Báo cáo tiểu luận đề tài trình bày tán sắc trong thông tin quang

Cáp quang ngày càng được nhiều ninh sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của minh nó có chất trong truyền dẫn rất hơn hẳn so các hệ thống truyền dẫn khác - nó còn là phương tiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI: Trình bày tán sắc trong thông n quang

Thái Bình, 06 tháng 09 năm 2023

MỤC LỤC

Lời mở đầu 2

1 Định nghĩa: 3

2 Phân loại: 3

a Tán sắc màu: Error! Bookmark not defined.  b Tán sắc mode: 3

c Tán sắc vật liệu: 4

d Tán sắc ống dẫn sóng: 5

e Tán sắc mode phân cực: 7

3 Ảnh hưởng của tán sắc trong thông tin quang: 8

a Dãn xung do tán sắc: 8

 b Phương trình truyền dẫn cơ bản: 8

c Tán sắc giới hạn cự ly truyền dẫn: 9

d Phương pháp đo tán sắc: 10

e Phương pháp đo đáp ứng xung: 11

f Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang : 12

4 Ứng dụng của tán sắc trong thông tin quang: 13

- Ứng trong trang trí phòng khách hay khách sạn 13

- Là các thành phần chính cấu tạo nên dây cáp quang 13

- Hỗ trợ trong y học 13

KẾT THÚC CHƯƠNG I 14

Lời mở đầu  Ngày nay, hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin mà trong đó tín hiệu được truyền dẫn định dạng ảnh sáng Môi trường truyền dẫn là các sợi quang (các sợi mảnh)

Cáp quang đã trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao Do các trụ điểm của nó hơn hẳn các phương tiện truyền dẫn khác Cáp quang ngày càng được nhiều ninh sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của minh nó có chất trong truyền dẫn rất hơn hẳn so các hệ thống truyền dẫn khác - nó còn là phương tiện truyền dẫn an toàn nhất trong mọi điều kiện Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn một dịch vụ viễn thông có chất lượng của đồng bộ và hiện đại như: Truyền số liệu, hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa, dẫn các hạp thông tin đa phương tiện

Cùng khi những ưu điểm như: Đi vui hao thấp, để rộng hàng tần cao, đường kinh sợi nhỏ, trong lượng nhẹ, dục tinh cách điện cao, tiết kiệm tài nguyên

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ ẢNH HƯỞNG

VỀ TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG

1 Định nghĩa:

Tán sắc là hiện tượng trong 1 sợi quang , những tần số ánh sáng khác nhau và những mốt khác nhau cần thời gian khác nhau để truyền một đoạn từ điểm A đến điểm B ngoài ra, tán sắc dẫn đến sự co giãn xung trong chuyền dẫn quang, gây ra giao thoa giữa các ký tự, tăng lỗi bit ở máy thu và dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn

2 Phân loại:

Có 4 loại tán sắc:

a Tán sắc mode:

 Nguyên nhân: Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng lượng ánh sáng phân thành nhiều mode Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian lan truyền của chúng trong sợi khác nhau Chính sự khác nhau về thời gian lan truyền của các mode gây ra tán sắc mode

Hình 2.1: tán sắc mode trong sợi

SI Xác định độ tán sắc mode của sợi đa mode SI:

Trong sợi đa mode SI mọi tia sáng đi với cùng một vận tốc:

Để xác định độ tán sắc mode trong sợi đa mode SI ta xác định độ chênh lệch thời gian lan truyền giữa hai mode ngắn nhất và dài nhất trong sợi quang chiều dài L đó là tia 1 và tia 2

Tia 1 (tia ngắn nhất) đi trùng với trục của sợi quang  θ  Tia 2 (tia dài nhất) là tia

ứng với góc tới bằng góc tới hạn c

- Tia 1 :

Độ dài lan chuyền:

Thời gian lan chuyền:

- Tia 2:

Độ dài lan chuyền:

Thời gian lan truyền:

b Tán sắc vật liệu:

 Nguyên nhân: Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu: do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi Nó xảy ra khi vận tốc  pha của một sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi biến đổi không tuyến tính với bước sóng, và một vật liệu được gọi là tồn tại tán sắc chất liệu≠0khi đạo hàm bậc hai của chiết suất theo bước sóng khác không

(   2  n/d   2  ) Ðộ trải rộng xung do tán sắc vật liệu có thể thu được bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang.

Vận tốc pha, vận tốc nhóm:

Trong tất cả sóng điện từ, có những điểm có pha không đổi Ðối với sóng phẳng, những điểm pha không đổi này tạo nên một bề mặt được gọi là mặt sóng Ðối với sóng ánh sáng đơn sắc lan truyền dọc theo ống dẫn sóng

4

theo phương z (trục ống dẫn sóng), những pha không đổi này di chuyển với vận tốc pha:

Tuy nhiên, thực tế không thể tạo ra một sóng ánh sáng hoàn toàn đơn sắc và năng lượng ánh sáng tổng quát là tổng các thành phần có các tần

số khác nhau Do đó tình trạng tồn tại là một nhóm các sóng có tần số gần giống nhau lan truyền sao cho dạng cuối cùng có dạng bó sóng Bó sóng này không lan truyền ở vận tốc pha của các sóng thành phần mà lan truyền

ở vận tốc nhóm:

c Tán sắc ống dẫn sóng:

Ðối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc sắc thể, ngoài tán sắc vật liệu

ta còn phải xét đến tán sắc ống dẫn sóng Khi ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi, một phần chính truyền trong phần lõi sợi, phần nhỏ truyền trong phần lớp

vỏ với những vận tốc khác nhau do chiết suất trong phần lõi và vỏ của sợi quang

sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng cũng là một hàm theo bước sóng

Hình 2.2: Tán sắc ống dẫn sóng

5

Hình 2.3: Tán sắc màu bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc tổng:

Có thể thấy rõ ý nghĩa vật lý của tán sắc màu khi so sánh sự lan truyền ánh sáng qua một lăng kính với sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang

 Hình 2.4 Hiện tượng tán sắc ánh sáng 

 Hình 2.5 Ánh sáng bị tán sắc trong sợi quang 

d Tán sắc mode phân cực:

Mặc dù ta gọi sợi quang là đơn mốt nhưng trên thực tế nó luôn truyền 2 mode sóng được gọi chung cùng một tên Các mode này là các sóng điện từ được phân cực tuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông góc với nhau Nếu chiết suất của sợi quang là không như nhau trên phương truyền của hai mốt trên, hiện tượng tán sắc phân cực mốt xảy ra Sự khác nhau giữa các chỉ số chiết suất gọi là khúc xạ kép hay lưỡng chiết sợi (Birefringence)

Hình 2.6:

Trên thực tế, hằng số lan truyền của mỗi phân cực thay đổi theo chiều dài sợi quang cho nên thời gian trễ trên mỗi đoạn sợi quang là ngẫu

nhiên và có xu hướng khử lẫn nhau Do đó tán sắc phân cực mốt tỉ lệ tuyến tính với căn bậc 2 chiều dài sợi quang:

3 Ảnh hưởng của tán sắc trong thông tin quang:

a Dãn xung do tán sắc:

Dãn xung do tán sắc ảnh hưởng tới chất lượng máy thu theo hai cách Thứ nhất, một phần năng lượng xung phân tán khỏi các khe bit và gây ra giao thoa giữa các ký tự (ISI) Sự giao thoa vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi n hiệu Trong trường hợp này, tán sắc đã làm giới hạn năng lực truyền dẫn Thứ hai, năng lượng xung trong các khe bit bị giảm khi các xung quang bị dãn ra Sự suy giảm năng lượng như thế làm giảm SNR tại mạch quyết định Bởi vì SNR cần được duy trì ổn định để duy trì chất

lượng của hệ thống, máy thu yêu cầu công suất trung bình phải lớn hơn Đây chính là nguồn gốc của sự giảm trừ công suất do giãn xung d Giả sử xung quang phát đi có dạng Gausse, d (tính theo dB) đcợc tính

δ

δ

 bằng công thức:

Trong đó

là hệ số dãn xung Khi sự dãn xung chủ yếu là do độ

rộng phổ của máy phát,thìđược cho bởi:

б là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của nguồn quang được giả định là  phân bố Gausse Các phương trình có thể được sử dụng để ước lượng sự giảm trừ công suất do tán sắc màu trong hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode cùng với laser đa mode hoặc LED

b Phương trình truyền dẫn cơ bản:

8

Quá trình phân tích các mode trong sợi quang đã chỉ ra rằng mỗi một thành phần tần số của trường quang truyền trong sợi quang có thể được viết dưới dạng sau:

β

và Ở đây vecto x là vecto phân cực, vecto B (0, là biên độ ban đầu

của mode sợi cơ bản

làhằng số lan chuyền,F(x,y)làphân bố trường ω)

mà thường có thể làm xấp xỉ bằng phân bố Gaussian Nhìn chung, F(x,y) cũng phụ thuộc vào nhưng sự phụ thuộc này có thể không cần đề cập đến

độ rộng phổ

0

điều kiện nhìn chung là

là tầnsốđược đặt ở giữa phổ xung, và

thỏa mãn với thực tế Ở đây

được gọi là tần số trung tâm haytần số mang Các thànhphần phổ khác sẽ

ω

truyền bên trong sợi theo quan hệ đơn giản sau

Biên độ trong miền thời gian có thể thu nhận bằng phép biến đổi Fourier ngược và được viết như sau:

c Tán sắc giới hạn cự ly truyền dẫn:

Trong phần trên, chúng ta đã xem xét tới ảnh hưởng của tán sắc làm hạn chế năng lực của truyền dẫn của hệ thống Qua đó có thể thấy rằng ảnh hưởng của tán sắc vận tốc nhóm GVD có thể được giảm nhỏ tối thiểu bằng

việc sử dụng các nguồn phát laze bán dẫn có độ rộng phổ hẹp và có bước sóng gần với bước sóng có tán sắc bằng không của sợi quang Tuy nhiên, vấn đề này không phải lúc nào cũng thực hiện được trong thực tế, và việc tạo ra các laze có bước sóng là không dễ dàng Trong các hệ thống thông tin quang thế hệ thứ ba có  bước sóng tại vùng 1550 nnm sử dụng loại

nguồn phát laze DFB đây là các hệ thống đang được khai thác phổ biến trên thế giới Tham số tán sắc sợi D của hệ thống này vào khoảng 17 ps/km nm và đã hạn chế đáng kể đặc tính hệ thống khi mà tốc độ bit vượt

quá 2.5 Gbít/s Đối với các hệ thống điều chế trực ếp laze DFB thì cự ly

L ≤ 1 λ  

truyền dẫn L bị giới hạn bằng biểu thức sau:

λ 

của hệ thống, là độ rộng phổ RMS

Ởđây Blà tốcđộ bittruyền dẫn4 B D σ

có giá trị tiêu biểu vào khoảng 0,15 nm do có sự giãn phổ sinhra từ chirp

σ

tần số Nếu như giá trị tham số tán sắc D = 17 ps/km nm thì cự ly truyền dẫn tối đa chỉ có thể đạt được L 39 km cho tốc độ bit 2.5 Gbít/s, và trong

như vậy Khi độ rộng

λ 

vào khoảng 0,1 nm

thực tế thì khoảng lặp cũng là

≈

lylà cốđịnh chocác

thìcự ly đượccải thiện khoảng 62 km,và nếu cự   σ

khoảng cách trên thực tế giữa hai điểm như vậy thì ta không thể nâng cấp tốc độ cao hơn 2.5 Gbít/s

 Năng lực hệ thống có thể được cải thiện đáng kể khi sử dụng điều chế ngoài, và trong trường hợp này có thể tránh được sự giãn phổ do chirp tần

số gây ra Kỹ thuật điều chế ngoài hiện nay đã được thương mại trên thực

tế, các thiết bị phát quang đã có cấu trúc tổ hợp cả laze DFB và bộ điều chế ngoài thành một thiết bị đơn khối

d Phương pháp đo tán sắc:

Các ảnh hưởng của tán sắc tới hệ thống truyền dẫn sợi quang được xác định bằng việc thực hiện các phép đo thử đáp ứng xung trong miền thời gian hoặc hàm truyền đạt công suất trong miền tần số Mối quan hệ theo

( ) = ℎ( ) ∗( )

thời gian giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra sợi quang như sau:

Trong đó:

: c ng xu t u ra c a s i quang

đầu ra

( ), ( ), ℎ( )

(t): đáp ứng xung

Gọi

lần lượt là các biến đổi Fourier của công suất

của sợi quang ,c ng xu   t u v o c a s i quang , đáp ứng xung h(t)

Thì ta có biểu thức:

Trong đó hàm truyền  ℎ( )  là biến đổi Fourier của đáp ứng xung, h(t) là hàm  ( ) tích chập với công suất ở đầu vào sẽ cho công suất đầu ra của

sợi là tỷ số giữa công suất quang điều chế sin ở đầu ra và công suất điều chế hình sin ở đầu vào của sợi Nếu chúng ta đo được đáp ứng xung thì sẽ

có thể tính được hàm truyền và ngược lại

e Phương pháp đo đáp ứng xung:

Phương pháp này để đo độ dãn xung khi phóng vào sợi một xung ánh sáng hẹp và đo xung ở ngõ ra Nguyên lý của phương pháp này được trình  bày ở hình(3.1)

Ở sơ đồ này, ta có một xung ngắn từ bộ phát xung laser được đưa vào sợi (vài trăm ps) và được tách ra bằng một photodiode tốc độ cao, rồi đưa tín hiệu hiển thị trên bộ chỉ báo dao động lấy mẫu Sau đó dạng xung này được đưa vào máy tính và vẽ ra giấy Để khắc phục ảnh hưởng của thiết bị

đo ta sử dụng thêm một phép đo khác, sử dụng một sợi quang tham khảo dài vài mét

Đáp σ ứng xung đƣợc đặc trưng bởi giá trị trung bình bình phương độ rộng xung

Trong đó:

11

Độ tán xạ T cũng có thể được xác định từ độ rộng xung vào và xung ra:

L là chiều dài sợi quang

f Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang :

Bằng các phương pháp trên ta có thể tính được độ rộng băng của các sợi riêng lẻ Trong thực tế khi đo tại hiện trường, ta phải đo các tuyến cáp gồm nhiều sợi riêng lẻ hàn nối với nhau Nếu biết tất cả các hàm chuyển đổi của các sợi ta không thể tính hàm chuyển đổi của tuyến một cách đơn giản là nhân tất cả chúng với nhau được Vì kết quả này liên quan nhiều đến hiện tượng phát sinh khi hàn nối cáp, mà ảnh hưởng chủ yếu là do hiện tượng đảo mode

Ta có sự phụ thuộc của băng B vào độ dài của sợi có thể có trong  biểu thức sau:

Ở B: độ rộng băng tần sợi dài L km(MHz)

Ở B1: Tích số độ rộng băng và độ dài hay chính là độ rộng băng của sợi dài

 γ1: ệ ố é ố ộ ộ ă

 L: là độ dài sợi (km)

t ng

s á ịê

i d

tr ti ạ á ố à à

ấ u c a ph m vi 0.5 1 ph thu c v o hi n

a

ê ó o mode t i c c m i h n, v o tham s m t c t , b

à c s ng c

n gi i h  n

ng b ng l n nh t C ng c th c c gi tr nh h

tr n, n i chung =1 v i s i GI ng n v =0.5 v i s i GI d  i.

ứĐộ r  ộ ng b ă ng t ổ ng c ủ a m ộ t ph ầ n s ợ i c ơ  b ả n c ó  th ể  c ó đượ c t ừ  c ô ng th c sau:

Ờ đây:

: độ r  rộng b ă ng th ổ

c i trong ph n s i

 γ: ệ ố

ng b ng t ng

ă

n s i

của tán sắc trong thông tin quang:

- Ứng trong trang trí phòng khách hay khách sạn

- Là các thành phần chính cấu tạo nên dây cáp quang

- Hỗ trợ trong y học

13

KẾT THÚC CHƯƠNG I

Mặc dù sự phân tán của sợi quang có xu hướng lan truyền theo thời gian và làm sai lệch tín hiệu theo nhiều cách, nhưng nó không phải lúc nào cũng có hại cho việc truyền tín hiệu viễn thông trong các liên kết cáp quang Trên thực tế, tốt hơn là nên có một số lượng phân tán khi sử dụng ghép kênh phân chia bước sóng vì nó có thể giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến