntại các từ tích là nguồn của trường từ, giống như các điện tích là nguồn của trường điện

Phương trình gọi là định luật cảm ứng điện từ Faraday Phương trình này cho thấy: Sức điện động cảm ứng có giá trị bằng và ngược dấu với tốc độ biến thiên từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi vòng dây Điều này chứng tỏ: trường từ biến đổi theo thời gian sinh ra trường điện xoáy phân bố trong không gian Chính mối liên hệ này dẫn tới quá trình lan truyền trường điện từ trong không gian tạo nên sóng điện từ

Phương trình gọi là định luật lưu số Ampere Định luật này khẳng định: lưu số của vectơ cường độ trường từ theo đường kín tùy ý bằng tổng đại

số cường độ các dòng điện chảy qua diện tích bao bởi đường kín đó Điều này chứng tỏ: sự biến đổi của trường điện theo thời gian làm xuất hiện trường từ phân bố trong không gian, trường này có tính xoáy Chính mốiliên hệ giữa trường điện biến đổi theo thời gian và trường từ phân bố trong không gian dẫn tới quá trình truyền trường điện từ biến thiên trong không gian

Đối với môi trường có độ dẫn điện không như sợi quang thì các phương trình Maxwell được viết lại như sau:

Trang 23

Thay thế D và B từ các phương trình trên là lấy curl các phương trình ta có:

Áp dụng định lý định lý Divergence cho các phương trình và với tính đồng nhất vectơ:

Ta thu được các phương trình sóng không tán sắc:

Với là toán tử Laplace Đối với hệ tọa độ vuông góc Cartersian và trụ, các phương trình sóng nói trên chứa các các thành phần của vectơ trường, mỗi thành phần thõa mãn phương trình sóng vô hướng:

Với Ψ biểu diễn thành phần trường điện E hoặc trường từ H và vp là vận tốc pha (vận tốc lan truyền của điểm song có pha cố định) trong môi trường điện môi Vận tốc pha được tính như sau:

(2.4)Với µr, εr là độ thẩm từ và độ thẩm điện tỷ đối của môi trường trường điện môi và µ0, ε0 là hằng số từ và hằng số điện của không gian tự do

Do đó, vận tốc ánh sáng trong chân không sẽ là:

(2.5)Trong trường hợp ống dẫn sóng phẳng, được biễu diễn bằng hệ tọa độ vuông góc Cartersian (x,y,z), biến đổi Laplace có dạng:

Trang 24

Hay sợi quang hình trụ, được biễu diễn bằng hệ tọa độ trụ (r,Ф,z):

Lời giải cơ bản cho phương trình sóng này là sóng sin, dạng quan trọng nhất của

nó là sóng phẳng đồng dạng:

Ψ = Ψ0expj(ωt-kr)

Với ω là tần số góc, t là thời gian, k là vectơ lan truyền cho biết hướng lan truyền và tốc độ thay đổi pha theo khỏang cách, còn r là tọa độ của điểm quan sát Nếu λ là bước sóng quang trong chân không, thì biên độ của vectơ lan truyền hay hằng số lan

truyền pha trong chân không k (với k = | k | ) sẽ được cho bởi :

(2.6)

Cần phải lưu ý rằng trong trường hợp này k còn được xem như là chỉ số sóng của

không gian tự do

Hình 2.8 Sóng điện từ ngang (TEM) Phương trình sóng đặc trưng cho sự lan truyền của sóng điện từ (EM) trong môi trường suy hao Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát sự lan của điện từ ngang (TEM) phẳng trong môi trường có suy hao Trước khi đi vào khảo sát chi tiết, ta nhắc lại khái niệm về sóng TEM phẳng

Thuật ngữ phẳng có nghĩa là các sóng được phân cực trong cùng một mặt phẳng

Trên hình 2.8 trường điện E được phân cực trong mặt phẳng x-z vì vậy E thay đổi biên độ nhưng không thay đổi định hướng: nó không bao giờ rời khỏi mặt phẳng x-

z Tương tự trường từ luôn luôn nằm trong nằm trong mặt phẳng y-z Chúng ta nói E được phân cực x và H có phân cực y

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	1,92 MB