ttq1 chuong 2

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNGBÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGKỸ THUẬT THÔNG TIN QUANGFundamental of Optical Fiber Communications

Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc HợpBộ môn: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2ộ g Q g gEmail: [email protected], [email protected]

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 2

SỢI QUANGSỢI 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


Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang

• Cấu tạo sợi quangSợi 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)

Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic…)

Lõi

Lớp bọc



• Cấu tạo sợi quang (tt)Ngoài 2 lớp cơ bản, sợi quang còn được bảo vệ bởi hai lớ bê ài lớ hủ ( i i ) à lớ ỏlớp bên ngoài: lớp phủ (primary coating) và lớp vỏ (secondary coating)

Lôùp boïc Lôùp phuû Lôùp voû

Loõi 10/50

p ï125 um

p p250 um

p900 um

10/50 um



• Ánh sáng lan truyền trong sợi quangÁnh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phản xạ

à hầ l i ặ iế iá iữ lõi à lớ btoàn phần qua lại mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc» 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 na

b

0 θθ

θ’

θ > θc θ > θ’> θc

a

b



• Khẩu độ sốĐiều kiện để một tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với ó ới ó hể ề đ lõi i ?góc tới φ có thể truyền được trong lõi sợi quang?

φ1=φc θ1=θc > θ2θ3 >< φ2φ3 <

θ1φ

θ3θ2

φ3

3Lõi (n1)

Lớp bọc (n2)

φ1

1

α = 90o - θcφ2

1

2



• Khẩu độ số (tt)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 htia sáng có góc tới ở đầu sợi quang nhỏ hơn góc tới hạn φmax.

Định nghĩa khẩu độ số: maxsinθ=NAĐịnh nghĩa khẩu độ số:

Ý nghĩa: NA biểu diễn khả năng ghép ánh sáng vào

max

g g g p gtrong sợi quang.Công thức xác định NA: 2 2

1 2 1 2NA n n n= − = Δ

độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc21

22

21

2nnn −

=Δ



• Khẩu độ số (tt)

Góc nhận ánh sáng bằng max2θ

θmax

2×θmax



• Khẩu độ số (tt)

Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón

Vùng nhận ánh sáng



• Khẩu độ số (tt)Ví dụ 1Một 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.nhận ánh sáng của sợi quang này.



• Khẩu độ số (tt)Giải ví dụ 1Áp dụng công thức tính khẩu độ số: Thế giá trị các đại lượng vào ta được kết quả:

22

21 nnNA −=

ể

21,046,15,1 22 =−=NA

i θATheo biểu thức định nghĩa:

Suy ra: Hay góc nhận ánh sáng:

maxsinθ=NA0

max 12=θ 0max 242 =θ



• Phân loại sợi quangPhân 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 ợ ( ) g y , p ọ

làm bằng nhựa



• Phân loại sợi quang (tt)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 bọcợ q g g p ọ• Sợi quang dịch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber)• Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber)



• Phân loại sợi quang (tt)Sợi chiết suất bậc SI (Step-Index)

â ố ế ấ• Dạng phân bố chiết suất:

⎨⎧ ≤

=arn

rn,

)( 1

n1

n

⎩⎨ ≤≤

=bran

rn,

)(2 r

0 bab a

n2

• Các tia sáng truyền theo đường thẳng



• Phân loại sợi quang (tt)Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần

â ố ế ấ• Dạng phân bố chiết suất: parabol

⎪⎨

⎧≤⎥

⎤⎢⎡

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛Δ− arrn ,1)(

2

1

⎪⎩

⎪⎨

≤≤⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝=

branarn

,

,)(

2

1

• Các tia sáng truyền theo đường cong Tại sao?



• 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 DFFGiam chiet suat lôp boïc Sôïi dòch tan sac DSF Sôïi san bang tan sac DFF



• Phân loại sợi quang (tt)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)( μ )» 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)


Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang

• Cơ sở toán họcToán tử curl iii zyx

zyx

iii

AcurlArot∂∂

∂∂

∂∂

==

Toán tử del

zyx AAA

Toán tử del

iii zyx ∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇ ...zyx y ∂∂∂



• Cơ sở toán học (tt)

Tích hữu hướng của hai vector và A B

zyx

zyx

BBBAAAiii

BA =×

Toán tử div:zyx BBB

AAdiv .∇=r

Suy ra: AAcurlArot ×∇==



• Cơ sở toán học (tt)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

zf

yf

xff

∂∂

+∂∂

+∂∂

=Δ222

• Trong hệ tọa độ trụ

zzr

rr

r iEirEE

rEi

rEE

rEE 2

222

2222 22

∇+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

∂∂

+∇+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

∂

∂×−∇=∇ ϕ

ϕϕ

ϕ

ϕϕ


⎠⎝⎠⎝


• Hệ phương trình Maxwell:

r Mối quan hệ giữa các đại lượng(1)

(2)0∇ Br

ρ=∇ Dr

. = µ (5) = ε + (6)= σ (7)

ED

HBP

J E(2)

(3)

0. =∇ B

BE ∂×∇

rr ρ: Mật độ điện tích khối [c/m3]

V t ờ độ điệ t ờ [V/ ]

= σ (7)J E

(3)

(4)

tE

∂−=×∇

DJH ∂+=×∇

rrr

: Vectơ cường độ điện trường [V/m]: Vectơ cảm ứng điện [c/m2]. : Vectơ cường độ từ trường [A/m].

E

D

H( )t

JH∂

+=×∇: Vectơ mật độ dòng điện mặt [A/m2]. : Vectơ cảm ứng từ [H/m].: Vectơ phân cực điện

J

BP


: Vectơ phân cực điệnP


• Đối với sợi quang độ dẫn điện bằng 0, hệ pt Maxwell được viết lại như sau:

(1)0. =∇ Dr

(2)0. =∇ Br

(3)tBE∂∂

−=×∇r

r

D∂r

(4) tDH∂∂

=×∇r



• Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z):

Phương trình sóng:2 2 2

2 22 2 2

1 1 ( ) 0E E E Eω εμ βφ

∂ ∂ ∂+ + + − =

∂ ∂ ∂

Nghiệm phương trình sóng:

2 2 2 ( )r r r r

μ βφ∂ ∂ ∂

( ) ( ) 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( ) ( ) cos ( ) ( ) cos E r a A J ur k E r a A K wr kφ φ≤ = ≥ =

– K(x) có dạng hàm Hankel (hàm Bessel cải tiến loại hai)– u2 = β2

1 - β2 với β1= ω(ε1μ1)1/2 = ω n1/c– w2 = β2 - β2

2 với β2= ω(ε2μ2)1/2 = ω n2/c



• Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ (r,φ,z) (tt):

Giải hệ PT sóng tại biên r=a nghiệm của PT số mode sóng truyền trong sợi quangMột số kết quả rút ra từ việc giải PT sóng:Một số kết quả rút ra từ việc giải PT sóng:

• Tần số chuẩn hóa: V = (2πa/ λ).(n12 – n2

2)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 3(linearly polarized mode) với l = 0,1,2,…; m= 1,2,3,…• 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



• Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang SI:

g suất

tron

g lõ

iC

ông



• Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt)


Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang)

• Phân bố năng lượng của một số mode sóng trong sợi quang (tt)



• Các mode phân cực tuyến tính:Sợi quang trên thực tế có độ dẫn kém, do đó các mode

hiê i ẽ kế h ( h ái) hà htự nhiên trong sợi quang sẽ kết hợp (suy thoái) thành các mode phân cực tuyến tính (LP)Ví dụ việc kết hợp các mode HE21 + TE01 và HE21 + TM01Ví dụ việc kết hợp các mode HE21 + TE01 và HE21 + TM01thành các mode LP11 (vết đen chỉ phân bố cường độ; mũi tên chỉ các trường TE và TM): xem hình (a) và (b).



• 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 chúngtrường TE và cường độ của chúng



• Các mode phân cực tuyến tính (tt):(b) Bốn hướng trường TE và TM và các phân bố cường độ tương ứng của LPứng của LP11.



• Sợi quang đơn mode:Không phải mode sóng nào cũng truyền được trong sợi

Mỗi d LP ó ộ ầ ố ắ ứ kýquang. Mỗi mode LPnm có một tần số cắt tương ứng, ký 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 cn y ợtrong sợi quang.Một vài trị số Vcn bậc thấp:

V 2 405• Vc1 = 2,405• Vc2 = 3,832• Vc3 = 5,138• Vc4 = 5,520• Vc5 = 6,380



• Sợi quang đơn mode (tt):Bước sóng λc1 là một thông số quan trọng. Ðó là bước ó ắ hấ i là iệ ù đ dsóng ngắn nhất sợi làm việc trong vùng đơn mode.

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» 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 =


Vc


• Sợi quang đơn mode (tt):Đường kính trường mode (MFD): trường trong sợi quang đ d ó ấ ỉ d hâ bố G iđơn mode có xấp xỉ dạng phân bố Gaussian.Ðường kính trường mode là tại đó biên độ trường giảm e lầne lần

Vap 6,222 ≈



• Chiết suất hiệu dụngChiết suất hiệu dụng neff là tỉ số giữa vận tốc trong chân khô ới ậ ố dẫkhông với vận tốc dẫn vguide

eff vCn =

với vguide = ω/βguidev

kCneff

ββω==

/

Chiết suất hiệu dụng là khác nhau đối với các mode khác nhau.


Suy Hao

• Đơn vị đo công suất ánh sáng:Watts: [mW]deciBell: [dBm]

• mW ↔ dBm:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛×=

mWmWPdBmP

1)(lg10)(

10)(

10)(dBmP

mWP =


Suy Hao

• Bảng các tiền tố:Tiềnố

Đọc Hệ số Tiềnố

Đọc Hệ số Tiềnố

Đọc Hệ sốtố

Y yotta 1024

tố

k kilo 103

tố

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


g y y

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): công suất ở cự ly z=L tính từ đầu sợi;

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=)(lg10)( 1 mWPdBA ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=)(

lg10)(2 mWP

dBA

)()()( 21 dBmPdBmPdBA −=


)()()( 21

Suy Hao• Độ suy hao trung bình:

( )A dB

Cô ất t i điể t ê ợi

α ( / ) ( )( )

dB K mA dBL K m

=

• Công suất quang tại điểm z trên sợi quang:

1010)(z

PP×

−α10

1 10)( PzP ×=


Suy Hao

• Các nguyên nhân gây ra suy hao: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 giá trị cho phép <10-9

– Bước sóng ánh sáng

α (dB/Km)

300

400500600

Cu

0100200

300

FeMn

500 600 800 1000 1200 1400 1600


500 600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)

Suy Hao


• Hấp thụ ion OH-: độ suy hao phụ thuộc vào– Nồng độ ion OH- giá trị cho phép <10-9

– Bước sóng ánh sáng: đỉnh suy hao tại bước sóng gần 950nm, à1240nm và 1400nm

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


600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)

Suy Hao


• 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 đối với sợi quang bằng thủy tinh (khoảng 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) hơn 0,2dB/km (ví dụ 0,001dB/km)?100

10

α (dB/Km)

Haáp thuï hoàng ngoaïi

1

0.1

0 01

Haáp thuï cöïc tím


0.01600 800 1000 1200 1400 1600 λ(nm)

Suy Hao

• Các nguyên nhân gây ra suy hao:Suy hao do uốn cong

• Uốn cong (macro bend): Rcp = 30 mm ÷ 50 mm.


Suy Hao

• Các nguyên nhân gây ra suy hao:Suy hao do uốn cong

• Vi uốn cong (micro bend)


Suy Hao

• Các nguyên nhân gây ra suy hao: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 chỗ không đồng nhất:– Do cách sắp xếp không đồng nhất của nguyên tử thủy tinh– Bot không khí– Vết nứt– …


Suy Hao

• Các nguyên nhân gây ra suy hao:Suy hao do tán xạ Rayleigh (tt)

ỗ• Các tia sáng truyền qua những chỗ 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 )truyền ngược về đầu sợi quang…)

» Gây ra suy hao cho sợi quang» Ứng dụng trong máy đo quang dội OTDR (Optical Time

Domain Reflectometer)Domain Reflectometer)


Suy Hao

• Đặc tuyến suy hao:Tổng hợp các đặc tuyến suy hao của các nguyên nhân â h khá hgây ra suy hao khác nhau

Khác nhau tùy theo loại sợiDựa trên đặc tuyến suy hao này vùng bước sóng (cửaDựa trên đặc tuyến suy hao này, vùng bước sóng (cửa sổ bước sóng) sử dụng được xác định3 cửa sổ bước sóng:g

– 850nm– 1300nm– 1550nm


Suy Hao

• Đặc tuyến suy hao (tt):

1978

Đối với sợi silica, giá trị suy hao điển hình:

2 3 / (8 0 )1978 2 ÷ 3 dB/Km (850nm)0,4 ÷ 0,5 dB/Km (1300nm)0,2 dB/Km (1550nm)


Suy Hao

• Các suy hao khác:Suy hao do hàn nốiSuy hao do khớp nối


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Khái niệm:

Là hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu i l i hậ đ ộ á h á ộ h ởsợi quang lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở

cuối sợi

• Định nghĩa: 2 2o iD τ τ= −

•τi, τo: độ rộng xung vào vàxung ra, đơn vị là giây [s].•D: đơn vị là giây [s].


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Đơn vị:

Thường người ta chỉ quan tâm đến độ trải rộng xung ê ộ K à ó đ ị là [ /K ] h ặ [ /K ]trên một Km, và có đơn vị là [ns/Km], hoặc [ps/Km].

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 phổchất liệu trên mỗi km chiều dài sợi ứng với độ rộng phổ quang là 1nm.


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Ảnh hưởng của tán sắc:


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Nguyên nhân gây ra tán sắc:

Do sự chênh lệch về thời gian truyền của các tia sáng ( á d ó ) tá ắ d đ ờ t ề h tá(các mode sóng) tán sắc do đường truyền hay tán sắc mode (modal dispersion)Ánh sáng do nguồn quang phát ra trong một khoảngÁnh sáng do nguồn quang phát ra trong một khoảng bước sóng + vận tốc truyền pha của mỗi bước sóng lại khác nhau thời gian truyền của các bước sóng khác nhau tán sắc sắc thể (chromatical dispersion)nhau tán sắc sắc thể (chromatical dispersion)Tán sắc phân cực mode


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Tán sắc mode:

Nguyên nhân:

Sợi đa mode SI:C

LnTTDSI Δ≈−= 1

12mod

Sợi đa mode GI:

C

CLnDGI

8

21

modΔ

≈


C8

Tán Sắc Trong Sợi Quang• Tán sắc sắc thể:

Nguyên nhânTán sắc sắc thể:

• Tán sắc chất liệu:• Tán sắc ống dẫn sóng:

λΔ××= LMD matmat

λΔ××= LMDTán sắc ống dẫn sóng:

Độ tán sắc sắc thế:λΔ××= LMD wgwg

λΔ××+=+= LMMDDD h

» Mmat là hệ số tán sắc chất liệu; Mwg hệ số tán sắc ống dẫn sóng; M = M + M gọi là hệ số tán sắc sắc thể Các thông

λΔ××+=+= LMMDDD wgmatwgmatchr

sóng; M = Mmat + Mwg gọi là hệ số tán sắc sắc thể. Các thông số trên có đơn vị là ps/(nm.Km)

» Δλ (nm): độ rộng phổ nguồn quang» L (Km): chiều dài sợi quang» L (Km): chiều dài sợi quang


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Tán sắc tổng cộng (Total Dispersion):

2 2 2 2D D D d d d= + = +

Với: Dchr = Dmat + Dwg dchr = dmat + dwg

D L d d M

mod mod t chr t chrD D D d d d= + = +

Dx = L.dx dmat = Mmat. Δλ

Trong đó:ắ ắ ể» Dx: tán sắc x (mod: mode; chr: sắc thể; mat: chất liệu; wg:

dẫn sóng) trên một đoạn sợi quang chiều dài L, đơn vị (ns);» dx : tán sắc trên mỗi km, đơn vị (ns/km);

M hệ ố tá ắ hất liệ đơ ị ( /k )» Mmat : hệ số tán sắc chất liệu, đơn vị (ns/km.nm);» Δλ: độ rộng phổ của nguồn quang, đơn vị (nm).


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Tán sắc sợi đơn mode:


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Tán sắc phân cực mode:

• Mặc dù ta gọi sợi quang là đơn mode nhưng trên thực tế nó luôn truyền 2 mode sóng được gọi chung cùng một tên Cácluôn truyền 2 mode sóng được gọi chung cùng một tên. Các mode này là các sóng điện từ được phân cực tuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông góc với nhau. Nếu chiết suất của sợi quang là không đồng nhất trên phươngNếu chiết suất của sợi quang là không đồng nhất trên phương truyền của hai mode trên, hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra


Tán Sắc Trong Sợi Quang• Tán sắc phân cực mode (tt):

LdD ×= LdD PMDPMD ×=

)/(5,02,0 KmpsdPMD ÷=


Hiệu ứng Phi Tuyến

• Khái niệm:Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số ủ i h h ộ à ờ độ á h á ( ôcủa sợi qaung phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công

suất).Các hiện tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệCác hiện tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps. Tuy nhiên ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps và cao hơnnhiên, ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps và cao hơn và/hay ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng. Trong các hệ

ểthống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải



• Các loại hiệu ứng phi tuyến:Loại thứ nhất phát sinh do tác động qua lại giữa các ó á h á ới á h ( độ hâ ử)sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử)

trong môi trường silica- một trong nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là tán xạ Rayleigh. Hai ạ g ạ y ghiệu ứng chính trong loại này là tán xạ do kích thích Brillouin SBS và tán xạ do kích thích Raman SRS.Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vàoLoại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha SPM, hiệu ứng điều chế xuyên pha CPM và hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM. Loại hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Kerr.sóng FWM. Loại hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Kerr.



• Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn.


Một Số Loại Sợi Quang MớiSợi quang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong các hệ thống hiện nay là sợi đơn mode SMF-28, G.652. Dạng phân bố chiết suất như hình (a)Dạng phân bố chiết suất như hình (a).Sợi quang dịch chuyển tán sắc DSF (G.653) có tán bằng không tại bước sóng gần 1550 nm, phù hợp cho hệ thống đơn kênh. Dạng phân bố chiết suất như hình (b).


Một Số Loại Sợi Quang MớiSợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ-DSF) G.655.

• Có tán sắc màu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm km hoặc là 1 đến 6• Có tán sắc màu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm.km hoặc là -1 đến -6 ps/nm.km ở cửa sổ 1.550 nm

• Sử dụng trong hệ thống WDM

S i diệ tí h hiệ d lõi lớ LEAFSợi quang diện tích hiệu dụng lõi lớn LEAF• Ảnh hưởng của sự phi tuyến có thể giảm được khi chế tạo loại

sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn• Corning (LEAF) và Lucent (TrueWave XL)


Một Số Loại Sợi Quang Mới

• Dạng phân bố chiết suất của sợi NZ-DSF (a) và LEAF (b)


Một Số Loại Sợi Quang Mới

• Phân bố năng lượng trong lõi của sợi DSF (a) và LEAF (b)


Một Số Loại Sợi Quang MớiCác sợi quang tán sắc âm và dương

• Sợi có tán sắc màu dương được sử dụng cho các hệ thống trên đất liền, còn sợi tán sắc màu âm được sử dụng cho các hệ , ợ ợ ụ g ệthống dưới biển

• Khi tán sắc màu là dương thành phần tần số cao (f > f0) sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp (f < f0)y ậ p p ( 0)

• Hình vẽ minh họa tán sắc màu âm và dương trong dải 1550 nm


Cáp Sợi Quang

• Sản xuất sợi quang:Quá trình chế tạo sợi bao gồm hai giai đoạn chính:

ẫ ẫ• Tạo mẫu tiền chế (Preform): Mẫu tiền chế là một thanh thủy tinh có chiết suất lõi n1, lớp bọc n2 điều chỉnh được trong quá trình chế tạo bằng cách thay đổi thành phần và nồng độ chất h i H ói á h khá ẫ tiề hế ó hì h d ợiphụ gia. Hay nói cách khác, mẫu tiền chế có hình dạng sợi

quang trong tương lai. Như vậy chất lượng mẫu tiền chế quyết định độ suy hao và tán sắc của sợi quang.Ké ợi (D i ) T á t ì h ké ợi hiệt độ đốt ó• Kéo sợi (Drawing): Trong quá trình kéo sợi, nhiệt độ đốt nóng phôi, tốc độ kéo quyết định thông số hình học và sức bền cơ học.


Cáp Sợi Quang

• Sản xuất sợi quang (tt):Tạo mẫu tiền chế theo phương pháp đọng hơi hoá chất bê ài OVDbên ngoài OVD

BCl3SiCl4

POCl3

O2GeCl4


Cáp Sợi Quang

• Sản xuất sợi quang (tt):Sơ đồ kéo sợi tự động

kiểm tra đường kính sợi


Cáp Sợi Quang

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang:Ðể bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác động do điều kiện

ài i ò đ b hê ài lớ ữngoài, sợi quang còn được bọc thêm vài lớp nữa:• Lớp phủ, hay còn gọi là lớp vỏ thứ nhất (Primary Coating).• Lớp vỏ thứ hai (Secondary Coating).p ( y g)

Lớp bọc Lớp phủ 250 µm

Lớp vỏ900 µm

Lõi 10/50 µm

p ọ125 µm

250 µm


Cáp Sợi Quang

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang (tt):Lớp phủ (Primary Coating) được bọc ngay trong quá

ì h ké i hằ bả ệ itrình kéo sợi nhằm bảo vệ sợi quang:• Chống lại sự xâm nhập của hơi nước.• Tránh sự trầy xước gây nên những vết nứt.ự y g y g• Giảm ảnh hưởng vi uốn cong.• Vật liệu dùng làm lớp phủ

có thể là epoxyarylatecó thể là epoxyarylate, polyurethanes, ethylen -vinyl - acetate,...


Cáp Sợi Quang

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang (tt):Lớp vỏ (Secondary Coating, Buffer Coating, J k )Jacket)

• Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ.

• Có các dạng sau: đệm lỏng (Loose buffer), đệm khít (Tight buffer), dạng băng dẹp (Ribbon).


Cáp Sợi Quang

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang (tt):• Ống đệm lỏng. Hình (a) Ống đệm một sợi quang; (b) Ống đệm

nhiều sợi quangnhiều sợi quang


Cáp Sợi Quang

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang (tt):• Đệm khít. Hình (a) Cấu trúc đệm khít; (b) đệm tổng hợp.


Cáp Sợi Quang

• Các biện pháp bảo vệ sợi quang (tt):• Dạng băng dẹp: Cấu trúc băng dẹp cũng là một dạng đệm khít

nhưng vỏ bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi Số sợi trong mộtnhưng vỏ bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi. Số sợi trong một băng có thể là 4, 8, 12 sợi.


Cáp Sợi Quang

• Phân loại cáp quang:Phân loại theo cấu trúc:

ổ ể• Cáp có cấu trúc cổ điển: các sợi hoặc nhóm sợi được phân bố đối xứng theo hướng xoay tròn đồng tâm. Loại cấu trúc này hiện nay rất phổ biến.

• Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc nhóm sợi được đặt trên rãnh có sẵn trên một lõi của cáp.

• Cáp có cấu trúc băng dẹp: nhiều sợi quang được ghép trên một băng, và nhiều băng xếp chồng lên nhau.


Cáp Sợi Quang

• Phân loại cáp quang (tt):Phân loại theo mục đích sử dụng:

• Cáp dùng trên mạng thuê bao nội hạt, nông thôn.• Cáp trung kế giữa các tổng dài.• Cáp đường dàip g


Cáp Sợi Quang

• Phân loại cáp quang (tt):Phân loại theo điều kiện lắp đặt:

• Cáp chôn trực tiếp.• Cáp đặt trong ống.• Cáp thả dưới nước, thả biển.p ,• Cáp dùng trong nhà.


Cáp Sợi Quang

• Cấu trúc cáp sợi quang:Cấu trúc tổng quát cáp có cấu trúc cổ điển


Cáp Sợi Quang

• Cấu trúc cáp sợi quang (tt):Cấu trúc lớp: (a) Cấu trúc một lớp; (b) Cấu trúc hai lớp


Cáp Sợi Quang

• Cấu trúc cáp sợi quang (tt):Cấu trúc đơn vị: có mật độ sợi cao nên phù hợp với

á ội hmạng cáp nội hạt


ttq1 chuong 2

Documents