Bài thuyết trình Sợi quang học

Bài thuyết trình Sợi quang học tập trung tìm hiểu về cấu tạo, phân loại và cấu trúc sợi quang; công nghệ chế tạo sợi quang và một số tồn hao; cơ chế xử lý tín hiệu quang; nguyên tắc truyền ánh sáng - ứng dụng của sợi quang.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MƠN VẬT LÝ ỨNG DỤNG SEMINAR : Nhóm thuyết trình : Hồng Lương Cường 0413028 Bùi Thị Xn Thớm 0413059 Lê Khắc Tốp 0413069 Phạm Thụy Bích Tuyền 0413160 Nguyễn Thị Ngọc Nhiên 0413098 GVHD : PGS.TS Lê Văn Hiếu  GIỚI THIỆU  CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ CẤU TRÚC SỢI QUANG  CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỢI QUANG VÀ MỘT SỐ TỒN HAO  CƠ CHẾ XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG  NGUYÊN TẮC TRUYỀN ÁNH SÁNG _ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG  CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TÁC HOẠT ĐỘNG CỦA LED, LASER I GIỚI THIỆU Tất hệ thống thông tin liên lạc trước dựa truyền xử lý thông tin dòng điện sóng điện từ vơ tuyến Khi LASER đời nghiên cứu việc truyền xử lý thông tin tia sáng bắt đầu phát triển, từ xuất khái niệm sợi quang học Từ “sợi quang” có nghĩa “sợi mảnh dẫn ánh sáng”,bao gồm hai chất điện môi suốt khác nhau(thủy tinh hay nhựa) , phần cho ánh sáng truyền gọi lõi sợi, phần lại lớp vỏ bao quanh lõi Hệ thống thông tin liên lạc sợi quang bao gồm yếu tố bản: nguồn tín hiệu, sợi quang có độ mát thấp detector Thông tin liên lạc sợi quang ngày ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm bật : an toàn truyền tin, tránh nghe trộm, tổn hao nhỏ, dải thông rộng, khả phức hợp cao, kích thước nhỏ , trọng lượng nhẹ, giá vật liệu chế tạo rẻ II CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ CẤU TRÚC SỢI QUANG y Cấu tạo: y Cladding Core  r x Fiber axis n1 Sợi quang thường có tiết diện tròn, gồm phần chính: - Phần lõi có chiết suất n1 - Phần vỏ có chiết suất n2, n2 < n1( n1 khơng đổi) Đường kính vỏ vào khoảng 0.1mm, đờng kính lõi vài m  n2 n Chiết suất lỏi lớn chiết suất vỏ để xảy tượng phản xạ toàn phần Vỏ bao bọc bên ngồi ( áo ) bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm ướt ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với loại sợi bên cạnh Sợi quang lớp bọc thứ Primary Buffer Coating Fiber Element (Core and Cladding) Strength Member Outer Jacket Phần cản bit lỏi Lớp bọc thứ hai Phân loại: Sợi quang phân loại theo nhiều cách: + Theo loại vật liệu điện mơi sử dụng : có loại - Sợi quang thủy tinh thạch anh - Sợi quang thủy tinh đa vật liệu - Sợi quang nhựa Đối với mạng lưới viễn thông sợi quang thủy tinh thạch anh sử dụng nhiều có khả cho sản phẩm có độ suy hao thấp đặt tính truyền dẫn ổn định thời gian dài + Theo mode truyền dẫn: chia làm nhóm - Sợi đơn mode (SM): cho mode lan truyền - Sợi đa mode : cho phép nhiều mode lan truyền  + Theo phân bố chiết suất khúc xạ: tạm chia thành nhóm  - Sợi quang chiết suất phân bậc (SI):chiết suất thay đổi theo bậc lõi vỏ   - Sợi quang chiết suất biến đổi (GI):chiết suất thay đổi cách từ từ (sợi quang chiết suất liên tục) Tùy vào kích thước lõi, sợi quang chiết suất bậc dẫn truyền mode gọi sợi quang đơn mode Còn truyền nhiều mode, đường kính lõi lớn ta gọi sợi quang chiết suất bậc đa mode • Trong sợi quang loại GI: sợi quang chế tạo theo cấu trúc đặc biệt để truyền tải ánh sáng nhiều mode vỏ Lõi n2 Chiết suất khúc xạ n1 Hình:ánh sáng lan truyền sợi quang GI 1: ánh sáng có mode thấp qua q trình phản xạ tồn phần vùng gần tâm lõi 2: ánh sáng có mode bậc cao qua q trình phản xạ tồn phần vùng xa tâm lõi Hướng trục n1 n Sợi quang chiết suất bậc đa mode Đối với sợi quang chiết suất liên tục, thường dẫn truyền nhiều mode gọi sợi quang chiết suất liên tục đa mode O’ O’’ 2 Sợi quang liên tục đa mode Hình:lan truyền ánh sáng loại sợi quang khác n2 n1 n 3.Cấu trúc:  Các tham số để xác định cấu trúc sợi quang:  - đường kính lõi sợi  - đường kính vỏ  - độ số NA  Chúng gọi thông số cấu trúc sợi quang Các thông số ảnh hưởng đến số đặc tính khác sợi quang :  - suy hao quang  - độ rộng băng truyền dẫn  - sức bền khí  - đấu nối sợi quang … NGUYÊN LÝ ĐIỀU BIẾN QUANG : Bức xạ diode phát quang (LED) laser diode phát vào sợi quang đóng vai trò sóng mang Muốn đưa thơng tin vào sóng mang để truyền xa phải điều biến chúng, điều biến quang This image cannot currently be displayed Điều biến quang có cách khác :điều biên, điều pha, điều tần pháp điều biên tín hiệu điều biến truyền có dạng :  Trong phương U (t )  A(t ) cos(t   ) Trong biên độ A(t) mang thông tin cách lấy giá trị “0” “1” chu kỳ bit  Trong phương pháp điều pha truyền có dạng : tín hiệu xạ U (t )  A cost  (  t ) Trong biên độ A khơng đổi, pha (t) lấy hai giá trị “0” “ “  chu kỳ bit Trong phương pháp điều tần tín hiệu xạ truyền có dạng :  U (t )  A cos(   )t    Trong biên độ A, pha giữ không đổi, tần số tăng lên  giảm xuống tương ứng với giá trị “0” “1” chu kỳ bit Điều biến trực tiếp: Sợi quang LED Xung điện Xung xạ điều biến Điều biến : Bộ điều biến Sợi quang LED Xung điện Xung xạ điều biến Các phần tử tuyến thơng tin quang Cáp sợi quang lắp cột, ống hay đặt ngầm biển HỆ THỐNG TRUYỀN QUANG THƯỜNG SỬ DỤNG 0(m) 0.87 1.312 1.55 Sợi quang Nguồn Detector Chiết suất nhảy bước đa mode LED AlGaAs p-i-n Si Chiết suất biến đổi liên Laser InGaAsP tục đa mode Chiết suất đơn mode Laser Ge APDInGaAs Hệ thống 1: sợi đa mode 0.87 m Hệ thống 2: sợi đa mode 1.33 m Hệ thống 3: sợi đơn mode 1.55 m IV.NGUYÊN TẮC TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 1, Sự Lan Truyền Sóng Theo Phương Trình Maxwell  2  n (r )   (r , t ) 2    (r , t )  c2 t 2  n ( r )   (1) Phương trình sóng là: 2 f 2 f  0 2 x v t Nghiệm phương trình là: (2) ˆ f ( x, t )  Re{ f ( k ,  )e i ( kx t ) } Khảo sát lan truyền sóng điện từ khơng gian hai môi trường đồng c v  K’’ k ’’   ’,’ v'  c  ' ' ’ K’ Ta có k sin   k ' sin  '  k ' ' sin  ' ' Vì k=k’’ , =’’ n  n'   '  ' sin  k v n '    sin  ' k ' v ' n Nếu ánh sáng từ mơi trường có chiết suất lớn (n>n’) sang mơi trường có chiết suất nhỏ thì: sin  ' n  1 sin  n ' n sin=1 tức sin’=1 hay ’=/2 n' sin=n’/n ,  gọi góc tới hạn Khi ta tăng  lên xảy hiên tượng phản xạ tồn phần ,Phương Pháp Quang Học Tia (ray optics) Trong phương pháp này, ánh sáng lan truyền theo trục x xem sóng phăng mặt (y,z) A, Điều Kiện Phản Xạ Toàn Phần : Để ánh sáng truyền sợi, phải thỏa điều kiện phản xạ tồn phần: 2 n2 n1 1 n2 0 Theo định luật khúc xa Snell: sin  n1   sin   n1 sin 1 sin 1 n0 sin 1 n2  sin  n1 2 n2 n1 1 n2 0  0nhỏ tia sang vào sợi xảy tượng khúc xạ mặt phân cách  tăng lên đạt đến góc tới hạn tượng phản xạ toàn phần bên mặt phân cách n1_ n2 n1 1  arcsin( ) n2 sin  sin 1 n0  sin 1 sin  n2 hay   arcsin( n2 / n0 ) B, Điều Kiện Giao Thoa: Để tránh triệt tiêu lượng quang giao thoa sóng tới sóng phản xạ mặt biên cũa lỏi hai sóng phải có độ lệch pha giửa hai điểm A,B phải lần 2 2 n2 A n1 B n2 2 2n1 d   2  2m 0 cos  m n1 Chiết suất lõi  Là góc dịch phan phản xạ 0 Bước sóng ánh sáng không  m ứng với mode phép Hiệu đường hai tia la: r2  r1  k C, Điều kiện biên: Aùnh sáng lan truyền liên tục phản xạ toàn phần mặt biên lõi Cho nên cường độ điện trường mặt biên phải giao thoa sóng tới sóng phản xạ Nhưng n1 gần n2 nên điện trường khơng thể mà có giá trị thấp m m d sin  m  d cos  m  m / Với m=0,1,2… nôi Light n1 n3 Light Sợi quang DFB Diode laser lọc sóng n1 Light n3 detector D, Ứng dụng: Sợi quang có nhiều ứng dụng khoa học kỷ thuật ngày Ngành thông tin liên lạc hay hệ thống bên mạng máy tính sử dụng sợi cáp quang để tăng nhanh thời gian chuyển thông tin dùng cho việc vận hành xếp tệp tin chuyển gọi điện thoại chương trình truyền hình Sợi quang dựoc dùng y học dể hiển thị hình ảnh, chẩn đốn chữa bệnh Dùng sợi quang luồn sâu vào nhiều phận bên thể người mà bác sĩ thâm nhập phương pháp khác Bằng cách phối hợp với kĩ thuật chẩn đoán khác , sợi quang giúp phân tích thành phần máu, đo tốc độ lưu chuyển máu, tính áp suất máu áp suất thẩm thấu màng tế bào, kiểm tra nồng độ tồn độc tố, hormon loại thuốc chữa bệnh bên thể nguời ... ghép nối sợi quang sợi linh kiện thu phát quang Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang xác định độ số NA Trong cách ghép nối sử dụng loại sợi có NA lớn, loại sợi GI có... cách từ từ (sợi quang chiết suất liên tục) Tùy vào kích thước lõi, sợi quang chiết suất bậc dẫn truyền mode gọi sợi quang đơn mode Còn truyền nhiều mode, đường kính lõi lớn ta gọi sợi quang chiết... mode gọi sợi quang chiết suất liên tục đa mode O’ O’’ 2 Sợi quang liên tục đa mode Hình:lan truyền ánh sáng loại sợi quang khác n2 n1 n 3.Cấu trúc:  Các tham số để xác định cấu trúc sợi quang: