Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG 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  Aùnh sáng có thể truyền được tron

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

trong sợi quang

CƠ SỞ QUANG HỌC

 Aùnh sáng có hai tính chất:

Tính chất sóng: ánh sáng là sóng điện từTính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có năng lượng E

1, 24

m

Trong đó, f: tần số (Hz) : bước sóng (m)

E: năng lượng photon (eV) c: vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.1

0 8 m/s

CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)

 Phổ sóng điện từ

f (Hz)

+ EHF

Vùng hồng ngoại Vùng cực tím

Tia X Tia

1,0 m

1,1 m

1,2 m

1,3 m

1,4 m

1,5 m

1,6 m

0,8 m

0,9 m

0,6 m

0,7 m

0,4 m

0,5 m

1550 nm

850 n m

1300 nm

Vùng ánh sáng khả kiến Ánh sáng dùng trong thông tin quang

CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)

Các băng sóng vô tuyến

F: Frequency L: Low M: Middle H: High

CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)

 Aùnh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm

(tím) đến 780nm (đỏ)

 Aùnh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại (near-infrared) (800nm- 1600nm)  không thấy được

 3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được sử

dụng trong thông tin quang: 850 nm, 1300 nm và

1550 nm

CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)

 Chiết suất của môi trường: n = c/v

- c:vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s

- v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét, v c

 Sự phản xạ và khúc xạ:

Tia khúc xạ

1 ’

CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)

Tia tới, tia phản xạ và tia khúc xạ cùng nằm trên một mặt phẳng

Góc phản xạ bằng góc tới: 1= 1’

Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell:

n1sin 1= n2 sin 2

2

1

môi trường 2

n 2

môi trường 1

Tia khúc xạ

Tia phản xạ

CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)

 Sự phản xạ toàn phần:

Trường hợp n 1 >n 2, khi góc tới 1 lớn hơn góc tới hạn c

thì không có tia khúc xạ, tia tới phản xạ hoàn toàn về môi trường tryền

2 = 90 ( 1 = c )

c

n 2

n 1

Tia tới hạn

Tia khúc xạ

Tia phản xạ

2 < 90

( 1 > c )

(n 1 >n 2 )

( 1 < c )

CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)

Từ công thức Snell: c = arcsin(n 2 /n 1 )

Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần (pxtp)?

n 1 >n 2

1 > c = arcsin(n 2 /n 1 )

Khi xảy ra hiện tượng pxtp, năng lượng ánh sáng được bảo toàn theo hướng truyền

 Ứùng dụng trong chế tạo sợi quang và truyền ánh sáng

qua sợi quang

CẤU TẠO SỢI QUANG

 Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:

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…)

 Ngoài 2 lớp cơ bản, sợi quang còn được bảo vệ bởi hai lớp bên ngoài: lớp phủ (primary coating) và lớp vỏ (secondary coating)

n 1

n 2 n a

a b

0

lớp bọc (n 2 )

CẤU TẠO SỢI QUANG

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG

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

 Aùnh 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

a b

> c > ’>

c

 Khi góc tới nhỏ, ánh sáng bị khúc xạ khi đi

qua mặt phân cách giữa 2 môi trường.

 Vì n2 > n1 nên tia khúc xạ bị bẻ cong xuống.

n1 N2<n1

Tia khúc xạ

Tia tới

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG

TRONG SỢI QUANG

 Khi tăng góc tới góc khúc xạ tăng theo, đến

góc tới giới hạn tia khúc xạ sẽ song song với mặt phân cách.

n1 N2<n1

Tia khúc xạ

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG

TRONG SỢI QUANG

 Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn, hiện tượng

phản xạ toàn phần xảy ra

 Đây là nguyên lý truyền dẫn của sợi quang.

n1 N2<n1

Tia khúc xạ

Tia phản xạ Tia tới

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG

TRONG SỢI QUANG

Thủy tinh n = 1.5

Không khí n = 1.0

Aùnh sáng tại góc này bị khúc xạ

Aùnh sáng tại góc này bị phản xạ toàn phần

1 = 2

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG

TRONG SỢI QUANG

The Acceptance Cone

KHẨU ĐỘ SỐ NA (NUMERICAL APERTURE)

3

Lớp bọc (n 2 )

1 1

KHẨU ĐỘ SỐ NA (NUMERICAL APERTURE)

 Kết luận:

Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi quang nhỏ hơn góc tới hạn

max

sin max được gọi là khẩu độ số NA của sợi quang

NA biểu diễn khả năng ghép ánh sáng vào trong sợi quang:

NA lớn  hiệu suất ghép ánh sáng lớn

NA lớn  nhiều mode sóng  tán sắc mode

TÁN SẮC MODE (MODAL DISPERSION)

 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (Step-Index Fiber)

 Các tia sáng có quãng đường truyền khác nhau: s1< s2< s3

Tia song song với trục ( 1= 0 ) có quảng đường truyền ngắn nhất

Góc tới càng lớn ( lớn) quảng đường truyền càng dài

 Vận tốc truyền giữa các tia sáng bằng nhau: vi = v =c/n1

 Thời gian truyền của các tia sáng khác nhau: ti=si/v

n 1

n 2 n a

TÁN SẮC MODE (MODAL DISPERSION)

 Định nghĩa: Tán sắc là hiện tượng khi cho một

xung ánh sáng hẹp chiếu vào đầu sợi quang thì thu được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi quang

 Aûnh hưởng của tán sắc:

Tín hiệu tượng tự: méo dạng tín hiệuTín hiệu số: chồng lấp giữa các bit

 hạn chế dung lượng và cự ly truyền của tuyến quang

TÁN SẮC MODE (MODAL DISPERSION)

 Một tia sáng được xem như một mode sóng  tán sắc mode

 Nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc trên?

Có nhiều tia sáng truyền trong sợi quang với quãng đuờng truyền khác nhau

Vận tốc truyền bằng nhau  thời gian truyền khác nhau  t

 Làm cách nào để hạn chế tán sắc?

Chỉ cho một tia sáng (mode sóng) truyền đi trong sợi quang  sợi

quang đơn mode SMF (Single Mode Fiber)

Giảm t giữa các tia sáng  sợi quang có chiết suất giảm dần GI

(Graded Index fiber)

PHÂN LOẠI SỢI QUANG

 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 Sợi quang dịch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber) Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber)

PHÂN LOẠI SỢI QUANG

 Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang

Sợi đa mode:

Sợi SI, GI (G.651):

(50/125 m), (62.5/125 m), (100/140 m)

Sợi đơn mode SMF (Single-Mode Fiber)

Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.652):

Sợi DSF (G.653) Sợi dịch tán sắc khác zero NZ-DSF (G.655)

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 làm bằng nhựa

PHÂN LOẠI SỢI QUANG

- Chiết suất / NA =0,2% -1,3%; n 1 =1,46; n 2 =1,40 NA= 0.54

- Suy hao cực tiểu 0,2dB/km ( =1550nm) 8dB/km ( =900nm) 55dB/km ( =570nm)

- Tán sắc cực tiểu d mat =0 ( =1300nm) 200 ns/km Rất lớn

- Tốc độ bit Hàng Gb/s

Băng thông Cự ly truyền

B L = 5 (Mbit/s km) Vài trăm Mbit/s

Ưu khuyết điểm

- Chất lượng tốt nhất

- Giá thành đắt

- Hàn nối khó  cần thiết

bị chuyên dụng

Chất lượng và giá thành nằm giữa sợi thuỷ tinh và sợi plastic

- Chất lượng thấp

- Giá thành rẻ

- Hàn nối dễ

- Truyền dẫn thông tin - Tự động hoá

Cấu trúc sợi quang

Cấu trúc sợi quang

n2

n1 > n2

Sợi quang đa mode - chiết suất nhẩy bậc.

 Trong loại sợi quang này, ánh sáng truyền

theo nhiều mode khác nhau với quãng đường khác nhau nhưng có vận tốc bằng nhau.

Multimode fiber

loại sợi quang này có tốc độ bit truyền

dẫn khá thấp.

Cấu trúc sợi quang

Sợi quang đa mode - chiết suất liên tục.

 Trong loại sợi quang này, ánh sáng truyền theo

nhiều mode khác nhau với quãng đường khác nhau

nhưng có vận tốc thay đổi tỷ lệ thuận với quãng

đường

Gradient-Index (GI) Fiber

 Vì vậy thời gian đến đích như nhau -> loại sợi quang

SỢI QUANG GI (Graded-Index Fiber)

 Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần

 Chiết suất lõi sợi quang có dạng hình parabol

n 1

n 2 n(r) a

SỢI QUANG GI (C/S LIÊN TỤC)

(Graded-Index Fiber)

 Các tia sáng có quãng đường truyền khác nhau: s1< s2< s3

 Vận tốc truyền giữa các tia sáng khác nhau: v1< v2< v3

Càng ra xa trục vận tốc truyền càng lớn

 Thời gian truyền của các tia sáng khác nhau: ti=si/vi

 t = t – t nhỏ

n 1

n 2 n(r) a

SỢI QUANG GI (Graded-Index Fiber)

 Sợi GI có tán sắc mode nhỏ hơn nhiều so với sợi quang SI

 Tán sắc mode đơn vị dmode (ns/km) của sợi SI và GI:

 SI và GI: sợi quang đa mode: dmode 0  Hạn chế cự ly

và tốc độ bit truyền

 Sợi quang đơn mode SMF: dmode = 0

c

2 1

mod

8

e GI

n d

c

SỢI QUANG ĐƠN MODE

Sợi quang đơn mode.

 Trong loại sợi quang này có lõi rất bé, ánh sáng

truyền theo 1 mode nên không có hiện tượng đến

đích không đều

SỢI QUANG ĐƠN MODE

n

r

1.465 1.460

 Loại sợi quang này có tốc độ bit truyền dẫn là cao

nhất

PHÂN LOẠI SỢI QUANG

n 1

n 2 n(r)

a a b

r

n 1

n 2 n(r) a

a b

b 0

r

r

n 1

n 2 n(r) a

a b

b 0

r r

Bộ điều chế (Biến đổi điện – quang)

 Bộ điều chế có chức năng biến đổi các bit nhị phân

dạng các xung điện thành các xung ánh sáng

Phần tử thu quang – Photodetectors

(Biến đổi quang - điện)

A Photodiode

 Chức năng của

các xung ánh sáng thành các xung điện biểu diễn các bit nhị phân

Một hệ thống thông tin quang cơ bản

Optical Source Modulator

Input Signal Máy phát

Optical Detector

Output Signal

Demodulator

Máy thu

hiệu quang nguợc về tín hiệu điện.

để đưa tín hiệu điện về dạng phù

Một hệ thống truyền dẫn quang

Tx

Tx

Tx

W D M

D W D M

.