Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

22-Oct-10 18 ThS.Voừ Trửụứng Sụn-ThS.Ngoõ Haựn Chieõu Nguyờn lý truyn dn ỏnh sỏng trong si quang CƠ SỞ QUANG HỌC  nh sáng có hai tính chất: Tính chất sóng: ánh sáng là sóng điện từ Tính chất hạt: ánh sáng bao gồm nhiều hạt photon có năng lượng E 1,24 E hf m fc 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 h: hằng số Planck, h= 6,625.10 -34 (J.s) 22-Oct-10 19 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)  Phổ sóng điện từ f (Hz) DC VLF LF MF VHF VHF+SHF + 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 22-Oct-10 20 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu CƠ SỞ QUANG HỌC (tt) Băng tần Tần số (f) Bước sóng ( ) VLF 3 kHz 30 kHz 100 Km 10 Km LF 30 kHz 300 kHz 10 Km 1 Km MF 300 kHz 3 MHz 1 Km 100 m HF 3 MHz 30 MHz 100 m 10 m VHF 30 MHz 300 MHz 10 m 1 m UHF 300 MHz 3 GHz 1 m 1 dm SHF 3 GHz 30 GHz 1 dm 1 cm EHF 30 GHz 300 GHz 1 cm 1mm Các băng sóng vô tuyến F: Frequency L: Low M: Middle H: High V: Very U:Ultra S: Supper E: Extra 22-Oct-10 21 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)  nh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380nm (tím) đến 780nm (đỏ)  nh 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 22-Oct-10 22 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu CƠ SỞ QUANG HỌC (tt)  Chiết suất của môi trường: n = c/v - c:vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.10 8 m/s - v: vận tốc ánh sáng trong môi trường đang xét, v c  Sự phản xạ và khúc xạ: 2 1 môi trường 2 n 2 môi trường 1n 1 Tia tới Tia phản xạ Tia khúc xạ 1 ’ 22-Oct-10 23 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 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 đònh từ công thức Snell: n 1 sin 1 = n 2 sin 2 2 1 môi trường 2 n 2 môi trường 1 n 1 Tia tới Tia khúc xa ï Tia phản xạ 2 1 môi trường 2 n 2 môi trường 1 n 1 Tia tới Tia khúc xạ Tia phản xạ n 1 <n 2 n 1 >n 2 22-Oct-10 24 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 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  hiện tượng phản xạ toàn phần 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 ) 22-Oct-10 25 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 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 22-Oct-10 26 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu CẤU TẠO SI 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…)  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 b 0 a b lõi (n 1 ) lớp bọc (n 2 ) 22-Oct-10 27 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu [...]... Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 31 22-Oct-10 NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SI 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 Tia khúc xạ N2 b a 0 n2 > ’> c n c ’ n1 a b ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 29 22-Oct-10 NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SI QUANG... 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  chênh lệch về thời gian truyền giữa các tia sáng  Hiện tượng tán sắc (dispersion)... Hạn 8 cự ly đa và tốc độ bit truyền  Sợi quang đơn mode SMF: dmode = 0  Ứng dụng: Sợi SI: cự ly truyền ngắn và tốc độ bit truyền thấp Sợi GI: cự ly truyền và tốc độ bit truyền trung bình Sợi SM: cự ly truyền dài và tốc độ bit truyền cao ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 51 22-Oct-10 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... r 3 b a n2 0 n(r) n1 > 2 > 1= 0o 3 3 2 a 1 2 b r  Các tia sáng có quãng đường truyền khác nhau: s1< s2< s3  Vận tốc truyền giữa các tia sáng khác nhau: v1< v2< v3 Tại trục (r=0): n(0)=n1 lớn nhất  v(0)=c/n(0) nhỏ nhất Càng ra xa trục vận tốc truyền càng lớn  quảng đường truyền tỷ lệ thuận với vận tốc truyền  Thời gian truyền của các tia sáng khác nhau: ti=si/vi  tij = ti – tj nhỏ ThS.Võ Trường... mode  Nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc trên? Có nhiều tia sáng truyền trong sợi quang với quãng đøng 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)... này, ánh sáng truyền theo nhiều mode khác nhau với quãng đường khác nhau nhưng có vận tốc bằng nhau ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 45 22-Oct-10 Multimode fiber  Vì vậy thời gian đến đích khác nhau -> loại sợi quang này có tốc độ bit truyền dẫn khá thấp ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 46 22-Oct-10 Cấu trúc sợi quang Sợi quang đa mode - chiết suất liên tục  Trong loại sợi quang này, ánh sáng truyền. .. Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 29 22-Oct-10 NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SI QUANG  Khi góc tới nhỏ, ánh sáng bò khúc xạ khi đi qua mặt phân cách giữa 2 môi trường  Vì n2 > n1 nên tia khúc xạ bò bẻ cong xuống Tia khúc xạ N2 loại sợi quang này có tốc độ bit truyền dẫn cao hơn r ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu 48 22-Oct-10 SI QUANG GI (Graded-Index Fiber) r 3 b a n2 0 > 2 > 1= 0o 3 n(r) 3 2 n1 1 2 a b r  Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần  Chiết suất lõi sợi quang có dạng hình parabol n( r ) n1 1 r a 2 a r n2 r a  Các tia sáng truyền theo đường cong  Tại sao? ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô . 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 SI QUANG 22-Oct-10. 22-Oct-10 28 ThS.Võ Trường Sơn-ThS.Ngô Hán Chiêu NGUYÊN LÝ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SI QUANG  Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phản xạ toàn