Xem mẫu
- KYÕ THUAÄT THOÂNG TIN QUANG
Baøi 2:
NGUYEN LYÙ TRUYEN AÙNH SAÙNG
NGUYEÂN LY TRUYEÀN ANH SANG
TRONG SÔÏI QUANG
- NOÄI DUNG
Cô sôû quang hoïc
Cau tao sôi
Caáu taïo sôïi quang
Nguyeân lyù truyeàn aùnh saùng qua sôïi quang
Khaåu ñoää soá NA (Numerical Aperture)
( p )
Taùn saéc mode
Sôïïi q g GI (
quang (Graded Index Fiber))
Mode soùng
Phaân loaïi sôïi quang
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
Aùnh saùng coù hai tính chaát:
− Tính chat soùng: anh sang laø soùng ñieän töø
chaát song: aùnh saùng la song tö
− Tính chaát haït: aùnh saùng bao goàm nhieàu haït photon coù
naêng löôïng E
1, 24
λf =c E = hf =
λ ( μm)
Trong ñoù, f: taààn soá (Hz) λ: böôùc soùng (m)
E: naêng löôïng photon (eV)
c: vaään t á anh sang t
toc ù h ù trong chan kh â
h â khong, c = 3 108 m/s
3.10 /
h: haèng soá Planck, h= 6,625.10-34 (J.s)
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
Phoå soùng ñieän töø
Vuøng hoàng Vuøng cöïc
ngoaïi tím ...
Tia X
f (Hz)
DC VLF LF MF VHF VHF+SHF Tia Γ
+ EHF
1300
nm
1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
μm μm μm μm μm μm μm μm μm μm μm μm μm
1550 850
nm nm
AÙnh saùng duøng trong thoâng tin quang Vuøng aùnh saùng khaû kieán
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
Baên g taàn Taàn soá (f) Böôùc soùn g (λ)
VLF 3 kH
kHz ÷ 30 kH
kHz 100 Km
K ÷ 10 K
Km
LF 30 kHz ÷ 300 kHz 10 Km ÷ 1 Km
MF 300 kHz÷ 3 MHz 1 Km ÷ 100 m
HF 3 MHz ÷ 30 MHz 100 m ÷ 10 m
VHF 30 MHz ÷ 300 MHz 10 m ÷ 1m
UHF 300 MHz÷ 3 GHz 1m ÷ 1 dm
SHF 3 GHz ÷ 30 GHz 1 dm ÷ 1 cm
EHF 30 GHz ÷ 300 GHz 1 cm ÷ 1mm
Caùc baêng soùng voâ tuyeán
F: Frequency L: Low M: Middle H: High
V: Very U:Ultra S: Supper E: Extra
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
Aùnh saùng thaáy ñöôïc chieám daûi phoå töø 380nm
(tím) ñeán 780nm (ñoû)
Aùnh saùng duøng trong thoâng tin quang naèm trong
vuøng caän hoàng ngoaïi (near-infrared) (800nm-
1600nm) khoâng thaááy ñöôïc
3 vuøng böôùc soùng (cöûa soå böôùc soùng) ñöôïc söû
duïng trong thoâng tin quang: 850 nm, 1300 nm vaø
1550 nm
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
Chieát suaát cuûa moâi tröôøng: n = c/v
- c:vaän toác aùnh sang trong chan khoâng c = 3 108 m/s
toc anh saùng chaân khong, 3.10
- v: vaän toác aùnh saùng trong moâi tröôøng ñang xeùt, v≤ c
Söï phan xa vaø khuc xaï:
Sö phaûn xaï va khuùc xa:
Tia tôùi Tia phaûn xaï
θ1 θ1’
n1 moâi tröôøng 1
n2 moi tröông
moâi tröôøng 2
θ2
Tia khuùc xaï
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
− Tia tôùi, tia phaûn xaï vaø tia khuùc xaï cuøng naèm treân moät
maët phaúng
− Goùc phaûn xaï baèng goùc tôùi: θ1= θ1’
− Goùc khuùc xaï ñöôïc xaùc ñònh töø coâng thöùc Snell:
n1sinθ1= n2 sinθ2
Tia tôùi Tia phaûn xaï Tia tôùi Tia phaûn xaï
θ1 θ1
n1 moâi tröôøng 1 n1 moâi tröôøng 1
n2 θ2 moâi tröôøng 2 n2 moâi tröôøng 2
θ2
n1n2 Tia khuùc xaï
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
Söï phaûn xaï toaøn phaàn:
Tia phaûn xaï
Tia tôi han
tôùi haïn
(θ1> θc)
θc
n1 θ2= 90° (θ1= θc)
n2 (n1>n2)
θ2< 90° (θ1< θc)
Tia khuc xaï
khuùc xa
− Tröôøng hôïp n1>n2, khi goùc tôùi θ1 lôùn hôn goùc tôùi haïn θc thì
khoâng coù tia khuùc xaï, tia tôùi phaûn xaï hoaøn toaøn veà moâi
tröôø tryeà
t öôøng t àn
hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn
- CÔ SÔÛ QUANG HOÏC
− Töø coâng thöùc Snell: θc = arcsin(n2/n1)
− Ñieàu kieään ñeå xaûy ra hieään töông phaûn xaï toaøn phaàn (p p)
ï gp p (pxtp)?
+ n1>n2
+ θ1 > θc = arcsin(n2/n1)
− Khi xaûy ra hieän töôïng pxtp, naêng löôïng aùnh saùng ñöôïc baûo
toaøn theo höôùng truyeàn
Öng duï trong cheá t o sôïi quang vaø t
ÖÙù d ng t h taï ôi truyen anh sang
à ù h ù
qua sôïi quang
- CAÁU TAÏO SÔÏI QUANG
Sôïi quang cô baûn goàm coù 2 lôùp:
+ Loõi (core): hình truï, baùn kính a, chieát suaát n1
+ Lôùp boïc (cladding): hình truï, bao quanh loõi, baùn kính b (b>a), chieáát
suaát n2 (n1> n2)
Vaät lieäu cheá taïo: chaát ñieân moâi (thuyû tinh, plastic…)
Ngoaøi 2 lôùp cô baûn, sôïi quang coøn ñöôïc baûo veä bôûi hai lôùp
beân ngoaøi: lôùp phuû (primary coating) vaø lôùp voû (secondary
coating)
g)
b
lôùp boïc (n2)
a loõi (n1)
a n2 n
0 n1
a
b
b
- NGUYEN LYÙ TRUYEN AÙNH SAÙNG
NGUYEÂN LY TRUYEÀN ANH SANG
TRONG SÔÏI QUANG
AÙnh saùng truyeàn trong loõi sôïi quang baèng caùch
phan xaï toan phaàn
phaûn xa toaøn phan qua laïi maët tieáp giap giöa loõi vaø
lai tiep giaùp giöõa loi va
lôùp boïc
Aùnh saùng coù theå truyeàn ñöôïc trong sôïi quang bò uoán
cong vôùi moät ñoä cong giôùi haïn (thoûa ñieàu kieän phaûn xaï
toaøn phaàn)
θ > θc θ > θ θc
θ’>
b
a
n2 n θ
0 n1 θ θ’
a
b
- KHAU
KHAÅU ÑOÄ SO NA
SOÁ
(NUMERICAL APERTURE)
Ñieàu kieän ñeå moät tia saùng chieáu tôùi ñaàu sôïi quang vôùi goùc
tôùi φ coù theå truyeàn ñöôïc trong loõi sôïi quang?
φ3 < φ1=φc < φ2 θ3 > θ1=θc > θ2
θ2 θ1 θ3
φ1
φ3 α = 90o - θc
φ2 Loõi (n1)
3
Lôùp boïc (n2)
1
2
- KHAU
KHAÅU ÑOÄ SO NA
SOÁ
(NUMERICAL APERTURE)
Keát luaän:
− Söï phaûn xaï toaøn phaàn chæ xaûy ra ñoái vôùi nhöõng tia saùng
coùù goùùc tôùùi ôûû ñ àu sôïi quang nhoûû h goùùc tôùùi h n φmax
ñaà h hôn haï
− sin φmax ñöôïc goïi laø khaåu ñoä soá NA cuûa sôïi quang
− NA bieåu dieãn khaû naêng gheùp aùnh sang vaøo trong sôïi
bieu dien kha nang ghep anh saùng vao sôi
quang:
+ NA lôùn hieäu suaát gheùp aùnh saùng lôùn
+ NA lôn
lôùn nhieu
nhieàu mode song taùn saéc mode
soùng tan sac
Tính NA?
NA = n12 − n2 = n1 2Δ
2
Δ = (n1 – n2)/ n1 : ñoä cheânh leäch chieát suaát töông ñoái giöõa loõi vaø lôùp boïc
- TAN SAC
TAÙN SAÉC MODE
(MODAL DISPERSION)
α3 > α2 > α1= 0o θc < θ3 < θ2 < θ1= 90o
b
lôùp boïc (n2)
a loõi (n1)
n2 n 2 θ2
α2
0 n1 α3 θ3 1
3
a
α3 b
Sôïi
Sôi quang co chieát suaát nhaûy baäc SI (Step-Index Fiber)
coù chiet suat nhay (Step Index
Caùc tia saùng coù quaõng ñöôøng truyeàn khaùc nhau: s1< s2< s3
+ Tia song song vôùi truïc (α1= 0 ) coù quaûng ñöôøng truyeàn ngaén
nhat
nhaát
+ Goùc tôùi caøng lôùn (α lôùn) quaûng ñöôøng truyeàn caøng daøi
Vaän toác truyeàn giöõa caùc tia saùng baèng nhau: vi = v =c/n1
Thôøi gian truyeààn cuûa caùc tia saùng khaùc nhau: ti=si/v
cheânh leäch veà thôøi gian truyeàn giöõa caùc tia saùng
Hieän töông taùn saéc (dispersion)
- TAN SAC
TAÙN SAÉC MODE
(MODAL DISPERSION)
τin τout
Σ Σ
α 3 > α 2 > α 1= 0o
1 1
2 α2
2 α3 1 2
3
3 3
τin Δτ
to t1 t2 t3
Ñònh hó Taù
Ñò h nghóa: T ùn saééc laøø hieään töôïng khi cho moäät xung
l hi t h
aùnh saùng heïp chieáu vaøo ñaàu sôïi quang thì thu ñöôïc
moäät xung aùnh saùng roääng hôn ôû cuoái sôi quang
g ï q g
Aûnh höôûng cuûa taùn saéc:
− Tín hieäu töôïng töï: meùo daïng tín hieäu
− Tín hieäu soá: choàng laáp giöõa caùc bit
haïn cheá dung löôïng vaø cöï ly truyeàn cuûa tuyeán quang
- TAN SAC
TAÙN SAÉC MODE
(MODAL DISPERSION)
Moät tia saùng ñöôïc xem nhö moät mode soùng taùn saéc mode.
Nguyeân nhaân gaây ra hieän töôïng taùn saéc treân?
− Coù nhieàu tia saùng truyeàn trong sôïi quang vôùi quaõng ñuôøng truyeàn khaùc
nhau
− Vaään toác truyeàn baèng nhau thôøi gian truyeàn khaùc nhau Δt
y g y
Laøm caùch naøo ñeå haïn cheá taùn saéc?
− Chæ cho moät tia saùng (mode soùng) truyeàn ñi trong sôïi quang sôïi
quang ñôn mode SMF (Single Mode Fiber)
− Giaûm Δt giöõa caùc tia saùng sôïi quang coù chieát suaát giaûm daàn GI
(Graded Index fiber)
- SÔÏI
SÔI QUANG GI
(Graded-Index Fiber)
r
α3 > α2 > α1= 0o
b
a
n(r) 3
n2 α3
0 n1 α2 1
2
a
b
r
Sôïi GI: sôïi quang coù chieát suaát giaûm daàn
Chieát suaát loõi sôïi quang coù daïng hình parabol
⎡ ⎛r⎞ ⎤
2
n1 ⎢1 − Δ ⎜ ⎟ ⎥ r ≤a
n( r ) = ⎢ ⎣ ⎝a⎠ ⎥⎦
n2 r ≥a
Caùc tia saùng truyeàn theo ñöôøng cong Taïi sao?
- SÔÏI
SÔI QUANG GI
(Graded-Index Fiber)
r
α3 > α2 > α1= 0o
b
a
n(r) 3
n2 α3
0 n1 α2 1
2
a
b
r
Caùc tia saùng coù quaõng ñöôøng truyeàn khaùc nhau: s1< s2< s3
Vaän toác truyeàn giöõa caùc tia saùng khaùc nhau: v1< v2< v3
+ T i t c ( 0) n(0)=n1 lôùn nhaáát v(0)=c/n(0) nhoûû nhaáát
Taï truï (r=0): (0) h (0) / (0) h h
+ Caøng ra xa truïc vaän toác truyeàn caøng lôùn
quaûng ñöôøng truyeàn tyû leä thuaän vôùi vaän toác truyeàn
Thôøi gian truyeàn cuûa caùc tia saùng khaùc nhau: ti=si/vi
Δtij = ti – tj nhoû
- SÔÏI
SÔI QUANG GI
(Graded-Index Fiber)
Sôïi GI coù taùn saéc mode nhoû hôn nhieàu so vôùi sôïi quang SI
Taùn saéc mode ñôn vò dmode (ns/km) cuûa sôïi SI vaø GI:
n1 n1 Δ 2
d mod e − SI = Δ d mod e −GI = ⋅
c c 8
SI vaø GI: sôïi quang ña mode: dmode ≠ 0 Haïn cheáá cöï ly vaø
toác ñoä bit truyeàn
Sôïi
Sôi quang ñôn mode SMF: dmode = 0
d
ÖÙng duïng:
+ Sôïi SI: cöï ly truyeàn ngaén vaø toác ñoä bit truyeàn thaáp
+ Sôïi GI: cöï ly truyeàn vaø toác ñoä bit truyeàn trung bình
+ Sôïi SM: cöï ly truyeàn daøi vaø toác ñoä bit truyeàn cao
nguon tai.lieu . vn