BÀI BÁO CÁO THỰC TẬP-TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

Tán sắc gây ra tăng BER 2.2 Các loại tán sắc Trong Thông Tin Quang người ta chia ra thành 3 loại tán sắc như sau: tán sắcmode,tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể trong đó tán sắc sắ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

1.1 Khái niệm thông tin quang

Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều này có nghĩa làthông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sángđược truyền quasowij quang.Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu

1.2 Lịch sử phát triển của thông tin quang

Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển độnghình dáng màu săc thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế thông tinđơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đền hải đăng các đèn tín hiệu Kế tiếp là sự rađời của một máy điện báo quang Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trườngtruyền đẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết, để giải quyết vấn đề nàyngười ta chế tạo ra máy điện báo vô tuyến để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau.Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã chếtạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp (1000dB/km) Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra cápsợi quang trong suốt có đọ suy hao truyền dẫn khooangr20dB/km Từ thành công rực rỡnayfcacs nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển vàkết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bándẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70 Sau đó giảm độ tổn thất xuống còn0,18dB/kmcòn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác

đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm

Cụ thể lịch sử phát triển của thông tin quang như sau:

• 1790 : claude chappe, kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báoquang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đènbáo hiệu di động trên đó Thời ấy tin tức được truyền bằng hệ thống này vượtchặng đường 200 km trong vòng 15 phút

• 1870 : John Tyndall, nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ rằng ánh sáng có thểdẫn được theo vòi nước uốn cong, thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lýphản xạ toàn phần, điều này vãn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay

• 1880 : Alexander Graham Bell, người Mỹ, giới thiệu hệ thống photophone, qua

đó tiếng nói có thể truyền được qua môi trường không khí mà không cần dây,tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên thực tế vì còn quá nhiều nguồnnhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền

• 1934 : Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệthống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh thủy tinh.

• 1958 : Arthur Schawlow và Charles H.Townes, xây dựng và phát triển laser

• 1960 : Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công

• 1962 : Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận, vấn đề còn lại làphải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp

• 1966 : Charles H.Kao và Gooeorge A.Hockham, hai kỹ sư phòng thí nghiệmStandard telecommunications của Anh, đề xuất việc dung thủy tinh để truyềndẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời ấy còn hạn chếnên suy hao của sợi quá lớn (suy hao xấp xỉ 1000 dB/km)

• 1970 : Hãng Corning Glass works chế tạo thành công sợi quang loại si có suyhao nhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 633nm

• 1972 : Loại sợi Gi được chế tạo với độ suy hao 4dB/km

• 1983 : Sợi đơn mode (sm) được xuất xưởng ở Mỹ

• Ngày nay sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi Độ suy hao của loại sợi này chỉcòn khoảng 0,2 dB/km ở bước sóng 1550nm

Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối lượnglớn tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa nhau hàng trăm km bằng một sợiquang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo

Hiện nay các hoạt động nghiên cứu đang được tiến hành trong một lĩnh vực gọi làphoton học là một lĩnh vực tối quan trongjtrong thông tin quang, có khả năng phát hiện

và xử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng Photon học cókhả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ21

1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Dưới đây là cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang:

tín hiệu điện

Nguồnt

hu tín hiệu

Nguồn

phát tín

Bộ biến đổi điện – quang (E/O) biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyềntrong môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang).

Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực ( ánh sáng bị điều biến theo quy luật của tínhiệu điện)

Cáp quang: là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo bằngchất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh, sợi thyur tinh, sợinhựa

Yêu cầu: tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng củanguồn sáng lạ ( không bị nhiễu)

Bộ biến đổi quang – điện (O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng trênđường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu điện

và trở thành nguồn tin ban đầu

Yêu cầu: Độ nhạy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ, tiêu thụ năng lượngđiện ít

Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn Trạm lặp biến đổi tínhiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuếch đại Tón hiệu đã được khuếch đạiđược biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên cáp sợi quang

1.4 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang

Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhượcđiểm riêng Đặc biệt hiện nay sợi quang đã trở thành một phương tiện thông dụng chonhiều yêu cầu truyền thông Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháptruyền dẫn điện thông thường Bên cạnh đó thì vẫn có một số nhược điểm Cụ thể nhưsau:

1.4.1 Ưu điểm

• Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn thông

tin Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thờikhoảng 600 cuộc đàm thoại Một cáp sợi quang có thể chứa được khoảng 200sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên 6000.000 cuộc đàmthoại So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp gầmnhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại, Một cáp đồng trục cókhả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba có thể mang được 200cuộc gọi đồng thời

• Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với cáp đồng có cùng dung lượng, cáp

sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều

• Không bị nhiễm điện: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi

nhiễu điện từ hay nhiễu tàn số vô tuyến và nó không tạo ra bất ký sựu nhiễunội tại nào Các công ty ddienj lực sử dụng cáp qaung dọc theo các đường dâyđiện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp Cápsợi quang cũng không bị xuyên âm Thậm chí ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợiquang thì nó không thể xâm nhập vào sợi quang khác được

• Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện Cáp sợi quang làm bằng chất

điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và cho phepa cahs điện hoàntoanfcho nhiều ứng dụng Nó có thể laoij bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điệnchạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sựu phóng điệntrên các đường dây thông tin như sét đánh hay những trục trặc về điện Đâythực sự là một phương tiện an toàn thường được dùng ở nơi cần cách điện

• Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao Một sợi quang

không thể bị trích lấy trộm thông tin bằng các phươn tiện điện thông thườngnhư sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thôngtin dưới dạng tín hiệu quang Các tia sáng truyền ở tâm sợi quang và rất ít hoặckhông có tia nào thoát khỏi sợi quang Thậm chí nếu đã trích vào sợi quangđược rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tạiđầu cuối Trong khi các tín hiệu vệ tinh hay viba có thể dễ dàng thu và giải mãđược

• Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn

đồng nhất và không gây ra hiện tượng phading Những tuyến cáp quang đượcthiết kế thích hợp để có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ

ẩm khắc nghiệt và có thể hoạt động được ở dưới nước Sợi quang có thời gianhoạt động lâu, ước tính trên 30 năm với một số cáp Yêu cầu về bảo dưỡng đốivới một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một hệ thống thôngthường do cần ít bộ lặp điện hơn trong tuyến thông tin; trong cáp không có dâyđồng(yếu tố có thể bị mòn dần và gây ra hện tượng lúc có lúc mất tín hiệu);cáp quang cũng không bị ảnh hưởng bởi sựu ngắn mạch, sựu tăng vọt về điện

áp nguồn hay tĩnh điện

• Tính linh hoạt các hệ thống thông tin quang đề khả dụng cho hầu hết các dạng

thông tin số liệu, thoại và video Các hệ thống này đều có thể tương thích vớicác chuẩn RS.232, RS422, V35, Ethernet, ARCnet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet,thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa

• Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát qaung còn hệ thống

cáp sợi quang vẫn có thể giữ nguyên

• Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường

truyền thông baengf cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu,khoảng cách này còn có thể tăng lên 150km nhờ sử dụng các bộ khuếch đạilaze Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách dài hơn nữa chiphí tiết kiệm được sử dụng ít các bộ lọc trung gian và việc bảo dưỡng có thể làkhá lớn ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường cứ vài km có thể đã cầnmột bộ lặp

1.4.2 Nhược điểm

• Hàn nối khó khăn hơn cáp kim loại, muốn hàn cáp quang phải sử dụng máyhàn chuyên dụng Do cáp quang thẳng và láng bóng nên yêu cầu chất lượngmối hàn rất cao

• Giòn, dễ gẫy: sợi quang sử dụng trong viễn thông được chết tạo từ thủy tinhnên giòn và dễ gẫy

• Nếu hệ thống thông tin quang bị hỏng thì viêc sửa chữa đòi hỏi phải có mộtnhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

• Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng bên trong sợiquang

• Khi có nước, hơi ẩm lọt vào cáp thì sẽ nhanh chóng bị hỏng và các mối hànmau lão hóa làm tăng tổn hao

• Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp

• Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog

• Khi truyền tín hiệu trên hệ thống thông tin quang hay bị lỗi tín hiệu khi chuyểnđổi quang – điện và điện – quang

• Thiết bị thu phát quang đắt đỏ

• Vấn đề an toàn lao động khi hàn nối cáp quang cũng cần hết sức chú ý Vì khihàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vìkhông có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Ngoài

ra, không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớp nối để hở phòngngừa có ánh sáng truyền trong sợi quang chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sửdụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người khôngcảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này và sẽ gâynguy hại cho mắt

1.4.3 Ứng dụng

Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện thoại,

số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử dụng

trong ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạchgói), trong điện lực các ứng dụng y tế quân sự và cũng như trong các thiết bị đo

Hiện nay thông tin quang được ứng dụng rộng rãi:

• Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn quốc tế, kết nối Việt Nam với các nướctrên thế giới cụ thể có các tuyến chính như: TVH(kết nối Thái Lan, Việt Nam

và Hồng Kong); SEA-ME-WE 3(nối các nước Đông Nam Á, Trung Đông vàTây Âu); tuyến cáp quang liên Á…Dự án cáp quang biển AAG, có chiều dàigần 20.000 km, bắt đầu từ Malaysia (TM) và kết cuối tại Mỹ (AT&T) AAG cócác điểm cập bờ tại Mersing (Malaysia), Changi (Singapore), Sri Racha (TháiLan), Tungku (Brunei), Vũng Tàu (Việt Nam), Currimao (Philippines), SouthLantau (Hong Kong), Guam (Mỹ), Hawaii (Mỹ) có tác dụng kết nối internetquốc tế Nhánh cáp rẽ vào Việt Nam có chiều dài 314 km, cập bờ tại VũngTàu Hiện Việt Nam có 4 thành viên tham gia AAG gồm: FPT Telecom,VNPT, Viettel và SPT

• Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn liên tỉnh và nội tỉnh để kết nối thông tingiữa các tổng đâì với nhau Cụ thể như các tuyến quốc lộ 1A, tuyến cáp quangtrên đường 500KV(điện lực), tuyến cáp quang đường Hồ Chí Minh, đường 5…

• Sử dụng mạng truy nhập để cung cấp đường truyền tốc độ cao tới các cơ quan,doanh nghiệp cá nhân có nhu cầu Ví dụ, cung cấp dường truyền tốc độ caohoặc kết hợp với cáp đồng trong các mạng truyền hình cáp

• Mạng đường trục xuyên quốc gia Mạng đường trục quốc gia của VNPT bao

gồm mạng cáp quang Bắc - Nam dung lượng 360 Gbps, cáp quang dọc theo

tuyến 500 KV, cáp quang ven biển Mạng được kết nối vòng Ring đảm bảothông tin liên lạc thông suốt trong mọi tình huống Và Viettel cũng đã và đangxây dựng mạng truyền dẫn đường trục Backbone với dung lượng 2,5Gb/s đượcnâng cấp lên 10Gb/s, sử dụng công nghệ ghép bước sóng WDM và phân cấp sốđồng bộ SDH Với việc sử dụng cáp quang trên đường dây 500 KV và phốihợp với Tổng Công ty đường sắt Việt nam xây dựng mới đường trục cáp quangdọc tuyến đường sắt Bắc Nam, mạng đường trục Bắc Nam của Viettel pháttriển theo cấu hình bao gồm các mạng vòng vu hồi WDM SDH với độ tin cậy

và khả năng dự phòng cao

• Mạng truyền số liệu, mạng LAN

• Mạng truyền hình cáp cung cấp cho người sử dụng dịch vụ truyền hình chấtlượng cao thông qua dường cáp quang hay cáp đồng trục kết nối nhà cung cấpvới người sử dụng

• Hiện nay các nhà mạng sử dụng dịch vụ truy nhập internet siêu tốc dựa trêncông nghệ cáp quang FTTH Với dịch vụ này, các nhu cầu về truyền tải dữliệu, truy nhập tốc độ cao với băng thông rộng được đáp ứng một cách hoànhảo và chi phí hợp lý Đây là công nghệ tiên tiến hiện nay và đang được cácquốc gia trên thế giới tin dùng, như Hàn Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ,…

CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC

2.1.Khái niệm tán sắc

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra Nếu xunggiãn ra lớn hơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận nhau Kết quả làđầu thu không nhận diện được bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầu phát, dẫn tới bộ

quyết định trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm

và chất lượng hệ thống giảm Hình dưới đây minh họa cho sự mở rộng xung do tán sắc

Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị là giây (s) Khi đó D được xác địnhbởi trong đó Ti, T0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nữa công suấtcực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi quang (đơn vị là s) Độ tán sắc qua mỗi kmsợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào bề rộngphổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km-nm

Tán sắc gây ra tăng BER

2.2 Các loại tán sắc

Trong Thông Tin Quang người ta chia ra thành 3 loại tán sắc như sau: tán sắcmode,tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể (trong đó tán sắc sắc thể bao gồm tán sắcống dẫn sóng và tán sắc vật liệu) Khi sợi truyền dẫn là đa mode (tức loại sợi quang cóthể truyềncùng lúc nhiều mode sóng khác nhau trong lõi) thì ta có tất cả các loại tán sắcnói trên Nhưng khi công nghệ chế tạo sợi đã phát triển thì sợi đơn mode ra đời và nókhắc phụcđược tán sắc mode của sợi đa mode Tuy nhiên, vì bản chất chiết suất Silica là

phụ thuộcvào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thể phát ra ánh sáng đơn sắc (ánhsáng chỉ cómột bước sóng) mà là một chùm tia sáng với một độ rộng phổ nào đó Chính

vì thế trong sợi đơn mode vẫn còn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắcsắc thể Ngày nay, với công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ người ta đã chế tạo ra đượccác loại sợi quang mới có mức tán sắc giảm đáng kể Những sợi này được dùng để lắp đặttrong các mạng mới cần tốc độ bít cao và cự ly lớn Sau đây ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơbản về các loại tán sắc trong sợi quang

Hình sau đây mô tả sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang

2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion):

Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh sángtrong sợi quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường khác nhau,trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những Mode sóng Có thể hình dunggần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.Tán sắc mode là do năng lượng của ánhsáng bị phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau,nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khác nhau là khác nhau gây ra tán sắc Rõràng ta thấy tán sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode, do đó muốn loại bỏ tán sắc mode thì

ta phải sử dụng sợi đơn mode Vì vậy khi xét đến tán sắc mode ta chỉ xét ở sợi đamode Như ta đã biết, khẩu độ số (NA) biểu diễn khả năng thu ánh sáng của sợi quang.Khẩu độ số càng lớn thì càng dễ hướng ánh sáng vào sợi quang Như vậy ta có cảm giácnhư khẩu độ số càng lớn thì càng tốt Nhưng điều này là không đúng, có một trở ngại

khiến ta không thể tăng khẩu độ số lớn Để hiểu được điều này ta hãy xem xét các modetrong sợi quang Sự thật là ánh sáng chỉ có thể truyền trong sợi quang như một tập hợpcủa những luồng sáng hoặc những tia sáng riêng lẻ Nói cách khác, nếu ta có khả năngnhìn vào sợi quang ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc α biến thiên

từ 0 đến αc như được minh họa ở hình sau:

Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang

Những luồng sáng khác nhau được gọi là những mode Ta phân biệt các modebằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt Nguyên tắclà: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp Như vậy modetruyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và mode truyền ở góctruyền tới hạn (αc) là mode có số thứ tự lớn nhất có thể của sợi quang Nhiều mode có thểcùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyền được gọi là sợi đa mode

Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình họccủa sợi Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều mode sóng Và bướcsóng ánh sáng càng ngắn thì sợi quang càng chứa được nhiều mode sóng Nếu khẩu độ sốcàng lớn thì số lượng mode sóng sợi thu được càng nhiều Như vậy có thể kết luận là sốlượng mode sóng trong sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi (d), khẩu độ số (NA)và tỉ

lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng (λ)

Gọi V là tần số chuẩn hóa, ta có:

thì số lượng mode được tính như sau: N=V 2 /2 (đối với sợi SI), N= V 2 /4(đối với sợi GI)

Như vậy ta thấy đối với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồn quang đivàosợi quang chia thành một tập hợp mode Trong sợi, công suất quang tổng cộng được

mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại thành luồng ra vớicông suấtcủa nó Hình sau sẽ minh họa cho vấn đề trên (với 4 mode làm ví dụ)

Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi quang và

Tán sắc mode trong sợi GI

2.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode

Như ta đã xét ở phần trên, tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hạn chếtốc độ bít trong hệ thống Thông Tin Quang sử dụng sợi đa mode Điều này không cónghĩa là trong sợi đa mode chỉ có tán sắc mode, mà nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều loạitán sắc khác Tuy nhiên do tán sắc mode có ảnh hưởng lớn hơn cả nên ta chỉ xét tán sắcmode trong sợi đa mode Để khắc phục tán sắc mode người ta đã chế tạo ra loại sợi quangchỉ truyền một mode sóng, sợi quang như thế được gọi là sợi đơn mode (SMF- SingleMode Fiber) Rõ ràng ta thấy sợi đơn mode đã khắc phục được hoàn toàn tán sắc mode

Vì thế tốc độ truyền dẫn được cải thiện đáng kể và tăng được cự ly thông tin Tuy nhiên

vì sợi đơn mode vẫn được chế tạo từ Silica nên nó sẽ còn chịu ảnh hưởng của các loại ánsắc khác như tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode Trong đó tán sắc sắc thể lànguyên nhân chính gây hạn chế tốc độ bít

Bây giờ ta sẽ đi khảo sát hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi quang Ở đây khôngmất tính tổng quát khi ta xét tán sắc sắc thể trong sợi đơn mode Có thể nói nguyên nhânsâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER) không phát ra ánh sángđơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng), mà nó phát ra một chùm tia sáng có bước sóngtrung âm (tại công suất phát cực đại) và các bước sóng biên, hay còn gọi là độ rộng phổnguồn phát Tức là nguồn phát phát ra ánh sáng nằm trong một dải tần (dải bước sóng)

Mà như ta đã biết thì chiết suất của sợi làm từ Silica là một hàm phụ thuộc vào bước sóng(hay tần số), nên vận tốc lan truyền của các thành phần tần số khác nhau là khác nhau, và

nó phụ thuộc vào bước sóng theo công thức sau:

Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân sinh ra nó: Thứ nhất như ta biết là cácthành phần tần số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau, và tán sắc do nguyên nhânnày người ta gọi là tán sắc vật liệu, đây là nguyên nhân chủ yếu của tán sắc sắc thể Tuy

nhiên còn có thành phần tán sắc thứ hai là tán sắc ống dẫn sóng, mà nguyên nhân sinh ra

nó là do năng lượng ánh sáng truyền đi có một phần trong lõi và một phần trong lớp bọc

Sự phân bố năng lượng giữa lõi và lớp bọc là một hàm của bước sóng, cụ thể là nếu bướcsóng dài hơn thì năng lượng trong lớp bọc nhiều hơn Như vậy nếu bước sóng thay đổi,

sự phân bố năng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền β cũng thay đổi Đâychính là sự giải thích cho tán sắc ống dẫn sóng

Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còn tồn tạimột loại tán sắc không kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm Như ta đã biết,

ưu điểm chính của sợi đơn mode là không có tán sắc mode bởi vì năng lượng đưa vàoxung chỉ được chuyên chở bởi một mode đơn duy nhất Tuy nhiên sự mở rộng xungkhông biến mất hoàn toàn, vì vận tốc nhóm của mode cơ bản thì phụ thuộc vào tần số dotán sắc sắc thể Kết quả là các thành phần phổ khác nhau của xung truyền có vận tốcnhóm khác nhau một chút, và tán sắc có nguyên nhân như trên được gọi là tán sắc vận tốcnhóm

2.2.3 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion)

Xét sợi đơn mode có chiều dài L Một thành phần phổ riêng biệt tại bước sóng λ

có tần số góc là ω sẽ đến ngõ ra cuối sợi quang sau một độ trễ về mặt thời gian là T=L/v g

Trong đó vg là vận tốc nhóm và được định nghĩa là:

(1) Bằng cách áp dụng (β là hằng số lan truyền) vào phương trình(1) ta

có thể tính được trong đó ng là chiết suất nhóm và được cho bởi :

(2)

Sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc nhóm dẫn đến sự mở rộng xung, đơn giản làbởivì các thành phần phổ khác nhau của xung bị tán sắc trong suốt sự lan truyền vàkhông đến ngõ ra của sợi cùng một lúc Nếu Δω là độ rộng phổ của xung thì phạm vi mởrộng xung đối với sợi có chiều dài L được cho bởi:

(3)

trong đó phương trình (1) được sử dụng để biến đổi Tham số được gọi làtham số tán sắc vận tốc nhóm Nó quyết định xung quang bị mở rộng bao nhiêu khi lantruyền trong sợi.

Trong một số hệ thống Thông Tin Quang, sự trải ra về mặt tần số Δω được quyếtđịnh bởi dải các bước sóng Δλ đã phát bởi nguồn quang Thông thường ta sử dụng

D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/km-nm [1] Ảnh hưởng của tán sắc lên tốc

độ bít B có thể được ước tính bằng cách sử dụng điều kiện B ΔT<1 Bằng cách sử dụng

ΔT trong phương trình (4) thì điều kiện này trở thành:

(6)Phương trình này cho ta một ước tính về tích B.L của sợi quang đơn mode Đốivới sợi quang đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng 1,3µm (D xấpxỉ1ps/km-nm) Đối với Lazer bán dẫn có độ rộng phổ Δλ từ 2 đến 4nm thì giá trị B.L cóthể vượt quá 100Gbps-km Trong thực tế ta có các hệ thống hoạt động tại bướcsóng1,3µm cótốc độ bít là 2Gbps với khoảng cách trạm lặp từ 40 đến 50km Giá trị B.Lcủa sợi đơn modecó thể vượt quá 1Tbps-km khi Lazer bán dẫn đơn mode được sử dụng

(7)trong đó phương trình (2) được sử dụng để biến đổi Người ta đã chứng minh được D cóthể được viết như là tổng của hai số hạng: [1] D = DM + DW (8) trong đó DM là tán sắc vậtliệu, DW là tán sắc ống dẫn sóng và được cho bởi:

(8)

(9)

ở đây n2g là chiết suất nhóm của lớp bọc, V là tần số chuẩn hóa, b là hằng số lantruyềnchuẩn hóa, Δ là sự chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc Trong các phươngtrình từ (8) đến (10) thì tham số Δ được xem là độc lập với tần số

2.2.4 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)

Tán sắc vật liệu xãy ra do chiết suất của Silica (nguyên liệu được sử dụng để chếtạo sợi quang) thay đổi theo tần số quang ω (tức phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu)

Hình sau đây sẽ cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất (n) và chiết suấtnhóm (ng) trong dải từ 0,5µm đến 1,6µm đối với sợi Silica nóng chảy

Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm n g theo

bước sóng của silica nóng chảy

Tán sắc vật liệu (DM) có liên hệ với độ dốc của ng bởi công thức (9) như sau:

Mà vì dng /dλ= 0 tại bước sóng 1,276µm nên DM = 0 tại λZD=1,276µm (λZD đượcgọi là bước sóng tán sắc 0) Hệ số tán sắc DM âm khi λ< λZD và dương khi λ> λZD.Trongdải bước sóng từ 1,25 đến 1,66 µm thì DM có thể được xấp xỉ bằng công thức :

(11)Lưu ý: λZD chỉ bằng 1,276 µm đối với sợi Silica thuần khiết Giá trị của λZD có thểthay đổi trong dải từ 1,27 đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớp bọc được pha tạpchất để thay đổi chiết suất Bước sóng tán sắc 0 (λZD) của sợi quang cũng phụ thuộcvào bán kính lõi (a) và bước nhảy chiết suất (Δ) của sợi quang

2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)

Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắc tổng, do

đó thường thấy thuật ngữ tán sắc sắc thể và tán sắc chất liệu có thể sử dụng hoán chuyển

cho nhau khi xét sợi đa mode Nhưng đối với sợi đơn mode thì tán sắc ống dẫn sóng lại làmột thành phần tán sắc quan trọng Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộclẫn nhau và do đó ta phải xét chúng cùng nhau Do xấp xỉ nên ta có thể bỏ qua sự phụthuộc để xét riêng chúng.

Tán sắc ống dẫn sóng xuất hiện là do ánh sáng được truyền bởi cấu trúc là sợiquang.Cơ chế gây ra tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đơn mode như sau: Sau khi đi vàosợi quang,một xung ánh sáng mang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi và lớp bọc nhưđược minh họa ở hình sau:

Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode

MDF là đường kính trường mode.

Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọc truyền với vận tốc khác nhau (do lõivàlớp bọc có chiết suất khác nhau), nên đến cuối sợi quang vào các thời điểm khác nhaugâyra tán sắc.Từ hình trên ta thấy tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trườngmodegiữa lõi và lớp bọc, tức phụ thuộc vào đường kính của trường mode (MFD – ModeFieldDiameter) mà MFD lại phụ thuộc vào bước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng là phụthuộcvào bước sóng

Tán sắc ống dẫn sóng (DW) được tính như trong phương trình (10) và phụ thuộcvào tham

số V ( tần số chuẩn hóa ) của sợi

Hình sau cho thấy sự thay đổi của d(Vb)/dV và Vd 2 (Vb)/dV 2 theo V

Tần số chuẩn hóa V

Từ hình ta thấy cả d(Vb)/dV và Vd 2 (Vb)/dV 2 đều dương nên theo công thức (10) thì

DW âm trong toàn bộ dải bước sóng từ 0 đến 1,6µm

Hình sau đây sẽ cho thấy DM , DW và tổng của chúng D= DM + DW của một sợiquang đơn mode thông thường

Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu (D M ) và tán sắc ống dẫn sóng (D W ) của sợi đơn mode thường Bước sóng tán sắc 0 (λ ZD )

dịch đến giá trị cao hơn nhờ sự phân bố ống dẫn sóng.

Ta thấy tán sắc ống dẫn sóng (DW) làm cho bước sóng tán sắc 0 (λZD) dịch khoảng

30 đến 40nm để tán sắc tổng (D) bằng 0 ở gần bước sóng 1,31µm Ngoài ra, tán sắc ốngdẫn sóng còn làm giảm tán sắc tổng từ giá trị tán sắc vật liệu (DM) trong dải bước sóng từ1,3µm đến 1,6µm Giá trị tiêu biểu của D là từ 15 đến 18ps/(km-nm) ở gần bướcsóng1,55µm Khi D lớn sẽ hạn chế hoạt động của hệ thống tại bước sóng 1,55 µm Vì DW

phụ thuộc vào tham số sợi như bán kính lõi a và sự chênh lệch chiết suất Δ nên ta có thểthiết kế sợi để bước sóng tán sắc 0 dịch đến lân cận giá trị 1,55µm Sợi như thế gọi là sợidịch tán sắc Ta còn có thể ghép sự phân bố ống dẫn sóng để D tương đối nhỏ qua mộtdải bước sóng từ 1,3µm đến 1,6µm, sợi loại này gọi là sợi san bằng tán sắc.

Hình sau đây cho thấy các ví dụ tiêu biểu về sự phụ thuộc bước sóng của D đối vớisợi chuẩn (sợi thường), sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc

Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn,

sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.

2.2.6 Tán sắc bậc cao hơn (Higher-Order Dispersion)

Từ phương trình (6) ta thấy giá trị B.L của sợi đơn mode có thể tăng lên đến vôcùng khi hoạt động tại bước sóng tán sắc 0 (λZD) vì D=0 Tuy nhiên các ảnh hưởng tánsắc không biến mất hoàn toàn tại bước sóng tán sắc 0 Các xung quang vẫn bị trải rộng doảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn Tán sắc tổng (D) không thể bằng 0 tại tất cả các bướcsóng trong dải phổ của một xung tập trung tại bước sóng tán sắc 0 Rõ ràng là sự phụthuộc vào bước sóng của D sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sự mở rộng xung Cácảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn bị chi phối bởi độ dốc tán sắc S=dD/dλ, tham số S cònđược gọi là tham số tán sắc vi phân

Giá trị của độ dốc tán sắc (S) đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế các

hệ thống WDM hiện nay Vì S > 0 đối với hầu hết các loại sợi, các kênh khác nhau có giátrị GVD hơi khác nhau Điều này gây khó khăn cho việc bù tán sắc tất cả các kênh cùngmột lúc Để giải quyết vấn đề này, các loại sợi quang mới đã được phát triển, chúng có Skhông những nhỏ (độ dốc tán sắc giảm) mà còn âm (sợi tán sắc ngược) Bảng sau cho tadanh sách các đặc tính của các loại sợi hiện có trên thị trường