Truyen song cap quang.pdf

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 1/31

 Truy ền sóng trong cáp quang

Lecturer: M.Eng. P.T.A. Quang

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 2/31

 Truy ền sóng trong cáp quang

1. Nguyên lý truyền sóng trong sợi quang 

2. Sự suy giảm trong sợi quang 

3. Tán sắc 

4. Các nguồn tín hiệu sợi quang 

5. Hệ thống thông tin quang 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 3/31

Ánh sáng có bản chất sóng, do đó lý thuyết về sóngđiện từ  có thể được sử dụng giải quyết các vấn đề liênquan đến sóng ánh sáng chẳng hạn sự lan tuyền củasóng ánh sáng. Để giải quyết các vấn đề này hệ

phương trình Maxwell nắm vai trò chủ đạo. Và nóđủ 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 quanghọc. 

1. Nguyên lý truyền sóng trong sợi quang 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 4/31

Trong lý thuyết sóng ánh sáng, sóng ánh sáng có thành phầnvector điện trường và từ trường.

Tuy nhiên một số hiện tượng cũng ánh sáng có thể được mô tả bằng sóng vô hướng  –  được gọi là sóng ánh sáng, chẳng hạnnhư 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

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 5/31

Sóng EM trong các môi trường 

Hệ số khúc xạ (Refractive index) :

Với môi trường không từ tính : 

:

:

mediuminwave)(EMlightof velocity

in vacuumwave)(EMlightof velocity

00

r 

r 

r r 

v

c

n

Relative magnetic permeability

Relative electric permittivity

)1(   r  

r n    

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 6/31

k  

Wave fronts 

r  

 E  

k  

Wave fronts (constant phase surfaces) 

 z  

Wave fronts 

 P  O

 P  

Sóng cầu Sóng phẳng  Sóng phân kỳ 

(a)  (b)  (c) 

Các Ví dụ về sóng EM 

S.O.Kasap, optoelectronics and Photonics Principles and Practices, prentice hall, 2001

rays

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 7/31

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        nn  

Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 8/31

Phản xạ toàn phần, góc tới hạn (Total internalreflection, Critical angle)

1

2sinnnc     

1 

n 2 

n 1 > n 

2 

tia Tới 

Tia khúc xạ 

(refracted) 

tia 

Phản xạ 

k  t  

TIR  

k  i 

k  r  

2 

1    c 

902   

c    1Góc giới hạn 

Góc tới hạn: 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 9/31

Sự dịch pha do TIR (totally internal reflection) 

The totally reflected wave experiences a phase shift howeverwhich 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

2tan

n

nn

nn

n

n   p N 

  [2-20]

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 10/31

Ống dẫn sóng quang dựa trên TIR: (Dielectric Slab Waveguide)

Sự lan truyền trong ống dẫn quang hệ số khúc xạ bước.  

n1 

n2<n1 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 11/31

2

1

sin ;c

n

n  

0max 1sin sin ,2

c c cn n

Góc tới tối đa:

Suy ra từ định luật Snell max0 

1

21

1

2

2

2

1max0   2sin NA

n

nn

nnnn

Khẩu độ số (Numerical aperture): 

Góc tối thiểu để có TIR:

0max 1sin cos cn n  

2

0max 1sin 1 sin

cn n  

2 2

0max 1 2sinn n n   

Sai lệch khúc xạ

tương đối 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 12/31

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 13/31

Các loại cáp quang 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 14/31

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 15/31

Các mode sóng trong ống dẫn sóng 

0sin 12

 N 

d 

l  

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 16/31

Tần số cắt chuẩn hóa: 

2 2

1 2

0 0

d d V n n NA  

l l 

Số mode :  21

2 N V 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 17/31

2.Sự  suy giảm trong sợ i 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

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 18/31

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 19/31

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 20/31

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 21/31

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 22/31

0(min)

sin90t 

 z  z z    1

2

(max)sin

t 

c

n z  z z 

n 

Tán sắc liên mode:

sint 

 z  z 

1

2

(max) (min) 11

t t 

n z z z z z 

n

3.Tán sắc (despersion) 

1

1

n z  z t 

v c

Do Δ<<1, nên ta có tán sắc liên mode trong cáp chỉ  số bậc thang là

c

 z nt 

  1

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 23/31

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 24/31

Tán sắc liên mode trên sợi quang hệ số khúc xạ thay đổi dần 

(chỉ số phân cấp):

2

1

8

n z t 

c

Tán sắc vật liệu: do chỉ số khúc xạ không giống nhau với các bướcsóng khác nhau.

Tán sắc ống dẫn sóng: pha của các sóng tới phân biệt 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 25/31

Tán sắc toàn phần và vận tốc truyền dữ liệu cực đại 

2 2 2

( ) ( ) ( ) ( )t tot t imd t md t wgd  

Imd: intermodal despersion,

md: metaterial dispersion,

wgd: waveguide dispersion

( )r wt t t tot  

1

r 

 Bt 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 26/31

4. Các nguồn tín hiệu cáp quang 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 27/31

5. Hệ thống thông tin quang 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 28/31

5. Hệ thống thông tin quang

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 29/31

5. Hệ thống thông tin quang

Quỹ công suất (Power budget)

Với một công suất thu cần thiết và công suất phát, giới hạn

trên của sự tiêu tán công suất trong quá trình truyền đ ược

gọi là Power budget. Nếu gọi công suất phát là Ptx và công

suất thu tối thiểu là Pmin thì power budget là tỉ  số 

Power budget = Ptx/Pmin

Power budget [dB] = Ptx [dB]  –  Pmin [dB] 

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 30/31

Các loại suy hao trong hệ thống thông tin quang

Suy hao do cáp αca (dB/km)

Suy hao do ghép nối αco (dB/mối nối) 

ca

 L + co

 N + tổn hao khác  power budget [dB]

L: chiều dài cáp, N: số ghép nối 

5. Hệ thống thông tin quang

7/23/2019 Truyen song cap quang.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/truyen-song-cap-quangpdf 31/31

Ví dụ:

Nếu Pmin = 1mw hoặc 0 dbm, Pmin = -45 dbm, cáp = 0.2[dB/km ], ghép = 1db, N =2 ; các tổn hao khác trong hệ thống là 5 dB, power budget là 45db. Tìm giới hạn chiều dài

thông tin.Giải

Lmax = (45  –  5  –  2)/0.2 = 190 km

5. Hệ thống thông tin quang