TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

============================

ĐỀ TÀI CUỐI KỲ MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG

NGÀNH: TIN HỌC VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI:

NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG

Giảng viên: Nguyễn Vũ Anh Quang

Sinh viên thực hiện: Phạm Thành Sơn

Đinh Ngọc Tuấn

Đà Nẵng, 05/2012

Nguyên Lý Truyền Dẫn Ánh Sáng Trong Sợi Quang

Nội Dung:

Cơ sở quang học

Cấu tạo sợi quang

Nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang

Khẩu độ số NA (Numerical Aperture)

Tán sắc mode

Sợi quang GI (Graded Index Fiber)

Phân loại sợi quang

I. Cơ sở quang học

a) Tính chất của ánh sáng

Bằng nhiều cơ sở lý luận và thực tiễn, các nhà khoa học đã chứng minh được

rằng Ánh 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

λƒ = c 1,24

µm)(E hf

Trong đó, ƒ: tần số (Hz) λ: bước sóng

E: năng lượng photon (eV)

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

h: hằng số Planck, h = 6,625.10-34

(J.s)

b) Phổ sóng điện từ

Băng tần Tần số (ƒ ) Bước sóng (λ)

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 ÷ 10m

VHF 30 MHz ÷ 300 MHz 10m ÷ 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 ÷ 1 mm

Các băng sóng vô tuyến:

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

V: Very U: Ultra S: Super E: Extra

Ánh sáng thấy được chiếm dải phổ từ 380 nm (tím) đến 780 nm (đỏ).

Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại

(near-infrared) (800 nm – 1600 nm) => đây là loại ánh sáng mà mắt

thường con người không thấy được

3 vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) được dùng trong thông tin quang:

850 nm, 1300 nm và 1550 nm.

c) Hiện tượng phản xạ toàn phần

Sự truyền thẳng, khúc xạ và phản xạ là đặc tính cơ bản của ánh sáng. Ánh sáng

truyền thẳng trong môi trường có chiết suất đồng nhất, bị khúc xạ hoặc phản xạ

tại mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau.

Vân tốc của ánh sáng luôn thay đổi theo chiết suất của môi trời mà nó đi qua.

Thể hiện qua biểu thức:

Giả sử có hai môi trường với chiết suất lần lượt là n1 và n2 (n1>n2) như hình 1.2.

Tia sáng (tia tới) đi từ môi trường thứ nhất có chiết suất n1 sang môi trường thứ

2 có chiết suất n2.

(Hình 1.2 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong sợi quang)

Theo định luật khúc xạ Snell, ta có biểu thức:

n1sin1 = n2sin2 (***)

với 1 là góc tới – góc hợp bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với

tia tới, 2 là góc khúc xạ - góc hợp bởi pháp tuyến của mặt phân cách với tia

khúc xạ.

Ở đây, vì n1>n2 cho nên góc tới 1<2. Nếu góc tới 1 lớn dần đến một giá trị c

thì tia khúc xạ sẽ nằm song song với ranh giới phân cách giữa hai môi trường,

lúc đó c được gọi là góc tới hạn (hình 1.2 b), lúc này không tồn tại tia khúc xạ

ở môi trường thứ hai. Khi các tia sáng có góc tới 1 lớn hơn góc tới hạn c thì

đều bị phản xạ lại môi trường thứ nhất. Hiện tượng các tia sáng bị phản xạ trở

lại môi trường ban đầu tại mặt phân cách giữa hai môi trường gọi là hiện tượng

phản xạ toàn phần. Tương ứng với góc tới hạn c thì góc khúc xạ 2 = 900. Từ

biểu thức (***) suy ra:

sin c

Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng toàn phần là:

Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi

trường có chiết suất nhỏ hơn.

Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

II. Cấu tạo sợi quang

Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:

Lõi (core): hình trụ, bán kính a, chiết suất n1, có tác dụng

dẫn ánh sáng.

Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b

(b>a), chiết suất n2 (n1>n2), lớp bọc dùng để giữ ánh sáng tập

trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc.

Vật liệu chế tạo của sợi quang là chất điện môi (thủy tinh,

plastic…)

Ngoài 2 lớp cơ bản, sợi quang còn được bảo vệ bởi 2 lớp bên

ngoài: lớp phủ (primary coating) có tác dụng bảo vệ sợi quang,

chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước gây nên

những vết nứt, giảm ảnh hưởng do uốn cong. Và lớp vỏ (secondary

coating) có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang dưới

các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt.

(Hình 2. Cấu tạo của sợi quang gồm 2 phần lõi và vỏ)

III. Nguyên lý truyền dẫn 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.

Trường hợp sợi quang bị uốn cong, ánh sáng vẫn có thể truyền đi trong

sợi quang bị uốn cong với một độ cong giới hạn với điều kiện phải thỏa

mãn điều kiện phản xạ toàn phần.

IV. Khẩu độ số NA (Numerical Aperture)

(Hình 4. Đường đi của các tia sáng khi vào sợi quang có chiết suất phân bậc)

Khảo sát hình 4, tia sáng tạo với trục một góc i tại trung tâm của lõi. Do

có sự thay đổi chiết suất tại mặt tiếp xúc giữa không khí và sợi quang nên

tia khúc xạ khi đi vào sợi tạo với trục một góc r ≠ i. Mối quan hệ giữa

hai góc được thể hiện theo biểu thức sau:

n0sini = n1sinr (4.1)

trong đó n1 và n0 lần lượt là chiết suất của lõi sợi và không khí. Khi tia

khúc xạ gặp giao tiếp lõi – vỏ thì nó lại bị khúc xạ. Khi góc tới thỏa

mãn điều kiện sin <

thì xuất hiện hiện tượng phản xạ toàn phần. Như

phần trên đã trình bày, góc tới hạn c thỏa mãn điều kiện:

sinc =

(4.2)

Lúc đó, với các góc tới >c thì trong sợi xảy ra hiện tượng phản xạ toàn

phần, toàn bộ tia sáng bị giam trong sợi.

Sử dụng các biểu thức (4.1) và (4.2) để xác định góc lớn nhất giữa tia tới

và trục của sợi sao cho ánh sáng bị giam trong sợi. Chú ý rằng:

r =

c (4.3)

Thay (4.3) vào (4.1) ta được:

n0 sini = n1 cosc =√

(4.4)

Gọi NA là khẩu độ số của sợi, đặc trưng cho khả năng tập trung ánh sáng

vào sợi và được định nghĩa như sau:

NA = n0 sini = √

Vì n1 n2 nên NA xấp xỉ bằng:

NA n1√

Với

Trong đó, là sự thay đổi chiết suất tương đối tại giao tiếp lõi – vỏ.

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

- sinmax được gọi là khẩu độ số NA của sợi quang.

- NA biểu diễn khả năng ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Dễ thấy

một điều rằng, NA lớn, tương đương với hiệu suất ghép ánh sáng lớn.

NA lớn cũng đồng nghĩa là nhiều mode sóng được truyền trong sợi

quang hơn (mỗi tia sáng được xem như một mode sóng), điều này dẫn

đến tán sắc mode.

V. Tán sắc mode (Modal Dispersion)

Hình 5.1

- Tán sắc mode xảy ra trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (Step-

Index Fiber)

- Dựa vào hình 5.1 ta thấy rằng:

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

+ Tia song song với trục (1 = 0) có quãng đường

truyền ngắn nhất.

+ Góc tới càng lớn ( lớn) thì quãng đường truyền

càng dài.

Vận tốc truyền giữa các tia sáng bằng nhau: vi = v =

Thời gian truyền của các tia sáng khác nhau: ti =

Điều này

dẫn đến sự chênh lệch thời gian truyền giữa các tia sáng. Là

nguyên nhân để gây ra hiện tượng tán sắc mode.

(Hình 5.2. Xung ánh sáng bị biến dạng bởi tán sắc mode sau khi truyền trong lõi sợi quang)

o 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

o Ảnh hưởng của tán sắc:

Tín hiệu tương tự: tán sắc gây méo dạng tín hiệu.

Tín hiệu số: tán sắc gây nên hiện tượng chồng lấp giữa

các bit.

Nhìn chung, tán sắc có ảnh hưởng rất lớn đối với hệ thống

truyền dẫn thông tin quang, nó làm hạn chế dung lượng và cự ly

truyền của tuyến quang

o Mỗi tia sáng được truyền trong lõi sợi quang được xem như là một

mode sóng => tán sắc mode

o Nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc mode:

Có nhiều tia sáng truyền trong sợi quang với quãng đường

truyền khác nhau.

Vận tốc truyền bằng nhau, nhưng thời gian truyền là khác

nhau => t

o Phương pháp để hạn chế tán sắc:

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

=> đây là cơ sở để sản xuất sợi quang đơn mode SMF

(Single Mode Fiber)

Giảm thời gian truyền giữa các tia sáng ( t) => cơ sở để sản

xuất sợi quang có chiết suất giảm dần GI (Graded Index

Fiber).

VI. Sợi quang GI (Graded-Index Fiber)

(Hình 6.1. Các tia sáng truyền trong sợi quang GI)

Sợi quang GI còn được gọi là sợi quang có chiết suất giảm dần. Chiết

suất lõi sợi quang có hình dạng parabol và được tính bởi công thức:

Trong sợi quang GI, các tia sáng được truyền theo đường cong.

Các tia sáng có 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 là lớn nhất => v(0) =

là lớn nhất.

Càng ra xa trục, vận tốc truyền càng lớn. Điều đó chứng tỏ rằng

quãng đường truyền tỷ lệ thuận với vận tốc truyền.

Thời gian truyền của các tia sáng khác nhau

=> Sự chênh lệch về

thời gian

truyền của các tia sáng nhỏ.

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

Sợi SI và GI đều là sợi quang đa mode. Đều có dmode ≠ 0 (tán sắc mode

đơn vị khác 0) cho nên khi truyền ánh sáng đều bị hạn chế cự ly và tốc độ bit

truyền.

Trong sợi quang đơn mode SMF thì tán sắc mode đơn vị bằng 0 (dmode

=0) vì chỉ có một tia sáng được truyền đi trong sợi.

Ứng dụng:

o Sợi SI: cự ly truyền ngắn và tốc độ bit truyền thấp.

o Sợi GI: cự ly truyền và tốc độ truyền bit trung bình.

o Sợi SMF: cự ly truyền dài và tốc độ bit truyền cao.

(Hình 6.2. Tính bảo toàn về tín hiệu của 3 loại sợi cáp quang SI, GI và SMF)

VII. Phân loại sợi quang

Có 3 cách để phân loại sợi quang, đó là:

1. Phân loại theo dạng chiết suất của lõi: Có 5 loại

- 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)

2. Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang: Có 2 loại

A, Sợi đa mode

- Sợi SI, GI (G.651)

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

B, Sợi đơn mode SMF (Single-Mode Fiber)

- Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.652):

o (9/125m)

o Hệ số suy hao: 0,38 dB/km ( = 1310nm) và

0.2 dB/km ( = 1550nm)

o Hệ số tán sắc: bằng 0 tại = 1310nm và

18ps/nm.km tại = 1550nm

- Sợi DSF (G.653)

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

3. Phân loại theo vật liệu chế tạo

- Sợi thủy tinh (All-glass fiber): lõi và lớp bọc bằng thủy 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

Sợi thủy tinh Sợi PCS Sợi plastic

Đặc tính kỹ

thuật

Kích thước sợi (9/125m),(50/125m),

(62.5/125m)

Đường kính lõi:

0,5-1mm

Chiết suất / NA n1=1,46; n2= 1,40 NA= 0,54

Bước sóng hoạt

động 0,8m – 1,55 m 0,5m – 0,8m

Suy hao cực

tiểu 0,2dB/km ( =

1550nm) 8dB/km ( =

900nm) 55dB/km (

=570nm)

Tán sắc cực

tiểu dmode=0 ( =1300nm) 200ns/km Rất lớn

Cự ly truyền Hàng chục, trăm km Băng thông Cự ly

truyền

[B L = 5 (Mbit/s km]

Vài trăm mét

Tốc độ bit Hàng Gb/s 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

thủy tinh và sợi

plastic

Chất lượng thấp

Giá thành rẻ

Hàn nối dễ

Ứng dụng Truyền dẫn thông tin

Hệ thống viễn thông,

mạng máy tính

Tự động hóa

Tài Liệu Tham Khảo:

Bài giảng “Truyền Dẫn Sợi Quang” , Ngô Thanh Ngọc, Trung tâm đào

tạo bưu chính viễn thông 2, TP.HCM, 1994.

Bài giảng “Cơ Sở Kỹ Thuật Thông Tin Quang”, Cao Phán, Cao Hồng

Sơn, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, Hà Nội, 2000.

Hệ Thống Thông Tin Quang, Vũ Văn San, Nhà xuất bản bưu điện, Hà

Nội, 2003.

Thông Tin Sợi Quang, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.

Ngoài ra còn tham khảo các hình vẽ trong 2 cuốn Fiber-Optic

Communications Technology, D.K.Mynbaev, L.L.Scheiner, Prentice

Hall, New Jersey, 2001 và cuốn Optical Fiber Communications, 3rd

Edition, Gerd Keiser, Mc.Graw Hill, Boston, 2000.