Khái niệm chung về sợi quang

Chương SỢI QUANG 3.1 Khái niệm chung sợi quang & hệ thống truyền dẫn quang Ngày sợi quang sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin - đo lường điều khiển Nguyên lý phản xạ toàn phần, sở lý thuyết sợi quang nhà vật lý người Anh John Tyndall phát từ năm 1854 cho ánh sáng chiếu qua tia nước Ánh sáng bị tia nước bẻ cong quay lại nhà, kỹ sư Mỹ nhận sáng chế hệ thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn thủy tinh Tín hiệu điện tương tự số,phổ biến tín hiệu số Sơ đồ khối hình 3.1 gồm khối chính: thiết bị phát, sợi quang thiết bị thu 3.1 Sơdẫn đồ khối sợi quang Nếu cự lyHình truyền dài, tín hiệu bị suy giảm nhiều hai trạm đầu đầu, đầu cuối có thêm vài trạm chuyển tiếp có sơ đồ khối hình 3.2 Sơ đồ khối trạm chuyển tiếp Tín hiệu quang Bộ thu quang Sửa dạng Nguồn quang Tín hiệu quang Khuếch đại Hình 3,2 Sơ đồ trạm chuyển tiếp quang Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang, gọi nguồn quang có nhiệm vụ phát ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện qua Hiện nguồn quang chủ yếu đèn LED tia LASER Linh kiện thu quang biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, gọi linh kiện tách sóng quang, có nhiệm vụ ngược lại với nguồn quang tức tạo dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào So với dây kim loại, sợi quang có ưu điểm sau đây: • Suy giảm bé, cho phép kéo dài khoảng cách ch/ tiếp, • Dải thông rộng, thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao, • Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, dễ lắp đặt, • Không bị nhiễu trường điện từ, • Xuyên âm sợi quang không đáng kể, • Vật liệu chế tạo có sẵn thiên nhiên 3.2 Cơ sở lý thuyết sợi dẫn quang • Ánh sáng dùng thông tin quang vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800 nm đến 1600 nm Đặc biệt thường dùng ba bước sóng: 850, 1300 1550 nm • Khi tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 (hình 3.3) qua mặt phân giới tia sáng bị phân tách thành hai tia: tia phản xạ lại môi trường tia khúc xạ sang môi trường • Phản xạ khúc xạ ánh sáng • Định luật Snell: n1 sin θ = n sin θ - Ta nhận thấy n1 < n2 θ > θ2 tia khúc xạ gẫy phía gần pháp tuyến + Khi n1 > n2 θ < θ 2, tăng θ θ tăng + Khi θ = 90o tia khúc xạ song song với mặt phân giới + Nếu tiếp tục tăng θ không tia khúc xạ nữa, mà có tia phản xạ Hiện tượng gọi phản xạ toàn phần 3.3 Sự truyền dẫn ánh sáng sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm lõi thủy tinh có chiết suất n1, vỏ bọc thủy tinh có chiết suất n2, với n1 > n2 Ánh sáng truyền sợi quang phản xạ nhiều lần mặt tiếp xúc lõi vỏ bọc Ánh sáng truyền sợi quang có cự ly dài, sợi quang bị uốn cong với độ cong giới hạn (hình 3.4) • Truyền dẫn sợi quang Lớp bọc: n2 Lõi: n1 Lớp bọc: n2 Mặt cắt sợi quang Chiết suất Đường truyền dẫn ánh sáng sợi quang Hình 3.4 Sự truyền dẫn sợi quang 3.4 Các dạng phân bố chiết suất sợi quang Cấu trúc chung sợi quang gồm lõi thủy tinh có chiết suất lớn lớp vỏ bọc thủy tinh có chiết suất nhỏ Chiết suất lớp vỏ không đổi chiết suất lõi, nói chung thay đổi theo bán kính Ta phân ra: • Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step – Index), ánh sáng truyền lõi có vận tốc Vì n1 không đổi nên chiều dài đường truyền khác thời gian truyền khác với chiều dài sợi quang Điều dẫn đến tượng đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi quang, xung rộng Đây tượng tán sắc Step index Mặt cắt chiết suất Đường truyền quang xung vào xung • Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded – Index), Chiết suất lõi có phân bố hình parabol (hình b) Vì chiết suất lõi thay đổi liên tục nên tia sáng truyền lõi bị uốn cong dần Tia truyền dọc đường trục có đường truyền ngắn với vận tốc nhỏ chiết suất trục lớn Mặt cắt chiết suất Đường truyền xung vào xung • Sợi đơn mode SM (Single Mode) sợi có kích thước nhỏ để có sóng truyền, mode sóng trạng thái đường truyền ổn định ánh sáng sợi quang Vì có mode sóng truyền nên độ tán sắc nhiều đường truyền không Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc Single mode Sợi đơn mode mặt cắt Đường truyền xung vào xung 3.5 Cấu trúc chung cáp quang Thành phần sợi quang gồm có lõi bọc Cả hai thủy tinh có chiết suất khác Lõi để dẫn ánh sáng vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung lõi nhờ phản xạ toàn phần Để bảo vệ sợi quang tránh ảnh hưởng cơ, nhiệt bên sợi quang bọc thêm vài lớp là: * Lớp vỏ thứ chống xâm nhập nước, chống trầy xước, giảm ảnh hưởng uốn cong Lớp phủ bọc trình kéo sợi Chiết suất lớp phủ lớn chiết suất lớp bọc để phản xạ toàn phần lớp phủ lớp bọc * Lớp vỏ thứ hai nhằm tăng cường độ bền sợi quang ứng suất nhiệt Lớp thường có dạng đệm lỏng, đệm khí băng dẹt Lớp phủ nhuộm màu có vòng đánh dấu thành phần cáp quang (hình 3.6) gồm: Sợi quang, sợi bọc phủ xếp theo thứ tự định Vỏ PVC Sợi quang đổ epoxy Vỏ thép Hình 3.6 Cấu tạo sợi quang 3.6 Các thông số sợi quang Hai thông số quan trọng sợi quang độ suy giảm dải thông đường truyền 3.6.1 Độ suy giảm công suất Tương tự tín hiệu điện, công suất quang truyền sợi quang giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ : P( z ) = P( 0).10 −αz 10 • P(0): công suất đầu sợi (z = 0) • P(z): công suất cự ly z tính từ đầu sợi ∀ α: hệ số suy giảm 3.6.2 Độ suy giảm tín hiệu Độ suy giảm tín hiệu tính theo biểu thức: P1 A( dB ) = 10 lg P2 (3.6) • P1 = P(0): công suất đưa vào đầu sợi • P2 = P(L): công suất cuối sợi • Hệ số suy giảm suy giảm trung bình: A( dB ) α ( dB / km ) = L( km ) 3.6.3 Sự tán sắc • Tương tự tín hiệu điện, tín hiệu quang thường truyền qua sợi quang bị tượng méo dạng tín hiệu, làm hạn chế dải thông đường truyền Độ tán sắc tổng cộng sợi quang ký hiệu D, tính giây (s) xác định bằng: D = τ τ i (s) τ i , τ o độ rộng xung vào 3.6.4 Dải thông sợi quang Sợi quang xem hệ tuyến tính có hàm truyền: P2 ( fm) H ( fm ) = P1 ( fm) P1(fm) P2(fm) biên độ công suất quang đầu cuối sợi quang tần số điều chế fm Dải thông sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng tính theo công thức: 0,44 B = D B tính GHz D ns • 3.7 Mạng thông tin cáp quang Do nhiều ưu điểm kinh tế kỹ thuật, ngày hệ thống thông tin, đo lường, điều khiển chuyển sang sử dụng cáp quang PC I/O#4 I/O#2 I/O#1 I/O#3 Hình 3.13 Mạng thông tin điều khiển lập trình Hình 3.13 sơ đồ mạng thông tin điều khiển lập trình sử dụng dây cáp đồng trục Bộ điều khiển lập trình đưa trạm vào hoạt động theo Mọi trạm I/O nghe thông tin điều khiển lập trình trạm trả lời Giả thiết đường truyền cáp đồng trục có cố, ta muốn thay đoạn dây cố cáp quang Vậy ta sử dụng mạch lai hình 3.14, sử dụng đồng thời cáp đồng trục cáp quang • Sơ đồ mạng lai cáp đồng trục - cáp quang - I/O#2 PC I/O#4 I/O#1 I/O#3 Hình 3.14 Mạng lai cáp đồng trục – cáp quang cáp đồng trục, cáp quang PC dây dẫn PC Sợi quang I/0 # Bộ khối ghép hình I/0 # I/0 # I/0 # I/0 # I/0 # I/0 # I/0 # Hình 3.15 Mạng hình mắc xích Hình 3.16 Mạng phối ghép hình 3.8 Nguyên lý làm việc cảm biến sợi quang Bộ cảm biến sợi quang gồm khối sau: • Nguồn sáng: gồm nhiều nguồn đơn sắc, liên kết không liên kết, liên tục xung Nguồn thông dụng LED, điôt laser • Ống dẫn quang: sợi quang đơn mode đa mode, tiêu chuẩn hóa, ống dẫn sóng tích hợp đế bán dẫn, đầu nối quang • Bộ điều biến phần tử nhạy cảm với đại lượng vật lý cần đo: Tạo nên tương ứng đại lượng cần đo đại lượng đặc trưng cho ánh sáng • Bộ thu quang thường photodiot, tầng khuếch đại • Bộ giải điều nhằm khai thác thông tin đại lượng cần đo • Khối nguồn cung cấp Nhiều tượng quang học ứng dụng để đo đại lượng vật lý khác điều biến ánh sáng sợi quang Độ nhạy thiết bị đo phụ thuộc vào vật liệu sợi quang cấu trúc dụng cụ Các thiết bị đo phân thành năm loại tùy theo cách điều biến ánh sáng: cảm biến điều biên, điều pha, bị phân cực, thay đổi bước sóng, điều thời gian (biến đổi thời gian cường độ, pha, cực tính hay phổ)  ...3.1 Khái niệm chung sợi quang & hệ thống truyền dẫn quang Ngày sợi quang sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin - đo lường điều khiển Nguyên lý phản xạ toàn phần, sở lý thuyết sợi quang nhà... truyền sợi quang có cự ly dài, sợi quang bị uốn cong với độ cong giới hạn (hình 3.4) • Truyền dẫn sợi quang Lớp bọc: n2 Lõi: n1 Lớp bọc: n2 Mặt cắt sợi quang Chiết suất Đường truyền dẫn ánh sáng sợi. .. quang Chiết suất Đường truyền dẫn ánh sáng sợi quang Hình 3.4 Sự truyền dẫn sợi quang 3.4 Các dạng phân bố chiết suất sợi quang Cấu trúc chung sợi quang gồm lõi thủy tinh có chiết suất lớn lớp