Thông tin quang / C2_3_ Tán sắc trong sợi quang doc

Tán sắc trong sợi quang – Dispersion„ Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tín hiệu, gây nên méo tín hiệu.. „ Các loại tán sắc: ‰ Tán sắc mode ‰ Tán sắc d

Tán sắc trong sợi quang – Dispersion

„ Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh

sáng theo thời gian khi truyền tín

hiệu, gây nên méo tín hiệu

Đây là vấn đề quan trọng với tuyến

tốc độ cao, đường truyền dẫn dài.

„ [ps.km -1 nm -1 ] : độ lệch thời gian lan

truyền xung ánh sáng trên 1km sợi

quang và với phổ bức xạ của nguồn

phát quang rộng 1nm.

„ Các loại tán sắc:

‰ Tán sắc mode

‰ Tán sắc dẫn sóng

‰ Tán sắc vật liệu

Tán sắc mặt cắt (nhỏ)

Tán sắc giữa các mode

Tán sắc trong mode

Tán sắc tổng (Dispersion)

Tán sắc mode – Modal Dispersion

„ Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sáng của các mode khác nhau Sự chênh lệch thời gian đến điểm thu giữa các tia sáng gây trễ nhóm mode lan truyền → dãn xung ánh sáng

„ Trong sợi đơn mode không có tán sắc mode

Tán sắc mode

‰ Các mode lan truyền bao gồm từ mode bậc 0 đến

mode bậc (N – 1)

„ Mode bậc 0 coi như truyền song song với trục của

sợi quang với quãng đường ngắn nhất L (km)

„ Mode bậc cao nhất (N – 1) truyền gần góc tới hạn

θc với quãng đường dài nhất:

„ Tán sắc mode:

( ) km

L

C

θ

sin

c n

NA

⋅

⋅

=

1

2 mod

2

Tán sắc mode – D mode

Độ dãn xung tín hiệu – τ mode

„ Tán sắc mode sau quãng đường L (km) hay độ giãn xung tín hiệu quang sau khi truyền trong sợi quang dài L (km)

đo bằng hiệu thời gian truyền giữa mode bậc cao nhất

và mode bậc thấp nhất:

e e

c e

D

L c

n L

n

n

n c

n L n

n c

n L c

n L

mod

1 mod

2

2 1

1 2

1 1

1

sin 1

⋅

=

∆

⋅

≅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

τ

θ τ

Tán sắc đơn sắc Dchro(λ)– Chromatic Dispersion

Những khái niệm cơ bản

„ Trong thông tin quang, các xung ánh sáng được dùng để truyền thông tin Chúng là những nhóm sóng ngắn trong đó có các sóng ánh sáng ở những bước sóng khác nhau.

„ Bên trong những nhóm sóng như vậy, các sóng

riêng biệt sẽ truyền với tốc độ khác nhau do

chúng có các bước sóng khác nhau

„ Tốc độ truyền của một nhóm sóng gọi là vận tốc

nhóm - Group velocity.

Những khái niệm cơ bản (tiếp)

‰ Chiết xuất khúc xạ nhóm – Group refractive index:

Chỉ số chiết xuất khúc xạ n và chiết xuất khúc xạ nhóm ng đều là hàm của bước sóng λ

Ví dụ: (hình vẽ p20) Trong thủy tinh silica tinh khiết, n và

ng đều giảm khi bước sóng tăng.

λ

λ

d

dn n

Những khái niệm cơ bản (tiếp)

‰ Vận tốc nhóm – Group velocity:

‰ Khi truyền trong sợi quang L (km), xung ánh sáng có

thời gian trễ nhóm hay độ dãn xung tín hiệu – Group delay time:

→ ng, τg phụ thuộc vào λ.

g g

c

L v

L

⋅

=

=

τ

g

g

n c

Tán sắc vật liệu Dmat (Material Dispersion)

„ Tán sắc vật liệu là phép đo những biến đổi của chiết xuất khúc xạ nhóm ng ở những bước sóng khác nhau Tán sắc vật liệu được tính

từ tích phân của ng theo bước sóng:

( )

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

⋅

⋅

=

⋅

=

km nm

ps d

d L D

d

dn c

D

g mat

g mat

λ

λ

τ λ

λ

λ λ

1 )

(

1

→ sẽ tồn tại một giá

trị của λ mà tại đó

D = 0

λZDmat

Tán sắc vật liệu D mat

„ Dmat = 0 tại λ = λZDmat

‰ λZDmat = 1,276µm là bước sóng có tán sắc vật liệu bằng không với thủy tinh thuần khiết, có thể thay đổi trong khoảng 1,27 – 1,29µm với lõi và vỏ có pha tạp.

‰ Dmat < 0 khi λ < λZDmat

‰ Dmat > 0 khi λ > λZDmat

‰ Trong dải 1,25 - 1,66µm có thể tính xấp xỉ Dmat theo công thức:

) 1

(

122

λ

λZDmat

mat

Tán sắc dẫn sóng Dwg (Waveguide Dispersion)

„ Dwg do sợi đơn mode chỉ giữ

được khoảng 80% năng lượng

trong lõi, còn 20% ánh sáng

truyền trong vỏ nhanh hơn

năng lượng trong lõi

„ Dwg phụ thuộc vào hằng số lan

truyền sóng β (hay phụ thuộc

vào thiết kế sợi như các tham

số a, n và λ)

„ Trong vùng bước sóng

0 → 1,6µm : Dwg < 0

Tán sắc đơn sắc: Dchro(λ) = Dmat + Dwg

λ ZD

Tán sắc đơn sắc D chro

„ Dchro = 0 tại λ = λZD

‰ λZD ≈ 1,31µm là bước sóng có tán sắc đơn sắc bằng không với thủy tinh thuần khiết (dịch chuyển 30 - 40

nm so với λZDmat)

‰ Dchro < 0 khi λ < λZD

‰ Dchro > 0 khi λ > λZD

Độ dãn xung tín hiệu đơn sắc – τ chro

Độ dãn xung tín hiệu tổng – τ

L

τ

2

2 mod e τ chro

τ

Ưu điểm của Dwg

‰ Giảm Dchro trong vùng bước sóng 1,3 – 1,6µm

‰ Dwg phụ thuộc vào tham số sợi quang như a, ∆ nên có thể thay đổi giá trị Dwg bằng cách chế tạo sợi có λZD nằm trong vùng bước sóng suy hao thấp 1550nm tạo nên các sợi tán sắc dịch chuyển

Nguyên tắc tạo sợi quang mới

„ Điều chỉnh các tham số cơ bản trong cấu trúc loại sợi đơn mode nhằm dịch chuyển tán sắc tối thiểu ở vùng bước sóng 1300nm tới bước sóng có suy hao nhỏ quanh vùng 1550nm.

‰ Ví dụ: tán sắc vật liệu của sợi tiêu chuẩn SMF làm từ SiO2

có D=0 tại λZD=1270nm Nếu pha thêm một số tạp chất như GeO2 và P2O5 vào lõi sợi, điểm D=0 sẽ chuyển đến các bước sóng lớn hơn

Các sợi dẫn quang đơn mode mới

„ Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF hay sợi không có tán sắc dịch chuyển DUF (G652 )

„ Sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion – Shifted Fiber) (G653): có λ0 nằm trong vùng 1550nm, tại đó giá trị D = 0 Được

sử dụng vào hệ thống TTQ hoạt động ở vùng 1550nm, hệ thống có EDFA, hệ thống đơn kênh quang.

„ Sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF (Non – Zero DSF) (G655): có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là 0,1ps/nm.km ≤ Dmin ≤

hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa do giảm được các hiệu

Các sợi dẫn quang đơn mode mới