Bài giảng Chương 3: Truyền sóng qua cáp quang

Chương 3: TRUYỀN SÓNG QUA CÁP QUANG1. Giới thiệu2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang3. Suy hao trong sợi quang4. Tán sắc11. Giới thiệu21. Giới thiệu Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu. Chúng có 3 lớp: lõi (core), áo (cladding) và vỏ bọc (coating). Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút.  Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh.  31. Giới thiệu Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay, chất dẻo (Silica), kim loại, fluor, sợi quang kết tinh.  Được phân loại thành các loại sợi quang đơn mode Single Mode (SM) và đa mode Multimode (MM) tương ứng với số lượng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang.41. Giới thiệu Ứng dụng:Multimode: Sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao gồm:+ Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soi trong.+ Graded index: thường dùng trong các mạng LAN.Single modeDùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các mạng điện thoại, mạng truyền hình. Nhược điểm:+ Nối cáp khó khăn, dây cáp dẫn càng thẳng càng tốt. + Chi phí hàn nối và thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng .51. Giới thiệu Ưu điểm:+ Mỏng hơn cáp đồng.+ Dung lượng tải cao hơn (sợi quang mỏng có thể được bó vào điều này cho phép nhiều kênh đi qua cáp).+ Suy giảm tín hiệu ít + Tín hiệu ánh sáng do đó không bị nhiễu với những sợi khác trong cùng cáp. Điều này làm cho chất lượng tín hiệu tốt hơn.+ Sử dụng điện nguồn ít hơn + Tín hiệu số - Cáp quang lý tưởng thích hợp để tải thông tin dạng số mà đặc biệt hữu dụng trong mạng máy tính.+ Không cháy - Vì không có điện xuyên qua Cáp quang, vì vậy không có nguy cơ hỏa hạn xảy ra.62. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quangĐộ từ thẩm tương đốiĐộ điện thẩm tương đốiNếu:Chỉ số khúc xạ n của vật liệu:Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng:Định luật phản xạ: góc tới = góc phản xạĐịnh luật khúc xạ Snell: 72. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quangPhản xạ toàn phần, góc tới hạn:n2n1 > n2tiaTớiTia khúc xạ(refracted)tiaPhản xạktTIRkikrGóc giới hạnGóc tới hạn:Ống dẫn sóng quang dựa trên 2 nguyên lý: phản xạ toàn phần và n1 hơi cao hơn n2 n1n2<n1Sự lan truyền trong ống dẫn quang hệ số khúc xạ bước.82. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quangGóc tới tối đa: Suy ra từ định luật SnellKhẩu độ số (Numerical aperture):Góc tối thiểu để có TIR:Sai lệch khúc xạ tương đối giữa lõi và lớp bọc:92. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quangVí dụ: Một sợi quang được chế tạo từ thủy tinh có chỉ số khúc xạ 1.55 và lớp bọc là vật liệu thủy tinh khác có chỉ số khúc xạ 1.51. Truyền được ánh sáng vào trong sợi quang từ không khí.Sợi quang có khẩu độ số bao nhiêu?Góc thu là bao nhiêu?Sai lệch khúc xạ giữa các chỉ số khúc xạ là:Khẩu độ số có giá trị:Góc thu là:102. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quangCác loại cáp quang112. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang Tần số chuẩn hoá, hay thông số cắt, hay số V rất thông dụng để xác định số mode được duy trì :Mỗi mode khác nhau có một giá trị đặc biệt cho tần số chuẩn hoá V mà thấp hơn giá trị này, mode đó đã bị loại trừ. Số mode:Số mode được duy trì trong sợi quang122. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quangVí dụ: một sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh có chỉ số khúc xạ 1,55 và lớp bọc là vật liệu thuỷ tin khác có chỉ số khúc xạ lá 1,51. Truyền được ánh sang vào trong sợi quang từ không khí..sợi quang có đường kính lõi là và được dung tại bước sóng ánh sáng . Tìm chỉ chỉ số V của nó và số mode được hỗ trợ.Tỷ số đường kính bước song là :số chỉ có các mode với tần số cắt thấp hơn giá trị này mới được truyền. Các giá trị này được tính từ Lưu ý: Qúa trình truyền đơn mode cho suy hao nhỏ nhất. Điều kiện truyền đơn mode là: V < 2.405133. Suy hao trong sợi quang Suy hao do hấp thụ:Sù kh«ng tinh khiÕt cña sîi quang lµ nguyªn nh©n chñ yÕu cña suy hao ( do c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp nh­ : S¾t ,Cr«m , Coban, §ång vµ ®é Èm cña OH ) Suy hao do tán xạ: xuÊt hiÖn khi cã sù thay ®æi chiÕt suÊt cña sîi quang x¶y ra trong 1 vïng nhá h¬n b­íc sãng ¸nh s¸ng sö dông. Suy hao do cáp bị uốn cong Suy hao do các mode rò rỉ Suy hao do ghép mode145. Tán sắc Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tín hiệu, gây nên méo tín hiệu. Đây là vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài.155. Tán sắcCác loại tán sắc: ‰+ Tán sắc liên modes (tán sắc intermodal) do chùm tia sáng truyền theo nhiều đường khác nhau trong lõi cáp quang rộng.Step indexGraded index‰+ Tán sắc dẫn sóng: do hằng số lan truyền phụ thuộc không tuyến tính vào vận tốc ( bước sóng) trong ống dẫn quang. + Tán sắc vật liệu: do trong một sợi cáp quang, vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh sáng tín hiệu :chỉ số tán xạ.:bề rộng phổ nguồn sáng.165. Tán sắcVí dụ: một sợi quang có chỉ số khúc xạ của lõi là 1.55, độ sai lệch khúc xạ là 0.0258. Xác định tán sắc intermodal trên 1 km và toàn bộ tán sắc trên 12.5 km chiều dài của sợi quang. Giả sử sợi quang được dùng với nguồn sáng 0.8um, bề rộng phổ 1.5nm. Giá trị của tán sắc vật liệu là bao nhiêu. Biết hệ số tán sắc Toàn bộ tán sắc intermodal :Chiều dài 12.5 km, toàn bộ tán sắc intermodal là:Tán sắc vật liệu trên 1 km là: 175. Tán sắc Tán sắc toàn phầnImd: intermodal despersion, md: metaterial dispersion, wgd: waveguide dispersion Vận tốc truyền dữ liệu cực đại Bề rộng xung thu được:độ rộng xung truyền 185. Tán sắcVí dụ: một sợi quang đơn mode hoạt động tại bước sóng 1.3um có toàn bộ tán sắc vật liệu là 2.81ns và toàn bộ tán sắc ống dẫn sóng là 0.495ns. Xác định bề rộng xung thu được và xấp xỉ tốc độ bit cực đại cho sợi quang nếu như các xung được truyền với bề rộng 0.5ns.Toàn bộ tán sắc:Bề rộng xung thu được xấp xỉ bởi:Tốc độ bit cực đại:19BÀI TẬPMột sợi cáp quang có vỏ bọc thủy tinh được chế tạo với lõi thủy tinh có chỉ số khúc xạ 1.5 và lớp bọc được chế tác để có chỉ số khúc xạ sai lệch đi 0.0005. Tìm a) chỉ số khúc xạ lớp bọc; b) góc phản xạ trong tới hạn; c) góc ngoài thu tới hạn; d) khẩu độ số.Lõi thủy tinh có chỉ số 1.62 dùng để tạo sợi quang có chỉ số khúc xạ bước với nữa góc thu hình nón 5°. Tìm a) góc phản xạ tới hạn trong, b) chỉ số khúc xạ lớp bọc; c) độ sai lệch chỉ số khúc xạ.Sợi quang trong bài 1 có đường kính lõi 50um và hoạt động với nguồn sáng có bước sóng 0.843um. Tìm a) số V của sợi quang; b) số mode được duy trì.Một sợi quang có chỉ số khúc xạ bước được chế tạo với lõi có chỉ số khúc xạ bước là 1.52; đường kính 29um. Sai lệch chỉ số khúc xạ là 0.0007. Nó hoạt động tại bước sóng 1.3um. Tìm a) số V; b) số mode sợi quang duy trì; c) nêu rõ tên các mode đó.20BÀI TẬP5. Một sợi quang có chỉ số khúc xạ bước với lõi có chỉ số khúc xạ là 1.5, sai lệch chỉ số khúc xạ là 0.0005, hoạt động ở bước sóng 1.2um. a) lõi có đường kính bao nhiêu để sợi quang hoạt động đơn mode; b) loại mode đơn nào được truyền trong sợi quang.Một sợi quang đa mode có chỉ số khúc xạ bước với lõi có chỉ số khúc xạ là 1.5 và lớp bọc là 1.498. Tìm a) hệ số tán sắc intermodal; b) toàn bộ tán sắc cho chiều dài 18 km; c) tốc độ bit cực đại cho phép.Nếu sợi quang trong bài 6 hoạt động tại bước sóng 1.1um với nguồn sáng có độ rộng 1.5nm. Tính toàn bộ tán sắc vật liệu.Một sợi quang đa mode có chỉ số khúc xạ bước hoạt động tại bước sóng 1.3um có hệ số tán sắc intermodal là 10ns/km, vật liệu là 0.5ns/km và ống dẫn sóng là 0.8ns/km. Sợi quang dài 18 km. Tìm a) toàn bộ tán sắc hiệu dụng; b) tốc độ bit cực đại.21