thông tin về sợi quang 2

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2009 KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Biên soạn: TS LÊ QUỐC CƯỜNG THS ĐỖ VĂN VIỆT EM THS PHẠM QUỐC HỢP Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU Kỹ thuật thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi viễn thông, truyền số liệu, truyền hình cáp, … Trong chương tìm hiểu đời phát triển thông tin quang, cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang, ưu điểm nhược điểm cáp sợi quang, lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin sợi quang 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Việc thông tin liên lạc ánh sáng sớm xuất phát triển loài người người trước liên lạc với cách dấu (Hand signal) Liên lạc cách dấu dạng thông tin quang: dấu bóng tối Ban ngày, mặt trời nguồn ánh sáng cho hệ thống (hệ thống “Hand signal”) Thông tin mang từ người gởi đến người nhận dựa vào xạ mặt trời Mắt thiết bị thu thông điệp này, não xử lý thông điệp Thông tin truyền theo kiểu chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, lỗi lớn Một hệ thống quang sau đó, có đường truyền dài hơn, tín hiệu khói (Smoke signal) Thông điệp gởi cách thay đổi dạng khói phát từ lửa Mẫu khói lần mang đến phía thu ánh sáng mặt trời Hệ thống đòi hỏi phương pháp mã hóa phải đặt ra, mà người gởi người thu thông điệp phải học Điều có thể so sánh với hệ thống mã xung (pulse codes) sử dụng hệ thống số (digital system) đại Trải qua thời gian dài từ người sử dụng ánh sáng mặt trời lửa để làm thông tin liên lạc đến lịch sử thông tin quang qua bước phát triển hoàn thiện tóm tắt mốc sau đây: − Năm 1775: Paul Revere sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston kéo tới − Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo hiệu Thời tin tức truyền với tín hiệu vượt chặng đường 200 Km vòng 15 phút − Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người Anh, thực thành công thí nghiệm đáng ý ánh sáng truyền qua môi trường điện môi suốt − Năm 1870: John Tyndall chứng minh ánh sáng dẫn theo vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần − Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, phát minh hệ thống thông tin ánh sáng, hệ thống photophone Ông ta sử dụng ánh sáng mặt trời từ gương phẳng mỏng điều chế tiếng nói để mang tiếng nói Ở máy thu, ánh sáng mặt trời điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, biến đổi thông điệp thành dòng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống Hệ thống photophone chưa đạt thành công Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang thương mại, làm việc tốt hơn, nguồn nhiễu lớn làm giảm chất lượng đường truyền − Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận sáng chế hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn ông thủy tinh − Vào năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins Nariorger Kapany phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên (ánh sáng lan truyền lớp này) lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng lõi Sợi sau nhà khoa học phát triển thành Fibrescope uốn cong (một loại kính soi sợi quang), thiết bị có khả truyền hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi Tính uốn cong fiberscope cho phép ta quan sát vùng mà ta xem cách bình thường Đến nay, hệ thống fiberscope sử dụng rộng rải, đặc biệt ngành y dùng để soi bên thể người − Vào năm 1958: Charles H.Townes phát minh Laser cho phép tăng cường tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang cao − − Năm 1966: Charles K.Kao George Hockham thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommunication Anh thực nhiều thí nghiệm để chứng minh thủy tinh chế tạo suốt cách giảm tạp chất thủy tinh suy hao ánh sáng đượ giảm tối thiểu Và họ cho sợi quang chế tạo đủ tinh khiết ánh sáng truyền xa nhiều Km − Năm 1967: suy hao sợi quang báo cáo α ≈ 1000 dB/Km − Năm 1970: hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi SI có suy hao α < 20 dB/Km bước sóng λ = 633 nm − Năm 1972: loại sợi GI chế tạo với suy hao α ≈ dB/Km − Năm 1983: sợi SM (Single Mode) sản xuất Mỹ − Năm 1988: Công ty NEC thiết lập mạng đường dài có tốc độ 10 Gbit/s chiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc Laser hồi tếp phân bố − Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/Km bước sóng 1550 nm, có loại sợi đặc biệt có suy hao thấp giá trị nhiều 1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang Điện thoại Điện thoại Fax Fax E/O O/E E/O O/E Số liệu Số liệu Tivi Tivi Hình 1.1 Cấu hình hệ thống thông tin quang Hình 1.1 biểu thị cấu hình hệ thống thông tin quang Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ thiết bị đầu cuối, số liệu Fax đưa đến E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau gởi vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần dạng sóng bị rộng Khi truyền tới đầu bên sợi quang, tín hiệu đưa vào O/E để tạo lại tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng ban đầu mà máy điện thoại, số liệu Fax gởi Như vậy, cấu trúc hệ thống thông tin quang mô tả đơn giản hình 1.2, gồm: Š Bộ phát quang Š Bộ thu quang Š Môi trường truyền dẫn cáp sợi quang Tín hiệu quang Tín hiệu điện ngõ vào Tín hiệu điện ngõ E/O Bộ phát quang O/E Cáp sợi quang Bộ thu quang Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Trên hình 1.2 minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo hướng Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hướng Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng Như vậy, để thực truyền dẫn hai điểm cần có hai sợi quang Nếu cự ly thông tin dài tuyến có nhiều trạm lặp (Repeater) Cấu trúc đơn giản trạm lặp (cho hướng truyền dẫn) minh họa hình 1.4 Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản trạm lặp quang − Khối E/O: phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang, đưa tín hiệu quang lên đường truyền (sợi quang) Đó chức khối E/O phát quang Thường người ta gọi khối E/O nguồn quang Hiện linh kiện sử dụng làm nguồn quang LED LASER − Khối O/E: tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang thu nhận biến trở lại thành tín hiệu điện đầu phát Đó chức khối O/E thu quang Các linh kiện sử dụng để làm chức PIN APD, chúng thường gọi linh kiện tách sóng quang (photo-detector) − Trạm lặp: truyền sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do sợi quang có độ suy hao) Nếu cự ly thông tin dài tín hiệu quang không đến đầu thu đến đầu thu với công suất thấp đầu thu không nhận biết được, lúc ta phải sử dụng trạm lặp (hay gọi trạm tiếp vận) Chức trạm lặp thu nhận tín hiệu quang suy yếu, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối đưa tín hiệu quang lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu Như vậy, tín hiệu ngõ vào ngõ trạm lặp dạng quang, trạm lặp có khối O/E E/O 1.2.2 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang a) Ưu điểm − Suy hao thấp Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài Nếu so sánh với cáp đồng mạng, khoảng cách lớn cáp đồng khuyến cáo 100 m, cáp quang khoảng cách 2000 m Một nhược điểm cáp đồng suy hao tăng theo tần số tín hiệu Điều có nghĩa tốc độ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất giảm khoảng cách lan truyền thực tế Đối với cáp quang suy hao không thay đổi theo tần số tín hệu − Dải thông rộng Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần sợi quang lên đến hàng THz − Trọng lượng nhẹ Trọng lượng cáp quang nhỏ so với cáp đồng Một cáp quang có sợi quang nhẹ 20% đến 50% cáp Category có đôi Cáp quang có trọng lượng nhẹ nên cho phép lắp đặt dễ dàng − Kích thước nhỏ Cápsợi quang có kích thước nhỏ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp không gian lắp đặt cáp − Không bị can nhiễu sóng điện từ điện công nghiệp − Tính an toàn Vì sợi quang chất điện môi nên không dẫn điện Bảng 1.1 So sánh cáp quang cáp đồng Đặc tính Dải thông Cáp đồng Cáp quang Sợi đa mode Sợi đơn mode 100 MHz GHz > 100 GHz 100 m 2000 m 40.000 m Cự ly truyền dẫn Xuyên kênh Có Không Trọng lượng Nặng Nhẹ Kích thước Lớn Nhỏ − Tính bảo mật Sợi quang khó trích tín hiệu Vì không xạ lượng điện từ nên bị trích để lấy trộm thông tin phương tiện điện thông thường dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, khó trích lấy thông tin dạng tín hiệu quang − Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang khả dụng cho hầu hết dạng thông tin số liệu, thoại video b) Nhược điểm − Vấn đề biến đổi Điện-Quang Trước đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện phải biến đổi thành sóng ánh sáng − Dòn, dễ gẫy Sợi quang sử dụng viễn thông chế tạo từ thủy tinh nên dòn dễ gẫy Hơn kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng − Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có nhóm kỹ thuật viên có kỹ tốt thiết bị thích hợp − Vấn đề an toàn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, phương tiện phát mảnh thủy tinh thể Ngoài ra, không nhìn trực diện đầu sợi quang hay khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng hệ thống thông tin quang ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận nên điều tiết có nguồn lượng này, gây nguy hại cho mắt 1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN 1.3.1.Ứng dụng Viễn thông − Mạng đường trục quốc gia − Đường trung kế − Đường cáp thả biển liên quốc gia 1.3.2.Ứng dụng dịch vụ tổng hợp − Truyền số liệu − Truyền hình cáp Dưới minh họa vài ứng dụng sử dụng cáp sợi quang Cáp sợi quang sử dụng cho nhiều ứng dụng khác Chẳng hạn, nhiều công ty điện thoại sử dụng tuyến cáp quang để truyền thông tổng đài, qua thành phố, qua nước khác qua tuyến dài biển (xem hình 1.5) Hiện số nước có kế hoạch mở rộng cáp quang đến hộ gia đình để cung cấp dịch vụ videophone chất lượng cao Hình 1.5 Kết nối tổng đài cáp sợi quang Các công ty truyền hình cáp triển khai đường cáp quang để truyền tải tín hiệu chất lượng cao từ trung tâm đến vị trí trung chuyển phân bố xung quanh thành phố (hình 1.6) Sợi quang nâng cao chất lượng tín hiệu truyền hình làm tăng số kênh khả dụng Trong tương lai cáp quang nối trực tiếp đến hộ gia đình cung cấp nhiều dịch vụ cho người sử dụng Những dịch vụ dựa cáp quang truyền hình tương tác, giao dịch ngân hàng gia, hay làm việc từ hệ thống văn phòng gia đưa vào kế hoạch sử dụng tương lai Trung tâm phân phối Trung tâm truyền hình Trung tâm phân phối Trung tâm phân phối Cáp quang Hình 1.6 Cáp đồng trục (hiện tại), tương lai cáp quang Mạng truyền hình cáp quang Sợi quang phương tiện lý tưởng cho truyền số liệu tốc độ cao Tín hiệu không bị méo nhiễu từ môi trường xung quanh Tính cách điện sợi quang tạo giao tiếp an toàn máy tính, thiết bị đầu cuối, trạm làm việc Rất nhiều trung tâm máy tính sử dụng cáp sợi quang để cung cấp đường truyền số liệu tốc độ cao mạng LAN TÓM TẮT Với đặc tính suy hao thấp, băng thông rộng, kích thước nhỏ, nhẹ, không bị cang nhiễu sóng điện từ điện công nghiệp làm cho sợi quang sử dụng nhiều lĩnh vực lĩnh vực viễn thông: viễn thông đường dài, viễn thông quốc tế sử dụng cáp quang vượt đại dương, mạng trung kế, mạng nội hạt thuê bao; lĩnh vực công nghiệp: đường truyền tín hiệu điều khiển tự động hệ thống tự động, công nghiệp dệt; lĩnh vực y học; lĩnh vực quân Sợi quang truyền tín hiệu dạng ánh sáng nên nguồn tín hiệu điện chuyển thành ánh sáng cách sử dụng LED LASER Quá trình xử lý diễn đầu phát, gọi phát quang Tín hiệu quang ghép vào sợi truyền đến thu quang Sau đến đầu thu, tín hiệu chuyển trở lại thành tín hiệu điện thông qua linh kiện PIN APD Mặc dù sợi quang có suy hao thấp tín hiệu bị suy yếu, đôi lúc hệ thống cần lặp quang, gọi trạm tiếp vận Với tiềm băng thông nên hệ thống truyền dẫn sợi quang phát triển hệ thống truyền dẫn số đường dài, tốc độ cao từ hàng trăm Mega bit/s đến hàng Tera bit/s nhờ sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP 1.1 Trình bày cấu trúc tổng quát hệ thống thôngtin quang 1.2 Mô tả chức thành phần hệ thống thông tin quang 1.3 Nêu ưu điểm sợi quang 1.4 Nêu nhược điểm sợi quang 1.5 Trình bày ứng dụng thông tin sợi quang CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 1.6 Cấu trúc hệ thống thông tin quang bao gồm: a Máy phát, máy thu môi trường truyền dẫn b Máy phát quang, máy thu quang cáp đồng trục c Máy phát quang, máy thu quang cáp sợi quang d Cả a, b, c 1.7 1.8 Tín hiệu truyền sợi quang là: a Dòng điện b .Điện áp c Ánh sáng d .Cả a, b, c Linh kiện tách sóng quang có nhiệm vụ: a Khuếch đại ánh sáng b Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện c Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang d Sửa dạng tín hiệu quang 1.9 Nguồn quang có nhiệm vụ: a Biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang b Biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện c Khuếch đại ánh sáng d Sửa dạng tín hiệu quang 1.10 1.11 1.12 Một tuyến truyền dẫn quang cần sử dụng sợi quang? a sợi quang b sợi quang c sợi quang d sợi quang Sợi quang có ưu điểm ? a Dễ gẫy b Suy hao thấp c Băng thông hẹp d Dễ bị nhiễu Bộ E/O có chức gì? a Chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng b Chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện c Khuếch đại ánh sáng Bảng 5.1: Các thử nghiệm hệ thống WDM dung lượng lớn Số kênh N 120 132 160 82 256 273 Tốc độ bit BT (Gbit/s) 20 20 20 40 40 40 Dung lượng NBT (Tbit/s) 2,40 2,64 3,20 3,28 10,24 10,92 Khoảng cách L (km) 6200 120 1500 300 100 17 Tích NBTL [(Pb/s).km] 14,88 0,317 4,80 0,984 1,024 1,278 b) Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM Ghép kênh phân chia theo thời gian khảo sát học phần kỹ thuật ghéo kênh số TDM thường thực miền điện Theo cách này, hệ thống quang đơn kênh mang nhiều kênh TDM TDM miền điện trở nên khó khăn thực tốc độ cao Gbit/s giới hạn linh kiện điện tử tốc độ cao giải pháp OTDM đưa để tăng tốc độ bit sóng mang quang Kỹ thuật OTDM nghiên cứu năm 1990 Trong hệ thống OTDM, nhiều tín hiệu quang có tốc độ bit BT chia tần số sóng mang ghép miền quang để tạo chuỗi bit có tốc độ NB, với N số kênh Hình 5.10 mô tả cấu trúc phát OTDM dựa kỹ thuật delay-line (các sợi dây quang) Một laser tạo chuỗi xung mộ cách có chu kỳ tốc độ với tốc độ bit BT kênh Tuy nhiên, laser tạo xung có độ rộng Tp cho Tp < TB = 1/NBT để đảm bảo xung vừa với vị trí khe thời gian TB Ngõ laser chia thành N nhánh nhau, sau khuếch đại cần thiết Bộ điều chế nhánh chặn xung bit tạo N chuỗi bit độc lập tốc độ bit BT Hình 5.10: Cấu trúc phát OTDM dựa sợi dây trễ quang Ghép N chuỗi bit thực kỹ thuật làm trễ Theo sơ đồ này, chuỗi bit nhánh thứ n làm trễ lượng (n-1)/(NBT), n = 1, 2, …, N Ngõ tất nhánh tổ hợp lại để tạo tín hiệu ghép Rõ ràng rằng, chuỗi bit ghép thực theo chế có độ rộng bit tương ứng với tốc độ bit NBT Hơn nữa, N bit khoảng thời gian 1/BT N kênh khác nhau, giống TDM miền điện Toàn bộ ghép OTDM (trừ điều chế LiNbO3 chất bán dẫn) xây dựng từ sợi quang đơn mode Việc chia tổ hợp tín hiệu N nhánh thực coupler quang 1×N Các dây trễ quang chế tạo từ đoạn sợi, với độ trễ điều khiển thông qua chiều dài sợi Ví dụ: 1mm sợi tương ứng độ trễ 5ps (giả sử sợi có chiết suất 1,5) Lưu ý dây trễ có chiều dài tương đối (10cm hơn) khác chiều dài phải thật xác Đối với tín hiệu OTDM 40Gbit/s độ xác đòi hỏi 0,1ps, chiều dài dây trễ phải điều khiển khoảng 20μm Độ xác thật khó khăn thực sử dụng sợi quang Việc tách kênh từ tín hiệu OTDM sử dụng kỹ thuật quang - điện kỹ thuật toàn quang Có nhiều chế tách kênh phát triển, chế có ưu điểm nhược điểm Hình 5.11: Sơ đổ tách kênh tín hiệu OTDM dựa vào (a) Các điều chế LiNbO3 mắc liên tiếp, (b) XPM gương vòng quang phi tuyến, (c) FWM môi trường phi tuyến Hình 5.11 biểu diễn ba chế tách kênh Tất kỹ thuật tách kênh yêu cầu tín hiệu đồng hồ có tần số trùng với tốc độ kênh Tín hiệu đồng hồ dạng điện sử dụng cho chế quang - điện, tín hiệu đồng hồ phải xung quang tách sóng theo chế toàn quang Kỹ thuật quang - điện sử dụng nhiều điều chế LiNbO3 loại MZ (Mach Zehnder) mắc nói tiếp Mỗi điều chế, phân tốc độ bit bị loại bỏ (theo cách luân phiên bit tín hiệu vào) Do đó, hệ thống OTDM kênh cần điều chế, điều khiển tín hiệu xung đồng hồ dạng điện, khác điện áp 4V0, 2V0, V0 (xem hình 5.11-a); V0 điện áp cần cho độ dịch pha π nhánh giao thoa MZ Các kênh khác lựa chọn cách thay đổi pha tín hiệu đồng hồ Ưu điểm kỹ thuật sử dụng linh kiện sẵn có Tuy nhiên có nhiều nhược điểm, quan trọng bị giới hạn tốc độ điều chế Kỹ thuật quang điện yêu cầu lượng lớn linh kiện đắt tiền, số linh kiện cần điện áp hoạt động cao Kỹ thuật toàn quang sử dụng gương vòng quang phi tuyến NOLM cấu trúc vòng sợi sử dụng coupler 3dB để nối ngõ vào với ngõ (thành vòng tròn) hình 5.11-b Thiết bị gọi giao thoa Sagnac NOLM gọi gương phản xạ toàn ngõ vào hai sóng truyền ngược vòng pha với Tuy nhiên, tính đối xứng bị gẫy cách tạo lệch pha π, NOLM truyền toàn tín hiệu Hoạt động tách kênh NOLM dựa nguyên lý XPM, giống tượng phi tuyến gây nhiễu xuyên kênh hệ thống WDM Tách kênh tín hiệu OTDM NOLM hiểu sau Tín hiệu đồng hồ chuỗi xung quang có tốc độ với tốc độ bit kênh đưa vào vòng cho truyền theo chiều quay kim đồng hồ Tín hiệu OTDM vào NOLM sau chia làm hai phần truyền theo hai hướng ngược coupler 3dB.Tín hiệu đồng hồ gây dịch pha xung kênh tín hiệu OTDM XPM Trong trường hợp đơn giản nhất, thân sợi quang làm XPM Công suất tín hiệu quang chiều dài vòng chế tạo đủ lớn để tạo dịch pha π Kết kênh tách NOLM Trong trường hợp này, NOLM giống OADM hệ thống WDM Tất kênh tách lúc cách sử dụng nhiều NOLM mắc song song Tính phi tuyến sợi đủ nhanh để thiêt bị đáp ứng tầm thời gian fs (femtosecond) Cơ chế thứ ba để tách kênh OTDM (xem hình 5.11-c) sử dụng hiệu ứng phi tuyến trộn bốn sóng FWM hoạt động giống chế chuyển đổi bước sóng Tín hiệu OTDM ghép vào môi trường phi tuyến với tín hiệu đồng hồ (ở bước sóng khác) Tín hiệu đồng hồ đóng vai trò nguồn bơm để tạo FWM Trong khe thời gian mà xung đồng hồ chồng lấp với bit kênh cần tách, WFM sinh xung bước sóng Kết chuỗi xung bước sóng trùng khớp với kênh cần tách Bộ lọc quang sử dụng để lấy kênh tách khỏi tín hiệu OTDM tín hiệu đồng hồ c) Ghép kênh sóng mang phụ SCM Trong số ứng dụng mạng LAN MAN, tốc độ bit kênh phải tương đối thấp số lượng kênh lại trở nên lớn (như mạng CATV) Khái niệm ghép kênh sóng mang phụ SCM (subcarrier multiplexing) mượn từ công nghệ vi ba, sử dụng nhiều sóng mang viba để truyền nhiều kênh (ghép kênh theo tần số FDM miền điện) Băng thông tổng cộng bị giới hạn khoảng 1GHz cáp đồng trục sử dụng để truyền nhiều tín hiệu viba Tuy nhiên, tín hiệu viba truyền sợi quang băng thông tín hiệu dễ dàng vượt qua 10GHz sóng mang quang Cơ chế gọi SCM, việc ghép kênh thực cách sử dụng nhiều sóng mang phụ viba sóng mang quang Nó sử dụng công nghiệp CATV từ năm 1992 kết hợp với TDM WDM Sự kết hợp SCM WDM tăng băng thông lên đến 1THz Hình 5.12: Sơ đồ minh họa ghép kênh sóng mang phụ Nhiều sóng mang phụ viba (SC) điều chế, tín hiệu ghép miền điện sử dụng để điều chế quang phát (Tx) Hình 5.12 biểu diễn sơ đồ hệ thống quang SCM thiết kế cho bước sóng Ưu điểm SCM linh hoạt nâng cấp thành mạng băng rộng Có thể sử dụng điều chế số analog, kết hợp hai để truyền tín hiệu tiếng nói, liệu, hình ảnh cho số lượng lớn người sử dụng (user) Mỗi người sử dụng cấp sónh mang phụ, tín hiệu đa kênh phân phối cho tất khách hàng CATV Kỹ thuật SCM nghiên cứu phát triển ứng dụng thực tế cách rộng rãi Ghép kênh SCM áp dụng triển khai cho hệ thống analog, hệ thống số, hệ thống WDM [1] d) Ghép kênh phân chia theo mã CDM Ghép kênh theo mã CDM (Code-Division Multiplexing) giống kỹ thuật trải phổ hệ thống vô tuyến, nhiên hệ thống quang kênh mã theo cách trải phổ vùng rộng so với vùng tín hiệu gốc (i) Mã hoá chuỗi trực tiếp: Các linh kiện cần thiết cho hệ thống CDM mã hoá giải mã đặt phát thu Bộ mã hoá trải phổ tín hiệu vùng rộng băng thông tối thiểu cần thiết để truyền dẫn Việc trải phổ thực ý nghĩa mã, độc lập với tín hiệu Bộ giải mã sử dụng mã để nén phổ tín hiệu khôi phục liệu Mã trải phổ gọi chuỗi nhận dạng (signature sequence) Ưu điểm phương pháp trải phổ khó phá chặn tín hiệu tín tự nhiên mã.Kỹ thuật CDM đặc biệt hữu dụng bảo mật liệu quan trọng Hình 5.13: Minh họa mã hoá liệu hệ thống CDM sử dụng chuỗi nhận dạng chip Hình 5.13 Minh họa ví dụ phương pháp mã hoá chuỗi trực tiếp hệ thống OCDM (optical CDM) Mỗi bit liệu mã hoá sử dụng chuỗi nhận dạng gồm có M bit (còn gọi chip) Trong ví dụ M = Sau mã hoá, tốc độ bit (hay tốc độ chip) tăng theo hệ số M Phổ tín hiệu trải vùng rộng so với băng thông chip, rộng theo hệ số M Ví dụ, phổ tín hiệu trở nên rộng 64 lần M = 64 Hiển nhiên băng thông phổ sử dụng cho user có chuỗi nhận dạng khác Bộ mã hoá cho phương pháp mã hoá chuỗi trực tiếp sử dụng sơ đồ delay-line giống hình 5.10 hệ thống OTDM Sự khác biệt điều chế, đặt sau laser, tác động liệu lên chuỗi xung Chuỗi xung kết phân thành nhiều nhánh (bằng với số chip M), đường delay quang sử dụng để mã hoá kênh Ở thu, giải mã gồm đường delay theo thứ tự ngược lại để tạo đỉnh ngõ tương quan mã user phù hợp với chuỗi chip mà thu Các mẫu chip user khác tạo đỉnh tương quan chéo biên độ đỉnh thấp đỉnh tạo tự tương quan mẫu chip phù hợp xác Một dãy cách tử Bragg sợi, thiết kế giống stop band khác tính phản xạ, thực mã hoá giải mã (ii) Mã hoá phổ: Trải phổ thực phương pháp nhảy tần Tần số sóng mang dịch cách có chu kỳ tương ứng với mã gán trước Điểm khác biệt với WDM tần số cố định không gán cho kênh Thay vào đó, tất kênh chia sẻ toàn băng thông cách sử dụng tần số sóng mang khác thời điểm khác tương ứng với mã Tín hiệu mã phổ trình bày dạng ma trận hình 5.14 190 Hình 5.14: Nhảy tần hệ thống OCDM Ô vuông tô cho biết tần số khe thời gian khác Chuỗi nhảy tần (3, 2, 0, 5, 1, 4) Các hàng ma trận tương ứng với tần số gán cột tương ứng với khe thời gian Phần tử ma trận mij tần số ωi phát khoảng thời gian tj Các user khác gán mẫu (mã) nhảy tần khác để đảm bảo hai user không truyền tần số khe thời gian Các chuỗi mã thỏa mãn đặc tính gọi mã trực giao Hệ thống thực sử dụng mã giả trực giao (cực đại tự tương quan cực tiểu tương quan chéo) để đảm bảo BER thấp Tổng quát, BER hệ thống CDMA tương đối cao ( lớn 10-6) cải thiện cách sử dụng chế sửa lỗi FEC (forworderror correction) 5.4.3 Phân loại theo phương pháp điều chế Nếu phân loại theo phương pháp điều chế có loại hệ thống, hệ thống IM/DD (điều chế cường độ) hệ thống Coherent a) Hệ thống IM/DD: Sơ đồ khối hệ thống IM/DD (điều chế cường độ tách sóng trực tiếp) mô tả hình 5.15 Với kỹ thuật không cần phải điều chế hay giải điều chế tín hiệu điện trước chuyển đổi thành tín hiệu ánh sáng, thực dễ dàng 191 Hình 5.15: (a) Hệ thống quang analog sử dụng điều chế cường độ trực tiếp (b) Biểu diễn tín hiệu điều chế miền thời gian với sóng mang ánh sáng tín hiệu dải tín hiệu analog Dạng sóng công suất quang hàm theo thời gian Popt(t) biểu diễn hình 5.15-b có dạng: Popt(t) = Pi(1+m(t)) (5.19) với Pi công suất quang trung bình phát nguồn quang (tức công suất sóng mang chưa điều chế) m(t) tín hiệu điều chế cường độ, tỉ lệ với thông tin nguồn a(t) Đới với tín hiệu điều chế cosin: m(t) = ma.cos(ωmt) (5.20) ma hệ số điều chế, xác định tỉ số công suất đỉnh (so với giá trị trung bình) với công suất trung bình (xem hình 5.15-b) ; ωm tần số góc tín hiệu điều chế Kết hợp phương trình (5.19) (5.20), có : Popt(t) = Pi(1+macos(ωmt)) (5.21) Giả sử môi trường truyền có tán sắc không, công suất quang đến đầu thu có dạng giống phương trình (5.21) có công suất quang trung bình thu P0 Do dòng điện photon I(t) thứ cấp tạo thu sử dụng APD : I(t) =IPM(1+macos(ωmt)) (5.22) Trong IP dòng điện photon sơ cấp (được tái tạo từ sóng mang chưa điều chế): Ip= ηeP0 hf (5.23) Dòng tín hiệu bình phương trung bình từ phương trình (5.22) xác định sau: < isig2 >= ( ma MI p) (5.24) b) Hệ thống Coherent: Đối với hệ thống IM/DD, tín hiệu điều chế cường độ trực tiếp có dạng giống điều biên AM hệ thống analog điều chế OOK đối hệ thống số Tuy nhiên hệ thống Coherent, tín hiệu phát sử dụng kiểu điều chế sau: ASK, FSK, PSK, 192 PolSK Và sử dụng kiểu tách sóng Homodyne Heterodyne Các kỹ thuật điều chế tach sóng khảo sát chi tiết học phần “Thông tin quang 2” TÓM TẮT Như chương có nhìn tổng quát loại hệ thống thông tin quang Trong thông quang 1, công thức kiến thức có chương trước dành cho hệ thống bước sóng, sử dụng kiểu điều chế tách sóng IM/DD Khi thiết kế tuyến cáp quang, để ý đến quỹ công suất, định cự ly thông tin; quỹ thời gian, định cự ly tốc độc truyền dẫn CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP 5.1 Trình bày cấu trúc tuyến cáp quang điểm-điểm Trên tuyến gồm có thiết bị gì? 5.2 Tóm tắc ảnh hưởng suy hao tán sắc đến trình thiết tuyến 5.3 Khi thiết kế tuyến theo quỹ công suất, cần thu thập thông tin đại lượng gì? 5.4 Khi thiết kế tuyến theo quỹ thời gian, cần thu thập thông tin đại lượng nào? 5.5 Từ sơ đồ tổng quát hình 5.8, vẽ sơ đồ hệ thống thông quang analog 5.6 Từ sơ đồ tổng quát hình 5.8, vẽ sơ đồ hệ thống thông quang số 5.7 Tích đại lượng BTL hệ thống ghéo kênh theo bước sóng, biết hệ thống ghép 20 bước sóng, bước sóng mang tín hiệu STM-16, hệ thống dài 80Km 5.8 xác định hiệu suất phổ hệ thống câu 5.7 khoảng cách kênh 100GHz (tương đương 0,8nm 1552nm) 5.9 Trong hệ thống WDM, để tăng hiệu suất phổ có cách nào? 5.10 Xác định độ trễ sợi dây trễ sử dụng sợi quang có chiết suất 1,5 dài 20m 5.11 Hệ thống IM/DD gì? Nó có ưu nhược điểm gì? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J M Senior Optical Fiber Communications: Principles and Practice Second edition, Prentice Hall, 1993 [2] G Keiser Optical Fiber Communications Third edition, McGraw-Hill, 2000 [3] J Gowar Optical Communication Systems Second edition, Prentice-Hall, 1993 [4] G P Agrawal Fiber-Optic Communication Systems Second edition, John Wiley & Sons, 1997 [5] Max Ming – Kang Liu Principles and Applications of Optical Communications, 2001 [6] Vũ Văn San Hệ thống Thông Tin Quang, tập Nhà xuất Bưu Điện, 7-2003 [7] John G Proakis Digital Communications Third edition, McGrawHill, 1995 [8] Herbert Taub, Donald L Schilling Principles of Communications Systems McGraw-Hill, 1986 [9] Fuqin Xiong Digital Modulation Techniques Artech House–Boston–London.2000 194 Đáp án câu hỏi ĐÁP ÁN VÀ GỢI Ý TRẢ LỜI MỘT SỐ CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1.6 c 1.7 c 1.12 a 1.13 b 1.8 b 1.9 a 1.10 c 1.11 b CHƯƠNG Câu hỏi ôn tập 2.1 a 2.2 c 2.3 a 2.4 d 2.5 b 2.6 a 2.7 c 2.8 a 2.9 b 2.10 c 2.11 a 2.12 b 2.13 a 2.14 d 2.15 b 2.16 d 2.17 d 2.18 d 2.19 c 2.20 d 2.21 a 2.22 d 2.23 a 2.24 d 2.25 b Bài tập 2.1 θc = 78.5o, NA=0.30, θa = 17.4O 2.2 NA=0.21, θc = 81.9o 2.3 V=75.8, N=2873 2.4 N = 247 2.5 λc = 1.2124 μm 2.6 a = 4.95 μm 2.7 2a = 92μm 2.8 100 μW 2.9 A = 16 dB, α = dB/km, A = 29 dB, Pin/Pout = 794.3 2.10 57.5 km 2.11 703 μW 2.12 5.2 dB/km, 0.8 dB/km, 0.3 dB/km 2.13 n1 = 1.49 2.14 Δ = 0.47% 2.15 μm 34 mm 2.16 Bopt = 5MHz, dt = 6.67 ns/km, BoptL = 75 MHzkm 2.17 M = 98.1 ps.nm/km, σm = 1.9 ns/km 2.18 σm = 0.10 ns/km 2.19 2.20 σmode(SI) /L = 14.4 ns/km, σmode(GI)/L = 14.4 ps/km 195 Đáp án câu hỏi 2.21 σt = 32.4 ns/km, BoptxL = 6.2 MHz.km 2.22 13.2 MHz.km 2.23 800 ps 2.24 Δ = 0.47% 2.25 (a) 10 ns ; (b) ns CHƯƠNG 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 CHƯƠNG 4.1 (a) 33%; (b) 24,8.10-20J; (c) 21,3 nA 4.2 (a) 0,36A/W; (b) 2,78 μW; (c) 1,26.1013 photon/s 4.3 0,72 A/W 4.4 50% ; 15,9 nA 4.5 24,1 4.6 77,8 nW; 3,33.1011photon/s 4.7 -70,4 dBm 4.8 (a) 2,01 μA; (b) 3,59 nA; (c) 55,0 dB 4.9 (a) 994,7 Ω; (b) 18,19 nA; 39,3 dB 4.10 (a) 1,137kΩ; (b) 19,58 μW 4.11 40,1 dB 4.12 50,3dBm 4.13 (a) 14,2 dB; (b) -49,6dBm 4.14 23,9dB 4.15 21,9dB 4.16 a) 1400; b) -52,8dBm;c) -51,8dBm 4.17 27,9 dB 4.18 (a) 15,76km; (b) 8,26 km 4.19 b 4.20 b 4.21 4.25 d 4.26 c 4.27 4.28 4.29 4.33 4.34 4.35 4.31 196 4.32 a 4.22 b 4.23 c 4.24 4.30 d MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Giới thiệu 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 1.2.2 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN Tóm tắt Bài tập chương CHƯƠNG SỢI QUANG 10 2.1 MỘT SỐ VẤ ĐỀ CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG 10 2.1.1 Sóng điện từ 10 2.1.2 Quang hình 12 2.1.3 Lượng tử 15 2.2 MÔ TẢ QUANG HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 16 2.2.1 Cấu tạo sợi quang 16 2.2.2 Khẩu độ số 17 2.2.3 Phân loại sợi quang 19 2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 23 2.3.1 Hệ phương trình Maxwell 23 2.3.2 Phương trình sóng đặc trưng sóng EM môi trường suy hao 27 2.3.3 Phương trình sóng đặc trưng ống dẫn sóng hình chữ nhật 28 2.3.4 Phương trình sóng đặc trưng cho sợi quang 32 2.3.5 Hiểu thêm mode 33 2.4 CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG 42 2.4.1 Suy hao 43 2.4.2 Tán sắc 47 2.4.3 Các hiệu ứng phi tuyến 59 2.5 CÁC LOẠI SỢI QUANG MỚI 60 2.6 CÁP SỢI QUANG 65 2.6.1 Sản xuất sợi quang 65 2.6.2 Cấu trúc cáp sợi quang 76 Câu hỏi ôn tập chương 82 ii CHƯƠNG BỘ PHÁT QUANG 89 3.1 NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 89 3.1.1 Mức lượng 89 3.1.2 Các nguyên lý biến đổi quang điện 91 3.1.3 Vùng lượng 92 3.1.4 Nguồn quang bán dẫn 93 3.2 LED 96 3.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 96 3.2.2 Đặc tuyến P-I LED 97 3.2.3 Đặc tính phổ LED 98 3.2.4 Cấu trúc LED 99 3.3 LASER 101 3.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Laser 101 3.3.2 Hốc cộng hưởng Fabry-Perot 102 3.3.3 Độ khuếch đại quang 103 3.3.4 Đặc tính phổ Laser Fabry-Perot 104 3.3.5 Đặc tính Laser 105 3.3.6 Nhiễu Laser 109 3.4 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUỒN QUANG 111 3.4.1 Đặc tuyến P-I nguồn quang 111 3.4.2 Góc phát quang 112 3.4.3 Hiệu suất ghép quang 113 3.4.4 Độ rộng phổ 114 3.4.5 Thời gian lên 114 3.4.6 Ảnh hưởng nhiệt độ 115 3.5 CÁC NGUỒN LASER BÁN DẪN ĐƠN MODE 116 3.5.1 Laser hồi tiếp phân bố DFB 116 3.5.2 Laser phản xạ Bragg phân bố DBR 117 3.5.3 Laser bán dẫn hốc cộng hưởng ghép 117 3.6 BỘ PHÁT QUANG 119 3.6.1 Sơ đồ khối phát quang 119 3.6.2 Mạch phát điều biến cường độ trực tiếp 120 3.6.3 Bộ điều chế 123 Câu hỏi ôn tập chương 125 CHƯƠNG BỘ THU QUANG .127 4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 127 4.1.1 Nguyên lý chung 127 iii 4.1.2 Những thông số linh kiện tách sóng quang 129 4.1.3 Sơ đồ khối thu quang 134 4.1.4 Độ đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện 135 4.1.5 Thời gian đáp ứng phần tử chuyển đổi quang-điện 136 4.2 LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG - ĐIỆN BÁN DẪN 137 4.2.1 Photodiode P-N 137 4.2.2 Photodiode PIN 137 4.2.3 Photodiode APD 142 4.3 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA PHOTODIODE 144 4.3.1 Độ nhạy 144 4.3.2 Hiệu suất lượng tử 144 4.3.3 Đáp ứng 145 4.3.4 Dải động 145 4.3.5 Dòng tối 145 4.3.6 Độ ổn định 145 4.3.7 Điện áp phân cực 145 4.3.8 Tóm tắc 146 4.4 CÁC BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI 146 4.4.1 Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp 146 4.4.2 Bộ tiền khuếch đại trở kháng cao 146 4.4.3 Bộ tiền khuếch đại hồi tiếp 147 4.5 NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG 148 4.5.1 Nhiễu nỗ 148 4.5.2 Nhiễu nhiệt 149 4.5.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu 149 4.5.4 Công suất nhiễu tương đượng 150 4.5.5 Một sốví dụ 150 4.6 CÁC THAM SỐ TRONG BỘ THU QUANG 153 4.6.1 Tỉ số lỗi bit BER 153 4.6.2 Mối quan hệ BER SNR 155 4.6.3 Hàm xác suất lỗi 155 4.6.4 Độ nhạy thu 159 4.6.5 Một số ví dụ 161 4.7 MỘT SỐ VẤ ĐỀ KHÁC TRONG THIẾT KẾ BỘ THU 163 4.7.1 Bộ lọc 163 4.7.2 Mạch định 165 Tóm tắt 166 Câu hỏi ôn tập tập chương 166 iv CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 171 5.1 CÁC KIẾN TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 171 5.1.1 Tuyếnđiểm nối điểm 171 5.1.2 Mạng quảng bá phân bố 172 5.1.3 Mạng cục LAN 174 5.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 176 5.2.1 Ảnh hưởng suy hao 176 5.2.2 Ảnh hưởng tán sắc 177 5.2.3 Quỹ công suất 178 5.2.4 Quỹ thời gian lên 178 5.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 180 5.3.1 Nhiễu mode 180 5.3.2 Dãn xung tán sắc 182 5.3.3 Nhiễu phân chia mode 182 5.3.4 Nhiễu phản xạ 183 5.4 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 183 5.4.1 Phân chia hệ thống theo dạng tín hiệu 183 5.4.2 Phân loại theo chuẩn ghép kênh 185 5.4.3 Phân loại theo phương pháp điều chế 192 Câu hỏi ôn tập tập chương 194 v [...]... khơng như sợi quang thì các phương trình Maxwell được viết lại như sau: ∇ D = 0 (2. 25) ∇ B = 0 (2. 26) ∇ ⋅ E= − ∇ ⋅ H = ∂B ∂t ∂D ∂t (2. 27) (2. 28) Thay thế D và B từ các phương trình (2. 22) và (2. 23) là lấy curl các phương trình (2. 27) và (2. 28) ta có: 2 ∇ ⋅ (∇ E) = − ⋅ ∑ ∂ E 2 ∂t ∇ ⋅ (∇ ⋅ H) − = ∑ ∂ H ∂t (2. 29) 2 (2. 30) 2 Áp dụng định lý định lý divergence cho các phương trình (2. 25) và (2. 26) với tính... với n= (n1+n2) /2 (2. 8) Hình 2. 6 Khẩu độ số sợi quang Ví dụ 1: Một sợi quang SI có: n1 = 1,50 n2 = 1,485 Tính khẩu độ số của sợi quang này Giải : Áp dụng cơng thức (2. 8), ta có NA = sinmax = 2 1,50 − 2 1,485 n2 − n2 =1 2 ≈ 0 ,21 Suy ra max ≈ 12 Từ đây suy ra góc tiếp nhận ánh sáng 2 max = 2 12 = 24 ° Ví dụ 2: Một sợi quang SI có:NA = 0, 12 n2 = 1,450 Tính chiết suất lớp bọc của sợi quang này Giải... lõi sợi quang chỉ đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi quang nhỏ hơn max Khẩu độ số của sợi quang được định nghĩa: NA = sinmax (2. 7) Ðối với sợi SI ta tính được: NA = sin  max = n2 12 − n = n1 2 2 Với: n1: chiết suất lõi sợi quang; n2: chiết suất lớp bọc sợi quang; n 2 2− n ⊗= 1 2n 2 2 1 : độ chênh lệch chiết suất tương đối Có thể tính ⊗ đơn giản hơn như sau [3]: ⊗= (n1-n2)/n với n= (n1+n2) /2. .. Áp dụng cơng thức (2. 8), ta có n2 2 − n = 0, 12 NA = sinmax = 1 Suy ra : 2 2 2 Ta tính được n1 = 0,1455 n1 − n 2 = 0,144 Khẩu độ số cho ta biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang Ðây là thơng số cơ bản ảnh hưởng đến hiệu suất ghép ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang 2. 2.3 Phân loại sợi quang 2. 2.3.1 Sự phân bố chiết suất trong sợi quang Chiết suất của lớp bọc khơng đổi và bằng n2 Chiết suất của lõi... chiết suất của sợi quang, g ≥ 1 g = 1: dạng tam giác g = 2: dạng parabol g = ∞: dạng bậc thang 2. 2.3 .2 Sợi chiết suất bậc SI (Step-Index) Sợi SI là sợi đơn giản nhất Có dạng phân bố chiết suất như sau: n  1 n=   n  2 r≤ a (2. 10) a≤ r≤ b n1 n2 b a 0 a b r Hình 2. 7 Dạng phân bố chiết trong lõi sợi SI Ánh sáng đi trong sợi SI như hình 2. 8 Hình 2. 8 Minh họa ánh sáng đi trong sợi SI 2. 2.3.3 Sợi chiết suất... bán kính lõi sợiquang : bước sóng làm việc 2 k=  (2. 13) NA: khẩu độ số của sợi quang − Một cách tổng qt, số mode sóng truyền được trong sợi quang được xác định gần đúng như sau: V2 N≈ 2 ⋅ g g +2 (2. 14) Với g là số mũ trong hàm chiết suất Từ đó suy ra: Số mode truyền được trong sợi SI: N≈ V2 2 (g → ∝) (2. 15) Số mode truyền được trong sợi GI: N≈ − V 2 4 (g → 2) Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ... diễn bằng hệ tọa độ trụ (r,,z) , biến đổi Laplace có dạng: ∂  ∂  ∂  ∇  = + + 2 2 2 ∂x ∂y ∂z (2. 36) 2 ∂ 1 ∂ 2 1 ∂ 2 ∂  ∇  = + 2 + 2 + 2 r ∂r ∂r r ∂ 2 ∂z (2. 37) 2 2 2 2 hay 2 tương ứng Lời giải cơ bản cho phương trình sóng này là sóng sin, dạng quan trọng nhất của nó là sóng phẳng đồng dạng:  = 0 expj(t-k.r) (2. 38) Với  là tần số góc, t là thời gian, k là vectơ lan truyền cho biết hướng lan... g = 2)    n 1  r  2      −⊗ a  1     n( r ) =    n   2 r a ≤  (2. 11) a≤ r≤ b n1 n2 b a 0 a b r Hình 2. 9 Dạng phân bố chiết trong lõi sợi GI Ánh sáng đi trong sợi GI như hình 2. 10 Hình 2. 10 Minh họa ánh sáng đi trong sợi SI 2. 2.3.4 Sợi đa mode (Multi-Mode), sợi đơn mode (Single-Mode) a) Khái niệm mode Một mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang. .. lớp bọc: D = 125 m Gọi là sợi đa mode 50/ 125 m Chiết suất lõi: n1 = 1,47 ( = 1300 nm) Khẩu độ số: − NA = 0 .2 ÷ 0 .29 Ánh sáng đi trong sợi đa mode: (2. 16) (a) Sợi SI (b) Sợi GI Hình 2. 11 Ánh sáng đi trong sợi đa mode c) Sợi đơn mode − Sợi đơn mode là sợi trong đó chỉ có một mode sóng cơ bản lan truyền − Theo lý thuyết [2] , điều kiện để sợi làm viện ở chế độ đơn mode là thừa số sóng V của sợi tại bước... ⋅ ( ∇ ⋅ Y ) ∇ ( ∇ Y ) − ∇ 2 ( Y ) = ta thu được các phương trình sóng khơng tán sắc: 2 E ∇ E = ∑ ∂ 2 ∂t 2 (2. 31) 2 ∂ H 2 ∂t ∇ ⋅ (∇ H ) − = ∑ (2. 32) Với ∇ 2 là tốn tử Laplace Đối với hệ tọa độ vng góc Cartersian và trụ, các phương trình sóng nói trên chứa các các thành phần của vectơ trường, mỗi thành phần thõa mãn phương trình sóng vơ hướng: 1 ∂  ∇  = 2 vp ∂ t 2 2 2 (2. 33) Với  biểu diễn thành