Bài giảng Chương 2: Sợi quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp Bộ môn: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 2 SỢI QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 2 • Cấu trúc và phân loại sợi quang • Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang • Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang • Suy hao • Tán sắc trong sợi quang • Hiệu ứng phi tuyến • Một số loại sợi quang mới • Cáp sợi quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Cấu tạo sợi quang ƒ Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp: • Lõi (core): hình trụ, bán kính a, chiết suất n1 • Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b (b>a), chiết suất n2 (n1> n2) ƒ Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic) Lõi Lớp bọc www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Cấu tạo sợi quang (tt) ƒ Ngoài 2 lớp cơ bản, sợi quang còn được bảo vệ bởi hai lớ bê ài lớ hủ ( i i ) à lớ ỏp n ngo : p p pr mary coat ng v p v (secondary coating) Lôùp boïc Lôùp phuû Lôùp voû Loõi 10/50 125 um 250 um 900 um um www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 5 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Ánh sáng lan truyền trong sợi quang ƒ Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phản xạ à hầ l i ặ iế iá iữ lõi à lớ bto n p n qua ạ m t t p g p g a v p ọc » Ánh sáng có thể truyền được trong sợi quang bị uốn cong với một độ cong giới hạn (thỏa điều kiện phản xạ toàn phần) n1 n2 n a b 0 θ θ θ’ θ > θc θ > θ’> θc a b www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số ƒ Điều kiện để một tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với ó ới ó hể ề đ lõi i ?g c t φ c t truy n ược trong sợ quang φ1=φc θ1=θc > θ2θ3 >< φ2φ3 < θ1φ θ3θ2 φ3 3 Lõi (n1) Lớp bọc (n2) 1 1 α = 90o - θcφ2 2 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 7 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt) ƒ Kết luận: Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những i á ó ó ới ở đầ i hỏ h ó ới ht a s ng c g c t u sợ quang n ơn g c t ạn φmax. ƒ Định nghĩa khẩu độ số: maxsinθ=NA ƒ Ý nghĩa: NA biểu diễn khả năng ghép ánh sáng vào trong sợi quang. ƒ Công thức xác định NA: 2 21 2 1 2NA n n n= − = Δ độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc 2 1 2 2 2 1 2n nn −=Δ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 8 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt) ƒ Góc nhận ánh sáng bằng max2θ θmax 2×θmax www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 9 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt) ƒ Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón Vùng nhận ánh sáng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 10 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt) ƒ Ví dụ 1 Một sợi quang SI có chiết suất lõi n1 = 1,50 và chiết suất lớp bọc n2 = 1,485. Hãy xác định khẩu độ số và góc nhận ánh sáng của sợi quang này. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 11 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Khẩu độ số (tt) ƒ Giải ví dụ 1 Áp dụng công thức tính khẩu độ số: Thế giá trị các đại lượng vào ta được kết quả: 2 2 2 1 nnNA −= ể 21,046,15,1 22 =−=NA i θAƒ Theo bi u thức định nghĩa: Suy ra: Hay góc nhận ánh sáng: maxs n=N 0 max 12=θ 0max 242 =θ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 12 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang ƒ 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 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 13 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) ƒ 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) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 14 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) ƒ Sợi chiết suất bậc SI (Step-Index) â ố ế ấ• Dạng ph n b chi t su t: ⎨⎧ ≤= arnrn ,)( 1 n1 n ⎩ ≤≤ bran ,2 r 0 bab a 2 • Các tia sáng truyền theo đường thẳng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 15 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) ƒ Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần â ố ế ấ• Dạng ph n b chi t su t: parabol ⎪⎨ ⎧ ≤⎥⎤⎢⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛Δ− arrn ,1)( 2 1 ⎪⎩ ≤≤ ⎥⎦⎢⎣= bran arn ,2 • Các tia sáng truyền theo đường cong Æ Tại sao? www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 16 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) n(r) n(r)n(r) n1 n2 a2 a2 0 r r a1 a1 a2 a2 0 r a1a1 a3 a4 a3 r a4 a2 a2 0 r r a1a1 a3 a3 Giaûm chieát suaát lôùp boc Sôi dòch taùn saéc DSF Sôi san baèng taùn saéc DFF ï ï ï www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 17 Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang • Phân loại sợi quang (tt) ƒ Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang • Sợi đa mode: – Sợi SI, GI (G.651): – (50/125μm), (62.5/125μm), (100/140μm) • Sợi đơn mode SMF (Single-Mode Fiber) – Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.652): » (9/125 μm) » Hệ số suy hao: 0.38 dB/km (λ=1310nm) và 0.2 dB/km (λ= 1550nm) » Hệ số tán sắc: bằng 0 tại λ=1310nm và 18ps/nm.km tại λ= 1550nm – Sợi DSF (G.653) • Sợi dịch tán sắc khác zero NZ-DSF (G.655) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 18 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Cơ sở toán học ƒ Toán tử curl iii zyx zyx AcurlArot ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂== ƒ Toán tử del zyx AAA iii zyx ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂=∇ ... zyx www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 19 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Cơ sở toán học (tt) ƒ Tích hữu hướng của hai vector và A B zyx zyx BBB AAA iii BA =× ƒ Toán tử div: zyx AAdiv .∇= r Suy ra: AAcurlArot ×∇== www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 20 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Cơ sở toán học (tt) ƒ Toán tử Laplace: được gọi là toán tử Laplace, được ký hiệu Δ2∇ ( ) EEEE ×∇×∇−∇∇=Δ=∇ 2 • Trong hệ tọa độ Descartes: zzuyxx EiEiEiE Δ+Δ+Δ=Δ ... fff ∂∂∂ 222 Và đối với hàm vô hướng • Trong hệ tọa độ trụ zyx f ∂+∂+∂=Δ zz r r r r iEir EE r Ei r EE r EE 222 2 22 22 22 ∇+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −∂ ∂+∇+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −∂ ∂×−∇=∇ ϕϕϕϕ ϕϕ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 21 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Hệ phương trình Maxwell: r Mối quan hệ giữa các đại lượng (1) (2)0∇ Br ρ=∇ D. = µ (5) = ε + (6) = σ (7) ED HB P J E (3) . = BE ∂×∇ rr ρ: Mật độ điện tích khối [c/m3] V t ờ độ điệ t ờ [V/ ] (4) t∂−= DJH ∂+=×∇ rrr : ec ơ cư ng n rư ng m : Vectơ cảm ứng điện [c/m2]. : Vectơ cường độ từ trường [A/m]. E D H t∂ : Vectơ mật độ dòng điện mặt [A/m2]. : Vectơ cảm ứng từ [H/m]. : Vectơ phân cực điện J B P www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 22 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Đối với sợi quang độ dẫn điện bằng 0, hệ pt Maxwell được viết lại như sau: (1)0. =∇ D r (2)0. =∇ B r (3) t BE ∂ ∂−=×∇ rr D∂ r (4) t H ∂=×∇ r www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 23 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z): ƒ Phương trình sóng: 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 ( ) 0E E E Eω εμ βφ ∂ ∂ ∂+ + + − =∂ ∂ ∂ ƒ Nghiệm phương trình sóng: r r r r ( ) ( ) cos ( ) ( ) cosE r a A J ur k E r a A K wr kφ φ≤ ≥ – với A1, A2: hằng số điện trường – J(x) có dạng hàm Bessel 1 2 = = – K(x) có dạng hàm Hankel (hàm Bessel cải tiến loại hai) – u2 = β21 - β2 với β1= ω(ε1μ1)1/2 = ω n1/c – w2 = β2 - β22 với β2= ω(ε2μ2)1/2 = ω n2/c www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 24 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z) (tt): ƒ Giải hệ PT sóng tại biên r=a Æ nghiệm của PT Æ số mode sóng truyền trong sợi quang ƒ Một số kết quả rút ra từ việc giải PT sóng: • Tần số chuẩn hóa: V = (2πa/ λ).(n12 – n22)1/2 = (2π/ λ).a.NA • Các mode sóng được gọi là các mode phân cực tuyến tính: LPlm (li l l i d d ) ới l 0 1 2 1 2 3near y po ar ze mo e v = , , ,; m= , , , • Mode LP01 được gọi là mode cơ bản • Số lượng mode sóng phụ thuộc vào giá trị của V: – Đối với sợi SI, tổng số mode M ≈V2/2 (đúng với M>20) – Mode LPlm tồn tại khi V > Vclm (tần số cắt của mode LPlm) » Điều kiện để sợi quang truyền đơn mode: V≤ 2,405 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 25 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang SI: g s u ấ t t r o n g l õ i C ô n g www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 26 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 27 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang) • Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 28 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Các mode phân cực tuyến tính: ƒ Sợi quang trên thực tế có độ dẫn kém, do đó các mode hiê i ẽ kế h ( h ái) hà htự n n trong sợ quang s t ợp suy t o t n các mode phân cực tuyến tính (LP) ƒ Ví dụ việc kết hợp các mode HE21 + TE01 và HE21 + TM01 thành các mode LP11 (vết đen chỉ phân bố cường độ; mũi tên chỉ các trường TE và TM): xem hình (a) và (b). www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 29 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Các mode phân cực tuyến tính: (a) Cấu tạo của hai mode LP11 từ hai mode tự nhiên và phân bố trường TE và cường độ của chúng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 30 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Các mode phân cực tuyến tính (tt): (b) Bốn hướng trường TE và TM và các phân bố cường độ tương ứng của LP 11. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 31 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Sợi quang đơn mode: ƒ Không phải mode sóng nào cũng truyền được trong sợi Mỗi d LP ó ộ ầ ố ắ ứ kýquang. mo e nm c m t t n s c t tương ng, hiệu là Vcn. Chỉ khi tần số chuẩn hóa V của sợi quang lớn hơn tần số cắt Vcn thì mode thứ n đó mới truyền được trong sợi quang. ƒ Một vài trị số Vcn bậc thấp: V 2 405• c1 = , • Vc2 = 3,832 • Vc3 = 5,138 • Vc4 = 5,520 • Vc5 = 6,380 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 32 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Sợi quang đơn mode (tt): ƒ Bước sóng λc1 là một thông số quan trọng. Ðó là bước ó ắ hấ i là iệ ù đ ds ng ng n n t sợ m v c trong v ng ơn mo e. ƒ Thật vậy, sợi quang là đơn mode khi V < Vc1 = 2,405 » Nói như vậy có nghĩa là sợi đơn mode có vùng bước sóng truyền dẫn đơn mode, song có vùng bước sóng truyền dẫn đa mode. » λc1 là bước sóng cắt. NAaVc . 2πλ = www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 33 c Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Sợi quang đơn mode (tt): ƒ Đường kính trường mode (MFD): trường trong sợi quang đ d ó ấ ỉ d hâ bố G iơn mo e c x p x ạng p n auss an. ƒ Ðường kính trường mode là tại đó biên độ trường giảm e lần V ap 6,222 ≈ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 34 Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang • Chiết suất hiệu dụng ƒ Chiết suất hiệu dụng neff là tỉ số giữa vận tốc trong chân khô ới ậ ố dẫng v v n t c n vguide eff v Cn = với vguide = ω/β Æ guide k Cneff β βω == / ƒ Chiết suất hiệu dụng là khác nhau đối với các mode khác nhau. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 35 Suy Hao • Đơn vị đo công suất ánh sáng: ƒ Watts: [mW] ƒ deciBell: [dBm] • mW ↔ dBm: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛×= mW mWPdBmP 1 )(lg10)( 10 )( 10)( dBmP mWP = www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 36 Suy Hao • Bảng các tiền tố: Tiền ố Đọc Hệ số Tiền ố Đọc Hệ số Tiền ố Đọc Hệ số t Y yotta 1024 t k kilo 103 t µ micro 10-6 Z zetta 1021 E exa 1018 h hecto 102 da deca 101 n nano 10-9 p pico 10-12 P peta 1015 T tera 1012 - - - d deci 10-1 f femto 10-15 a atto 10-18 G giga 109 M mega 106 c centi 10-2 m milli 10-3 z zepto 10-21 y yocto 10-24 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 37 Suy Hao • Định nghĩa suy hao: P2 = P(L)P1 = P(0) L P(0) : công suất ở đầu sợi (z = 0 ); ô ấ ở í ừ ầP(L): c ng su t cự ly z=L t nh t đ u sợi; ⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛= )(lg10)( 1 mWPdBA ⎠⎝ )(2 mWP )()()( 21 dBmPdBmPdBA −= www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 38 Suy Hao • Độ suy hao trung bình: ( )A dB Cô ất t i điể t ê ợi α ( / ) ( ) dB K m L K m = • ng su quang ạ m z r n s quang: 1010)( z PP ×−α 1z ×= www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 39 Suy Hao • Các nguyên nhân gây ra suy hao: ƒ Suy hao do hấp thụ (Absorption) • Hấp thụ tạp chất kim loại: độ suy hao phụ thuộc vào – Loại tạp chất: Cu, Fe, Mn, – Nồng độ tạp chất Æ giá trị cho phép <10-9 – Bước sóng ánh sáng α (dB/Km) 300 400 500 600 Cu 0 100 200 Fe Mn 500 600 800 1000 1200 1400 1600 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 40 λ(nm) Suy Hao • Các nguyên nhân gây ra suy hao: ƒ Suy hao do hấp thụ (Absorption) • Hấp thụ ion OH-: độ suy hao phụ thuộc vào – Nồng độ ion OH- Æ giá trị cho phép <10-9 – Bước sóng ánh sáng: đỉnh suy hao tại bước sóng gần 950nm, à1240nm v 1400nm Æ Độ ẩm là một nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang α (dB/Km) 3 2 1 0 600 800 1000 1200 1400 1600 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 41 λ(nm) Suy Hao • Các nguyên nhân gây ra suy hao: ƒ Suy hao do hấp thụ (Absorption) • Sự tự hấp thụ: – Suy hao do bản chất của vật liệu chế tạo (thủy tinh) – Phụ thuộc bước sóng ánh sáng: suy hao thấp nhất tại bước sóng ố ớ ằ ủ ả1550nm đ i v i sợi quang b ng th y tinh (kho ng 0.2 dB/km) » Giới hạn hệ số suy hao tối thiểu của sợi quang » Làm cách nào để có thể chế tạo sợi quang có suy hao nhỏ hơ 0 2dB/k ( í d 0 001dB/k )?α (dB/Km) n , m v ụ , m 100 10 Haáp thuï hoàng ngoaïi 1 0.1 0 01 Haáp thuï cöïc tím www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 42 . 600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm) Suy Hao • Các nguyên nhân gây ra suy hao: ƒ Suy hao do uốn cong • Uốn cong (macro bend): Rcp = 30 mm ÷ 50 mm. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 43 Suy Hao • Các nguyên nhân gây ra suy hao: ƒ Suy hao do uốn cong • Vi uốn cong (micro bend) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 44 Suy Hao • Các nguyên nhân gây ra suy hao: ƒ Suy hao do tán xạ Rayleigh (Rayleigh Scattering) • Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất (có kích thước của khoảng 1/10 bước sóng) sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ. ỗ• Những ch không đồng nhất: – Do cách sắp xếp không đồng nhất của nguyên tử thủy tinh – Bot không khí – Vết nứt – www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 45 Suy Hao • Các nguyên nhân gây ra suy hao: ƒ Suy hao do tán xạ Rayleigh (tt) ỗ• Các tia sáng truyền qua những ch không đồng nhất sẽ tỏa ra nhiều hướng: » Một phần năng lượng ánh sáng bị phân tán ra nhiều hướng khác nhau không truyền đi xa được (khúc xạ ra ngòai lớp bọc, t ề ề đầ i )ruy n ngược v u sợ quang » Gây ra suy hao cho sợi quang » Ứng dụng trong máy đo quang dội OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 46 Suy Hao • Đặc tuyến suy hao: ƒ Tổng hợp các đặc tuyến suy hao của các nguyên nhân â h khá hg y ra suy ao c n au ƒ Khác nhau tùy theo loại sợi ƒ Dựa trên đặc tuyến suy hao này vùng bước sóng (cửa , sổ bước sóng) sử dụng được xác định ƒ 3 cửa sổ bước sóng: – 850nm – 1300nm – 1550nm www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 47 Suy Hao • Đặc tuyến suy hao (tt): 1978 „ Đối với sợi silica, giá trị suy hao điển hình: 2 3 / (8 0 )„ ÷ dB Km 5 nm „ 0,4 ÷ 0,5 dB/Km (1300nm) „ 0,2 dB/Km (1550nm) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 48 Suy Hao • Các suy hao khác: ƒ Suy hao do hàn nối ƒ Suy hao do khớp nối www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 49 Tán Sắc Trong Sợi Quang • Khái niệm: ƒ Là hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu i l i hậ đ ộ á h á ộ h ởsợ quang ạ n n ược m t xung n s ng r ng ơn cuối sợi • Định nghĩa: 2 2o iD τ τ= − •τi, τo: độ rộng xung vào và xung ra, đơn vị là giây [s]. •D: đơn vị là giây [s]. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 50 Tán Sắc Trong Sợi Quang • Đơn vị: ƒ Thường người ta chỉ quan tâm đến độ trải rộng xung ê ộ K à ó đ ị là [ /K ] h ặ [ /K ]tr n m t m, v c ơn v ns m , o c ps m . ƒ Ngoài ra có đơn vị [ps/nm.Km] để đánh giá độ tán sắc chất liệu trên mỗi km chiều dài sợi ứng với độ rộng phổ quang là 1nm. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 51 Tán Sắc Trong Sợi Quang • Ảnh hưởng của tán sắc: www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM -