Chương 3: TRUYỀN SÓNG QUA CÁP QUANG

Chia sẻ: Nguyen Ngoc Yen | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

152
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 3: TRUYỀN SÓNG QUA CÁP QUANG

Chương 3: TRUYỀN SÓNG QUA CÁP QUANG 1. Giới thiệu 2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang 3. Suy hao trong sợi quang 4. Tán sắc 1
1. Giới thiệu 2
1. 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. 3
1. 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. 4
1. 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 mode Dùng 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 . 5
1. 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. 6
2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang Chỉ số khúc xạ n của vật liệu: c velocity of light (EM wave) in vacuum µε n= = = = µ rε r v velocity of light (EM wave) in medium µ 0ε 0 µ r Độ từ thẩm tương đối : Nếu: ( µ r = 1) n= εr ε r : ộ điện thẩm tương đối Đ Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng: Định luật phản xạ: góc tới = góc phản xạ Định luật khúc xạ Snell: n1 sin φ1 = n 2 sin φ 2 7
2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang Phản xạ toàn phần, góc tới hạn: Tia khúc xạ (refracted) φ2 kt φ 2 = 90  n2 n 1 > n2 θ1 ki φ1 kr φc Góc giới hạn φ1 > φ c TIR tia tia T ới Phản xạ n2 Góc tới hạn: sin φ c = n1 Ống dẫn sóng quang dựa trên 2 nguyên lý: phản xạ toàn phần và n1 hơi cao hơn n2 n2
2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang n2 Góc tối thiểu để có TIR: sin φc = ; n1 Góc tới tối đa: θ 0 max Suy ra từ định luật Snell π n sin θ 0 max = n1 sin θ c , θ c = − φc 2 n sin θ 0max = n1 cos φc n sin θ 0max = n1 1 − sin 2 φc n sin θ 0max = n12 − n2 2  n2 − n2  ⇒ θ o ( max ) = sin  1 −1 2   n    Khẩu độ số (Numerical aperture): NA = sin θ 0 max = n1 − n2 ≈ n1 2∆ 2 2 Sai lệch khúc xạ tương đối giữa lõi và lớp bọc: n1 − n2 ∆= 9 n1
2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang Ví 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. a) Sợi quang có khẩu độ số bao nhiêu? b) Góc thu là bao nhiêu? Sai lệch khúc xạ giữa các chỉ số khúc xạ là: n1 − n2 1.55 − 1.51 ∆= = = 0.0258 n1 1.55 Khẩu độ số có giá trị: NA ≈ n1 2∆ = 1.55 2 × 0.0258 = 0.32 Góc thu là: ⇒ θ o ( max ) = sin −1 NA = sin −1 0.32 = 20.6 0 10
2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang Các loại cáp quang 11
2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang Số mode được duy trì trong sợi quang • Tần số chuẩn hoá, hay thông số cắt, hay số V rất thông dụng để xác định số mode được duy trì : d d V =π 2 n1 − n2 2 π NA λ0 λ0 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: 1 2 N V 2 12
2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong cáp quang Ví 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. d 50µ m Tỷ số đường kính bước song là : = = 62.5 λ0 0.8µ m d d d n −n số V =π NA = π n1 2∆ = π n1 2 1 2 = 67.3 λ0 λ0 λ0 n1 chỉ có các mode với tần số cắt thấp hơn giá trị này mới được truyền. Các giá trị này được tínhNừ es) = 1 V 2 = 267 mod es t (mod 2 Lưu ý: Qúa trình truyền đơn mode cho suy hao nhỏ nhất. Điều kiện truyền đơn mode là: V < 2.405 13
3. Suy hao trong sợi quang • Suy hao do hấp thụ:Sù kh«ng tinh khiÕt cña sîi quang lµ nguyªn nh© chñ yÕu cña suy n hao ( do c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp nh : S¾t ,Cr«m , Coban, §ång vµ ® Èm cña OH ) é • Suy hao do tán xạ: xuÊt hiÖn khi cã sù thay ® chiÕt suÊt æi cña sîi quang x¶y ra trong 1 vïng nhá h¬ bíc sãng ¸nh s¸ng n sö dông. • Suy hao do cáp bị uốn cong • Suy hao do các mode rò rỉ • Suy hao do ghép mode 14
5. 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. 15
5. Tán sắc Các 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 index ∆t = ∆z n1 z ∆ = v c 1− ∆ Graded index n1 z ∆ 2 ∆t = 8c + 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 D :chỉ số tán xạ. ∆ t = Dm .λ3dB m λ3dB :bề rộng phổ nguồn sáng. 16
5. Tán sắc Ví 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 tánDm = −0.15ns / nm − km sắc Toàn bộ tán sắc intermodal : n1 z ∆ 1.55 × 1000 × 0.0258 ∆t = = = 136.9 × 10 −9 = 136.9ns / km c 1 − ∆ 3 × 10 8 × (1 − 0.0258) Chiều dài 12.5 km, toàn bộ tán sắc intermodal là: ∆t = ∆ t × z = 0.1369 × 12.5 = 1.71µs Tán sắc vật liệu trên 1 km là: ∆t = Dm z 3dB = −0.15ns / nm − km × 1km × 1.5nm = 0.225ns / km 17
5. Tán sắc • Tán sắc toàn phần ∆t (tot ) = ∆t 2 (imd ) + ∆t 2 (md ) + ∆t 2 ( wgd ) Imd: intermodal despersion, md: metaterial dispersion, wgd: waveguide dispersion • Bề rộng xung thu được tr = t w + ∆t (tot ) t w :độ rộng xung truyền • Vận tốc truyền dữ liệu cực đại 1 B(max) = 5t r 18
5. Tán sắc Ví 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: ∆ t (tot ) = ∆ t (imd ) + ∆ t (md ) + ∆ t ( wgd ) = 0 + 2.81 + 0.495 = 2.85ns 2 2 2 2 2 2 Bề rộng xung thu được xấp xỉ bởi: t r = t w + ∆ t = 0.5 + 2.85 = 3.35ns Tốc độ bit cực đại: 1 B(max) = = 59.6 Mbits / s 5t r 19
BÀI TẬP 1. Một 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. 2. 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. 3. 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. 4. 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. 20