Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Nội Dung Tổng quan hệ thống thông tin quang Cấu tạo sợi quang & cáp quang Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang Tổng quan hệ thống thông tin quang  Lịch sử phát triển  Sơ đồ hệ thống thông tin quang  Ưu nhược điểm truyền thông sợi quang Lịch Sử Phát Triển Thế kỷ 21 Hy lạp cổ đại Lịch Sử Phát Triển                     1854: Thí nghiệm John Tyndall 1962: LD bán dẫn (IBM, Lincoln Lab) 1966: Sợi quang đầu tiên, suy hao: 1000dB/km (Corning Glass) 1970: Sợi quang, suy hao: 20dB/km (Corning Glass) 1970: LD hoạt động nhiệt độ phòng 1976: LD bán dẫn =1,3m 1,55m 1977: Hệ thống quang thương mại cửa sổ thứ (0,85 m) 1980: Hệ thống quang thương mại cửa sổ thứ hai (1,3 m) 1982: Sợi SM, suy hao 0,16 dB/km (~ giới hạn lý thuyết) 1984: Hệ thống quang thương mại cửa sổ thứ ba (1,55 m) 1985: Hệ thống WDM 10 kênh ~2,5Gb/s (Bell Lab) 1986: EDFA 1988: Hệ thống cáp biển vượt Đại Tây Dương Thái Bình Dương (565Mb/s) 1989: LD bán dẫn phổ cực hẹp 1990: Truyền dẫn soliton 2,5Gb/s không trạm lặp 13.000km (Bell Lab) 1992: Hệ thống quang thương mại WDM+EDFA 1995: Các hệ thống quang vượt Đại Dương không trạm lặp 5Gb/s 1997: Triển khai rộng rãi hệ thống WDM thương mại 2001: Truyền dẫn OTDM 1Tb/s qua 70Km (NTT) 2003: 10Tb/s qua 10.000Km SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ƯU ĐIỂM CỦA THÔNG TIN QUANG 1) Suy hao thấp : Suy hoa thấp cho phép lan truyền khoảng cách dài Nếu so sánh với cáp đồng khoảng truyền cáp quang gấp 20 lần cáp đồng 2) Dải thông rộng : Sợi quang có băng thơng rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện băng thông sợi quang lê đế hàng THz 3) Trọng lượng nhẹ : Trọng lượng cáp quang nhỏ so với cáp đồng, cáp quang có sợi quang nhẹ 20% đến 50% cáp Category có đơi Chính nhẹ nên cho phép lắp đặt dễ dàng 4) Kích thước nhỏ : Cáp sợi quang có kích thước nhỏ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp không gian lắp đặt 5) Khơng bị can nhiễu sóng điện từ điện cơng nghiệp 6) Tính an tồn : Vì sợ quang chất điện mơi nên khơng dẫn điện 7) Tính bảo mật : Sợi quang khó chích tín hiệu dạng tín hiệu quang 8) Tính linh hoạt : Các hệ thống thơng tin quang khả dụng cho hầu hết dạng thông tin số liệu, thoại video NHƯỢC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN QUANG Vấn đề biến đổi Điện – Quang : Trước đưa tín hiệu thơng tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện phải biến đổi thành sóng ánh sáng Dịn, dễ gẫy : Sợ quang sử dụng viễn thông chế tạo từ thủy tinh nên dòn dễ gẫy,hơn kích thước sợi nhỏ khó hàn Muốn hàn cần có thiết bị chuyên dụng/ Vấn đề sửa chữa : Các quy trình sửa chữa địi hỏi phải có nhóm kĩ thuật viên có kỹ tốt thiết bị thích hợp Vấn đề an toàn lao động : sửa chữa sợi quang dễ có mảnh cắt đâm vào tay, khơng có phương tiện phát sợi quang thể Ánh sáng sợi quang ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận nên điều tiết nguồn lượng gây nguy hiểm cho mắt MẠNG CÁP QUANG QUỐC TẾ ỨNG DỤNG CỦA THÔNG TIN QUANG 10 11 12 Viễn thông: điện thoại, Internet, FTTH, vơ tuyến Mạng máy tính trung tâm liệu Truyền hình cáp: hình ảnh, thoại Internet Tiện ích: quản lý lưới điện viễn thơng An ninh: cảm biến hình ảnh, xâm nhập Giải trí: video, audio Quốc phòng… Truyền số liệu Đường cáp thả biển quốc gia Mạng đường trục quốc gia Đường trung kế Truyền số liệu Sợi Và Cáp Quang CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ ÁNH SÁNG định luật truyền ánh sáng - Định luật truyền thẳng: Trong mơi trường suốt đồng tính, ánh sáng truyền theo đường thẳng CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ ÁNH SÁNG - Định luật phản xạ: Tia phản xạ nằm mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến điểm tới, góc phản xạ góc tới CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ ÁNH SÁNG - Định luật khúc xạ: Tia khúc xạ nằm mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến điểm tới Góc khúc xạ góc tới tỉ lệ với theo: n1.sin = n2.sin PHẢN XẠ TỒN PHẦN Góc tới hạn C ????? n2  C arcsin n1 ĐƯỜNG ĐI CỦA ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐƯỜNG ĐI CỦA ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG MODE ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG TE modes (Transverse Electric) no electric field in the direction of propagation TM modes (Transverse Magnetic) no magnetic field in the direction of propagation TEM modes (Transverse ElectroMagnetic) neither electric nor magnetic field in the direction of propagation Hybrid modes nonzero electric and magnetic fields in the direction of propagation MODE ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG Tiếp cận theo quang học lượng tử, ánh sáng loại sóng điện từ (hai thành phần E, H) truyền dẫn sợi quang phải tn thủ phương trình định luật Maxwell Người ta nhận thấy thành phần điện (véc tơ E) thành phần từ (véc tơ H) lõi vỏ sợi quang không độc lập với mà có mối liên hệ thơng qua điều kiện biên lõibọc Bất cặp nghiệm hệ phương trình Maxwell lõi bọc thoả mãn điều kiện biên gọi mode truyền sóng MODE ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG Mode sóng trạng thái truyền ổn định sóng ánh sáng (cũng hiểu mode tia) GÓC TIẾP NHẬN KHẨU ĐỘ SỐ - NA NA sin  max  n12  n22 n1 2 D: chênh lệch chiết suất tương đối lõi bọc (%) Bài tập: max = 32,6o SỐ MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI Tần số chuẩn hóa – tham số V SI V2 N GI V2 N SỐ MODE TRUYỀN DẪN TRONG SỢI Góc lan truyền nhỏ, bậc thấp Mode bậc ~ góc lan truyền 0o ………… CÁC THUỘC TÍNH CỦA SỢI QUANG       Đơn mode/ Đa mode SI/GI Chiết suất n1 n2 Góc tới hạn phản xạ toàn phần Khẩu độ số NA Số mode truyền dẫn – bậc mode