Bài giảng Truyền sóng trong cáp quang

Truyền sóng trong cáp quang Lý thuyết về quang Cáp quang Truyền sóng trong cáp quang Các đặc tính của sự truyền sóng trong cáp quang Lý thuyết về quang • Ánh sáng có bản chất sóng, do đó lý thuyết về sóng điện từ có thể được sử dụng giải quyết các vấn đề liên quan đến sóng ánh sáng chẳng hạn sự lan tuyền của sóng ánh sáng. Để giải quyết các vấn đề này hệ phương trình Maxwell nắm vai trò chủ đạo. Và nó đủ để giải quyết các hiện tượng quang học cổ điển. • Các hiện tượng liên quan giữa ánh sáng và vật chất (bản chất hạt), chẳng hạn như sự phát xạ và hấp thụ, lý thuyết lượng tử nắm vai trò chủ đạo. Quang lượng tử có thể giải thích tất cả các hiện tượng quang học. • Trong lý thuyết sóng ánh sáng, sóng ánh sáng có thành phần vector điện trường và từ trường. • Tuy nhiên một số hiện tượng ánh sáng có thể được mô tả bằng sóng vô hướng – được gọi là sóng ánh sáng, chẳng hạn như sự nhiễu xạ. • Nếu xét sóng ánh sáng xung quanh những vật thể lớn hơn bước sóng ánh sáng có thể sử dụng lý thuyết tia quang để khảo sát. Quantum Optics Electromagnetic Optics Wave Optics Ray Optics Sóng EM trong các môi trường • Hệ số khúc xạ (Refractive index) : Với môi trường không từ tính : : : mediumin wave)(EMlight ofvelocity in vacuum wave)(EMlight ofvelocity 00 r r rrv cn ε μ εμεμ με ==== Relative magnetic permeability Relative electric permittivity )1( =rμ rn ε= Wave fronts r E k λ O P Sóng cầu (b) Wave fronts Sóng phân kỳ (c) Các Ví dụ về sóng EM S.O.Kasap, optoelectronics and Photonics Principles and Practices, prentice hall, 2001 k Wave fronts (constant phase surfaces) z λλ P Sóng phẳng (a) rays Các quy luật phản xạ và khúc xạ Định luật phản xạ: angle of incidence = angle of reflection Định luật khúc xạ Snell: 2211 sinsin φφ nn = Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000 Phản xạ toàn phần, góc tới hạn (Total internal reflection, Critical angle) n 2 n 1 > n2 tia Tới Tia khúc xạ (refracted) tia Phản xạ k t TIR k i k r 2φ 1φ cφ D902 =φ cφφ >1Góc giới hạn 1 2sin n n c =φGóc tới hạn: Sự dịch pha do TIR • The totally reflected wave experiences a phase shift however which is given by: • Where (p,N) refer to the electric field components parallel or normal to the plane of incidence respectively. 2 1 1 1 22 1 1 22 sin 1cos 2 tan; sin 1cos 2 tan n nn nn n n pN = −=−= θ θδ θ θδ [2-20] Ống dẫn sóng quang dựa trên TIR: (Dielectric Slab Waveguide) φ Sự lan truyền trong ống dẫn quang hệ số khúc xạ bước. φ n1 n2<n1 0max 1sin sin , 2c c c n n πθ θ θ φ= = − Góc tới tối đa: Suy ra từ định luật Snell: max0θ 1 21 1 2 2 2 1max0 2sinNA n nn nnnn −=Δ Δ≈−== θ Khẩu độ số (Numerical aperture): 2 1 sin ; c n n φ =Góc tối thiểu để có TIR: 0max 1sin cos cn nθ φ= 2 0max 1sin 1 sin cn nθ φ= − 2 2 0max 1 2sinn n nθ = − Các loại cáp quang Các mode sóng trong ống dẫn quang Tần số cắt chuẩn hóa: 2 2 1 2 0 0 d dV n n NAπ πλ λ= − ≈ Số mode : 21 2 N V≈ Suy hao trong sợi quang • Suy hao do tán xạ • Suy hao do hấp thụ • Suy hao do các mode rò rỉ • Suy hao do ghép mode • Suy hao do cáp bị uốn cong 0(min) sin 90t zz z= = 1 2 (max) sint c nzz z nφ= = Tán sắc liên mode: sint zz φ= 1 2 (max) (min) 1 1t t nz z z z z n ⎛ ⎞ Δ⎛ ⎞Δ = − = − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟− Δ⎝ ⎠⎝ ⎠ Tán sắc (despersion) 1 1 n zzt v c Δ ΔΔ = = −Δ Tán sắc liên mode trên sợi quang hệ số khúc xạ thay đổi dần: 2 1 8 n zt c ΔΔ = Tán sắc vật liệu: do chỉ số khúc xạ không giống nhau với các bước sóng khác nhau. Tán sắc ống dẫn sóng: pha của các sóng tới phân biệt Tán sắc toàn phần và vận tốc truyền dữ liệu cực đại 2 2 2( ) ( ) ( ) ( )t tot t imd t md t wgdΔ = Δ + Δ + Δ Imd: intermodal despersion, md: metaterial dispersion, wgd: waveguide dispersion ( )r wt t t tot= + Δ 1 r B t =