HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀ
I
GIẢ
NG
BÀ
I

GIẢ
NG
KỸ
THU
Ậ
T THÔNG TIN QUANG
KỸ

THU
Ậ
T

THÔNG

TIN

QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
B
ộ
môn: Thôn
g

tron
g
sợi quan
g
• 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
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Cấu tạo sợi quang
 Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:
• Lõi (core): hình trụ, bán kính a, chiết suất n
1
• Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b (b>a),
chiết suất n
2
(n
1
> n
2
)
 Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic…)
Lõi
Lớp bọc



(secondary coating)
Lụự
p
bo
ù
c Lụự
p

p
huỷ Lụự
p
voỷ
Loừi
10/50
pù
125 um

pp
250 um

p
900 um

10/50
um

www.ptit.edu.vn
GING VIấN: VN VIT EM - PHM QUC HP

ọc
»
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)
n
1
n
2
n
a
b
0
θ
θ
θ’
θ
>
θ
c
θ > θ’> θ
c
a
b
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số
 Điều kiện để một tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với

θ
3
>
< φ
2
φ
3
<
θ
1
φ
θ
3
θ
2
φ
3
3
Lõi (n
1
)
Lớp bọc (n
2
)
φ
1
1
α = 90
o
- θ

hỏ

h
ơn g
ó
c t
ới

h
ạn
φ
max.

Định nghĩakhẩu độ số:
max
sin
θ
=
NA
Định

nghĩa

khẩu

độ

số:

Ý

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 8
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Góc nhận ánh sáng bằng
max
2
θ
θ
max
2×θ
max
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón
Vùng nhận
ánh sáng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
 Ví dụ 1

2
2
2
1
nnNA
−
=
ể
21,046,15,1
22
=−=NA
i
θ
A

T
heo bi
ể
u thức định nghĩa:
Suy ra: Hay góc nhận ánh sáng:
max
s
i
n
θ
=N
A
0
max
12=

c
ợ (
) g y,p ọ
làm bằng nhựa
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• 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
• S
ợ
i
q
uan
g

g
iảm chiết suất lớ
p
b
ọ
c
ợ qgg p ọ
• Sợi quang dịch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber)
• Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber)
www.ptit.edu.vn

⎩
⎨
≤
≤
=
bran
r
n
,
)
(
2
r
0
bab a
n
2
• Các tia sáng truyền theo đường thẳng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 15
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
 Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần
â ố ế ấ
• Dạng ph
â
n b
ố

1
⎪
⎩
⎪
⎨
≤≤
⎥
⎥
⎦
⎢
⎢
⎣
⎟
⎠
⎜
⎝
=
bran
a
r
n
,
,
)
(
2
1
• Các tia sáng truyền theo đường cong Æ Tại sao?
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP

r
a
1
a
1
a
3
a
4
a
3
r
a
4
a
2
a
2
0
r
r
a
1
a
1
a
3
a
3
Gia

c
Sô
ï
i

dòch

tan

sac

DSF

Sô
ï
i

san

bang

tan

sac

DFF
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 17

i
i
i
z
y
x
zyx
i
i
i
AcurlArot
∂
∂
∂
∂
∂
∂
==

Toán tử del
zyx
AAA

Toán

tử

del
iii
z

zyx
B
B
B
AAA
iii
BA =×
 Toán tử div:
zyx
B
B
B
AAdiv .∇=
r
Suy ra:
AAcurlArot ×∇==
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Cơ sở toán học (tt)
 Toán tử Laplace:
được gọi là toán tử Laplace, được ký hiệu
Δ
2
∇
(
)
EEEE ×∇×∇−∇∇=Δ=∇

∂
=Δ
2
2
2
•
Trong

hệ

tọa

độ

trụ
zz
r
r
r
r
iEi
r
E
E
r
Ei
r
E
E
r

∂
×−∇=∇
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕϕ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 21
⎠
⎝
⎠
⎝
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Hệ phương trình Maxwell:
r
Mối quan hệ giữa các đại lượng
(1)
(
2
)
0
∇
B
r
ρ
=∇ D
r

r
r
ρ: Mật độ điện tích khối [c/m
3
]
Vt ờ độ điệ t ờ [V/ ]
=

σ
(
7
)
J
E
(
3
)
(
4
)

t
E
∂
−=
×
∇
D
J
H

D
H
(
)
t
J
H
∂
+
=
×
∇
: Vectơ mật độ dòng điện mặt [A/m
2
].
: Vectơ cảm ứng từ [H/m].
:Vectơ phân cực điện
J
B
P
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 22
:

Vectơ

phân


∂
=×∇
r
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 23
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Giải hệ phương trình Maxwell trong hệ tọa độ trụ
(r,φ,z):
 Phương trình sóng:
22 2
22
222
11
()
0
EE E
E
ω
ε
μβ
φ
∂∂ ∂
+
++−=
∂∂∂
 Nghiệm phương trình sóng:
222
()

1
- β
2
với β
1
= ω(ε
1
μ
1
)
1/2 =
ω n
1
/c
– w
2
= β
2
- β
2
2
với β
2
= ω(ε
2
μ
2
)
1/2
= ω n

giải

PT

sóng:
• Tần số chuẩn hóa: V = (2πa/ λ).(n
1
2
–n
2
2
)
1/2
= (2π/ λ).a.NA
• Các mode sóng được gọi là các mode phân cực tuyến tính: LP
lm
(li l l i d d ) ớil
0
1
2
1
2
3
(li
near
l
y po
l
ar
i

– Mode LP
lm
tồn tại khi V > V
clm
(tần số cắt của mode LP
lm
)
» Điều kiện để sợi quang truyền đơn mode: V≤ 2,405
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 25