Nghiên cứu vấn đề bù tán sắc trong truyền dẫn quang

Nghiên cứu vấn đề bù tán sắc trong truyền dẫn quang

MỤC LỤC

1.1 Khái niệm thông tin quang 5

1.2 Lịch sử phát triển của thông tin quang 6

1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 8

1.4 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang 9

1.4.1 Ưu điểm

1.4.2 Nhược điểm

1.4.3 Ứng dụng

2.2 Các loại tán sắc 15

2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion):

2.2.2 Tán sắc trong mode

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

2.2.2.2 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)

2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)

2.2.6 Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion)

2.3 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang: 28

3.1 Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc 32

3.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation) 34

3.3 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line) 35

3.3.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF(Dispersion Compensation Fiber)

3.3.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang

3.3.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC

3.3.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg

3.3.5 Kỹ thuật bù tán sắc mode

3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation) 49

KẾT QUẢ THU ĐƯỢC TRONG CHUYẾN ĐI THỰC TẬP 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC HÌNH 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

tín hiệu điện quang điện 8

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 8

Hình 2.1 Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc 14

Hình 2.2 Tán sắc gây ra tăng BER 15

Hình 2.3 Các loại tán sắc trong sợi quang 16

Hình 2.4 Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang 17

Hình 2.5 Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi quang và

gây tán sắc 18

Hình 2.6 Tán sắc trong sợi SI 19

Hình 2.7 Tán sắc mode trong sợi GI 19

Hình 2.8 Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo 24

bước sóng của silica nóng chảy 24

Hình 2.9 Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode 25

Hình 2.10 Tần số chuẩn hóa V 25

Hình 2.11 Biểu diễn DM, DW, D 26

Hình 2.12 Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn, 27

sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc 27

Hình 2.13 Tán sắc phân cực mode 28

Hình 2.14 Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc 30

( cho hệ thống 1Gbit/s và 2,5 Gbit/s) 30

Hình 2.15 Công suất quang bị mất khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống 2,5 Gbit/s.31 Hình 3.1 Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã 35

Hình 3.2 Sử dụng DCF để bù tán sắc 36

Hình 3.4 Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg 42

Hình 3.6 Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép 47

Hình 3.7 Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình 48

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cuộc sống không ngừng phát triển, song song với nó là nhu cầu của con người về các dịch vụ như: truyền số liệu, giải trí qua mạng internet…ngày càng nâng cao Chính vì vậy các nhà cung cấp dịch vụ cũng tìm cách để nâng cao chất lượng dịch vụ Và họ đã giải quyết được vấn đề suy hao quang, suy hao quang không còn là giới hạn lớn nhất trong các hệ thống thông tin quang, thay vào đó trong các hệ thống thông tin quang hiện đại giới hạn thường gặp nhất là do tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến gây nên Suy hao quang được giải quyết một cách dễ dàng bằng

các bộ khuyếch đại quang tuy nhiên đi kèm với nó lại làm gia tăng tán sắc, tráingược với các bộ tái tạo (Regenerator) điện tử, một bộ khuyếch đại quang khôngkhôi phục lại tín hiệu được khuyếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu Kết quả là, tánsắc tích lũy qua các bộ khuyếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu Chính vì lý

do này, đã có nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu suốt thập niên 1990

để hạn chế tác động của tán sắc trong các hệ thống thông tin quang Vậy tán sắc là gì

và phải làm như thế nào để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc trong truyềndẫn quang Trong bài báo cáo này, em giới thiệu về hiện tượng tán sắc và bù tán sắctrong thông tin quang Bài báo cáo gồm 3 chương và cụ thể như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin quang, đưa ra cấu trúcchung của hệ thống thông tin quang và chức năng nhiệm vụ của từng phần trong hệthống, sau đó rút ra ưu điểm, nhược điểm của hệ thống thông tin quang, cuối cùng làứng dụng của hệ thống trong thực tế

Chương 2: Tìm hiểu về hiện tượng tán sắc trong thông tin quang, đưa ra kháiniệm về tán sắc, phân loại tán sắc, tìm hiểu rõ từng loại tán sắc: tán sắc mode, tánsắc vận tốc nhóm, tán sắc vật liệu, tán sắc trong sợi đơn mode, tán sắc ống dẫn sóng,tán sắc phân cực mode, tán sắc bậc cao hơn Ảnh hưởng của tán sắc đến truyền dẫnquang như thế nào

Chương 3: Đưa ra các phương pháp cụ thể để bù tán sắc: kỹ thuật bù tán sắctrước, kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây, kỹ thuật bù sau

Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Ths Nguyễn Anh Tuấn – bộmôn Công nghệ truyền thông - khoa Công nghệ điện tử và truyền thông – Đại họcCông nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ emhoàn thành thực tập tốt nghiệp này

Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên bài báocáo không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đónggóp của các thầy cô giáo và các bạn Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 03 năm 2012 Sinh viên thực hiện

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 cónghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sángđược truyền quasợi 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 chuyểnđộng hình dáng màu săc thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thống thông tin, điềuchế thông tin đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đền hải đăng các đèn tínhiệu Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang Thiết bị này sử dụng khíquyển như một môi trường truyền đẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiệnthời tiết, để giải quyết vấn đề này người ta chế tạo ra máy điện báo vô tuyến để liênlạc giữa hai người ở cách xa nhau

Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đãchế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp (1000dB/km) Bốn năm sau Karpon đã chếtạo ra cáp sợi quang trong suốt có đọ suy hao truyền dẫn khooangr20dB/km Từ 3thành công rực rỡ này nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiêncứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dảithông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70 Sau đógiảm độ tổn thất xuống còn 0,18dB/kmcòn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giaođộng 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 điệnbáo quang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp vớicác đèn báo hiệu di động trên đó Thời ấy tin tức được truyền bằng hệthống này vượt chặng đường 200 km trong vòng 15 phút

• 1870 : John Tyndall, nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ rằng ánh sáng cóthể dẫn được theo vòi nước uốn cong, thí nghiệm của ông đã sử dụngnguyên lý phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quangngày nay

• 1880 : Alexander Graham Bell, người Mỹ, giới thiệu hệ thốngphotophone, qua đó tiếng nói có thể truyền được qua môi trường khôngkhí mà không cần dây, tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên

thực tế vì còn quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đườngtruyền

• 1934 : Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về

hệ thống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của ông là các thanhthủy tinh

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

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

• 1962 : Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận, vấn đề cònlại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp

• 1966 : Charles H.Kao và Gooeorge A.Hockham, hai kỹ sư phòng thínghiệm Standard telecommunications của Anh, đề xuất việc dung thủytinh để truyền dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinhthời ấy còn hạn chế nên suy hao của sợi quá lớn (suy hao xấp xỉ 1000dB/km)

• 1970 : Hãng Corning Glass works chế tạo thành công sợi quang loại si cósuy hao 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 sợinày chỉ còn 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 khốilượng lớn tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa nhau hàng trăm km bằngmột sợi quang 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

là photon học là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có khả năng pháthiện và xử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng.Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử vàviễn thông trong thế kỷ 21

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 quang điện

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Bộ biến đổi điện – quang (E/O) biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang đểtruyền trong 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 củatín hiệu điện)

Cáp quang: là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạobằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh, sợi thyurtinh, sợi nhựa

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 dạngtrên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tínhiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu

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

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

Nguồn

phát tín

Nguồn thu tín hiệu

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 vànhược điểm riêng Đặc biệt hiện nay sợi quang đã trở thành một phương tiện thôngdụng cho nhiều yêu cầu truyền thông Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với cácphương pháp truyền dẫn điện thông thường Bên cạnh đó thì vẫn có một số nhượcđiểm Cụ thể như sau:

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 đượcđồng thời khoảng 600 cuộc đàm thoại Một cáp sợi quang có thể chứađược khoảng 200 sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên6000.000 cuộc đàm thoại So với các phương tiện truyền dẫn bằng dâythông thường, một cáp gầm nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộcđàm thoại, Một cáp đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại vàmột tuyến viba có thể mang được 200 cuộc 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 sựunhiễu nội tại nào Các công ty điện lực sử dụng cáp qaung dọc theo cácđường dây điện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạmbiến áp Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm Thậm chí ánh sáng bịbức xạ ra từ một sợi quang thì nó không thể xâm nhập vào sợi quang khácđược

• 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 phép cách điệnhoàn toàn cho nhiều ứng dụng Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi cácdòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởisựu phóng điện trên các đường dây thông tin như sét đánh hay những trục

trặc về điện Đây thực sự là một phương tiện an toàn thường được dùng ởnơi 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 điệnthông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khótrích để lấy thông tin dưới dạng tín hiệu quang Các tia sáng truyền ở tâmsợi quang và rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang Thậm chínếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tracông suất ánh sáng thu được tại đầu cuối Trong khi các tín hiệu vệ tinhhay viba có thể dễ dàng thu và giải mã được

• 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 cápquang được thiết 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 gian hoạt động lâu, ước tính trên 30 năm với một sốcáp Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn sovới yêu cầu của một hệ thống thông thường do cần ít bộ lặp điện hơntrong tuyến thông tin; trong cáp không có dây đồng(yếu tố có thể bị mòndần và gây ra hện tượng lúc có lúc mất tín hiệu); cáp quang cũng không bịảnh hưởng bởi sựu ngắn mạch, sựu tăng vọt về điện áp nguồn hay tĩnhđiện

• 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 tươngthích với các 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 nhiềunữa

• 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 bằng 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 khuếchđại laze Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách dài hơnnữa chi phí tiết kiệm được sử dụng ít các bộ lọc trung gian và việc bảodưỡng có thể là khá lớn Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường

cứ vài km có thể đã cần một bộ lặp

1.4.2 Nhược điểm

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

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

• Nếu hệ thống thông tin quang bị hỏng thì viêc sửa chữa đòi hỏi phải cómột nhóm 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 trongsợi quang

• Khi có nước, hơi ẩm lọt vào cáp thì sẽ nhanh chóng bị hỏng và các mốihàn mau 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 truyềnanalog

• Khi truyền tín hiệu trên hệ thống thông tin quang hay bị lỗi tín hiệu khichuyển đổi 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 Vìkhi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vàotay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơthể Ngoài ra, không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớpnối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi quang chiếu trực tiếpvào mắt Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng

hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi

có nguồn năng lượng này và sẽ gây nguy hại cho mắt

Hiện nay thông tin quang được ứng dụng rộng rãi:

• Sử dụng trong các tuyến truyền dẫn quốc tế, kết nối Việt Nam với cácnước trên 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 và Tây Âu); tuyến cáp quang liên Á…Dự án cáp quang biểnAAG, có chiều dài gần 20.000 km, bắt đầu từ Malaysia (TM) và kết cuốitại Mỹ (AT&T) AAG có các điểm cập bờ tại Mersing (Malaysia), Changi(Singapore), Sri Racha (Thái Lan), Tungku (Brunei), Vũng Tàu (ViệtNam), Currimao (Philippines), South Lantau (Hong Kong), Guam (Mỹ),Hawaii (Mỹ) có tác dụng kết nối internet quốc tế Nhánh cáp rẽ vào ViệtNam có chiều dài 314 km, cập bờ tại Vũng Tàu Hiện Việt Nam có 4thành 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 thôngtin giữa các tổng đâì với nhau Cụ thể như các tuyến quốc lộ 1A, tuyếncáp quang trên đường 500KV(điện lực), tuyến cáp quang đường Hồ ChíMinh, đường 5…

• Sử dụng mạng truy nhập để cung cấp đường truyền tốc độ cao tới các cơquan, doanh nghiệp cá nhân có nhu cầu Ví dụ, cung cấp dường truyền tốc

độ cao hoặc 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 vòngRing đảm bảo thông tin liên lạc thông suốt trong mọi tình huống VàViettel cũng đã và đang xây dựng mạng truyền dẫn đường trục Backbonevới dung lượng 2,5Gb/s được nâng cấp lên 10Gb/s, sử dụng công nghệghép bước sóng WDM và phân cấp số đồng bộ SDH Với việc sử dụngcáp quang trên đường dây 500 KV và phối hợp với Tổng Công ty đườngsắt Việt nam xây dựng mới đường trục cáp quang dọc tuyến đường sắtBắc Nam, mạng đường trục Bắc Nam của Viettel phát triển theo cấu hìnhbao gồm các mạng vòng vu hồi WDM SDH với độ tin cậy và khả năng dựphòng cao

• Mạng truyền số liệu, mạng LAN

• Mạng truyền hình cáp cung cấp cho người sử dụng dịch vụ truyền hìnhchất lượng cao thông qua dường cáp quang hay cáp đồng trục kết nối nhàcung cấp với người sử dụng

• Hiện nay các nhà mạng sử dụng dịch vụ truy nhập internet siêu tốc dựatrên công nghệ cáp quang FTTH Với dịch vụ này, các nhu cầu về truyềntải dữ liệu, truy nhập tốc độ cao với băng thông rộng được đáp ứng mộtcách hoàn hảo và chi phí hợp lý Đây là công nghệ tiên tiến hiện nay vàđang được các quốc 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 Nếuxung giãn ra lớn hơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận nhau Kếtquả là đầu 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 mởrộng xung do tán sắc

Hình 2.1 Minh họa 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

định bởi trong đó Ti, T0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nữa côngsuất cực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi quang (đơn vị là s) Độ tán sắc quamỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km Đối với loại tán sắc phụ thuộcvào bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km-nm

Hình 2.2 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 gồmtán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu) Khi sợi truyền dẫn là đa mode (tức loại sợiquang có thể truyền cùng lúc nhiều mode sóng khác nhau trong lõi) thì ta có tất cảcác loại tán sắc nói trên Nhưng khi công nghệ chế tạo sợi đã phát triển thì sợi đơnmode ra đời và nó khắc phục được tán sắc mode của sợi đa mode Tuy nhiên, vì bảnchất chiết suất Silica là phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thểphát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng) mà là một chùm tia sángvới một độ rộng phổ nào đó Chính vì thế trong sợi đơn mode vẫn còn tồn tại tánsắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể Ngày nay, với công nghệ chế tạophát triển mạnh mẽ người ta đã chế tạo ra được các loại sợi quang mới có mức tánsắc giảm đáng kể Những sợi này được dùng để lắp đặt trong các mạng mới cần tốc

độ bít cao và cự ly lớn Sau đây ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về các loại tán sắctrong sợi quang

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

Hình 2.3 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 ánhsáng trong sợi quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đườngkhác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những Mode sóng Cóthể hình dung gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.Tán sắc mode là donăng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lại truyền vớivận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khác nhau

là khác nhau gây ra tán sắc Rõ ràng 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 xétđến tán sắc mode ta chỉ xét ở sợi đa mode Như ta đã biết, khẩu độ số (NA) biểudiễn khả năng thu ánh sáng của sợi quang Khẩu độ số càng lớn thì càng dễ hướngánh sáng vào sợi quang Như vậy ta có cảm giác như khẩu độ số càng lớn thì càngtốt 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 mode trong sợi quang Sự thật làánh sáng chỉ có thể truyền trong sợi quang như một tập hợp của những luồng sánghoặc những tia sáng riêng lẻ Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang

ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc α biến thiên từ 0 đến αc nhưđược minh họa ở hình sau:

Hình 2.4 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 cácmode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt.Nguyên tắc là: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp Nhưvậy mode truyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và modetruyền ở góc truyền tới hạn (αc) là mode có số thứ tự lớn nhất có thể của sợi quang.Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyềnđược gọi là sợi đa mode

Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hìnhhọc của sợi Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều mode sóng Vàbước sóng ánh sáng càng ngắn thì sợi quang càng chứa được nhiều mode sóng Nếukhẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng sợi thu được càng nhiều Như vậy cóthể kết luận là số lượng 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

đi vào sợi quang chia thành một tập hợp mode Trong sợi, công suất quang tổngcộng được mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lạithành luồng ra với công suất của nó Hình sau sẽ minh họa cho vấn đề trên (với 4mode làm ví dụ)

Hình 2.5 Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi

quang và gây tán sắc

Từ hình trên ta thấy độ rộng xung tín hiệu sau sợi quang được bắt đầu bằngmode 1và kết thúc bằng mode 4 Do độ trễ về thời gian giữa các mode nên xung tínhiệu bị giãn ra (T0>Ti)

ta chỉ xét tán sắc mode trong sợi đa mode Để khắc phục tán sắc mode người ta đãchế tạo ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng, sợi quang như thế được gọi làsợi đơn mode (SMF- Single Mode Fiber) Rõ ràng ta thấy sợi đơn mode đã khắcphục 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 Silicanên nó sẽ còn chịu ảnh hưởng của các loại án sắc khác như tán sắc sắc thể và tán sắc

phân cực mode Trong đó tán sắc sắc thể là nguyên nhân chính gây hạn chế tốc độbít.

Bây giờ ta sẽ đi khảo sát hiện tượng tán sắc trong mode trong sợi quang Ởđây không mất tính tổng quát khi ta xét tán sắc sắc thể trong sợi đơn mode Có thểnói nguyên nhân sâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER)không phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng), mà nó phát ra mộtchùm tia sáng có bước sóng trung âm (tại công suất phát cực đại) và các bước sóngbiên, hay còn gọi là độ rộng phổ nguồn phát Tức là nguồn phát phát ra ánh sángnằm 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 truyềncủa các thành phần tần số khác nhau là khác nhau, và nó phụ thuộc vào bước sóngtheo công thức sau:

Tán sắc trong mode có hai nguyên nhân sinh ra nó: Thứ nhất như ta biết làcác thành phần tần số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau, và tán sắc donguyên nhân này người ta gọi là tán sắc vật liệu, đây là nguyên nhân chủ yếu của tánsắc sắc thể Tuy nhiên còn có thành phần tán sắc thứ hai là tán sắc ống dẫn sóng, mànguyên 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 hàmcủa bước sóng, cụ thể là nếu bước sóng dài hơn thì năng lượng trong lớp bọc nhiềuhơn 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 Đây chính là sự giải thích cho tán sắc ống dẫnsóng

Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còn tồntại một 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 nănglượng đưa vào xung chỉ được chuyên chở bởi một mode đơn duy nhất Tuy nhiên sự

mở rộng xung không biến mất hoàn toàn, vì vận tốc nhóm của mode cơ bản thì phụthuộc vào tần số do tán sắc sắc thể Kết quả là các thành phần phổ khác nhau của

xung truyền có vận tốc nhóm khác nhau một chút, và tán sắc có nguyên nhân nhưtrên được gọi là tán sắc vận tốc nhóm.

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

Xét sợi đơn mode có chiều dài L Một thành phần phổ riêng biệt tại bướcsóng λ có tần số góc là ω sẽ đến ngõ ra cuối sợi quang sau một độ trễ về mặt thời

(3)trong đó phương trình (1) được sử dụng để biến đổi Tham số đượcgọi là tham số tán sắc vận tốc nhóm Nó quyết định xung quang bị mở rộng baonhiêu khi lan truyền trong sợi

Trong một số hệ thống Thông Tin Quang, sự trải ra về mặt tần số Δω đượcquyết định bởi dải các bước sóng Δλ đã phát bởi nguồn quang Thông thường ta sửdụng Δλ thay cho Δω Bằng cách sử dụng

Phương trình (3) có thể được viết lại:

40 đến 50km Giá trị B.L của sợi đơn mode có thể vượt quá 1Tbps-km khi Lazer bándẫn đơn mode được sử dụng để giảm Δλ dưới 1nm

Hệ số tán sắc D thay đổi đáng kể khi bước sóng làm việc dịch ra khỏi 1,3 µm

Sự phụ thuộc vào bước sóng của D là do sự phụ thuộc vào tần số của chiết suấtmode n Từ phương trình (5) D có thể được viết lại:

(7)

trong đó phương trình (2) được sử dụng để biến đổi Người ta đã chứng minh được

D có thể được viết như là tổng của hai số hạng: [1] D = DM + DW (8) trong đó DM làtán sắc vật liệu, 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 lantruyền chuẩn hóa, Δ là sự chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc Trongcác phương trình từ (8) đến (10) thì tham số Δ được xem là độc lập với tần số

2.2.2.2 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)

Tán sắc vật liệu xãy ra do chiết suất của Silica (nguyên liệu được sử dụng đểchế tạo sợi quang) thay đổi theo tần số quang ω (tức phụ thuộc vào bước sóng tínhiệu) Hình sau đây sẽ cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất (n) vàchiết suất nhóm (ng) trong dải từ 0,5µm đến 1,6µm đối với sợi Silica nóng chảy

Hình 2.8 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 (λZDđược gọi là bước sóng tán sắc 0) Hệ số tán sắc DM âm khi λ< λZD và dương khi λ>λZD Trong dải bước sóng từ 1,25 đến 1,66 µm thì DM có thể được xấp xỉ bằng côngthức :

(11)Lưu ý: λZD chỉ bằng 1,276 µm đối với sợi Silica thuần khiết Giá trị của λZD cóthể thay đổi trong dải từ 1,27 đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớp bọc đượcpha tạp chất để thay đổi chiết suất Bước sóng tán sắc 0 (λZD) của sợi quang cũngphụ thuộc vào 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 hoánchuyển cho nhau khi xét sợi đa mode Nhưng đối với sợi đơn mode thì tán sắc ốngdẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan trọng Tán sắc vật liệu và tán sắc ốngdẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau và do đó ta phải xét chúng cùng nhau Do xấp xỉ nên

ta có thể bỏ qua sự phụ thuộc 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 đivào sợi quang, một xung ánh sáng mang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi và lớpbọc như được minh họa ở hình sau:

Hình 2.9 Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode

MDF là đường kính mode Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọctruyền với vận tốc khác nhau (do lõi và lớp bọc có chiết suất khác nhau), nên đếncuối sợi quang vào các thời điểm khác nhau gây ra tán sắc Từ hình trên ta thấy tánsắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trường mode giữa lõi và lớp bọc, tứcphụ thuộc vào đường kính của trường mode (MFD – Mode FieldDiameter) mà MFDlại phụ thuộc vào bước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng là phụ thuộc vào bướcsóng

Tán sắc ống dẫn sóng (DW) được tính như trong phương trình (10) và phụthuộc vào 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

Hình 2.10 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 mộtsợi quang đơn mode thông thường

Hình 2.11 Biểu diễn DM, DW, D (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 song).

Ta thấy tán sắc ống dẫn sóng (DW) làm cho bước sóng tán sắc 0 (λZD) dịchkhoảng 30 đến 40nm để tán sắc tổng (D) bằng 0 ở gần bước sóng 1,31µm Ngoài ra,tán sắc ống dẫn sóng còn làm giảm tán sắc tổng từ giá trị tán sắc vật liệu (DM) trongdải bước sóng từ 1,3µm đến 1,6µm Giá trị tiêu biểu của D là từ 15 đến 18ps/(km-nm) ở gần bước sóng1,55µm Khi D lớn sẽ hạn chế hoạt động của hệ thống tại bướcsóng 1,55 µm Vì DW phụ thuộc vào tham số sợi như bán kính lõi a và sự chênh lệchchiết suất Δ nên ta có thể thiết kế sợi để bước sóng tán sắc 0 dịch đến lân cận giá trị1,55µm Sợi như thế gọi là sợi dịch tán sắc Ta còn có thể ghép sự phân bố ống dẫnsóng để D tương đối nhỏ qua một dải bước sóng từ 1,3µm đến 1,6µm, sợi loại nàygọi là sợi san bằng tán sắc

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

Hình 2.12 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 phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion)

Nguồn gốc của sự mở rộng xung trong trường hợp này có liên quan đến sựkhúc xạ hai lần (Birefringence) của sợi ( lần lượt là chiếtsuất mode của các mode phân cực trực giao) Sự không đối xứng tròn của lõi tạo ra

sự phản xạ hai lần do chiết suất mode ứng với các thành phần phân cực trực giao củamode cơ bản là khác nhau Nếu xung ngõ vào kích cả hai thành phần phân cực thì

nó trở nên rộng hơn do hai thành phần tán sắc dọc theo sợi có vận tốc nhóm khácnhau Hiện tượng này gọi là tán sắc phân cực mode (PMD)

Trong những sợi có Bm là hằng số (ví dụ sợi duy trì phân cực) sự mở rộngxung ước tính từ độ trễ về mặt thời gian giữa hai trạng thái phân cực trong suốt quátrình lan truyền xung là ΔT Đối với sợi có chiều dài L thì ΔT được cho bởi:

trong đó x, y dùng để chỉ hai mode phân cực trực giao; Δβ1có liên hệ với chênh lệchvận tốc nhóm của hai trạng thái phân cực Phương trình (1) được sử dụng để có sựliên hệ giữa vgvới hằng số lan truyền β, và ΔT/L là đại lượng để đánh giá PMD Đốivới sợi duy trì phân cực thì ΔT/L lớn (khoảng 1ns/km) khi hai thành phần được kích

bằng nhau tại ngõ vào của sợi, nhưng có thể giảm đến 0 nhờ đưa ánh sáng dọc mộttrục chính

Đối với sợi thường thì hơi khác vì Birefringence thay đổi dọc theo chiều dàisợi một cách ngẫu nhiên Đối với một xung quang, trạng thái phân cực còn khác đốivới các thành phần phổ khác nhau của xung Trạng thái phân cực cuối cùng không là

sự quan tâm đối với hầu hết các hệ thống Thông Tin Quang vì Photodetector dùngtrong bộ thu không nhạy với trạng thái phân cực trừ khi sử dụng tách sóng Coherent.Vấn đề ảnh hưởng đến các hệ thống như thế này không phải là trạng thái phân cựcngẫu nhiên nhưng xung lại bị mở rộng do sự thay đổi ngẫu nhiên của Birefringence

Một xung quang không được phân cực dọc theo hai trạng thái chính chia làmhai phần lan truyền với tốc độ khác nhau Độ trễ nhóm vi sai ΔT lớn nhất đối với haitrạng thái phân cực chính

Hình 2.13 Tán sắc phân cực mode

2.3 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang:

Khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự lytruyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên Do đó, lại yêucầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện được việc truyềnthông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài Bây giờ, ảnh hưởng của hiệu ứng tánsắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ caolại càng thể hiện rõ rệt Ví dụ, sợi quang G 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị