Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 2 sợi quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀ I GIẢ NG BÀ I GIẢ NG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp B ộ môn: Thôn g Tin Q uan g –Khoa Vi ễ n thôn g 2 ộ gQg g Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 2 S Ợ I QUANG S Ợ I QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 2 • Cấu trúc và phân loại sợi quang • Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng tron g sợi quan g • 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 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 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 n 1 • Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b (b>a), chiết suất n 2 (n 1 > n 2 )  Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic…) Lõi Lớp bọc www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4 Cu Trỳc V Phõn Loi Si Quang Cu to si quang (tt) Ngoi 2 lp c bn, si quang cũn c bo v bi hai l bờ i l h (i i )l l p bờ n ngo i : l p p h ( pr i mary coat i ng ) v l p v (secondary coating) Lụự p bo ù c Lụự p p huỷ Lụự p voỷ Loừi 10/50 pù 125 um pp 250 um p 900 um 10/50 um www.ptit.edu.vn GING VIấN: VN VIT EM - PHM QUC HP B MễN: THễNG TIN QUANG KHOA VIN THễNG 2 Trang 5 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Ánh sáng lan truyền trong sợi quang  Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phản xạ àhầ l i ặ iế iá iữ lõi à lớ b to à n p hầ n qua l ạ i m ặ t t iế p g iá p g iữ a lõi v à lớ p b ọc » 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) n 1 n 2 n a b 0 θ θ θ’ θ > θ c θ > θ’> θ c a b www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số  Điều kiện để một tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với ó ới óhể ề đ lõi i? g ó c t ới φ c ó t hể truy ề n đ ược trong lõi sợ i quang ? φ 1 =φ c θ 1 =θ c > θ 2 θ 3 > < φ 2 φ 3 < θ 1 φ θ 3 θ 2 φ 3 3 Lõi (n 1 ) Lớp bọc (n 2 ) φ 1 1 α = 90 o - θ c φ 2 1 2 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 7 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt)  Kết luận: Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những iá óóới ở đầ ihỏ h ó ớih t i a s á ng c ó g ó c t ới ở đầ u sợ i quang n hỏ h ơn g ó c t ới h ạn φ max.  Định nghĩakhẩu độ số: max sin θ = NA Định nghĩa khẩu độ số:  Ý n g hĩa: NA biểu diễn khả năn g g hé p ánh sán g vào max g gg p g trong sợi quang.  Công thức xác định NA: 22 121 2NA n n n = −= Δ độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc 2 1 2 2 2 1 2n nn − =Δ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 8 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt)  Góc nhận ánh sáng bằng max 2 θ θ max 2×θ max www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 9 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt)  Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón Vùng nhận ánh sáng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 10 [...]... tiến loại hai) – u2 = 21 - 2 với β1= ω(ε1μ1)1 /2 = ω n1/c – w2 = 2 - 22 với 2= ω( 2 2) 1 /2 = ω n2/c www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 24 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z) (tt): Giải hệ PT sóng tại biên r=a nghiệm của PT mode sóng truyền trong sợi quang Một số kết... QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 17 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang • Sợi đa mode: – Sợi SI, GI (G.651): – (50/ 125 μm), ( 62. 5/ 125 μm), (100/140μm) • Sợi đơn mode SMF (Single-Mode Fiber) – Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.6 52) : » (9/ 125 μm) ( μ ) » Hệ số suy hao: 0.38 dB/km (λ=1310nm) và 0 .2 dB/km (λ= 1550nm)... n1 − n2 Thế giá trị các đại lượng vào ta được kết quả: NA = 1, 52 − 1,46 2 = 0 ,21 A i Theo biểu thức định nghĩa: NA = sin θ max ể Suy ra: θ max = 12 0 www.ptit.edu.vn Hay góc nhận ánh sáng: 2 max = 24 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 12 0 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang Phân loại theo vật liệu chế tạo: • Sợi thủy tinh... Tại sao? GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 16 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) 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 Giam chiết suất lớp boc Giảm chiet suat lơp bọc www.ptit.edu.vn Sợi Sơi dòch tan sac DSF tán sắc a1 a3 a2 a3 0 a1 a2 a4 Sợi Sơi san bang tan sac DFF bằng tán sắc GIẢNG VIÊN:... Trong Sợi Quang • Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 27 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang) • Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 28 ... Điều kiện để sợi quang truyền đơn mode: V≤ 2, 405 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 25 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang Cơng suất trong lõi g • Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang SI: www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 26 Truyền Sóng... (3) (4) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 23 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z): Phương trình sóng: 2 E 1 2 E 1 2 E + + 2 + (ω 2 μ − β 2 ) E = 0 μ 2 2 ∂r r ∂r r ∂φ Nghiệm phương trình sóng: E ( r ≤ a ) = A1 J ( ur ) cos k φ E ( r ≥ a ) = A2 K ( w r ) cos k φ – với A1, A2: hằng... • • • • • Vc1 Vc2 Vc3 Vc4 Vc5 = = = = = www.ptit.edu.vn 2, 405 2 405 3,8 32 5,138 5, 520 6,380 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 32 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Sợi quang đơn mode (tt): Bước sóng λc1 là một thơng số quan trọng Ðó là bước sóng ngắn nhất sợi làm việc trong vùng đ mode ó ắ hấ i là iệ ù đơn d Thật vậy, sợi quang là đơn mode... Tốn tử Laplace: ∇ 2 được gọi là tốn tử Laplace, được ký hiệu Δ ( ) ∇ 2 E = ΔE = ∇ ∇E − ∇ × ∇ × E • Trong hệ tọa độ Descartes: Δ E = i x ΔE x + i y ΔE u + i z ΔE z Và đối với hàm vơ hướng 2 f 2 f 2 f Δf = + + ∂x ∂y ∂z • Trong hệ tọa độ trụ ⎛ 2 ⎛ 2 2 ∂Eϕ E r ⎞ 2 ∂E r Eϕ ⎞ − 2 ⎟i r + ⎜ ∇ Eϕ + 2 − 2 ⎟iϕ + ∇ 2 E z i z ∇ E = ⎜ ∇ Er − 2 × ⎜ ⎜ ∂ϕ r r ⎟ r ∂ϕ r ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 2 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN... Sợi ợ Sợi Sợi quang quang q quang g quang quang www.ptit.edu.vn có chiết suất nhảy bậc SI có chiết suất giảm dần GI giảm chiết suất lớp bọc g p ọ dịch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber) san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 14 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) Sợi chiết . VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 12 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang  Phân loại theo vật liệu chế tạo: • Sợi thủy tinh (All-glass. thẳng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 15 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt)  Sợi GI: sợi quang có chiết. g trong sợi quang.  Công thức xác định NA: 22 121 2NA n n n = −= Δ độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc 2 1 2 2 2 1 2n nn − =Δ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM