Bài giảng môn Kỹ thuật viễn thông - Truyền sóng trong cáp quang

Truyền sóng trong cáp quang Lecturer: M.Eng. P.T.A. Quang Truyền 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  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. 1. Nguyên lý truyền sóng trong sợi quang  Trong lý thuyết sóng ánh sáng, sóng ánh sáng có thành phần vector 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 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 rr v c n       Relative magnetic permeability Relative electric permittivity )1( r rn  k Wave fronts r E k Wave fronts (constant phase surfaces) z l l l 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 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 Phản xạ toàn phần, góc tới hạn (Total internal reflection, Critical angle) 1 2sin n n c  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: Sự dịch pha do TIR (totally internal reflection)  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 n n nn n n pN          [2-20] 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 21 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 2sinNA 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 Các loại cáp quang Các mode sóng trong ống dẫn sóng 0sin 1 2 N d l         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 2.Sự suy giảm 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) sin90 t z z z  1 2 (max) sin t c nz z z n   Tán sắc liên mode: sin t z z   1 2 (max) (min) 1 1 t t n z z z z z n                 3.Tán sắc (despersion) 1 1 n zz t v c       Do Δ<<1, nên ta có tán sắc liên mode trong cáp chỉ số bậc thang là c zn t   1 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 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 wgd     Imd: intermodal despersion, md: metaterial dispersion, wgd: waveguide dispersion ( )r wt t t tot  1 r B t  4. Các nguồn tín hiệu cáp quang 5. Hệ thống thông tin quang 5. Hệ thống thông tin quang 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 được 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]  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  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