Bài giảng thông tin quang nâng cao - Phan 2 pptx

Phần 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Vn Võ Phần 2: Các phầ n tử cơ bản trong kỹ th uật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Vn Võ Phần 3: Cơ sở kỹ thuật thông tin quang Giảng viên: Hoàng Vn Võ Phần 4: Hệ thống thông tin quang Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm Phần 5: Một số công nghệ quang tiên tiến Giảng viên: Vũ Tuấn Lâm 1 Nội dung môn học Thông tin quang nâng cao 1. Sợi quang 2. Các phần tử biến đổi điện - quang (phát quang) 3. Các phần tử biến đổi quang - điện (thu quang) Phần 2: Các phần tử cơ bản trong kỹ thuật thông tin quang 2 SỢI QUANG 1. Cấu trúc sợi quang 2. Vật liệu chế tạo sợi quang 3. Phân loại sợi quang 4. Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang 5. Các tham số cơ bản của sợi quang 6. Một số loại sợi quang mới 7. Cáp sợi quang 8. Chế tạo sợi quang 9. Kết nối sợi quang 3 1. CẤU TRÚC SỢI QUANG  ĐÞnh nghÜa  CÊu tróc  Mét sè kÝch th-íc th«ng dông cña sîi quang 4 1. CU TRC SI QUANG ịnh nghĩa: Professor Charles Kao phát minh ra sợi quang, nhận giải th-ởng IEE từ Pro. John Midwinter. (1998 at IEE Savoy Place, London, UK) Là ống dẫn sóng có khả nng mang thông tin d-ới dạng ánh sáng. Kích th-ớc rt nhỏ. 5 1. CU TRC SI QUANG Cấu trúc cơ bản của sợi quang gồm 3 lớp: Lớp lõi hỡnh trụ th-ờng làm bằng vật liệu trong suốt (thủy tinh hay nhựa) có chỉ số chiết suất lớn (n 1 ) có tác dụng truyền lan ánh sáng theo h-ớng song song với trục của nó. Lớp vỏ phản xạ th-ờng làm bằng thuỷ tinh hay bằng nhựa với chiết suất n 2 n 1 , có cấu trúc hỡnh trụ đồng tâm và bao quanh lớp lõi, có tác dụng giam gi ánh sáng trong lớp lõi. Lớp vỏ bảo vệ bằng nhựa hay sợi tổng hợp, có tác dụng bảo vệ lõi và gia c-ờng thêm độ bền của sợi. Cấu trúc: Hỡnh 1 6 1. CU TRC SI QUANG Một số kích th-ớc thông dụng của sợi quang: Loại -ờng kính lớp lõi (m) -ờng kính lớp vỏ (m) -ờng kính lớp bảo vệ (m) I 8-10 125 250/500 II 50 125 250/500 III 62,5 125 250/500 IV 85 125 250/500 V 100 140 250/500 (Tính chất, -u nh-ợc điểm và phạm vi ứng dụng của từng loại sợi - xem tài liệu: Lắp đặt hệ thống thông tin cáp sợi quang, nhà xuất bản B-u điện- 1998) 7 2. VT LiU CH TO SI QUANG (1) Các yêu cầu của vật liệu chế tạo sợi quang ặc điểm vật liệu chế tạo sợi quang Các loại sợi quang trên quan điểm vật liệu chế tạo sợi Vật liệu chế tạo các sợi quang: Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh, Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ chất dẻo, Sợi lõi chất dẻo, vỏ chất dẻo. 8 2. VT LiU CH TO SI QUANG (3) Các yêu cầu của vật liệu chế tạo sợi quang: ể bảo đảm truyền thông tin trong các hệ thống thông tin quang, các vật liệu để chế tạo sợi quang phải bảo đản các yêu cầu sau: Vật liệu phải đảm bảo tạo đ-ợc các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo. Vật liệu phải đảm bảo thật trong suốt tại các b-ớc sóng làm việc thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao. Các vật liệu chế tạo ra lõi và vỏ của sợi phải có bản chất vật lý t-ơng thích để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất lõi và vỏ là khá nhỏ. => Vật liệu thủy tinh và chất dẻo trong suốt 9 2. VT LiU CH TO SI QUANG (5) ặc điểm vật liệu chế tạo sợi quang: Vật liệu thuỷ tinh: Thủy tinh có suy hao lớn => Sợi đ-ợc chế tạo có lõi là thủy tinh suy hao lớn thì dùng cho các cự ly truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp; Thủy tinh có suy hao nhỏ => Sợi chế tạo từ thủy tinh có suy hao nhỏ sẽ đ-ợc dùng rất rộng rãi cho các cự ly xa, tốc độ cao. Vật liệu chất dẻo: ối với các tuyến cự ly dài, các loại sợi làm bằng chất dẻo ít đ-ợc sử dụng hơn vì suy hao của nó lớn hơn các loại sợi thủy tinh, Nó chỉ đ-ợc dùng cho cự ly ngắn, tốc độ thấp và nơi mà có tác động cơ học mạnh. 10 [...]... dạng sau: 2 Ez 1 Ez 1 2 Ez 2 q 2 Ez 0 2 2 r r r r 2 H z 1 H z 1 2 H z 2 q Hz 0 r 2 r r r 2 2 ( 2- 1 2) ( 2- 1 3) Trong đó, q 2 = 2 - 2 = k2 - 2 Từ các ph-ơng trỡnh ( 2- 1 2) và ( 2- 1 3) ta thấy từng ph-ơng trỡnh chỉ chứa đựng một đại l-ợng hoặc là Ez hoặc là Hz iều này th hin các thành phần của E và H là tách biệt và - c chọn tùy ý miễn là chúng thỏa mãn các ph-ơng trỡnh ( 2- 1 2) và ( 2- 1 3) 34 4... loại sợi quang thủy tinh nh- sau: - Sợi có lõi GeO 2- SiO2 và vỏ phản xạ SiO2 - Sợi có lõi P2O 5- SiO2 và vỏ phản xạ SiO2 - Sợi có lõi GeO 2- B2O 3- SiO2 và vỏ phản xạ B2O 3- SiO2 -Sợi có lõi SiO2 và vỏ phản xạ B2O 3- SiO2 ặc điểm và khả nng ứng dụng: Sợi có lõi thuỷ tinh và vỏ thuỷ tinh có suy hao nhỏ => các tuyến thông tin quang cự ly xa và tốc độ cao 14 2 VT LiU CH TO SI QUANG (14) Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ... oxit khác nhau nh- B2O3, GeO2 và P2O5 Nếu muốn tng chỉ số chiết suất thỡ thêm P2O5 hoặc GeO2 vào SiO2, nếu muốn giảm chỉ số chiết suất thỡ thêm B2O3 vào SiO2 Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo lớp vỏ: - SiO2, - B2O 3- SiO2, 13 2 VT LiU CH TO SI QUANG ( 12) Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh Một số loại sợi quang lớp lõi và vỏ phản xạ: Trên quan điểm vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi quang => Có một... GeO2 ), - P2O 5- SiO2 , - GeO 2- B2O 3- SiO2 - SiO2 12 2 VT LiU CH TO SI QUANG (11) Sợi lõi thuỷ tinh, vỏ thuỷ tinh Vật liệu thủy tinh để chế tạo lớp vỏ phản xạ: ể đạt - c mục tiêu của lớp vỏ là tạo ra phản xạ toàn phần của các tia sáng truyền trong lớp lõi của sợi, tức là tạo ra hai loại vật liệu có chỉ số chiết suất hơi lệch nhau Trên cơ sở vật liệu thuỷ tinh của lớp lõi ng-ời ta thêm vào một l-ợng... sau: E = E0(r, ) ej(t - z) ( 2- 1 0) H = H0(r, ) e j(t -z) ( 2- 1 1) y r Lõi sợi z Trục sợi H-ớng truyền sóng x Hỡnh 9 Hệ thống tọa độ trục để phân tích sự truyền sóng điện từ trong sợi 33 4 TRUYềN áNH SáNG TRONG SợI QUANG (9) Phng trình truyền ánh sáng trong sợi quang Ph-ơng trỡnh truyền sóng Thay các công thức ( 2- 1 0) và ( 2- 1 1) vào công thức ( 2- 5 ), ( 2- 6 ) và biến đổi ta nhận - c ph-ơng trỡnh truyền sóng... suất lớp vỏ, n2 < n 1- , : là sự khác nhau của chỉ số chiết suất lõi và vỏ, - c xác định gần đúng theo công thức: 2 n 12 n2 n1 n2 2 n1 2n1 ( 2- 2 ) 24 3 PHN LOI SI QUANG (10) Chiết suất của các loại sợi quang Sợi chiết suất Gradien Lõi sợi n1 n(r) n2 Tiếp giáp vỏ - lõi Mặt cắt lõi sợi mở rộng Hỡnh 4 Chỉ số chiết suất của sợi gradien 25 3 PHN LOI SI QUANG (11) Chiết suất của các loại sợi quang Sợi chiết... suất Gradien 1/ 2 n1 1 2 r n( r ) a 1/ 2 n1 1 2 n1 1 n2 với 0 r a ( 2- 3 ) với r > a Trong đó, r : khoảng cách bán kính tính từ trục sợi a : bán kính lõi sợi, n1 : chỉ số chiết suất tại trục lõi sợi, n2 : chỉ số chiết suất lớp vỏ, n2 < n1, : là sự khác nhau của chỉ số chiết suất lõi và vỏ, - c xác định gần đúng theo công thức: 2 n 12 n2 n1 n2 ( 2- 4 ) n1 2n 12 : tham số xác định... trong sợi quang thuân theo hệ ph-ơng trỡnh Maxwell Với một môi tr-ờng điện môi đẳng h-ớng, tuyến tính, không có dòng điện, các ph-ơng trỡnh này có dạng: B ( 2- 5 ) t D ( 2- 6 ) t ( 2- 7 ) .D=0 .B=0 ( 2- 8 ) Trong đó: ex ey ez x y z ( 2- 9 ) E: Cng in trng [V/m], D: Vect cm ng in [c/m2], H: Cng t trng [A/m], B: Vect cm ng t [H/m], D = E, B = H, là hằng số điện môi, là độ từ thẩm của môi tr-ờng 32 4 TRUYềN... SợI QUANG (11) Các mode ánh sáng trong sợi quang Giải h các ph-ơng trỡnh ( 2- 1 2) và ( 2- 1 3) với các điều kiện biên của lõi và vỏ phản xạ của sợi quang ta - c các nghiệm riêng Các nghiệm riêng này chính là các mode truyền dẫn của sợi quang Trong sợi quang có các mode sau: - Mode dẫn: các mode chỉ truyền dẫn trong lõi của sợi quang hay các mode có hệ số truyền dẫn thỏa mãn điều kiện sau: ( 2- 1 4) - Mode... bậc, đơn mode n2 n1 n2 n2 Sợi chiết suất phân bậc, đa mode n1 n2 n2 Sợi chiết suất Gradien, đa mode n1 n2 Hỡnh 3 23 3 PHN LOI SI QUANG (9) Chiết suất của các loại sợi quang Sợi quang có chiết suất phân bậc với r a n1 n(r) = n2 = n1(1 - ) Trong đó: r ( 2- 1 ) với r > a : khoảng cách bán kính tính từ trục sợi, a : bán kính lõi sợi, n1 : chỉ số chiết suất của lõi và n1 th-ờng là 1,48, n2 : chỉ số chiết . học cao. Một số vật liệu thủy tinh cụ thể để chế tạo sợi dẫn quang: - GeO 2 - SiO 2 (lõi SiO 2 có pha GeO 2 ), - P 2 O 5 - SiO 2 , - GeO 2 - B 2 O 3 -. SiO 2 và vỏ phản xạ SiO 2 . - Sợi có lõi GeO 2 - B 2 O 3 - SiO 2 và vỏ phản xạ B 2 O 3 - SiO 2 . -Sợi có lõi SiO 2 và vỏ phản xạ B 2 O 3 - SiO 2 . ặc điểm và