Nguyên lý của sợi quang là gì? Làm thế nào ánh sáng có thể được chuyển đổi thành các dạng tín hiệu khác?

Sợi quang được dùng làm chất mang để truyền ánh sáng, ở hai đầu sợi quang người ta sử dụng nguyên lý nào để chuyển ánh sáng thành tín hiệu cần thiết?

 

Nguyên lý của sợi quang

1, vật liệu truyền dẫn cáp quang:

Sợi quang được sử dụng trong hệ thống dây tích hợp là đèn LED bước sóng 850nm đa chế độ bằng thủy tinh, tốc độ truyền 100M/bps và phạm vi hiệu quả khoảng 20Km. Lõi và lớp bọc bao gồm hai môi trường có tính chất quang học khác nhau. Môi trường bên trong có chiết suất ánh sáng cao hơn môi trường xung quanh nó. Có thể biết từ vật lý rằng tại giao diện của hai môi trường, khi ánh sáng bắn từ phía có chiết suất cao sang phía có chiết suất cao, miễn là Góc tới lớn hơn giá trị tới hạn, hiện tượng phản xạ sẽ xảy ra và năng lượng không bị mất đi. Lúc này, lớp phủ xung quanh lớp ngoài đóng vai trò như một vật liệu mờ đục, ngăn cản ánh sáng thoát ra khỏi bề mặt trong quá trình xuyên thấu. Chỉ những tia sáng có Góc tới ban đầu nhỏ mới bị khúc xạ và bị vật liệu bên ngoài hấp thụ trong một khoảng cách ngắn.

Các sợi quang được sản xuất hiện nay, dù là bằng thủy tinh hay nhựa, đều có thể truyền tất cả ánh sáng khả kiến ​​và một phần phổ hồng ngoại. Cáp quang làm bằng sợi quang có nhiều dạng kết cấu khác nhau. Có hai loại cáp khoảng cách ngắn chính, cáp cấu trúc một lớp nằm ở giữa là dây thép hoặc dây nylon, bó bên ngoài có một số sợi quang, bên ngoài được bổ sung thêm một lớp vỏ nhựa; Loại còn lại là cáp quang mật độ cao, có nhiều lớp ruy băng chồng lên nhau, mỗi lớp ruy băng đặt các hàng sợi quang song song.

Cáp quang làm bằng sợi quang có nhiều dạng kết cấu khác nhau. Có hai loại cáp chính cho khoảng cách ngắn, cấu trúc một lớp. Cáp quang nằm ở giữa sợi dây thép hoặc dây nylon, bó ngoài có một số sợi quang, bên ngoài bổ sung thêm một lớp vỏ nhựa; Loại còn lại là cáp quang mật độ cao, có nhiều lớp ruy băng chồng lên nhau, mỗi lớp ruy băng đặt các hàng sợi quang song song.

2, quá trình truyền dẫn cáp quang:

Tín hiệu ánh sáng phát ra từ đèn LED diode phát sáng hoặc diode laser ILD được tiêm truyền dọc theo phương tiện quang học và điốt quang PIN hoặc APD nhận tín hiệu dưới dạng máy dò ở đầu kia. Điều chế sóng mang quang là khóa dịch chuyển biên độ, còn được gọi là điều chế cường độ (IntensityModulation). Thông thường, hai số nhị phân được biểu thị bằng sự xuất hiện và biến mất của ánh sáng ở một tần số nhất định. Cả tín hiệu ILD của đèn LED và diode laser được bơm đều có thể được điều chế theo cách này, với bộ dò PIN và ILD phản ứng trực tiếp với việc điều chế độ sáng.

Khuếch đại công suất - Bộ khuếch đại quang được đặt trước bộ phát quang để tăng công suất quang của sợi quang đến. Công suất quang của toàn bộ hệ thống đường dây được cải thiện. Khuếch đại rơle trực tuyến - Khi nhóm tòa nhà lớn hoặc khoảng cách giữa các tòa nhà xa, nó có thể đóng vai trò khuếch đại rơle để cải thiện công suất quang. Tiền khuếch đại - Sau bộ tách sóng quang ở đầu thu, tín hiệu vi mô được khuếch đại để cải thiện khả năng thu.

3, đặc tính truyền dẫn cáp quang:

Cáp quang không dễ phân nhánh vì chúng truyền tín hiệu quang nên thường được sử dụng cho các kết nối điểm-điểm. Các hệ thống đa điểm thử nghiệm với cấu trúc liên kết bus cáp quang đã được xây dựng nhưng vẫn còn quá đắt. Về nguyên tắc, do tổn thất điện năng của sợi quang nhỏ nên độ suy giảm giảm, tiềm năng băng thông lớn nên sợi quang thông thường có thể hỗ trợ số lượng vòi nhiều hơn so với cáp xoắn đôi hoặc cáp đồng trục. Hiện tại, bộ phát giá rẻ và đáng tin cậy là đèn LED đi-ốt phát sáng có bước sóng 0.85um, có thể hỗ trợ tốc độ truyền 100Mbps và mạng LAN trong phạm vi 1,5 đến 2KM. Máy phát diode laser đắt tiền và không thể đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ hàng triệu giờ.

Chân máy dò Led hoạt động ở bước sóng {{0}}.85um cũng là bộ thu chi phí thấp. Mức tăng tín hiệu của photodiode tuyết lở lớn hơn so với mã PIN, nhưng nó cần nguồn điện từ 20 đến 50V, trong khi bộ dò mã PIN chỉ cần nguồn điện 5V. Đối với khoảng cách xa hơn và tốc độ cao hơn, có thể sử dụng hệ thống bước sóng 1,3um, hệ thống này có độ suy giảm nhỏ nhưng đắt hơn hệ thống bước sóng 0,85um. Ngoài ra, đầu nối cáp quang phù hợp cũng rất quan trọng, yêu cầu độ suy hao kết nối của mỗi đầu nối phải nhỏ hơn 25dB, dễ lắp đặt và giá thành thấp. Lõi và khẩu độ của sợi càng lớn thì càng nhận được nhiều ánh sáng từ đèn LED, hiệu suất của nó càng tốt. Sợi có đường kính lõi 100um và đường kính lớp bọc 140um có thể mang lại hiệu suất khá tốt. Nó nhận được năng lượng ánh sáng nhiều hơn 4dB so với sợi 62,5/125um và nhiều hơn 8,5dB so với sợi 50/125um. Sợi chạy ở mức 0,8um có độ suy giảm là 6dB/Km và sợi chạy ở mức 1,3um có độ suy giảm là 4dB/Km. Sợi quang 0,8um có băng thông 150 MHz/Km và sợi quang 1,3um có băng thông 500 MHz/Km.

Trong hệ thống cáp tích hợp, việc sử dụng cáp quang làm phương tiện truyền dẫn cho đường trục chính là rất phù hợp và cần thiết.
Hiện tại, một loại công nghệ ghép kênh PHÂN BIỆT BƯỚC SÓNG quang học WDM (MULTI-PLEXING) có thể được ghép kênh, gửi và truyền trên một đường truyền, nói chung là theo truyền song song 8 bit byte, sử dụng các bước sóng khác nhau cho mỗi luồng bit, vì vậy nó cần hỗ trợ để mạch có thể chạy ở tốc độ thấp. Liên kết cáp quang của WDM là một hệ thống truyền dữ liệu mới, phù hợp với giao diện thiết bị có độ rộng byte.

(l) Giao tiếp bằng laser

Việc sử dụng ánh sáng để truyền tải thông tin ngày nay rất phổ biến. Ví dụ, tàu sử dụng đèn để liên lạc và đèn giao thông sử dụng màu đỏ, vàng và xanh lục. Nhưng tất cả những cách truyền thông tin bằng ánh sáng thông thường này chỉ có thể bị giới hạn ở khoảng cách ngắn. Nếu muốn truyền tải thông tin trực tiếp đến những nơi xa xôi thông qua ánh sáng, bạn không thể sử dụng ánh sáng thông thường mà chỉ có thể sử dụng tia laser.

Vậy làm thế nào để bạn cung cấp tia laser? Chúng ta biết rằng dòng điện có thể truyền qua dây đồng nhưng ánh sáng không thể truyền qua dây kim loại thông thường. Để đạt được mục đích này, các nhà khoa học đã phát triển một loại dây tóc có thể truyền ánh sáng, được gọi là sợi quang, hay còn gọi là sợi quang. Sợi quang được làm bằng vật liệu thủy tinh đặc biệt, đường kính mỏng hơn sợi tóc người, thường từ 50 đến 150 micron và rất mềm.

Trên thực tế, lõi bên trong của sợi là thủy tinh quang học trong suốt có chiết suất cao, và lớp phủ bên ngoài được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa có chiết suất thấp. Cấu trúc như vậy một mặt có thể làm cho ánh sáng khúc xạ dọc theo lõi bên trong, giống như nước chảy về phía trước trong ống nước, điện truyền về phía trước trong dây dẫn, cho dù có hàng ngàn vòng xoắn cũng không có tác dụng. Mặt khác, lớp phủ có chỉ số khúc xạ thấp có thể ngăn ánh sáng lọt ra ngoài, giống như ống nước không bị thấm và lớp cách điện của dây không dẫn điện.

Sự xuất hiện của sợi quang giải quyết được cách truyền ánh sáng nhưng không có nghĩa là với nó, bất kỳ ánh sáng nào cũng có thể truyền đi rất xa. Chỉ có độ sáng cao, màu sắc thuần khiết, tia laser định hướng tốt, là nguồn sáng lý tưởng nhất để truyền thông tin, nó là đầu vào từ một đầu của sợi quang, hầu như không bị suy hao và đầu ra từ đầu kia. Vì vậy, truyền thông quang học thực chất là truyền thông laser, có ưu điểm là công suất lớn, chất lượng cao, nguồn nguyên liệu rộng, tính bảo mật cao, độ bền cao... được các nhà khoa học ca ngợi là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực truyền thông và là một trong những trong những thành tựu rực rỡ nhất của cuộc cách mạng công nghệ.

Truyền thông laser tiên tiến ở đâu? Ưu điểm đầu tiên của truyền thông laser là dung lượng lớn. Công suất của nó lớn đến mức nào? Bình thường chúng ta nói chuyện điện thoại, chúng ta nói bằng những giọng không liên quan, đôi khi bị lẫn vào nhau. Hiện tượng đánh nhau này là do một đường dây điện thoại chỉ gọi được một cuộc, còn nếu có máy khác vào thì hai bên bình thường. của điện thoại sẽ bị can thiệp. Nếu có 10 người nói chuyện cùng lúc trên một đường dây điện thoại tức là bằng 20 người nói chuyện cùng lúc thì không có sự giao tiếp nào cả. Để giải quyết vấn đề này, cần phải sử dụng sóng mang và các phương pháp khác để tạo ra mỗi chiếc điện thoại ở mỗi băng tần. Bởi vì dải tần của điện thoại thông thường là 300 ~ 400 Hertz và tần số cao nhất trên một cặp đường dây điện thoại chỉ là 1500 KHZ, nên chỉ có thể truyền hàng chục điện thoại trên một cặp đường dây điện thoại cùng một lúc. Rõ ràng, năng lực viễn thông như vậy còn lâu mới đáp ứng được yêu cầu của xã hội thông tin ngày nay.

Nếu chúng ta so sánh thông tin truyền tải của một chiếc điện thoại thông thường với một chiếc xe đẩy thì hệ thống liên lạc bằng laser là một chiếc ô tô. Do tần số của tia laser cao hơn nhiều so với tần số của sóng vô tuyến nên dung lượng thông tin của liên lạc bằng laser lớn hơn 1 tỷ lần so với tần số của liên lạc bằng điện. Một sợi quang mỏng hơn sợi tóc người có thể truyền tải hàng chục nghìn cuộc gọi điện thoại hoặc hàng nghìn chương trình truyền hình. 20 sợi cáp quang có độ dày bằng một cây bút chì và có thể xử lý 76.200 cuộc gọi mỗi ngày. Để so sánh, một sợi cáp gồm 1.800 sợi dây đồng, đường kính khoảng 7,6 cm, chỉ có thể thực hiện 900 cuộc gọi mỗi ngày.

Điều đặc biệt đáng ngạc nhiên là thông tin cáp quang đặc biệt thích hợp cho việc truyền tải truyền hình, hình ảnh và kỹ thuật số. Người ta cho rằng một cặp sợi quang có thể truyền tải toàn bộ bộ bách khoa toàn thư Britannica trong một phút.

Ngoài ra, vật liệu dùng để chế tạo sợi quang là thạch anh, được tìm thấy ở khắp mọi nơi trên Trái đất và chỉ vài gram thạch anh có thể tạo ra sợi quang dài 1 km. Bằng cách này, không chỉ nguyên liệu thô là không cạn kiệt mà cả đồng và nhôm cũng có thể được tiết kiệm rất nhiều. Chính vì điều này mà các nước phát triển trên thế giới đang đua nhau nghiên cứu truyền thông laser. Vì vậy, truyền thông laser đã trở thành con cưng của sự phát triển.

Trong lịch sử công nghệ truyền thông, sự phát triển của công nghệ truyền thông cáp quang là chưa từng có. Đánh dấu nhiều cột mốc quan trọng trong lịch sử công nghệ truyền thông, phải mất khoảng 60 năm điện thoại mới được phát minh và ứng dụng, và liên lạc qua điện thoại vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Các công nghệ vô tuyến, chẳng hạn như điện báo, cũng mất khoảng 30 năm từ phát minh đến ứng dụng. Mặc dù công nghệ truyền hình đã phát triển nhanh chóng nhưng nó vẫn mới hình thành được khoảng 14 năm. Truyền thông laser, từ khi sợi quang tổn thất thấp đầu tiên ra đời cho đến ứng dụng, tổng cộng chỉ mất 5 năm. Giờ đây, truyền thông laser không chỉ được sử dụng rộng rãi mà còn hình thành nên một thị trường cáp quang khổng lồ.

Vào tháng 5 năm 1977, có một công ty lớn ở Hoa Kỳ tên là Công ty Điện báo và Điện thoại, đã đặt đường dây liên lạc cáp quang khoảng cách ngắn đầu tiên trên thế giới giữa hai văn phòng điện thoại ở Chicago, sau đó thiết lập đường dây liên lạc laser khoảng cách ngắn. với tổng chiều dài hàng trăm km ở gần 100 địa điểm trên khắp nước Mỹ. Điều này có nghĩa là trong khoảng cách ngắn, liên lạc bằng laser đã bắt đầu thay thế liên lạc điện thông thường. Đến năm 1983, 600 km đường truyền cáp quang giữa New York và Boston đã được đưa vào sử dụng.

Hoa Kỳ được theo sát bởi Nhật Bản. Năm 1984, Nhật Bản hoàn thành tuyến đường trục thông tin cáp quang đường dài từ Sapporo ở Hokkaido đến Fukuoka ở Kyushu, với tổng chiều dài 2.800 km, kết nối hơn 30 thành phố. Vào tháng 12 năm 1993, tuyến cáp quang xuyên biển Hoa Đông giữa Trung Quốc và Nhật Bản đã được lắp đặt thành công. Một tuyến cáp ngầm dài 10,{7}}km xuyên Thái Bình Dương giữa Nhật Bản và Hoa Kỳ cũng đang được thiết kế.

Do sự phát triển mạnh mẽ của truyền thông cáp quang, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Anh, Pháp và các nước công nghiệp phát triển khác đã thành lập các doanh nghiệp sản xuất cáp quang, cáp quang. Ba công ty cáp và cáp quang nổi tiếng thế giới - Công ty Điện lực Miền Tây Hoa Kỳ, Công ty Corning và Tập đoàn Sumitomo của Nhật Bản, sản xuất sợi quang là hơn 120,000 km mỗi năm.

Tóm lại, các nước công nghiệp phát triển đã thiết lập được mạng lưới truyền thông cáp quang quốc gia nhằm thay thế hoàn toàn dây và cáp đồng hiện nay, dự án kỹ thuật rộng lớn này ước tính sẽ hoàn thành vào năm 2000. Khi đó, truyền thông laser sẽ mang lại những lợi ích to lớn. những thay đổi đối với hành tinh của chúng ta. Ví dụ: bạn có thể sử dụng mạng cáp quang để làm việc trên tài liệu hoặc tham dự cuộc họp tại nhà mà không cần ra khỏi nhà; Hoặc kết nối mạng cáp quang gia đình với trung tâm mua sắm, giống như đang ở siêu thị, ngồi ở nhà mua hàng mình cần và việc thanh toán chỉ cần thanh toán bằng hệ thống mua sắm tài chính điện tử. Các trung tâm y tế trên khắp thế giới cũng có thể xem tình trạng của bệnh nhân và báo cáo xét nghiệm từ màn hình, đồng thời đưa ra đơn thuốc theo đó, để thực sự đạt được “học giả không ra ngoài, biết thế giới”, “lập chiến lược trong lều, chiến thắng quyết định cách xa hàng ngàn dặm”.

Laser và sợi quang cũng có thể truyền hình ảnh. Đầu tiên, một sợi quang đơn lẻ, có đường kính nhỏ hơn sợi tóc người, được kết hợp thành một bó sợi. Trong quá trình truyền thông tin, có hai loại bó sợi thường được sử dụng: một loại được gọi là chùm ánh sáng và loại còn lại được gọi là chùm hình ảnh. Nhiệm vụ của việc truyền chùm tia là truyền ánh sáng từ đầu này sang đầu kia. Cấu trúc truyền chùm tia tương đối đơn giản, nó bao gồm một số sợi đơn liên kết với nhau, sau đó bề mặt cuối được đánh bóng và mài để giảm sự phản xạ và tán xạ mất ánh sáng vào sợi, sau đó đặt vỏ nhựa vào. ở bên ngoài của chùm tia truyền.

Vì sợi quang chỉ có thể truyền một điểm nên để truyền toàn bộ hình ảnh, các sợi dẫn hướng quang phải được sắp xếp gọn gàng từng sợi một sao cho bó sợi quang được gọi là chùm tia hình ảnh.

Trong bó truyền hình ảnh, tất cả các sợi quang được sắp xếp ngay ngắn, vị trí của hai đầu tương ứng chặt chẽ từng cái một, không hề hỗn loạn chút nào, giống như một chiếc đũa gọn gàng. Ví dụ: nếu một đầu của sợi quang nằm ở hàng thứ tám và cột thứ tám của chùm truyền hình ảnh thì đầu kia của nó cũng ở vị trí thứ tám hoặc thứ tám.

Khi truyền hình ảnh, chùm hình ảnh trước tiên sẽ chia hình ảnh thành dạng lưới, tức là hình ảnh được chia thành vô số pixel bởi vô số sợi quang, sau đó được truyền ra ngoài. Một sợi quang chịu trách nhiệm truyền một pixel và vô số sợi quang có thể truyền toàn bộ hình ảnh sang đầu kia. Nếu muốn truyền hình ảnh rõ ràng thì cần phải chọn đường kính sợi mỏng hơn, vì sợi càng mỏng thì càng có thể chứa nhiều ánh sáng trên một chùm truyền hình ảnh nhất định để có thể truyền được nhiều pixel hơn. Rõ ràng, càng nhiều pixel thì hình ảnh càng rõ ràng.

Chùm tia hình ảnh được sử dụng ngày nay bao gồm hàng chục nghìn sợi quang và không dễ để sắp xếp nhiều sợi quang một cách gọn gàng như vậy. Sau khi sắp xếp, người ta sử dụng một loại chất kết dính hữu cơ gọi là nhựa epoxy để dán hai đầu lại với nhau, sao cho sợi quang được liên kết và cố định, đảm bảo các sợi quang ở hai đầu tương ứng từng sợi một. Hai đầu cũng cần được làm nhẵn và đánh bóng. Còn phần giữa thì không cần phải dán chắc chắn mà lỏng lẻo như dây đàn nhị mà chỉ cần thêm một ống nhựa bảo vệ bên ngoài là bó truyền hình mềm mại, có thể uốn cong tùy ý.

Ngoài việc truyền hình ảnh, chùm hình ảnh còn có thể truyền các ký hiệu hoặc số chung, cũng như phóng to hoặc thu nhỏ hình ảnh.

Để phóng to hình ảnh, chùm tia có thể được làm lớn hơn ở một đầu và nhỏ hơn ở đầu kia, giống như một hình nón. Khi phần tử hình ảnh được truyền từ đầu nhỏ đến đầu lớn, toàn bộ hình ảnh sẽ được phóng to. Ngược lại, nếu gửi hình ảnh từ đầu lớn đến đầu nhỏ thì toàn bộ hình ảnh sẽ bị thu nhỏ.

Ngoài ra, cáp quang có thể được sử dụng để thay đổi hình ảnh. Nếu sự sắp xếp của sợi quang bị cố ý làm gián đoạn theo nhu cầu thì điểm ảnh ở đầu ra không thể rơi vào điểm tương ứng ban đầu mà rơi vào điểm quan niệm chủ quan nên hình ảnh bị thay đổi. Nếu sợi quang ở đầu vào của phần tử hình ảnh được làm hình vuông và sợi quang ở đầu ra được làm hình tròn thì phần tử hình ảnh vuông có thể được biến thành phần tử hình ảnh tròn.

Nói tóm lại, chùm ảnh sợi quang có tiềm năng phát triển rất lớn và sẽ ngày càng thể hiện vai trò độc đáo của nó trong công nghệ xử lý thông tin quang học trong tương lai.