VẬT LÝ LASER BẢN BÁO CÁO HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC BẰNG SỢI QUANG

VẬT LÝ LASER BẢN BÁO CÁO HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC BẰNG SỢI QUANG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG    MÔN HỌC VẬT LÝ LASER GVBM PGS TS Trần Minh Thái Tp HCM, Thá[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG -   - MÔN HỌC: VẬT LÝ LASER BẢN BÁO CÁO HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC BẰNG SỢI QUANG GVBM: PGS.TS Trần Minh Thái Tp.HCM, Tháng 11/2013 VẬT LÝ LASER [2013] THÀNH VIÊN THỰC HIỆN: Nguyễn Vũ Hoàng Trạch K1003511 Nguyễn Trần Duy Tín K1003418 Trần Hữu Trí K1003595 i VẬT LÝ LASER [2013] MỤC LỤC Trang THÀNH VIÊN THỰC HIỆN: i CHÚ THÍCH HÌNH ẢNH iii I TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC I.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang I.3 Ưu điểm I.4 Nhược điểm II HỆ THỐNG DẪN TRUYỀN QUANG ĐIỂN HÌNH II.1 Bộ phát quang [1] II.1.1 LED (Light Emitting Diode) II.1.2 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) II.2 Sợi quang [1, 2] 15 II.2.1 Một số tính chất vật lý sóng ánh sáng truyền sợi quang 15 II.2.2 Cấu tạo sợi sợi quang 16 II.2.3 Phân loại sợi quang 18 II.2.4 Phương trình lan truyền sóng sợi quang 20 II.3 Bộ thu quang [1] 24 III ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG 28 III.1 Trong điện tử viễn thông [3, 4] 28 III.2 Ứng dụng sợi quang học y học 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 ii VẬT LÝ LASER [2013] CHÚ THÍCH HÌNH ẢNH Hình 1: Đặc tính phổ LED Hình 2: Planar LED Hình 3: Dome LED Hình 4: Surface LED Hình 5: Edge LED Hình 6: Cấu trúc laser Fabry-Perot Hình 7: Phổ Laser Fabry-Perot Hình 8: Đường đặc tuyến P-I Hình 9: Bộ điều chế ngồi Hình 10: Ánh sáng từ mơi trường có chiết suất nhỏ sang mơi trường có chiết suất lớn Hình 11: Cấu trúc sợi quang Hình 12: Ánh sáng truyền dẫn bị giới hạn sợi quang Hình 13: Góc nhận sợi quang Hình 14: Ánh sáng sợi GI Hình 15: Ánh sáng truyền sợi đa mode (Sợi SI) Hình 16: Ánh sáng truyền sợi đơn mode Hình 17: Suy hao bên sợi quang Hình 18: Ánh sáng lan truyền sợi quang bị tán sắc Hình 19: Photodiode P-N Hình 20: Cấu trúc PIN gồm ba lớp: "P-type" - "I-Intrinsic" - "N-type" Hình 21: Cấu tạo PIN iii VẬT LÝ LASER [2013] I TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN QUANG HỌC I.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang Từ xa xưa lồi người biết truyền tín hiệu, thơng tin khói, lửa … Qua q trình phát triển hình thức truyền thơng tin ngày phát triển trở nên phong phú đại Ngày nay, thông tin quang lên hệt hống thơng tin tiên tiến bậc nhất, phát triển nhanh mạng lưới viễn thông nhiều quốc gia giới Thông tin quang kỹ thuật truyền tin ánh sang Tại máy phát, thơng tin dạng tín hiệu điện chuyển thành tín hiệu ánh sang phát vào đường truyền (sợi quang) Tại máy thu, tín hiệu quang biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện Về mặt nguyên tắc hệ thống thông tin quang tương tự hệ thống thông tin khác bao gồm thành phần như: Nguồn tín hiệu Thiết bị phát Mơi trường  Thiết bị thu  Nơi tín hiệu đến Các hệ thống thông tin khác phân biệt chủ yếu dựa vào môi trường truyền Đối với hệ thống thơng tin quang, mơi trường truyền sợi quang Sự phát triển hệ thống thông tin quang gắn liền với đời sợi quang Vào năm 1960 việc phát minh Laser để làm nguồn phát quang mở thời kì có ý nghĩa to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng Đây xem xuất phát điểm đời hệ thốngthông tin quang Sau năm 1960 nhà khoa học kỹ sư khắp giới bắt đầu tiếnhành hoạt động nghiên cứu phát triển Các công nghệ giảm suy hao truyền dẫn, tăng dải thông laser bán dẫn phát triển thành công Dựa công nghệ sợi quang Laser bán dẫn gửi khối lượng lớn tín hiệu âm thanh, liệu đến địa điểm cách xa hàng 100km sợi quang có độ dày sợi tóc, khơng cần đến tái tạo Hiện nay, hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh tiến hành lĩnh vực gọi photon học - Là lĩnh vực tối quan trọng tất hệ thống thơng tin quang, có khả phát hiện, xử lý, trao đổi truyền dẫn thơng tin phương tiện ánh sáng Photon học có khả ứng dụng rộng dãi lĩnh vực điện tử viễn thông kỷ 21 Page | VẬT LÝ LASER [2013] I.3 Ưu điểm Trong thông tin quang sợi quang, ưu điểm sau sợi quang sử dụng cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp băng thông lớn Thêmvào đó, chúng sử dụng để thiết lập đường truyền dẫn nhẹ mỏng (nhỏ), khơng có xuyên âm với đường sợi quang bên cạnh khơng chịu ảnh hưởng nhiễm cảm ứng sóng điện từ Trong thực tế sợi quang phương tiệntruyền dẫn thơng tin hiệu kinh tế có Trước hết, dải thơng rộng có băng thơng rộng nên truyền khối lượng thơng tin lớn tín hiệu âm thanh, liệu, tín hiệu hỗn hợp thơng qua mộ thệ thống có cự ly đến 100 Ghz-km Tương ứng cách sử dụng sợi quang, khối lượng lớn tín hiệu âm hình ảnh truyền đến địa điểm cách xa hàng 100 km mà không cần đến tái tạo Thứ hai, trọng lượng nhẹ, kích thước sợi quang nhỏ khơng có xun âm Do vậy, lắp đặt dễ dàng thành phố, tàu thủy, máy bay tịa nhà cao tầng khơng cần phải lắp thêm đường ống cống cáp Thứ ba, sợi quang chế tạo từ chất điện mơi phí dẫn nên khơng chịu ảnh hưởng can nhiễu sóng điện từ xung điện từ Vì vậy, sử dụng để truyền dẫn mà khơng có tiếng ồn Điều có nghĩa lắp đặt với cáp điện lực sử dụng mơi trường phản ứng hạt nhân Thứ tư, nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang cát chất dẻo – thứ rẻ đồng nhiều nên kinh tế cáp đồng trục nhiều Giá thành sợi quang giảm nhanh công nghệ đưa Ngoài ra, đề cập trên, đặc trưng có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầucũng giá thành bảo dưỡng sửa chữa thấp chúng cần tái tạo Ngoài ưu điểm nêu trên, sợi quang có độ an tồn, bảo mật cao, tuổi thọ dài có khả đề kháng mơi trường lớn Nó dễ bảo dưỡng, sửa chữa có độ tin cậy cao Hơn nữa, khơng bị rị rỉ tín hiệu dễ kéo dài cần chế tạo với giá thành thấp Nhờ ưu điểm này, sợi quang sử dụng cho mạng lưới điện thoại, số liệu/ máy tính, phát truyền hình (dịch vụ băng rộng) sử dụng cho ISDN, điện lực, ứng dụng y tế quân sự, thiết bị đo Page | VẬT LÝ LASER [2013] I.4 Nhược điểm Bên cạnh ưu điểm vượt trội hệ thống thơng tin quangcịn có nhược điểm sau: - Hiệu suất ghép nguồn quang vào sợi thấp - Không thể truyền mã lưỡng cực - Hàn nối sợi quang khó khăn, yêu cầu kỹ thuật cao - Nếu có khí ẩm, nước lọt vào cáp sợi quang chóng bị lão hóa, suy hao tăng lên, mối hàn quang nhanh bị hỏng Những nhược điểm phần lớn mang tính khách quan giải khoa học công nghệ Tuy nhiên với ưu điểm vượt trội t h ì h ệ t h ố n g thông tin quang ngày ứng dụng rộng rãi phát triển nhanh lợi ích thiết thực sống người II HỆ THỐNG DẪN TRUYỀN QUANG ĐIỂN HÌNH II.1 Bộ phát quang [1] Vai trò phát quang biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang đưa tín hiệu quang vào sợi quang để truyền tới phía thu II.1.1 LED (Light Emitting Diode) Về mặt bản, cấu tạo LED phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động lớp tiếp giáp pn phân cực thuận dựa vào tượng phát xạ tự phát Nhưng để đáp ứng kỹ thuật nguồn phát cần có cấu tạo phức tạp (nhiều lớp bán dẫn) Khi đặt hai lớp tiếp giáp với nhau, lớp tiếp giáp pn điện tử phần bán dẫn n khuếch tán sang phần bán dẫn p để liên kết với lỗ trống Do lớp tiếp giáp pn có hạt mang điện (vùng hiếm) Chất bán dẫn loại p thừa lỗ trống, chất bán dẫn loại n thừa điện tử hai chất bán dẫn trung hoà điện Tại vùng này, chất bán dẫn loại n mang điện tích dương điện tử, chất bán dẫn loại p mang điện tích âm nhận thêm điện tử Từ điện trường V ngăn chặn không cho hạt mang điện khuếch tán qua lại hai chất bán dẫn Khi phân cực thuận tức điện tử bán dẫn loại n vượt qua vùng tiếp giáp dịch chuyển phía cực dương nguồn điện lúc lỗ trống dịch Page | VẬT LÝ LASER [2013] chuyển phía cực âm nguồn điện, lúc làm xuất dòng điện chạy qua bán dẫn pn Trong trình dịch chuyển điện tử bắt cặp với lỗ trống chất bán dẫn p tạo thành liên kết cộng hoá trị chất bán dẫn Xét mặt lượng chuyển tiếp từ nơi có lượng cao (vùng dẫn) sang nơi có lượng thấp (vùng hoá trị) Nếu chất bán dẫn sử dụng có dải cấm lượng lượng phát dạng photon ánh sáng Cũng nguyên lý phát xạ ánh sáng diode phát quang LED  Đặc tính phổ LED Ánh sáng nguồn phát khơng phải bước sóng mà khoảng bước sóng Điều tạo thành tượng tán sắc làm hạn chế cự ly dung lượng truyền dẫn lý sau: - Các nguồn quang chế tạo từ chất bán dẫn Có điện tử nằm vùng lượng mức lượng cụ thể - Khi có nhảy mức lượng từ vùng dẫn xuống vùng hố trị tạo photon có bước sóng Có nhiều mức lượng khác vùng lượng nên có nhiều bước sóng tạo - Mức phân bố điện tử hai vùng (dẫn hố trị) khơng nhau cơng suất phát quang bước sóng khơng trùng - Phân bố mật độ điện tử vùng lượng thay đổi theo nhiệt độ làm bước sóng thay đổi theo Độ rộng phổ quang xác định khoảng bước sóng ánh sáng nguồn quang phát giảm 3dB so với cơng suất đỉnh Nó phụ thuộc vào vật liệu làm nguồn quang Page | VẬT LÝ LASER [2013] Hình 1: đặc tính phổ LED  Cấu trúc LED LED chia làm loại: planar LED, dome LED, surface LED, edge LED Hình 2: Planar LED Hình 3: Dome LED Planar LED dome LED khơng dùng cho thơng tin quang có vùng quang rộng độ định hướng khơng cao Surface LED có ánh sáng phát phía mặt LED, vùng phát xạ ánh sáng LED giới hạn vùng hẹp việc sử dụng lớp cách điện làm hạn chế vùng dẫn Vì vùng tích cực surface LED có mật Page | VẬT LÝ LASER [2013] độ dòng điện cao dẫn đến cơng suất quang lớn, cách ghép nối ánh sáng vào sợi quang cịn hạn chế (cịn có lượng ánh sáng phát vùng đặt sợi quang) Hình 4: Surface LED Edge LED loại LED có ánh sáng phía cạnh LED, cấu trúc điện cực tiếp xúc kim loại phủ kín bề mặt đáy LED Tại lớp tích cực có ánh sáng mỏng, lớp làm chất bán dẫn có chiết suất lớn kẹp hai lớp bán dẫn loại P N có chiết suất nhỏ Do ánh sáng phát lớp tích cực giữ lại lan truyền dọc ống dẫn sóng phía cạnh LED Sợi quang đặt đầu lớp tích cực để ghép ánh sáng Edge LED cho ánh sáng hẹp, góc phát quang nhỏ hiệu suất lớn Surface LED Hình 5: edge LED II.1.2 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)  Cấu tạo nguyên lý hoạt động laser Có nhiều lớp bán dẫn p, n Ánh sáng phát giữ lại lớp tích điện Page | VẬT LÝ LASER [2013] Tán xạ Rayleigh: xảy khơng đồng có kích thước nhỏ bước sóng (khoảng 1/10) sợi quang cho tia sáng bị tỏa nhiều hướng Tán xạ Mie: xảy khơng đồng có kích thước nhỏ tương bước sóng (1/10) lan truyền sợi quang chủ yếu hướng tới Hình 17: Suy hao bên sợi quang Suy hao uốn cong: phụ thuộc vào chất sợi Suy hao uốn cong gồm loại + Uốn cong vi mô: sợi bị cong nhỏ cách ngẫu nhiên, trường hợp xảy sợi bọc thành cable + Uốn cong vĩ mô: uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương đường kính sợi *Tán sắc Trong sợi quang, tần số ánh sáng khác mode khác cần thời gian khác để truyền đoạn từ A đến B Hiện tượng gọi tượng tán sắc gây nhiều ảnh hưởng khác Tán sắc gây co giãn xung dẫn truyền quang gây giao thoa ký tự, tăng lỗi bit máy thu dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn Độ tán sắc tổng cộng sợi quang, ký hiệu Dt xác định Dt = √(τo − τi ) Với τo τi độ rộng xung vào [s] Page | 22 VẬT LÝ LASER  [2013] Có loại: Tán sắc mode: xảy sợi đa mode Tán sắc sắc thể: xảy tất sợi quang tán sắc mode phân cực Tán sắc mode: Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, lượng ánh sáng phân thành nhiều mode Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nên thời gian lan truyền chúng sợi khác Chính khác thời gian lan truyền mode gây tán sắc mode + Trong sợi đa mode SI, tia sáng với vận tốc: v=c/n1 Tán sắc vật liệu: Nguyên nhân gây chênh lệch vận tốc nhóm thành phần phổ khác sợi Nó xảy vân tốc pha sóng phẳng lan truyền mơi trường điện mơi biến đổi khơng tuyến tính với bước sóng vật liệu gọi tồn tán sắc chất liệu kho đạo hàm bậc hai chiết suất theo bước sóng khác Hình 18: Ánh sáng lan truyền sợi quang bị tán sắc Tán sắc phân cực mode: Mặc dù ta gọi sợi quang đa mode thực tế ln truyền mode sóng gọi chung tên Các mode sóng điện từ phân cực tuyến tính truyền sợi quang mặt phẳng vng góc với Nếu chiết suất sợi quang không phương truyền mode trên, tượng tán sắc phân cực mode xảy Page | 23 VẬT LÝ LASER  [2013] Tóm lại: thông số tiêu chuẩn sợi quang II.3 Bộ thu quang [1] Nhận tín hiệu quang chuyển thành tính hiệu điện, xử lý khơi phục dạng tín hiệu Hiệu ứng quang ngoại: điện tử phóng thích khỏi bề mặt kim loại cách hấp thụ lượng từ luồng photon tới Hiệu ứng quang nội: trình tạo hạt mang điện tự (điện tử lỗ trống) từ mối nối bán dẫn việc hấp thụ photon tới Khi có lượng photon E = hf chiếu vào Năng lượng bị hấp thụ electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (electron dạng tự do) Và để lại vùng hóa trị lỗ trống Electron di chuyển xuống vùng lỗ trống di chuyển lên vùng Sự di chuyển tạo nên dòng chảy mạch ngồi Những thơng số linh kiện tách sóng quang  Hiệu suất lượng tử (quantum efficiency) Được định nghĩa tỉ số số lượng điện tử tạo với số photon tới Nếu  = 75%, điều tương ứng với 75 electron tạo 100 photon tới Hiệu suất lượng tử hàm bước sóng photon nói  phải kèm theo bước sóng  Đáp ứng (responsivity) Đáp ứng thông số hữu ích, cho biết đặc trưng chuyển đổi detector (tức dịng photon đơn vị cơng suất tới)  Độ nhạy (sensitivity) Page | 24 VẬT LÝ LASER [2013] Là mức công suất quang nhỏ yêu cầu đầu thu để đạt mức chất lượng cho trước Ký hiệu S, có đơn vị dBm  Dải động (dynamic range) Là khoảng cách chênh lệch mức công suất cao mức công suất thấp mà linh kiện thu nhận giới hạn định  Nhiễu (noise) - Nhiễu nhiệt: gây điện trở tải diode thu quang, trở kháng đầu vào (bộ tiền khuếch đại) - Nhiễu lượng tử: biến động ngẫu nhiên lượng photon đập vào diode thu quang - Nhiễu dịng tối: chưa có cơng suất đưa tới photodetector có lượng dịng điện nhỏ chảy mạch (dịng tối) Nó gây nhiễu tồn hệ thống cho dao động ngẫu nhiên Bộ thu quang tổ hợp tách sóng quang, tiền khuếch đại điện, phần tử xử lý tín hiệu điện Bộ tách sóng quang: thực chức chuyển đổi tín hiệu quang ngõ vào thành tín hiệu điện Bộ tiền khuếch đại: Do tín hiệu quang ngõ vào bị suy yếu đường truyền nên tín hiệu ngõ tách sóng quang cần phải khuếch đại (có nhiễu thấp) Equalizer: để cân lại băng thông yêu cầu, làm giảm bớt chồng lấp xung trải rộng xung Bộ lọc: dùng để loại bỏ bớt thành phần tần số khơng mong muốn sinh q trình xử lý tín hiệu - Các linh kiện biến đổi quang điện bán dẫn: (photodiode) Với chức biến đổi cơng suất quang vào thành dịng điện ngõ  Photodiode P-N: hoạt động chế độ dòng phân cực ngược Ánh sáng hấp thụ vùng (nếu lượng lớn) cặp điện tử-lỗ trống tạo Sự phân cực ngược tạo điện trường lớn (vùng hiếm), nhờ điện trường cặp điện tử- lỗ trống khỏi vùng tạo dòng điện (mạch ngồi) tạo điện áp Vout Cường độ dịng điện mạch ngồi tỉ lệ với cơng suất ánh sáng tới Page | 25 VẬT LÝ LASER [2013] Hình 19: Photodiode P-N  Photodiode PIN: bao gồm lớp bán dẫn P, I, N I (intrinsic) lớp bán dẫn khơng pha tạp chất (hoặc tạp chất), điện trở lớn Đóng vai trị vùng Hình 20: Cấu trúc PIN gồm ba lớp: "P-type" - "I-Intrinsic" - "N-type" Hình 21: Cấu tạo PIN Page | 26 VẬT LÝ LASER [2013] Khả thâm nhập ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp P Ánh sáng có bước sóng dài dễ thâm nhập vào bán dẫn Dòng tối sinh nhiệt tạo hạt mang điện, cịn có tên gọi dịng rỉ phân cực ngược Nếu tín hiệu quang nhỏ khơng thể phát tín hiệu dịng photon bị dịng tối lấp  Photodiode APD APD tách sóng mối nối bán dẫn, có độ lợi nội (internal gain) độ lợi nội làm tăng đáp ứng so với PN photodiode hay PIN photodiode Người ta chế tạo ADP gồm bốn lớp: P+  P N+ P+ N+ hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở hai vùng nhỏ, áp rơi nhỏ  vùng có nồng độ tạp chất gần tinh khiết Nó giống lớp I PIN Hầu tất photon bị hấp thu vùng này, tạo cặp lỗ trống - điện tử tự - Đặc tính kỹ thuật photodiode Độ nhạy: Độ nhạy ADP nhạy PIN (5dB đến 15dB) Hiệu Suất Lượng Tử: Có giá trị nhở Nhưng APD có hiệu suất lượng tử nhân lên m lần Đáp ứng: ADP có đáp ứng R cao cao đáp ứng PIN hàng trăm lần Dải động: ADP có dải động rộng PIN (PIN có dải động với hệ số xấp xỉ 100 Dòng tối: nhiễu linh kiện tách sóng quang tạo Do APD có chế nhân thác lũ nên dịng tối APD nhân lên Vì dịng nhiễu APD lớn so với PIN nhiều Độ ổn định: độ ổn định APD PIN nhiều Điện áp phân cực: áp phân cực ngược cho APD cao - Các tiền khuếch đại: Ngõ vào thu bao gồm tiền khuếch đại photodiode Tín hiệu quang biến đổi thành tín hiệu điện Bộ tiền khuếch đại có vai trị khuếch đại tín hiệu điện trước xử lý Nó bao gồm tiền khuếch đại trở kháng Page | 27 VẬT LÝ LASER [2013] thấp, cao, hồi tiếp, tốc độ cao Nhưng khuếch đại trở kháng cao hay sử dụng - Nhiễu thu quang: liên quan đến tỉ số tín hiệu nhiễu (signal to noise) Có hai chế gây nhiễu photodiode nhiễu nỗ (shot noise) nhiễu nhiệt (thermal noise) Nhiễu nỗ tổng hợp nhiễu lượng tử nhiễu dịng tối Trong nhiễu lượng tử va đập photon tạo dòng photon Dịng tối dịng sinh khơng có ánh sáng tới (dòng sinh nhiễu) Nhiễu nhiệt sinh chuyển động ngẫu nhiên electron, ln tồn nhiệt độ xác định III ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG III.1 Trong điện tử viễn thông [3, 4] Đối với hệ thống thơng tin quang, mơi trường truyền dẫn sợi quang, thực truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát đến phía thu Khi khoảng cách đường dẫn lớn cần thiết có trạm lắp (repeater), trạm lắp biến đổi tín hiệu quang thu để khuyếch đại Tín hiệu khuyếch đại biến đổi đèn tín hiệu quang để tiếp tục truyền Hệ thống thơng tin sợi quang có nhiều ưu điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin cáp kim loại: Suy hao truyền dẫn nhỏ; băng tần truyền dẫn lớn; không bị ảnh quang nhiễu điện từ; có tính bảo mật tín hiệu thơng tin; có kích thước trọng lượng nhỏ; sợi có tính chất cách điện tốt; tin cậy linh hoạt; sợi chế tạo từ vật liệu sẵn có… Từ ưu điểm mà hệ thống thông tin quang áp dụng rộng rãi mạng lưới Có thể xây dựng làm tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trường, hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống truyền dẫn số Hiện hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng nhu cầu mạng số liên kết đa dịch vụ Các hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao Sợi quang ứng dụng thơng tin số mục đích hác Sợi quang mạng lưới thông tin gồm: mạng đường trục quốc gia, đường cáp ngầm biển liên quốc gia, đường truyền số liệu, mạng truyền hình Page | 28 VẬT LÝ LASER [2013] Việc lắp đặt cáp quang đường dây phải tiến hành cách cẩn trọng theo quy trình chặt chẽ Việc kéo cáp quang đòi hỏi kỹ thuật cao dùng dụng cụ chuyên dụng ròng rọc, cáp mồi nhằm mục đích khơng làm cho cáp quang bị biến dạng (suy hao) trình truyền dẫn Ứng dụng vào mạng nột hạt: Hiện mạng nội hạt chủ yếu sử dụng vật dẫn truyền kim loại (cáp đồng), điều hạn chế cho việc triển khai dịch vụ Viễn thơng băng thơng rộng truyền hình truyền số liệu với tốc độ cao… Với việc sử dụng sợi quang, ta đáp ứng đường truyền tín hiệu, băng thơng… dịch vụ cho mạng nội hạt Và giải pháp hiệu sử dụng kỹ thuật WDM, mạng có cấu hình BUS cho phép sử dụng tối ưu sợi quang tuyến III.2 Ứng dụng sợi quang học y học Ứng dụng số tính chất quang học sợi quang để dẫn chùm tia Laser bán dẫn tượng phản xạ toàn phần nghiên cứu số đặc tính tổn hao sợi quang học Nhiều ứng dụng áp dụng rộng rãi sợi quang học phương pháp Laser nội tĩnh mạch thông qua sợi quang học để dẫn chùm tia vào nội mạch để điều trị số bệnh tim bệnh suy giãn tĩnh mạch chân thiết bị nội soi cho phép tìm dị dẫn truyền tín hiệu để hiển thị hình ảnh nội soi ứng dụng việc chẩn đoán điều trị III.2.1 Giới thiệu thiết bị Laser nội tĩnh mạch Laser nội tĩnh mạch có đặc điểm kích thích đặt nguồn phát vị trí hiệu ứng khắp thể lượng hoạt hóa lan theo dòng máu tác động lên hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu… dịch thể Một kim luồn đưa hiệu ứng lượng vào lòng mạch máu làm hồng cầu linh động hơn, vi mạch máu giãn nhanh gấp lần thuốc thông thường, tạo điều kiện phục hồi khắc phục phần lớn rối loạn Hệ thống enzyme kích hoạt cải thiện trao đổi chất, tăng cường miễn dịch, chu trình hơ hấp tế bào thúc đẩy tạo điều kiện cho tế bào thể hoạt động cách hữu hiệu nhất, tự đề kháng lại với tác nhân bệnh lý từ ngồi xâm nhập từ bên thể tạo nên, ngăn cản phần lớn gốc tự nguyên nhân phá hủy màng sinh học tế bào Cơ chế điều trị Laser nội tĩnh mạch gồm phần Page | 29 VẬT LÝ LASER  [2013] Phần thứ nhất: Gồm hiệu ứng trực tiếp lên thành phần hệ tuần hoàn bao gồm: Tim, mạch máu, máu Đối với tim: Sử dụng Laser nội tĩnh mạch có kết điều trị nhiều bệnh tim nhồi máu tim, thiếu máu tim Đối với mạch máu: Mạch máu thơng đường kính lịng mạch giãn ra, độ xơ vữa giảm đáng kể Đối với chất lượng dòng máu: Chất lượng dòng máu tăng lên rõ rệt cụ thể làm giảm kết dính tiểu cầu, hoạt hóa hệ tiêu sợi huyết, tối ưu hóa phổ lipid máu  Phần thứ hai: Khi tuần hoàn máu cải thiện dẫn đến hàng loạt hiệu ứng toàn thân như: - Điều chỉnh hệ miễn dịch đặc hiệu khơng đặc hiệu - Điều hịa hệ thống nội tiết thần kinh - Tăng cường hoạt hóa tính kháng oxy hóa - Tăng khả kết hợp oxy với hồng cầu, tăng khả vận chuyển oxy máu - Giảm kết dính hồng cầu, hoạt hóa hệ tiêu sợi huyết - Chống rung, chống loạn nhịp, điều chỉnh huyết áp Thiết bị Laser bán dẫn nội mạch Hình: Thiết bị Laser nội tĩnh mạch-Phịng thí nghiệm cơng nghệ Laser Đại Học Bách Khoa TP.HCM - Laser bán dẫn làm việc bước sóng 670nm Page | 30 VẬT LÝ LASER [2013] - Công suất phát xạ thay đổi từ đến 5mW - Tần số điều biến chùm tia thay đổi từ đến 100Hz - Bộ phận định thời phục vụ điều trị gồm phần: Phần cài đặt thời gian điều trị gồm: 5,10,15,20,25,30,35 40 phút phần đếm thời gian điều trị Cấu trúc phận nối Laser bán dẫn nội tĩnh mạch Hình: Kim luồng nội mạch Bộ phận đưa chùm tia laser bán dẫn vào nội mạch có cấu trúc đặc biệt nhằm: - Đưa toàn chùm tia Laser bán dẫn vào kim luồn nội mạch - Đầu Laser bán dẫn không tiếp xúc trực tiếp với máu từ tĩnh mạch bệnh nhân Ứng dụng điều trị số bệnh tim TS-BS Trần Công Duyệt Phạm Quang Huy cộng đề tài “Liệu pháp Laser He-Ne nội mạch kết hợp điều trị kinh điển nhồi máu tim cấp” giới thiệu sở khoa học phương pháp là: - Chống viêm theo sơ đồ chế A.A.Prokhoncnukov - Giảm độ kết dính tiểu cầu độ ngưng kết hồng cầu Giảm cholesterol, fibrinogen, số vữa xơ máu Tối ưu hóa phổ lipid máu, hoạt hóa tiêu sợi huyết, tăng heparin nội sinh - Dãn vi mạch, tăng số lượng vi mạch tính đàn hồi nó, tăng vi tuần hồn, cải thiện tính chất lưu biến máu, huyết động trung tâm ngoại vi Page | 31 VẬT LÝ LASER - [2013] Tác động đến cấu trúc màng tính thấm màng, chuyển hóa điều hịa tế bào, tới tổng hợp lượng ATP ty thể, dẫn tới việc tái sinh, phục hồi mô tổ chức liên kết cách hiệu quả, làm tốt lên kênh bơm ion qua màng - Kích thích điều chỉnh yếu tố miễn dịch đặc hiệu không đặc hiệu Ở bệnh nhân thiếu máu tim có giảm xuống rõ bước đầu hàm lượng lymphocyte T máu ngoại vi Lymphocyt T hồi phục sau liệu trình Laser He - Ne nội mạch - Tăng khả dung nạp oxy hồng cầu khả dung nạp oxy mô, tăng khả vận chuyển oxy máu - Hoạt hóa enzyme kháng oxy hóa Các enzyme Superoxyde dismutase, Catalase đảm nhận hoạt tính kháng oxy hóa (antioxidant) enzyme lại Laser He-Ne tac động hoạt hóa Hơn chúng cịn coi thụ thể sơ cấp xạ Laser Sau liệu pháp Laser nội mạch hàm lượng Alphatocopherol tăng lên Giảm hoạt độ enzyme đặc hiệu như: CPK, CPK-MB - Chống loạn nhịp điều hòa huyết áp tác động tới cấu trúc hydrat làm tăng cường hoạt tính ion quan trọng hình thành dẫn truyền điện hoạt động, đưa tới khả điều hịa thần kinh tim sức co bóp tim Vì có tác dụng chống loạn nhịp, chống rung tim III.2.2 Laser nội tĩnh mạch điều trị suy giãn tĩnh mạch chân Có nhiều phương pháp để điều trị bệnh suy giãn tĩnh mạch chân, Laser nội mạch phương pháp mới, xâm lấn, thồi gian thực điều trị nhanhgiãn tĩnh mạch nơng mạnh tính chi Phương pháp đặc biệt ý nghĩa trường hợp bệnh nhân có định phẫu thuật khơng thực yếu tố tâm lý, nguy tê tuỷ sống hay gây mê, loét chân vị trí rạch da phẫu thuật Năm 1999, Bone, người Tây Ban Nha, thực ca laser nội tĩnh mạch Năm 2000, Navarro Min người Mỹ công bố phương pháp giới Gerard áp dụng năm 2002 Pháp Từ đến nay, phương pháp thực nhiều nước giới Các bước sóng laser thực có hiệu 810nm, 940nm, 980 nm, 1470 nm Trong bước sóng sử dụng phổ biến 810nm Page | 32 VẬT LÝ LASER [2013] Các báo cáo giới hiệu laser nội tĩnh mạch điều trị bệnh suy – giãn tĩnh mạch nông chi thực khoảng thời gian khác với bước sóng khác cho thấy tỉ lệ thành cơng cao Quy trình điều trị sử dụng sợi quang học để dẫn chùm tia Laser vào tĩnh mạch hình Hình: Quy trình điều trị Laser nội tĩnh mạch Luồng ống thông nhỏ vào tĩnh mạch bị tổn thương, lượng laser áp vào mặt tĩnh mạch nhiệt khiến tĩnh mạch co rút lại Các tĩnh mạch khác tiếp tục đảm nhận lưu lượng máu bình thường chân Thủ thuật điều trị thân thiện bệnh nhân, thực sở ngoại trú Vết rạch băng lại miếng băng cá nhân.Cảm giác đau sau thủ thuật thường nhẹ xử lý tốt với thuốc giảm đau thông thường Page | 33 VẬT LÝ LASER Luồn sợi tia Laser vào tĩnh mạch [2013] Năng lượng laser khiến tĩnh mạch xep xuống Sợi tia Laser rút từ từ khiến tĩnh mạch xẹp dần Tĩnh mạch trở thành sợi xơ vơ hại Hình: Mơ q trình điều trị Nguyên lý: chuyển lượng ánh sáng laser thành nhiệt tác động lên thành mạch làm hỏng lớp áo áo gây xơ hóa tĩnh mạch III.2.3 Nội soi tiêu hoá Nội soi phương tiện hữu hiệu y học đại giúp chẩn đốn can thiệp xác Nội soi đưa thiết bị vào bên vật thể để nhìn can thiệp mục tiêu bên vật thể Sau năm 1980, phát triển mạnh mẽ Video, Camera nâng cao chất lượng hình ảnh nội soi nhiều Các loại thiết bị nội soi: nội soi cứng, nội soi mềm dùng sợi quang, nội soi mềm video, nội soi mềm có bóng, nội soi viêm nang Nội soi tiêu hoá lĩnh vực ứng dụng hiều nội soi có sử dụng sợi quang Trong thực quản, dày, tá tràng sử dụng nhiều trực tràng, đại tràng cuối ruột non Thực quản, dày, tá tràng: Nội soi để chẩn đoán bệnh viêm, loét, u, túi thừa … thực quản, dày, tá tràng cách dùng ống soi mềm có đường kính 10 mm đưa qua miệng xuống thực quản đến dày tới phần đầu tá tràng Thủ thuật thực nhanh chóng, khơng gây đau nhiều, khơng cần gây mê, khơng có hại sức Page | 34 VẬT LÝ LASER [2013] khoẻ, bệnh nhân khó chịu chút với cảm giác buồn nôn ống soi chạm vào thành họng Page | 35 VẬT LÝ LASER [2013] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Lê Quốc Cường, ThS Đỗ Văn Em, ThS Phạm Quốc Hợp, Kỹ thuật thông tin quang 1, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, Hà Nội 2009 [2]http://uet.vnu.edu.vn/tltk/Learning/File_PDF/HE_THONG_THONG_TIN.pdf, Truy cập lúc October 25th [3]http://hiendaihoa.com/Dien/Su-kien-Nhan-vat/Nganh-dien/doi-dieu-ve-capquang.html, truy cập lúc 10/11/2013 [4] Nguyễn Duy Dương, Khuếch đại quang sợi khả ứng dụng vào mạng viễn thông, Đồ án tốt nghiệp Page | 36 ... trường truyền dẫn Sợi quang sợi mảnh dẫn ánh sáng bao gồm chất điện môi suốt khác nhau, phần cho ánh sáng truyền gọi lõi sợi, phần cịn lại lớp vỏ bao quanh lõi Sợi quang cấu tạo cho ánh sáng truyền... khuếch đại: Ngõ vào thu bao gồm tiền khuếch đại photodiode Tín hiệu quang biến đổi thành tín hiệu điện Bộ tiền khuếch đại có vai trị khuếch đại tín hiệu điện trước xử lý Nó bao gồm tiền khuếch đại... rãi mạng lưới Có thể xây dựng làm tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trường, hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống