Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 2 sợi quang

NỘI DUNG CHƯƠNG 2• Cấu trúc và phân loại sợi quang • Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang • Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang • Suy hao • Tán sắc trong sợi quan

Trang 1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Fundamental of Optical Fiber Communications

Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp

Bộ môn: ộ Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 g Q g g

Trang 2

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 2

SỢI QUANG

Trang 3

NỘI DUNG CHƯƠNG 2

• Cấu trúc và phân loại sợi quang

• Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng

trong sợi quang

• Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

• Suy hao

• Tán sắc trong sợi quang

• Hiệu ứng phi tuyến

• Một số loại sợi quang mới

• Cáp sợi quang

Trang 4

Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang

• Cấu tạo sợi quang

Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:

• Lõi (core): hình trụ, bán kính a, chiết suất n1

• Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b (b>a), chiết suất n2 (n1> n2)

Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic…)

Lõi

Lớp bọc

Trang 5

• Cấu tạo sợi quang (tt)

Ngồi 2 lớp cơ bản, sợi quang cịn được bảo vệ bởi hai

lớp bên ngồi: lớp phủ (primary coating) và lớp vỏ

(secondary coating)

Lớp bọc Lớp phủ

Lớp vỏ

Lõi 10/50

Trang 6

• Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phản xạ

toàn phần qua lại mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc

» Ánh sáng có thể truyền được trong sợi quang bị uốn cong với một độ cong giới hạn (thỏa điều kiện phản xạ toàn phần)

Trang 7

Trang 8

Định nghĩa khẩu độ số: Định nghĩa khẩu độ số: NA = sin θ max

Ý nghĩa: NA biểu diễn khả năng ghép ánh sáng vào

22

21

Trang 9

• Khẩu độ số (tt)

Góc nhận ánh sáng bằng 2 θ max

θmax2×θmax

Trang 10

Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón

Vùng nhận

ánh sáng

Trang 11

 Ví dụ 1

Một sợi quang SI có chiết suất lõi n 1 = 1,50 và chiết suất lớp bọc n 2 = 1,485 Hãy xác định khẩu độ số và góc

nhận ánh sáng của sợi quang này.

nhận ánh sáng của sợi quang này

Trang 12

2

1 n n

ể

21 , 0 46

, 1 5

Theo biểu thức định nghĩa:

2 θ =

Trang 13

• Phân loại sợi 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 ợ ( ) g y , p ọ làm bằng nhựa

Trang 14

• Phân loại sợi quang (tt)

Phân loại theo dạng chiết suất của lõi:

• Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI

• Sợi quang có chiết suất giảm dần GI

• Sợi quang giảm chiết suất lớp bọc ợ q g g p ọ

• Sợi quang dịch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber)

• Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber)

Trang 15

Sợi chiết suất bậc SI (Step-Index)

a n

r

n

,

) (

Trang 16

Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần

) (

2 1

a r

n

,

, )

(

2 1

• Các tia sáng truyền theo đường cong Æ Tại sao?

Trang 17

Trang 18

Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang

• Sợi đa mode:

– Sợi SI, GI (G.651):

– (50/125μm), (62.5/125μm), (100/140μm)

• Sợi đơn mode SMF (Single-Mode Fiber)

– Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.652):

» (9/125 μm) ( μ )

» Hệ số suy hao: 0.38 dB/km (λ=1310nm) và 0.2 dB/km (λ= 1550nm)

» Hệ số tán sắc: bằng 0 tại λ=1310nm và 18ps/nm.km tại λ= 1550nm

– Sợi DSF (G.653)

• Sợi dịch tán sắc khác zero NZ-DSF (G.655)

Trang 19

Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang

• Cơ sở toán học

Toán tử curl

i i

ix y z

z y

x

i i

i A curl A

x A A A

Toán tử del

i i

ix y z

∂

∂ +

∂

∂ +

x y ∂ ∂

∂

Trang 20

• Cơ sở toán học (tt)

Tích hữu hướng của hai vector và A B

z y x

z y

x

B B B

A A A

i i

i B

Toán tử div:

z y

x B B B

A A

div = ∇ r

Suy ra: rot A = curl A = ∇ × A

Trang 21

E = Δ = ∇ ∇ − ∇ × ∇ ×

∇2

• Trong hệ tọa độ Descartes: Δ E = ix Δ Ex + iy Δ Eu + iz Δ Ez

f f

f x

f f

∂

∂ +

∂

∂ +

r r

r

E E

r

E

i r

E E

∇ +

Trang 22

H B

P

(2) (3)

( )

t

J H

P : Vectơ phân cực điện

P

Trang 23

• Đối với sợi quang độ dẫn điện bằng 0, hệ pt

Maxwell được viết lại như sau:

(1)

0 =

Trang 24

• Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z):

Trang 25

• Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z) (tt):

Giải hệ PT sóng tại biên r=a Æ nghiệm của PT Æ số mode sóng truyền trong sợi quang

Một số kết quả rút ra từ việc giải PT sóng:

• Tần số chuẩn hóa: V = (2πa/ λ).(n12 – n22)1/2 = (2π/ λ).a.NA

• Các mode sóng được gọi là các mode phân cực tuyến tính: LPlm(li l l i d d ) ới l 0 1 2 1 2 3

(linearly polarized mode) với l = 0,1,2,…; m= 1,2,3,…

• Mode LP01 được gọi là mode cơ bản

• Số lượng mode sóng phụ thuộc vào giá trị của V:

– Mode LPlm tồn tại khi V > Vclm (tần số cắt của mode LPlm)

» Điều kiện để sợi quang truyền đơn mode: V≤ 2,405

Trang 26

• Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang SI:

Trang 27

• Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt)

Trang 28

Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang)

• Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt)

Trang 29

• Các mode phân cực tuyến tính:

Sợi quang trên thực tế có độ dẫn kém, do đó các mode

Trang 30

• Các mode phân cực tuyến tính:

(a) Cấu tạo của hai mode LP11 từ hai mode tự nhiên và phân bố trường TE và cường độ của chúng

Trang 31

• Các mode phân cực tuyến tính (tt):

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

Trang 32

• Sợi quang đơn mode:

Không phải mode sóng nào cũng truyền được trong sợi

quang Mỗi mode LP nm có một tần số cắt tương ứng, ký hiệu là V cn Chỉ khi tần số chuẩn hóa V của sợi quang lớn hơn tần số cắt V cn cn thì mode thứ n đó mới truyền được y ợ trong sợi quang.

Trang 33

• Sợi quang đơn mode (tt):

Bước sóng λ c1 là một thông số quan trọng Ðó là bước

sóng ngắn nhất sợi làm việc trong vùng đơn mode.

Thật vậy, sợi quang là đơn mode khi V < V c1 = 2,405

» Nói như vậy có nghĩa là sợi đơn mode có vùng bước sóng

» Nói như vậy có nghĩa là sợi đơn mode có vùng bước sóng truyền dẫn đơn mode, song có vùng bước sóng truyền dẫn đa mode.

Trang 34

• Sợi quang đơn mode (tt):

Đường kính trường mode (MFD): trường trong sợi quang

đơn mode có xấp xỉ dạng phân bố Gaussian.

Ðường kính trường mode là tại đó biên độ trường giảm

Trang 35

• Chiết suất hiệu dụng

Chiết suất hiệu dụng n eff là tỉ số giữa vận tốc trong chân

Trang 36

1

)

( lg

10 )

(

10

) (

10 )

(

dBm P

mW

Trang 38

lg 10 )

(

2 mW P

dB A

) (

) ( dB P1 dBm P2 dBm

A ( ) = 1( ) − 2( )

Trang 39

z

P P

×

− α

10

1 10 )

( z P

Trang 40

Suy Hao

• Các nguyên nhân gây ra suy hao:

Suy hao do hấp thụ (Absorption)

• Hấp thụ tạp chất kim loại: độ suy hao phụ thuộc vào

– Loại tạp chất: Cu, Fe, Mn, …

– Bước sóng ánh sáng

α (dB/Km)

300400500600

Cu

0100200

300

FeMn

500 600 800 1000 1200 1400 1600

500 600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)

Trang 41

Suy Hao

• Hấp thụ ion OH-: độ suy hao phụ thuộc vào

– Bước sóng ánh sáng: đỉnh suy hao tại bước sóng gần 950nm,

600 800 1000 1200 1400 1600

Trang 42

Suy Hao

• Sự tự hấp thụ:

– Suy hao do bản chất của vật liệu chế tạo (thủy tinh) – Phụ thuộc bước sĩng ánh sáng: suy hao thấp nhất tại bước sĩng

1550nm đối với sợi quang bằng thủy tinh (khoảng 0.2 dB/km)

» Giới hạn hệ số suy hao tối thiểu của sợi quang

» Làm cách nào để cĩ thể chế tạo sợi quang cĩ suy hao nhỏ

hơ 0 2dB/k ( í d 0 001dB/k )?

α (dB/Km) hơn 0,2dB/km (ví dụ 0,001dB/km)?

100 10

α (dB/Km)

Hấp thụ hồng ngoại 1

0.1

0 01

Hấp thụ cực tím

0.01

600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)

Trang 43

Suy Hao

Suy hao do uốn cong

• Uốn cong (macro bend): Rcp = 30 mm ÷ 50 mm

Trang 44

Suy Hao

Suy hao do uốn cong

• Vi uốn cong (micro bend)

Trang 45

Suy Hao

Suy hao do tán xạ Rayleigh (Rayleigh Scattering)

• Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất (có kích thước của khoảng 1/10 bước sóng) sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ.

Trang 46

Suy Hao

Suy hao do tán xạ Rayleigh (tt)

truyền ngược về đầu sợi quang…)

» Gây ra suy hao cho sợi quang

» Ứng dụng trong máy đo quang dội OTDR (Optical Time Domain Reflectometer)

Trang 47

Suy Hao

• Đặc tuyến suy hao:

Tổng hợp các đặc tuyến suy hao của các nguyên nhân

gây ra suy hao khác nhau

Khác nhau tùy theo loại sợi

Dựa trên đặc tuyến suy hao này vùng bước sóng (cửa

Dựa trên đặc tuyến suy hao này, vùng bước sóng (cửa

sổ bước sóng) sử dụng được xác định

3 cửa sổ bước sóng: g

– 850nm – 1300nm – 1550nm

Trang 48

Suy Hao

• Đặc tuyến suy hao (tt):

1978

suy hao điển hình:

Trang 49

Suy Hao

• Các suy hao khác:

Suy hao do hàn nối

Suy hao do khớp nối

Trang 50

Tán Sắc Trong Sợi Quang

Trang 51

• Đơn vị:

Thường người ta chỉ quan tâm đến độ trải rộng xung

trên một Km, và có đơn vị là [ns/Km], hoặc [ps/Km].

Ngoài ra có đơn vị [ps/nm.Km] để đánh giá độ tán sắc chất liệu trên mỗi km chiều dài sợi ứng với độ rộng phổ chất liệu trên mỗi km chiều dài sợi ứng với độ rộng phổ quang là 1nm.

Trang 52

• Ảnh hưởng của tán sắc:

Trang 53

• Nguyên nhân gây ra tán sắc:

Do sự chênh lệch về thời gian truyền của các tia sáng

(các mode sóng) Æ tán sắc do đường truyền hay tán

sắc mode (modal dispersion)

Ánh sáng do nguồn quang phát ra trong một khoảng Ánh sáng do nguồn quang phát ra trong một khoảng bước sóng + vận tốc truyền pha của mỗi bước sóng lại khác nhau Æ thời gian truyền của các bước sóng khác

nhau Æ tán sắc sắc thể (chromatical dispersion)

Tán sắc phân cực mode

Trang 54

Δ

≈

C

8

Trang 55

= +

D h

» Mmat là hệ số tán sắc chất liệu; Mwg hệ số tán sắc ống dẫn sóng; M = M + M gọi là hệ số tán sắc sắc thể Các thông

λ

Δ

×

× +

= +

Trang 56

» Mmat : hệ số tán sắc chất liệu, đơn vị (ns/km.nm);

» Δλ: độ rộng phổ của nguồn quang, đơn vị (nm).

Trang 57

• Tán sắc sợi đơn mode:

Trang 58

Nếu chiết suất của sợi quang là không đồng nhất trên phương truyền của hai mode trên, hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra

Trang 59

• Tán sắc phân cực mode (tt):

L d

D PMD = PMD ×

) /

( 5 , 0 2 ,

Trang 60

Hiệu ứng Phi Tuyến

nhiên ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps và cao hơn

nhiên, ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps và cao hơn

và/hay ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các

hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng Trong các hệ

ể thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải

Trang 61

• Các loại hiệu ứng phi tuyến:

Loại thứ nhất phát sinh do tác động qua lại giữa các

sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử)

trong môi trường silica- một trong nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là tán xạ Rayleigh Hai ạ g ạ y g hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ do kích thích

Brillouin SBS và tán xạ do kích thích Raman SRS.

Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào

Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha SPM, hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM và hiệu ứng trộn bốn bước

sóng FWM Loại hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Kerr.

Trang 62

• Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến giảm đi khi

sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn.

Trang 63

Một Số Loại Sợi Quang Mới

Sợi quang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong các hệ thống hiện nay là sợi đơn mode SMF-28, G.652 Dạng phân bố chiết suất như hình (a)

Dạng phân bố chiết suất như hình (a).

Sợi quang dịch chuyển tán sắc DSF (G.653) có tán bằng không tại bước sóng gần 1550 nm, phù hợp cho hệ

thống đơn kênh Dạng phân bố chiết suất như hình (b).

Trang 64

Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ-DSF) G.655.

• Có tán sắc màu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm km hoặc là 1 đến 6

• Có tán sắc màu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm.km hoặc là -1 đến -6 ps/nm.km ở cửa sổ 1.550 nm

• Sử dụng trong hệ thống WDM

Sợi quang diện tích hiệu dụng lõi lớn LEAF

• Ảnh hưởng của sự phi tuyến có thể giảm được khi chế tạo loại sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn

• Corning (LEAF) và Lucent (TrueWave XL)

Trang 65

• Dạng phân bố chiết suất của sợi NZ-DSF (a) và LEAF (b)

Trang 66

• Phân bố năng lượng trong lõi của sợi DSF (a) và LEAF (b)

Trang 67

Các sợi quang tán sắc âm và dương

• Sợi có tán sắc màu dương được sử dụng cho các hệ thống trên đất liền, còn sợi tán sắc màu âm được sử dụng cho các hệ , ợ ợ ụ g ệ

Trang 68

Cáp Sợi Quang

• Sản xuất sợi quang:

Quá trình chế tạo sợi bao gồm hai giai đoạn chính:

• Tạo mẫu tiền chế (Preform): Mẫu tiền chế là một thanh thủy

tinh có chiết suất lõi n1, lớp bọc n2 điều chỉnh được trong quá trình chế tạo bằng cách thay đổi thành phần và nồng độ chất

h i H ói á h khá ẫ tiề hế ó hì h d ợi

phụ gia Hay nói cách khác, mẫu tiền chế có hình dạng sợi quang trong tương lai Như vậy chất lượng mẫu tiền chế quyết định độ suy hao và tán sắc của sợi quang.

• Kéo sợi (Drawing): Trong quá trình kéo sợi, nhiệt độ đốt nóng

phôi, tốc độ kéo quyết định thông số hình học và sức bền cơ học.

Trang 69

• Sản xuất sợi quang (tt):

Tạo mẫu tiền chế theo phương pháp đọng hơi hoá chất

bên ngoài OVD

Trang 70

• Sản xuất sợi quang (tt):

Sơ đồ kéo sợi tự động

kiểm tra đường kính sợi

Trang 71

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang:

Ðể bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác động do điều kiện

ngoài, sợi quang còn được bọc thêm vài lớp nữa:

• Lớp phủ, hay còn gọi là lớp vỏ thứ nhất (Primary Coating).

• Lớp vỏ thứ hai (Secondary Coating) p ( y g)

p ọ

125 µm

250 µm

Trang 72

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang (tt):

 Lớp phủ (Primary Coating) được bọc ngay trong quá

trình kéo sợi nhằm bảo vệ sợi quang:

• Chống lại sự xâm nhập của hơi nước.

• Tránh sự trầy xước gây nên những vết nứt ự y g y g

• Giảm ảnh hưởng vi uốn cong.

• Vật liệu dùng làm lớp phủ

có thể là epoxyarylate

có thể là epoxyarylate, polyurethanes,

ethylen -vinyl - acetate,

Trang 73

 Lớp vỏ (Secondary Coating, Buffer Coating,

Trang 74

• Ống đệm lỏng Hình (a) Ống đệm một sợi quang; (b) Ống đệm

nhiều sợi quang

Trang 75

• Đệm khít Hình (a) Cấu trúc đệm khít; (b) đệm tổng hợp.

Trang 76

• Dạng băng dẹp: Cấu trúc băng dẹp cũng là một dạng đệm khít

nhưng vỏ bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi Số sợi trong một nhưng vỏ bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi Số sợi trong một băng có thể là 4, 8, 12 sợi.

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	1,13 MB