Tài liệu Kỹ thuật thông tin quang - Bài: Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang pdf

KYế THUAT THONG TIN QUANGKYế THUAT THONG TIN QUANG Baứi 2: NGUYE NLY TRUYE NA NH SA NG NGUYEN LY TRUYEN ANH SANG TRONG SễẽI QUANG NỘI DUNG  Cơ sở quang học  Ca á utaosơiquang  Cau ta ï o sơ ï i quang  Nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang  Khẩu đo ä số NA ( Numerical A p erture ) ä( p)  Tán sắc mode  Sơ ï i q uan g GI ( Graded Index Fiber ) ïq g ( )  Mode sóng  Phân loại sợi quang CƠ SỞ QUANG HỌC  nh sáng có hai tính chất: − Tính cha á tso ù ng: a ù nh sa ù ng la ø so ù ng điện tư ø Tính chat song: anh sang la song điện tư − Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có năng lượng E () 1, 24 Ehf m λμ == f c λ = à Tron g đó, f: ta à n số (Hz) λ : bước són g (m) E: năng lượng photon (eV) ät áù h ù th â kh â 310 8 / c: va ä n t oc an h san g t ron g c h an kh on g , c = 3 . 10 8 m / s h: hằng số Planck, h= 6,625.10 -34 (J.s) CƠ SỞ QUANG HỌC  Phổ sóng điện từ Vùng hồng Vùng cực f (Hz) DC VLF LF MF VHF VHF+SHF + EHF ngoại tím Tia X Tia Γ 1300 nm 1,0 μm 1,1 μm 1,2 μm 1,3 μm 1,4 μm 1,5 μm 1,6 μm 0,8 μm 0,9 μm 0,6 μm 0,7 μm 0,4 μm 0,5 μm 1550 850 1550 nm 850 nm Vùng ánh sáng khả kiến Ánh sáng dùng trong thông tin quang CƠ SỞ QUANG HỌC Băng tần Tần số (f) Bước sóng (λ) VLF 3kH 30 kH 100 K 10 K VLF 3 kH z ÷ 30 kH z 100 K m ÷ 10 K m LF 30 kHz ÷ 300 kHz 10 Km ÷ 1 Km MF 300 kHz ÷ 3 MHz 1 Km ÷ 100 m HF 3MHz ÷ 30 MHz 100 m ÷ 10 m HF 3 MHz ÷ 30 MHz 100 m ÷ 10 m VHF 30 MHz ÷ 300 MHz 10 m ÷ 1 m UHF 300 MHz÷ 3 GHz 1 m ÷ 1 dm SHF 3 GHz ÷ 30 GHz 1 dm ÷ 1 cm EHF 30 GHz ÷ 300 GHz 1 cm ÷ 1mm Các băng sóng vô tuyến F: Frequency L: Low M: Middle H: High V: Very U:Ultra S: Supper E: Extra CƠ SỞ QUANG HỌC  nh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm (tím) đến 780nm (đỏ)  nh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm- á 1600nm) Ỉ không tha á y đượ c  3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử dụng trong thông tin quang: 850 nm, 1300 nm và 1550 nm CƠ SỞ QUANG HỌC  Chiết suất của môi trường: n = c/v c: vận to á ca ù nh sa ù ng trong cha â n kho â ng c = 3 10 8 m/s - c: vận toc anh sang trong chan khong , c = 3 . 10 8 m/s - v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét, v≤ c  Sư pha û nxava ø khu ù cxa:  Sư ï phan xa ï va khuc xa ï : Tia tới Tia phản xạ θ 1 mo â itrươ ø ng 2 n 2 môi trường 1n 1 θ 1 ’ θ 2 moi trương 2 n 2 Tia khúc xạ CƠ SỞ QUANG HỌC − Tia tới, tia phản xạ và tia khúc xạ cùng nằm trên một mặt phẳng − Góc phản xạ bằng góc tới: θ 1 = θ 1 ’ − Góc khúc xạ được xác đònh từ công thức Snell: n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 Tia tới Tia phản xạ Tia tới Tia phản xạ θ 2 θ 1 môi trường 2 n 2 môi trường 1 n 1 θ 2 θ 1 môi trường 2 n 2 môi trường 1 n 1 Tia khúc xạ 2 Tia khúc xạ n 1 <n 2 n 1 >n 2 CƠ SỞ QUANG HỌC  Sự phản xạ toàn phần: Tia tơ ù ihan Tia phản xạ θ 90 ° ( θ θ ) θ c n 1 Tia tơi ha ï n (θ 1 > θ c ) θ 2 = 90 ° ( θ 1 = θ c ) n 2 n 1 Tia khu ù cxa θ 2 < 90° (n 1 >n 2 ) (θ 1 < θ c ) − Trường hợp n 1 >n 2 , khi góc tới θ 1 lớn hơn góc tới hạn θ c thì không có tia khúc xạ, tia tới phản xạ hoàn toàn về môi t ườ t à Tia khuc xa ï t r ườ n g t r y e à n Ỉ hiện tượng phản xạ toàn phần CƠ SỞ QUANG HỌC − Từ công thức Snell: θ c = arcsin(n 2 /n 1 ) − Điều kie ä n để xả y ra hie ä n tươn g p hản xa toàn p hần (p xt p) ? ä ï gp ï p(pp) + n 1 >n 2 + θ 1 > θ c = arcsin(n 2 /n 1 ) − Khi xả y ra hiện tượn g pxtp, năn g lượn g ánh sán g được bảo toàn theo hướng truyền Ỉ Ư Ùù dt h á tơi ø t àù h ù Ỉ Ư n g d ụn g t ron g c h e t ạo s ơ ï i quan g va t ru y en an h san g qua sợi quang [...]... là gì? Tại sao ánh sáng truyền trong sợi quang GI theo đường cong? Tai sao sợi GI có tán sắc nhỏ hơn sợi SI? Co the h tạ ơi C ù th å chế t o sợi quang bang th û ti h có h ä só suy h b è thuy tinh hệ hao nhỏ hơn 0.2 dB/km? TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng Truyền Dẫn Sợi Quang , Ngô Thanh Ngọc, Trung Tâm đào tạo bưu chính viễn thông 2, TP.HCM, 1994 1994 Bài giảng “Cơ Sở Kỹ Thuật Thông Tin Quang , Cao Phán,... nhất - Giá thành đắt - Hàn nối khó cần thiết bò chuyên dung chuyen dụng - Truyền dẫn thông tin - Hệ thống viễn thông, mạng máy tính n1=1,46; n2=1,40 NA= 0.54 0,5μm -0 ,8 μm Băng thông × Cự ly truyền B×L = 5 (Mbit/s × km) Vài trăm mét Chất lượng và giá thành nằm giữa sợi thuỷ tinh và sợi plastic - Chất lượng thấp - Giá thành rẻ - Hàn nối dễ Vai trăm Vài tram Mbit/s - Tự động hoá CÂU HỎI Sợi SI, sợi GI... 1550nm + Sợi DSF (G.653) + Sợi dòch tán sắc khác zero NZ-DSF (G.655) PHÂN LOẠI SI QUANG Phân loại theo vật liệu chế tạo: − Sợi thủy tinh (All-glass fiber): lõi và lớp bọc bằng thuỷ tinh − Sợi plastic (All-plastic fiber): lõi và lớp bọc đều bằng plastic − Sợi PCS (Plastic-Cladded Silica): lõi bằng thủy tinh, lớp bọc lam bang nhưa làm bằng nhựa PHÂN LOẠI SI QUANG Sợi thủy tinh Đặc tính kỹ thuật : - Kích... ly truyền của tuyến quang TAN SAC TÁN SẮC MODE (MODAL DISPERSION) Một tia sáng được xem như một mode sóng tán sắc mode Nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc trên? − Có nhiều tia sáng truyền trong sợi quang với quãng đøng truyền khác nhau − Vậän tốc truyền bằng nhau thời gian truyền khác nhau Δt y g y Làm cách nào để hạn chế tán sắc? − Chỉ cho một tia sáng (mode sóng) truyền đi trong sợi quang sợi quang. .. vỏ (secondary coating) g) b a a 0 b a b lớp bọc (n2) n2 n n1 lõi (n1) NGUYEN LÝ TRUYEN ÁNH SÁNG NGUYÊN LY TRUYỀN ANH SANG TRONG SI QUANG Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phan xạ toan phần phản xa toàn phan qua lại mặt tiếp giap giưa lõi và lai tiep giáp giữa loi va lớp bọc nh sáng có thể truyền được trong sợi quang bò uốn cong với một độ cong giới hạn (thỏa điều kiện phản xạ toàn phần)... so với sợi quang SI Tán sắc mode đơn vò dmode (ns/km) của sợi SI và GI: d mod e − SI n1 = Δ c d mod e −GI n1 Δ 2 = ⋅ c 8 SI và GI: sợi quang đa mode: dmode ≠ 0 Hạn chếá cự ly và tốc độ bit truyền Sợi Sơi quang đơn mode SMF: dmode = 0 d Ứng dụng: + Sợi SI: cự ly truyền ngắn và tốc độ bit truyền thấp + Sợi GI: cự ly truyền và tốc độ bit truyền trung bình + Sợi SM: cự ly truyền dài và tốc độ bit truyền. .. thước sợi Sợi PCS Sợi plastic Đường kính lõi: 0, 5-1 mm - Chiết suất / NA (9/125μm), (50/125μm), (62.5/125μm) Δ=0,2% -1 ,3%; - Bước sóng hoạt động 0,8μm -1 ,55 μm - Suy hao cưc tiểu cực tieu 0,2dB/km 0 2dB/km (λ=1550nm) 8dB/km (λ=900nm) 55dB/km (λ=570nm) - Tán sắc cực tiểu dmat=0 (λ=1300nm) 200 ns/km Rất lớn - Cư ly truyền Hàng chục, trăm km - Tốc độ bit Toc Hang Hàng Gb/s Ưu khuyết điểm Ứn g dụn g - Chất... r PHÂN LOẠI SI QUANG Phân loại theo dạng chiết suất của lõi: − − − − − Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI Sợi quang có chiếát suấát giảûm dầàn GI Sợi quang giảm chiết suất lớp bọc Sợi quang dòch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber) Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber) n(r) n(r) n(r) n1 n2 r r a2 a1 0 a1 a2 r r a3 a2 a1 0 a1 a2 r r a3 a4 Giảm chiết suất lớp bọc Sợi dòch tán sắc... Δt giữa các tia sáng sợi quang có chiết suất giảm dần GI (Graded Index fiber) SI SƠI QUANG GI (Graded-Index Fiber) r α3 > α2 > α1= 0o b a n2 0 a n(r) n1 α3 α2 3 2 1 b r Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần Chiết suất lõi sợi quang có dạng hình parabol 2 ⎡ ⎛r⎞ ⎤ n1 ⎢1 − Δ ⎜ ⎟ ⎥ n( r ) = ⎢ ⎝a⎠ ⎥ ⎣ ⎦ n2 r ≤a r ≥a Các tia sáng truyền theo đường cong Tại sao? SI SƠI QUANG GI (Graded-Index Fiber) r α3... tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với góc tới φ có thể truyền được trong lõi sợi quang? φ3 < φ1=φc < φ2 φ1 φ3 φ2 3 θ2 α = 90o - θc θ1 θ3 > θ1=θc > θ2 θ3 Lõi (n1) Lớp bọc (n2) 1 2 KHAU KHẨU ĐỘ SO NA SỐ (NUMERICAL APERTURE) Kết luận: − Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng cóù góùc tớùi ởû đ àu sợi quang nhỏû h góùc tớùi h n φmax đầ h hơn hạ − sin φmax được gọi là khẩu độ số NA của sợi quang . QUANG NỘI DUNG  Cơ sở quang học  Ca á utaosơiquang  Cau ta ï o sơ ï i quang  Nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang  Khẩu đo ä số NA ( Numerical A p erture ) ä(. μm 0,5 μm 1550 850 1550 nm 850 nm Vùng ánh sáng khả kiến Ánh sáng dùng trong thông tin quang CƠ SỞ QUANG HỌC Băng tần Tần số (f) Bước sóng (λ)