Nghiên cứu bù tán sắc trong truyền dẫn thông tin quang

Hình 3.18 Các cách tử xếp tầng được sử dụng để bù tán sắc trong hệ thống WDM.100 Hình 3.19 a Mô tả phổ phản xạ và b toàn bộ GVD như một hàm của điện áp cho cách tử sợi với gradient nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐỖ NAM KHÁNH

NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC TRONG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN QUANG

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS HOÀNG PHƯƠNG CHI

Hà Nội - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu bù tán sắc trong truyền dẫn thông tin quang” là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Những số liệu, thông tin được sử dụng trung thực Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào từ trước tới nay

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Đỗ Nam Khánh

Mục lục

Mục lục 1

Danh mục các hình vẽ 4

Danh mục các bảng 7

Danh mục các ký hiệu các chữ viết tắt 8

LỜI NÓI ĐẦU 10

CHƯƠNG 1LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 11

1.1 Nhu cầu băng thông rộng hiện nay 11

1.2 Giới thiệu chung về sợi quang 12

1.2.1 Lịch sử phát triển sợi quang 12

1.2.2 Ưu điểm của sợi quang 13

1.3 Sự truyền sóng ánh sáng trong sợi quang 15

1.3.1 Nguyên lý truyền dẫn 16

1.3.2 Sợi quang và các mode truyền dẫn 17

1.3.3 Các phương trình Maxwell 18

1.3.4 Các phương trình dẫn sóng 19

1.4 Sợi đơn mode và đa mode 20

1.4.1 Sợi đơn mode 20

1.4.2 Sợi đa mode 21

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 22

2.1 Tán sắc 22

2.1.1 Giới thiệu chung 22

2.1.2 Tán sắc vận tốc nhóm 25

2.1.3 Tán sắc vật liệu 27

2.1.4 Tán sắc ống dẫn sóng 29

2.1.5 Tán sắc bậc cao 31

2.1.6 Tán sắc mode phân cực PMD 33

2.2 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin 35

2.2.1 Phương trình truyền dẫn cơ bản 36

2.2.2 Các xung Gaussian bị chirp 37

2.2.3 Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn 41

2.2.4 Băng tần sợi quang 46

2.3 Các hiệu ứng phi tuyến 48

2.3.1 Giới thiệu chung 48

2.3.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 49

2.3.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 50

2.3.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM 51

2.3.5 Hiệu ứng tán xạ Raman (SRS) 52

2.3.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin (SBS) 54

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN TRUYỀN DẪN TỐC ĐỘ CAO 56

3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc 56

3.2 Các mô hình bù trước 58

3.2.1 Kỹ thuật dịch tần trước 58

3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa mới 62

3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trước phi tuyến 64

3.3 Các kỹ thuật bù sau 66

3.4 Các sợi bù tán sắc 68

3.5 Các bộ lọc quang 71

3.6 Các cách tử Bragg sợi 75

3.6.1 Cách tử chu kỳ đều 75

3.6.2 Cách tử sợi dịch tần 79

3.6.3 Bộ nối mode dịch tần 82

3.7 Sự kết hợp pha quang 83

3.7.1 Nguyên lý hoạt động 84

3.7.2 Bù của tự điều chế pha SPM 84

3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha 86

3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đường dài 91

3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ 91

3.8.2 Nguyên lý đơn 93

3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến trong kênh 96

3.9 Các hệ thống dung lượng lớn 98

3.9.1 Bù tán xạ băng rộng 98

3.9.2 Bù tán sắc điều hướng 101

3.9.3 Quản lý tán sắc bậc cao 104

3.9.4 Bù PMD 107

3.10 Sử dụng sợi quang tinh thể 111

3.10.1 Giới thiệu sợi quang tinh thể PCF 111

3.10.2 Phân loại và tính chất mới của PCFs 113

3.10.2.1 Phân loại 113

3.10.2.2 Một số tính chất mới của PCFs 113

3.10.3 Tán sắc 114

3.10.4 Độ tán sắc qua thực nghiệm 116

CHƯƠNG 4ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN QUANG CỦA VTN 117

4.1 Giải pháp bù tán sắc trên mạng đường trục backbone của VTN 117

4.2 Thông số bù tán sắc trên mạng truyền dẫn ring phía bắc của VTN 129

4.2.1 Thông số bù tán sắc trên mạng ring WDM miền bắc của VTN 129

4.2.2 Thông số bù tán sắc trên mạng WDM metrolink Hà Nội của VTN 130 KẾT LUẬN 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 Nhu cầu về băng thông Internet trong những năm gần đây .11

Hình 1.2 Cấu tạo của một sợi quang thông thường .15

Hình 1.3 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng .16

Hình 1.4 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang .17

Hình 1.5 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc 17

Hình 1.6 Sợi đa mode chiết suất liên tục .17

Hình 1.7 Sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc sử dụng nguồn phát laser .18

Hình 1.8 Sợi đơn mode .20

Hình 1.9 Sợi đa mode .21

Hình 2.1 Khi ánh sáng trắng truyền qua lăng kính, các bước sóng khác nhau sẽ bị uốn cong với các góc khác nhau tạo thành hiện tượng cầu vồng 23

Hình 2.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị tán sắc 23

Hình 2.3 Chỉ số chiết suất n và chỉ số ng thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy tinh 28

Hình 2.4 Tán sắc ống dẫn sóng .29

Hình 2.5 Tham số b và các vi phân của nó thay đổi theo tham số V .30

Hình 2.6 Tán sắc tổng D và các tán sắc DM, DW cho sợi đơn mode thông dụng .31

Hình 2.7 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi tiêu chuẩn, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng 32

Hình 2.8 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD .33

Hình 2.9 Hệ số giãn xung phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn đối với các xung Gaussian đầu vào bị chirp .40

Hình 2.10 Giới hạn tốc độ bit của sợi đơn mode phụ thuộc vào cự ly .44

Hình 2.11 Ảnh hưởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM .49

Hình 2.12 Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM .50

Hình 2.13 Hiệu ứng FWM .51

Hình 2.14 Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman .52

Hình 2.15 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm λp = 1μm .53

Hình 2.16 Ảnh hưởng của tán xạ Raman .54

Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền cho một xung đầu vào Gaussian dịch tần .59Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trước được sử dụng để bù tán sắc 61Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK 62Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16Gb/s được truyền đi 70km chiều dài sợi tiêu chuẩn 63Hình 3.5 Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của Ein/Esat 65Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn như là một hàm của công suất phát đối với các xung Gaussian và siêu Gaussian ở tốc độ bit là 4Gb/s và 8Gb/s .67Hình 3.7 (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode bậc cao (HOM) và hai cách

tử chu kỳ dài (LPG) (b) Phổ tán sắc của DCF .70Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đường truyền sợi đường dài có sử dụng các bộ lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại .72Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa Mach -Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng .73Hình 3.10 (a) Cường độ và (b) pha của hệ số phản xạ được mô tả thành hàm điều hướng δ Lg trong cách tử sợi đều với κLg = 2 hoặc κLg = 3 76Hình 3.11 GVD do cách tử tạo ra được mô tả là một hàm của δ cho một vài giá trị của hệ số ghép κ .77Hình 3.12 Hệ số truyền và độ trễ thời gian là một hàm của bước sóng đối với cách

tử đều trong đó κ(z) biến thiên tuyến tính từ 0 đến 6cm-1 trên độ dài 11cm .78Hình 3.13 Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính 80Hình 3.14 Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thông 0,12nm .81Hình 3.15 Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi 82Hình 3.16 Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ giữa nhịp trong sợi dịch tán sắc dài 21km 87Hình 3.17 Vòng lặp sợi xoay vòng được sử dụng để truyền tín hiện 10Gb/s đi 10000km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở áp dụng DCF theo chu kỳ .92

Hình 3.18 Các cách tử xếp tầng được sử dụng để bù tán sắc trong hệ thống WDM.100 Hình 3.19 (a) Mô tả phổ phản xạ và (b) toàn bộ GVD như một hàm của điện áp cho

cách tử sợi với gradient nhiệt độ 103

Hình 3.20 Độ nhạy của máy thu trong thí nghiệm 160Gb/s, là một hàm của tán sắc có (hình vuông) và không có (hình tròn) cách tử Bragg dạng sợi (CFBG) 104

Hình 3.21 Dạng xung sau khi xung đầu vào 2,6 ps được truyền đi 300km bằng sợi dịch tán sắc (β2 = 0) 105

Hình 3.22 Mô hình của bộ bù PMD quang (a) và điện (b) 108

Hình 3.23 Bù PMD điều hưởng do cách tử sợi dịch tần lưỡng chiết 109

Hình 3.24 Hệ số mở rộng xung là hàm của DGD trung bình trong bốn trường hợp Đường chấm mô tả sự tăng do sử dụng bộ bù PMD bậc một 111

Hình 3.25 Sợi quang tinh thể PCF 112

Hình 3.26 Mặt cắt một số loại sợi quang tinh thể 113

Hình 3.27 Một số dạng cấu trúc sắp xếp các lỗ khí trong PCFs 114

Hình 3.28 Tán sắc của sợi PCFs có các tinh thể quang sắp xếp theo hình tam giác và lõi chiết suất cao khi cố định Λ = 2,3 µm 115

Hình 3.29 Tán sắc của sợi PCFs có các tinh thể quang sắp xếp theo hình tam giác.116 Hình 3.30 Cửa sổ kết quả tán sắc 116

Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ lọc FIR và IIR của bộ bù tán sắc trước trong miền điện 118

Hình 4.2 Chế độ tự động quét tán sắc trên hai đầu thiết bị thu và phát 119

Hình 4.3 Công cụ TR control dùng để quét tán sắc trên card WT 119

Hình 4.4 Bản tin trao đổi thông tin bù tán sắc giữa hai thiết bị 120

Hình 4.5 Hiệu quả bù tán sắc phía phát 120

Hình 4.6 Sơ đồ khối của bộ bù tán sắc phía thu bước sóng tốc độ 40Gbps trong miền điện 121

Hình 4.7 Hiệu quả bù tán sắc phía thu 121

Hình 4.8 Sơ đồ mạng lưới backbone của VTN 121

Hình 4.9 Sơ đồ mạng lưới ring miền bắc của VTN 129

Hình 4.10 Sơ đồ mạng lưới Metrolink tại Hà Nội của VTN 130

Danh mục các bảng

Bảng 4.1 Bảng một số giá trị bù tán sắc tại bước sóng tốc độ 10,7Gbps trên mạng truyền dẫn backbone của VTN 125Bảng 4.2 Bảng một số giá trị bù tán sắc tại bước sóng tốc độ 44,5Gbps trên mạng truyền dẫn backbone của VTN 128Bảng 4.3 Bảng một số giá trị bù tán sắc tại bước sóng tốc độ 10,7Gbps trên mạng truyền dẫn ring phía bắc của VTN sử dụng thiết bị Huawei 130Bảng 4.4 Bảng một số giá trị bù tán sắc tại bước sóng 1546nm tốc độ 40Gbps trên mạng truyền dẫn metrolink Hà Nội của VTN sử dụng thiết bị Alcatel - Lucent 131

Danh mục các ký hiệu các chữ viết tắt

Module

Khối bù tán sắc cố định

Controller

Miền điều khiển quang - điện

Network

Mạng số liên kết đa dịch vụ

MMF Multimode Fibre Sợi đa mode

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ mạng truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao ra đời đã tạo nên những bước phát triển mạnh mẽ cho ngành viễn thông Thực tế công nghệ WDM đã đáp ứng được những nhu cầu rất lớn ngày càng tăng về băng thông Ngày nay các

hệ thống thông tin quang đường trục, các hệ thống truyền dẫn dung lượng lớn đều

sử dụng công nghệ WDM, với những tuyến liên kết điểm - điểm, những liên kết cấu trúc mạng phức tạp phù hợp với những yêu cầu mà mạng thông tin đặt ra Tuy nhiên, ngoài nhiều điểm mạnh đã thấy rõ còn có một số những ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống truyền dẫn thông tin tốc độ cao làm cho những nhà khai thác, quản lý mạng vẫn chưa tận dụng được hết những ưu điểm vượt trội của hệ thống này Một trong những ảnh hưởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hưởng của tán sắc đối với hệ thống truyền dẫn Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền thông cũng như tốc độ của hệ thống, gây ra lỗi bit làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống truyền dẫn Do đó, vấn đề quản lý tán sắc trong hệ thống WDM nói riêng và hệ thống thông tin quang nói chung đã và đang rất được quan tâm Đây chính là một đề tài hay cuốn hút em khám phá và tìm hiểu, nên em quyết định nghiên cứu tán sắc và các phương pháp bù tán sắc trong mạng thông tin truyền dẫn quang

Bản luận văn tập trung vào vấn đề nêu ra các hiện tượng tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến và các phương pháp bù tán sắc, nhằm đưa ra khái niệm và các cách giải quyết một cách tổng quan

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo, TS Hoàng Phương Chi

đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt

nghiệp với đề tài “Nghiên cứu bù tán sắc trong truyền dẫn thông tin quang”

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010 Sinh viên thực hiện

Đỗ Nam Khánh

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG

1.1 Nhu cầu băng thông rộng hiện nay

Ngày nay, Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắp nơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi thông tin, học tập, giải trí dễ dàng, nhanh chóng Cuộc cạnh tranh gia tăng chưa từng có trong các thị trường dịch vụ băng rộng đã buộc các nhà cung cấp dịch vụ băng rộng lập ra các chiến lược để phân phát các dịch vụ đa nhu cầu với thoại, dữ liệu và video được cung cấp chỉ bởi một kết nối duy nhất Những năm vừa qua, khi Internet và Intranet đã phát triển mạnh thì các yêu cầu đối với các ứng dụng tập trung vào băng rộng, chẳng hạn như chia sẻ file ngang hàng và làm việc từ xa đã dẫn dến các nhu cầu không ngừng gia tăng về cung cấp băng thông rộng hơn

Các ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triển theo, điều này đòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn số một

Hình 1.1 Nhu cầu về băng thông Internet trong những năm gần đây

Trước đây, cáp quang chỉ dùng để kết nối các đường trục chính của quốc gia, các nhà cung cấp dịch vụ, doanh nghiệp lớn với chi phí khá cao Nhưng hiện nay,

cáp quang được sử dụng khá rộng rãi ở các doanh nghiệp vừa và nhỏ, các trường đại học và người sử dụng thông thường do giá thành cáp quang và các phụ kiện quang

đã thấp hơn Cùng với việc ứng dụng nhiều giải pháp như FTTH đáp ứng các dịch

vụ luôn đòi hỏi mạng kết nối tốc độ cao như IPTV, video trực tuyến, VoD, game online, VPN, VoIP, hội nghị truyền hình qua mạng (Video Conferrence), kết nối với tốc độ lớn giữa các tòa nhà, trong mạng cục bộ LAN; cáp quang chính là lựa chọn đầu tiên cho việc triển khai hạ tầng mạng đòi hỏi nhiều băng thông và tốc độ cao

1.2 Giới thiệu chung về sợi quang

Hệ thống thông tin truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác mà khoảng cách giữa các nơi có thể từ vài trăm mét tới hàng trăm km, thậm chí tới hàng chục ngàn

km Thông tin có thể được truyền qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau từ vài MHz tới hàng trăm Thz Hệ thống thông tin quang sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng ánh sáng, và sử dụng các sợi quang

để truyền thông tin Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin quang sợi - hay thường là các hệ thống thông tin quang - chính là các hệ thống truyền dẫn chủ đạo, là nền tảng của công cuộc hiện đại hóa các mạng lưới viễn thông trên thế giới

Trải qua nhiều thời kì phát triển, hiện nay các hệ thống thông tin quang đã, đang và sẽ là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, được triển khai trên các mạng lưới viễn thông các nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc

độ và cự ly truyền dẫn lớn, bảo đảm chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất

1.2.1 Lịch sử phát triển sợi quang

Các hệ thống thông tin quang ch ỉ khác về nguyên lý so với các hệ thống viba

ở dải tần số sóng mang dùng để mang thông tin Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang có thể cho phép con người thực hiện thông tin với lượng kênh rất lớn vượt gấp nhiều lần các hệ thống viba

Các sợi dẫn quang đầu tiên có suy hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) Năm

1966 Kao, Hockman và Werts đã nhận thấy suy hao của sợi dẫn quang chủ yếu là

do tạp chất có trong vật liệu chế tạo sợi và tồn tại một điểm nào đó trong dải bước

sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kpron, Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thủy tinh có suy hao 20dB/km tại Corning Glass vào năm 1970 Suy hao này nhỏ hơn rất nhiều so với thời điểm ban đầu chế tạo sợi và cho phép đạt được cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lượt ra đời Cho tới đầu những năm

1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300nm Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao dưới 0,154dB/km tại bước sóng 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần ba thập niên qua Giá trị suy hao này đã đạt tới giá trị tính toán lý thuyết cho các sợi đơn mode là 0,14dB/km

Trong một vài năm trở lại đây, kỹ thuật chế tạo cáp quang phát triển với tốc

độ nhanh chóng và đã đạt được nhiều kết quả ấn tượng không những về tốc độ truyền dẫn mà còn cả về băng thông Năm 2001, tập đoàn viễn thông Alcatel của Pháp đã đạt kỷ lục về băng thông cáp quang là 10,2Tbps bằng cách sử dụng 256 kênh có tốc độ 40Gbps trong khoảng cách hơn 100km Cuối năm 2006, tập đoàn viễn thông Nhật Bản NTT đã thông báo đạt kỷ lục mới về truyền dữ liệu qua cáp quang: 14Tbps với khoảng cách 160km bằng cách sử dụng một cáp quang gồm 140 kênh, mỗi kênh có khả năng truyền tải thông tin với băng thông 111Gbps Ngay sau

đó, năm 2007, tập đoàn Alcatel - Lucent công bố kỷ lục truyền tải dữ liệu mới: 25,6Tbps được thực hiện qua một đường cáp quang đơn gồm ba chặng (80km x 3) với 16 kênh phân tần WDM Mới nhất, vào tháng 3 năm 2010, NTT vừa công bố tốc độ truyền dẫn kỉ lục 69Tbps

1.2.2 Ưu điểm của sợi quang

Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại:

· Băng thông truyền dẫn rất lớn: Tần số sóng mang quang trong khoảng 1013Hz đến 1016Hz (thường gần vùng hồng ngoại quanh giá trị 1014Hz), cung cấp

băng thông truyền lớn hơn nhiều so với hệ thống cáp kim loại (băng thông của cáp đồng trục khoảng 500Mhz) Hiện tại, giá trị băng thông của hệ thống sợi quang chưa sử dụng hết nhưng sợi quang có thể truyền tải thông tin ở tốc độ một vài Ghz qua khoảng cách hàng trăm km và hàng trăm Mhz qua khoảng cách hàng ngàn km

mà không cần sự can thiệp về điện (dùng bộ lặp) Vì thế, dung lượng mang thông tin của hệ thống thông tin quang lớn hơn nhiều so với hệ thống cáp đồng tốt nhất

· Suy hao thấp: Sự phát triển của công nghệ chế tạo sợi quang qua nhiều năm

đã đạt được kết quả trong việc tạo ra sợi quang có độ suy hao rất thấp Sợi quang được chế tạo với độ suy hao 0,2dB/km và đặc tính này trở thành lợi thế chính của thông tin quang Điều này thuận lợi cho việc đặt bộ khuếch đại cho mỗi khoảng cách trên đường truyền mà không cần chuyển sang tín hiệu điện ở bước trung gian,

do đó giảm được cả giá thành và cả độ phức tạp của hệ thống

· Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ: Sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi nên không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, các xung điện tử, nhiễu tần số vô tuyến Vì thế hoạt động của hệ thống thông tin quang không bị ảnh hưởng khi truyền qua môi trường nhiễu điện Điều đó có nghĩa là nó có thể lắp đặt cung ứng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân

· Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao: Ánh sáng từ sợi quang bị bức xạ một cách không đáng kể nên chúng có tính bảo mật tín hiệu cao Đặc tính này phù hợp với các ứng dụng truyền dữ liệu yêu cầu độ bảo mật cao

· Có kích thước và trọng lượng nhỏ: Sợi quang có bán kính rất nhỏ, thường bán kính này không lớn hơn bán kính sợi tóc con người Vì thế, thậm chí khi sợi quang được phủ thêm những lớp bảo vệ thì chúng vẫn nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với cáp đồng

· Sợi có tính cách điện tốt: Sợi quang được chế tạo từ thủy tinh hoặc chất dẻo đều là những chất cách điện, vì thế không giống với dây dẫn kim loại, nó không

có những trục trặc cơ bản về điện từ trường Hơn nữa, đặc tính này làm cho việc truyền thông tin của sợi quang trở nên phù hợp những môi trường có điện lớn hay sát nguồn điện

· Tin cậy và linh hoạt: Mặc dù các lớp bảo vệ là cần thiết, sợi quang được chế tạo với sức căng cao, bán kính rất nhỏ Với lợi thế về kích thước và trọng lượng, sợi quang nói chung là tốt hơn trong việc lưu trữ, chuyên chở, xử lí và lắp đặt dễ hơn hệ thống cáp đồng

· Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có: Sợi quang đa phần được làm từ thủy tinh, mà thủy tinh được sản xuất từ cát, là nguồn tài nguyên sẵn có, vì thế sợi quang

có giá thành thấp

Do có các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang nhanh chóng được

áp dụng rộng rãi trong các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài một cách linh hoạt và đáp ứng được mọi môi trường, khoảng cách chúng đáp ứng

cả các tín hiệu tương tự (analog) và số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng

số liên kết đa dịch vụ (ISDN) Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống truyền dẫn số, không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào Điều

đó cho thấy tiềm năng ứng dụng rất lớn của công nghệ thông tin cáp quang sợi

1.3 Sự truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

Cáp quang (cáp sợi quang) bao gồm ba thành phần chính là lõi sợi quang (core), lớp phản xạ ánh sáng (cladding) và các lớp bọc cáp (coating) Sợi quang (sợi dẫn quang) là thành phần chính của cáp có chức năng truyền dẫn sóng ánh sáng Vì thế khi mô tả môi trường truyền dẫn quang của hệ thống thông tin quang thì chỉ cần diễn giải trên sợi quang Bao bọc core là lớp cladding - lớp thủy tinh hay plastic - nhằm bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại core Các lớp bọc sợi có chức năng chính

là bảo vệ sợi khỏi bị tác động từ các yếu tố môi trường lắp đặt cáp

Hình 1.2 Cấu tạo của một sợi quang thông thường

1.3.1 Nguyên lý truyền dẫn

Ánh sáng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng

từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt ta có ba vùng cửa sổ thông dụng là 850nm, 1300nm và 1550nm

Chiết suất của môi trường:

n c v

Với: n là chiết suất của môi trường

c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không

v là vận tốc ánh sáng trong môi trường (m/s)

Vì v ≤ c nên n ≤ 1 Nguyên lý truyền dẫn của sợi quang là ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn và có góc tới i lớn hơn góc tới giới hạn, khi đó mọi tia sáng đều bị phản xạ, không có tia khúc xạ

Hình 1.3 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Nếu n1 > n2 thì α < β nếu tăng α thì β cũng tăng theo và β luôn lớn hơn α Khi β = 90° tức là song song với mặt tiếp giáp thì α được gọi là góc tới hạn αT nếu tiếp tục tăng sao cho α > αT thì không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ Hiện tượng này gọi là sự phản xạ toàn phần

Dựa vào định luật Snell có thể tính được góc tới hạn αT

2 1

Hình 1.4 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

1.3.2 Sợi quang và các mode truyền dẫn

Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (Step index - SI): Các tia sáng trong sợi truyền theo nhiều hướng khác nhau vì vậy có mức suy hao cao và tốc độ khá chậm Sợi đa mode này ít phổ biến, thường dùng cho cáp quang POF

Hình 1.5 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc

Sợi đa mode chiết suất liên tục (Graded index - GI): Các tia sáng trong sợi truyền theo đường cong và hội tụ tại một điểm Do đó sợi đa mode chiết suất liên tục ít suy hao và có tốc độ truyền dẫn cao hơn sợi đa mode chiết suất nhảy bậc Sợi

đa mode này được sử dụng khá phổ biến

Hình 1.6 Sợi đa mode chiết suất liên tục

Sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc sử dụng nguồn phát laser truyền tia sáng xuyên suốt vì vậy tín hiệu ít bị suy hao và có tốc độ khá lớn Sợi đơn mode thường hoạt động ở hai bước sóng 1310nm, 1550nm

Hình 1.7 Sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc sử dụng nguồn phát laser

Để tính toán sự lan truyền của sóng ánh sáng trong sợi quang, hiện nay chúng ta vẫn đang sử dụng các phương trình Maxwell Việc phân tích các vấn đề xung quanh các phương trình Maxwell đối với ranh giới lõi sợi quang là cần thiết để

có thể hiểu một cách chi tiết cơ cấu truyền tín hiệu quang trong sợi quang dẫn

t

¶Ñ´ = -

¶

urur

D H t

¶ Ñ´ =

¶

ur uur

Ở đây Eur

và Huur tương ứng là các vector cường độ điện trường và từ trường Còn Dur

Việc xác định các hiện tượng về trường điện từ có thể nhận được từ các phương trình Maxwell Từ các phương trình (1.5) và (1.6) ta có:

2 2

2

E E

(1.11) Tương tự sẽ có :

2 2

2

H H

(1.12) Hai biểu thức (1.11) và (1.12) là các phương trình sóng chuẩn

1.3.4 Các phương trình dẫn sóng

Đi vào phân tích quá trình lan truyền của sóng điện từ dọc theo sợi dẫn quang, ta sử dụng hệ tọa độ trục (r, f, z) với trục z nằm dọc theo trục của sợi Nếu các sóng điện từ truyền lan theo trục z, biểu thức của E và H như sau:

và (1.14) vào hệ phương trình Maxwell, ta sẽ có kết quả phương trình sóng trong tọa độ trụ như sau:

Từ các phương trình trên ta thấy từng phương trình chỉ chứa một đại lượng hoặc là Ez hoặc là Hz Điều này chỉ ra rằng các thành phần dọc của E và H là tách biệt và được chọn tùy ý miễn là chúng thỏa mãn các phương trình trên Tuy nhiên cặp Ez và Hz nhìn chung được yêu cầu từ các điều kiện đường bao của các thành phần trường điện từ được mô tả trong các phương trình mode

1.4 Sợi đơn mode và đa mode

1.4.1 Sợi đơn mode

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên không có tán sắc (tán sắc do nhiều đường truyền bằng không) và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Hình 1.8 Sợi đơn mode

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng λ = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~ 0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ

chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

1.4.2 Sợi đa mode

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125μm) là:

Độ chênh lệch chiết suất: Δ = 0,01 = 1%

Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 = 1,46

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

Hình 1.9 Sợi đa mode

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

2.1 Tán sắc

2.1.1 Giới thiệu chung

Như ta đã biết, khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ xảy ra hiện tượng méo tín hiệu Hiện tượng méo này là do tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc ở đây được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn (vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi) Tán sắc bên trong mode chính là sự giãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát (độ rộng phổ chính là dải các bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó) Nó làm cho các xung tín hiệu lan truyền trong sợi quang bị giãn rộng ra gây méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu giãn quá rộng sẽ gây ra hiện tượng phủ chờm lên các xung kề nhau, và khi sự phủ chờm vượt quá một mức nào đó thì thiết

bị thu quang sẽ không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu, giới hạn khả năng truyền dẫn

Có thể thấy rõ ý nghĩa vật lý của tán sắc màu khi so sánh sự lan truyền ánh sáng qua một lăng kính như minh họa trên hình 2.1 với sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang như trên hình 2.2

Hình 2.1 Khi ánh sáng trắng truyền qua lăng kính, các bước sóng khác nhau sẽ bị uốn cong với các góc khác nhau tạo thành hiện tượng cầu vồng Đó chính là hiện

tượng tán sắc

Hình 2.2 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang sẽ bị tán sắc như trên hình 2.1 Tán sắc tỉ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của nguồn quang Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị giãn ra một lượng là:

δT = D.Δλ.L (2.1)

Trong đó : D là tham số tán sắc, đặc trưng cho tán sắc của sợi có đơn vị là ps/(km.nm)

Δλ là độ rộng phổ nguồn quang (nm)

L là chiều dài sợi quang (km)

Như vậy tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là tán sắc giữa các mode (tán sắc mode) và tán sắc bên trong mode Tán sắc bên trong mode bao gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng Do vậy có thể thấy tổng cộng tán sắc trên sợi quang gồm:

Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất của vật liệu làm nên lõi sợi Nó tạo ra sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng ánh sáng

Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi vì vậy còn lại 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode β là một hàm số của α/ λ (α là bán kính lõi), nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại rất cần được quan tâm ở sợi đơn mode

Tổng hợp tán sắc ở sợi đa mode như sau:

Tán sắc tổng = [(Tán sắc mode)2 + (Tán sắc bên trong mode)2]1/2

Với sợi đa mode chiết suất biến đổi đều, do chiết suất lõi giảm dần từ trục sợi

ra phía vỏ phản xạ, các tia sáng có đường đi gần ranh giới tiếp giáp lõi - vỏ sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các tia gần trục sợi cho nên cân bằng được thời gian lan truyền, điều này tạo cho tín hiệu ít méo hơn ở sợi đa mode chiết suất phân bậc Còn đối với sợi đơn mode, sẽ không có tán sắc mode mà chỉ còn tồn tại tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng

Có nhiều phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang sẽ được nghiên cứu ở chương tiếp theo còn bây giờ ta sẽ xem xét một số loại tán sắc có ảnh hưởng đến chất lượng các hệ thống truyền dẫn

2.1.2 Tán sắc vận tốc nhóm

Trong sợi quang đơn mode không còn tồn tại tán sắc mode, nhưng sự giãn xung không hoàn toàn mất đi Vận tốc nhóm kết hợp với mode cơ bản là một đặc trưng phụ thuộc tần số Vì vậy mà các thành phần phổ khác nhau của xung sẽ lan truyền với các vận tốc nhóm khác nhau, đây là hiện tượng được coi là tán sắc vận tốc nhóm GVD (Group - Velocity Dispersion), tán sắc bên trong mode hay để đơn giản còn được gọi là tán sắc sợi

Để tìm hiểu tán sắc vận tốc nhóm, ta hãy khảo sát một sợi quang đơn mode

có độ dài L Nguồn phát có thành phần phổ đặc trưng tại tần số ω sẽ đi từ đầu vào tới đầu ra của sợi sau một thời gian trễ T =L/ng với ng là vận tốc nhóm được xác định từ biểu thức sau:

1

g

d d

bn

æ ö

= + çè ÷ø (2.3) Việc vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số sẽ làm giãn xung đơn giản chỉ là do các thành phần phổ khác nhau của xung đã bị phân tán trong khi lan truyền trong sợi quang và không đến đồng thời một lúc tại đầu ra của sợi Nếu như gọi Dw là độ rộng phổ của xung thì khoảng thời gian của độ giãn xung khi truyền qua sợi có độ dài L được viết như sau:

2

2 2

GVD) Tham số này nhằm xác định xung quang có thể bị giãn bao nhiêu khi truyền trong sợi quang

Trong một số hệ thống thông tin quang, sự trải tần số Δω được xác định bằng dải các bước sóng Δλ được phát từ nguồn quang Đó là điều bình thường khi muốn

sử dụng Δλ thay cho Δω Khi áp dụng các biểu thức sau:

Tham số D viết trong biểu thức (2.7) được gọi là tham số tán sắc và có đơn

vị là ps/(km.nm) Ảnh hưởng của tán sắc tới tốc độ bit B có thể được xác định bằng cách sử dụng mức chuẩn BΔT < 1, và khi áp dụng biểu thức (2.6) thì điều kiện này

có thể viết thành:

Biểu thức (2.8) đưa ra một sự ước lượng cấp biên độ của tích BL cho các sợi quang đơn mode Đối với các sợi thủy tinh tiêu chuẩn, giá trị của D là tương đối nhỏ trong vùng gần bước sóng 1310nm (có thể đạt tới ~ 1ps/(km.nm)) Với các laser bán dẫn, độ rộng phổ Δλ là 2 ÷ 4nm ngay cả khi laser hoạt động trong một vài mode dọc Tích BL của các hệ thống thông tin quang như vậy có thể vượt 10Gbit/s.km Thực vậy, các hệ thống truyền dẫn thường hoạt động tại tốc độ bit 2Gbit/s với khoảng lặp 40 ÷ 50km Tích BL của các sợi đơn mode có thể vượt 1Tbit/s.km khi sử dụng các laser bán dẫn đơn mode có Δλ dưới 1nm

Tham số tán sắc D có thể thay đổi đáng kể khi bước sóng hoạt động chệch khỏi vùng 1310nm Sự phụ thuộc của D vào bước sóng được chi phối từ sự phụ thuộc vào tần số của chỉ số mode n Như vậy từ biểu thức (2.7) ta có thể viết D như sau:

Trong đó DM và DW tương ứng là tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng

Có một số lý thuyết đề cập sâu tới tán sắc bên trong mode và cho rằng muốn tính nó chỉ đơn giản tính riêng tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng rồi sau đó cộng lại để có được tán sắc tổng Nhưng thực chất hai cơ chế tán sắc này lại có một mối liên quan phức tạp với nhau vì các đặc tính phân tán của chỉ số chiết suất cũng tạo

ra tán sắc dẫn sóng Tuy nhiên qua thực nghiệm về tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng, người ta nhận thấy rằng hoàn toàn có thể chấp nhận giải pháp cộng hai tán sắc trên sau khi đã tính riêng từng loại tán sắc để có tán sắc bên trong mode nếu không cần quá chính xác; và vì thế biểu thức (2.10) là chấp nhận được Sau đây ta sẽ xét hai tham số này

2.1.3 Tán sắc vật liệu

Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, ánh sáng truyền trong đó không phải đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định và tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bước sóng) Vì vậy các thành phần có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu

Tán sắc vật liệu DM xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thủy tinh, loại vật liệu dùng để chế tạo ra sợi quang, và những thay đổi của chúng theo tần số quang ω

Có thể tính tán sắc vật liệu DM theo công thức sau:

thụ sự phát xạ điện tử Chỉ số chiết suất n(ω) được làm xấp xỉ bằng phương trình

Sellmeier:

2 2

2 2 1

Với ωj là tần số cộng hưởng và Bj là cường độ dao động, n là viết thay cho cả

n1 và n2 tùy thuộc vào đặc tính phân tán của lõi hay vỏ sợi có được xem xét hay

không Số hạng dưới dạng tổng trong biểu thức (2.12) mở rộng cho tất cả các cộng

hưởng vật liệu tham gia vào dải tần số quan tâm Trong trường hợp của sợi quang,

các tham số Bj và ωj thu được thông qua việc điền các đường cong tán sắc đo được

vào biểu thức với M = 3 Chúng phụ thuộc vào hàm lượng các chất kích tạp và được

xếp thành vài sợi Đối với thủy tinh trong suốt ta có chỉ số nhóm:

ng = n + ω(dn/dω) (2.13)

Hình 2.3 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng ở

sợi thủy tinh

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán

sắc vật liệu thể hiện trong hình 2.3 Tán sắc vật liệu DM có ràng buộc với đường bao

của ng bằng công thức DM = c-1(dng/dλ) suy ra rằng dng/dλ = 0 tại bước sóng

λ = 1,276μm Bước sóng này được coi như là bước sóng có tán sắc bằng không λZD,

vì DM = 0 tại λ = λZD Tham số tán sắc DM có giá trị âm tại bước sóng dưới λZD và

dương tại bước sóng ở trên λZD Trong vùng bước sóng 1,25 ÷ 1,66μm, tán sắc vật liệu có thể được xác định bằng biểu thức như sau:

Với giá trị λZD = 1,276μm chỉ đối với sợi thủy tinh thuần khiết Giá trị này có thể thay đổi trong dải 1,27 ÷ 1,29μm đối với các sợi quang có lõi và vỏ được pha tạp để thay đổi chỉ số chiết suất Bước sóng có tán sắc bằng không của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số ∆ thông qua phần dẫn sóng cho tán sắc tổng

2.1.4 Tán sắc ống dẫn sóng

Cũng giống như tán sắc vật liệu, ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định cùng với sự phụ thuộc của hằng số lan truyền là hàm của a/λ nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng

Hình 2.4 Tán sắc ống dẫn sóng

(a) Phần lõi của xung; (b) Phần lớp bọc của xung; (c) Xung tổng cộng

Tán sắc dẫn sóng DW là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V (tham số V) của sợi quang Tán sắc dẫn sóng DWđược tính theo công thức sau:

Với: n2g là chỉ số nhóm của vật liệu

b là hằng số lan truyền chuẩn

0 2 2

1 2 1 2

/ k n n n b

Với n=b /k0là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải n1> >n n2

β = n.k0 là hằng số lan truyền dọc theo trục sợi

k0 = 2π/λ là hằng số lan truyền trong không gian tự do

∆ là giá trị chênh lệch chiết suất (giả thiết là tham số không phụ thuộc vào tần số, ∆ = (n1 - n2)/n1

V là tần số chuẩn hóa hay tham số V hay số V

2 2 1/2

0 ( 1 2 ) (2 / ) 1 2

Ảnh hưởng của tán sắc dẫn sóng lên độ giãn xung có thể được khảo sát trong

điều kiện giả thiết rằng: chỉ số chiết suất của vật liệu không phụ thuộc vào bước

sóng

Hình 2.5 chỉ ra d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 thay đổi theo V Do cả hai đạo

hàm là dương nên Dw là âm trong toàn bộ vùng bước sóng 0 ÷ 1,6μm Điều này

khác nhiều so với tán sắc vật liệu DM có cả giá trị âm và dương tương ứng với bước

sóng thấp hơn hay cao hơn λZD (λZD bước sóng có tán sắc bằng không)

Hình 2.5 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] thay đổi

theo tham số V

Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc tổng: D = DM + DW

Tác động chính của tán sắc dẫn sóng là để dịch bước sóng λZD đi một lượng

30 ÷ 40nm nhằm để thu được tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310nm Nó cũng làm giảm D từ giá trị DM trong vùng bước sóng 1,3 ÷ 1,6μm Giá trị tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm trong dải 15 ÷ 18 ps/(km.nm) ở gần bước sóng 1,55μm Vùng bước sóng này đang được quan tâm rất nhiều vì có suy hao sợi nhỏ nhất Khi

mà giá trị tán sắc D cao sẽ làm hạn chế đặc tính của hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm

Hình 2.6 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho sợi đơn mode thông

dụng

Vì tán sắc dẫn sóng DW phụ thuộc vào các tham số sợi quang như bán kính lõi a và sự khác nhau về chỉ số chiết suất ∆ nên cho phép có thể thiết kế sợi để sao cho λZD được dịch sát tới bước sóng 1,55μm Các sợi như vậy được gọi là sợi tán sắc dịch chuyển

2.1.5 Tán sắc bậc cao

Như phân tích ở trên thì ta thấy rằng tích tốc độ và cự ly BL của sợi quang đơn mode có thể tăng vô hạn khi hệ thống hoạt động tại bước sóng không tán sắc

λZD nơi mà D = 0 Tuy nhiên, các hiệu ứng phân tán vẫn không hoàn toàn mất đi tại

λ = λZD Các xung quang vẫn còn phải chịu sự giãn do các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn Đặc trưng này có thể hiểu rằng tán sắc D không thể đạt được giá trị bằng không tại tất cả các bước sóng được chứa đựng trong phổ xung có tâm tại λZD Rõ ràng là sự phụ thuộc của tán sắc D vào bước sóng sẽ tham gia vào quá trình giãn

xung Các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn được đặc trưng bới độ dốc tán sắc

S = dD/dλ hoặc cũng được viết như sau:

Giá trị số của độ dốc tán sắc S đóng vai trò quan trọng trong thiết kế các hệ

thống WDM hiện đại Từ S > 0 cho hầu hết các sợi quang, các kênh khác nhau có

các giá trị vận tốc nhóm GVD khác nhau không đáng kể Đặc trưng này làm nó khó

có thể bù tán sắc cho tất cả các kênh đồng thời Để giải quyết vấn đề này, các loại

sợi mới đã được phát triển để cho giá trị S hoặc là nhỏ (các sợi giảm độ dốc) hoặc là

âm (các sợi tán sắc ngược)

Đối với các nguồn phát có độ rộng phổ ∆λ, giá trị hiệu dụng của tham số tán

sắc trở thành D = S∆λ Tích tốc độ bit B và cự ly truyền dẫn L có thể được xác định

bằng biểu thức:

BL|D|∆λ = BL|S|(∆λ)2 < 1 (2.19)

Đối với một laser bán dẫn đa mode có ∆λ = 2nm và một sợi quang tán sắc dịch chuyển có S = 0,05ps/(km.nm2) tại λ = 1,55μm, tích BL có thể tiến tới 5Tbit/s.km Để cải thiện đặc tính này hơn nữa thì có thể sử dụng các laser bán dẫn

đơn mode

Hình 2.7 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi tiêu chuẩn, sợi

dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng

2.1.6 Tán sắc mode phân cực PMD

Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization - Mode Dispersion) là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang đơn mode trong đó năng lượng tín hiệu tại một bước sóng nào đó bị phân thành hai mode phân cực trực giao

có vận tốc lan truyền hơi khác nhau Nguyên nhân chính dẫn đến sự phân cực trực giao này là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang, được gọi là sự chiết quang

Sự khác biệt về chiết suất sẽ sinh ra vận tốc mode khác nhau, vận tốc truyền của hai mode khác nhau nên thời gian truyền cùng khoảng cách là khác nhau gây ra trễ nhóm (GVD) Vì vậy PMD gây nên hiện tượng giãn rộng xung tín hiệu làm giảm chất lượng truyền dẫn Về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng giống như ảnh hưởng của tán sắc ống dẫn sóng Tuy nhiên vẫn có sự khác nhau, tán sắc ống dẫn sóng tương đối ổn định còn PMD trong sợi đơn mode ở bất kì bước sóng nào cũng không ổn định

Hình 2.8 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD

Sự giãn xung có thể được xác định từ thời gian trễ ∆T giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung Với sợi quang có độ dài L thì ∆T được tính như sau:

Trong đó: chỉ số phụ x, y dùng để phân biệt hai mode phân cực trực giao

∆β1 được gắn liền với sự khác nhau trong vận tốc nhóm cùng với hai trạng thái chính của sự phân cực

Sự liên hệ giữa vận tốc nhóm vg với hằng số lan truyền β được cho bởi công thức sau:

vg = (dβ/dω)-1 (2.21)

Do vậy lượng ∆T/L chính là số đo của PMD Đối với các sợi duy trì phân cực thì ∆T/L là hoàn toàn lớn (~ 1ns/km) khi hai thành phần phân cực được kích thích bằng nhau tại đầu vào sợi nhưng có thể bị giảm tới không bằng việc phát xạ ánh sáng dọc theo một trong các trục cơ bản

Nhưng công thức (2.21) không thể dùng một cách trực tiếp để xác định PMD đối với các sợi quang tiêu chuẩn trong mạng viễn thông là do tính ghép ngẫu nhiên giữa hai mode được sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên của lưỡng chiết xảy ra dọc theo sợi Việc ghép có khuynh hướng làm cân bằng thời gian lan truyền cho hai thành phần phân cực dẫn đến giảm PMD Trong thực tế thì PMD được đặc trưng bởi giá trị căn trung bình bình phương RMS của ∆T thu được sau khi lấy trung bình những xáo trộn ngẫu nhiên Kết quả thu được như sau:

1 ( ) 2( ) exp( / ) / 1

T z l c z l c z l c

Ở đây lc là độ dài tương quan được định nghĩa như là độ dài qua hai thành phần phân cực có mối tương quan, giá trị của nó có thể biến đổi trên dải rộng từ 1m đến 1km đối với các sợi khác nhau, giá trị đặc trưng ≈ 10m

Đối với các khoảng cách ngắn như z << lc , σT = (∆β1).z từ công thức (2.22), như mong đợi đối với sợi duy trì phân cực Đối với khoảng cách z > 1km, sự đánh

giá tốt nhất của xung mở rộng thu được sử dụng z >> lc Cho độ dài sợi là L, σTđược tính xấp xỉ thành:

là tương đối nhỏ so với các hiệu ứng GVD Tuy nhiên PMD có thể trở thành nhân

tố giới hạn cự ly xa của các hệ thống thông tin sợi quang hoạt động trên các khoảng cách dài ở những tốc độ bit lớn Ngoài ra trong một số trường hợp PMD có thể làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính hệ thống do giãn xung quá mức Phương trình (2.22) giả thiết mối liên kết sợi có phụ thuộc vào sự phân cực và phụ thuộc vào sự mất mát Sự phụ thuộc vào sự phân cực có thể làm mở rộng xung Đồng thời những hiệu ứng trễ và PMD bậc cao ảnh hưởng tới tốc độ truyền bit cao (40Gb/s hoặc lớn hơn) Hiệu ứng PMD được loại trừ bằng bộ bù PMD

Kết luận : Tán sắc gây ra những ảnh hưởng rất lớn đến các hệ thống thông

tin quang tốc độ cao nói chung và hệ thống WDM nói riêng Chúng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống, thêm nữa chúng có thể gây

ra lỗi bit, gây xuống cấp nghiêm trọng các đặc tính của hệ thống Nhằm hạn chế và loại bỏ chúng, chúng ta cần phải áp dụng những phương pháp bù phù hợp để sao cho có thể bù được toàn diện nhất Đối với các hệ thống WDM chúng ta cần phải chú trọng hơn hết đến các tán sắc bậc cao và tán sắc mode phân cực, chúng là những tán sắc chính gây ra những ảnh hưởng xấu đến chất lượng, cũng như đặc tính của hệ thống này Chúng ta sẽ nghiên cứu các phương pháp bù tán sắc nói chung và ứng dụng các phương pháp bù tán sắc này vào trong hệ thống WDM ở chương 3

2.2 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin

Như phân tích ở trên thì tán sắc màu hay còn gọi là tán sắc CD (Chromatic Dispersion) làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị giãn rộng ra và điều này gây nên méo tín hiệu Nhìn chung, khi xung bị giãn sẽ dẫn tới méo tín hiệu

và làm xuống cấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu mà giãn quá sẽ có thể gây ra hiện tượng phủ chờm của các xung kề nhau, và khi sự phủ chờm vượt quá một mức

nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu Trong trường hợp này, tắn sắc đã làm giới hạn khả năng truyền dẫn Như vậy, xung bị giãn là do tán sắc vận tốc nhóm GVD đã đề cập trong phần 2.1.2 Vấn đề này được xét dựa trên việc tiếp cận hiện tượng một cách logic Nó đưa ra một sự phỏng đoán cấp đầu tiên đối với các xung có độ rộng phổ được làm trội lên do phổ của nguồn phát là chủ yếu chứ không phải phổ Fourier của xung Sau đây, ta sẽ tiến hành phân tích ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống

2.2.1 Phương trình truyền dẫn cơ bản

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:

( , ) ( , ) (0, ) exp( )

Ở đây x% là vector đơn vị phân cực, B% (0, )w là biên độ ban đầu, vàb là hằng

số lan truyền F(x,y) là phân bố trường của mode sợi cơ bản mà thường có thể làm xấp xỉ bằng phân bố Gaussian Nhìn chung, F(x,y) cũng phụ thuộc vào ω nhưng sự phụ thuộc này có thể không cần đề cập đến đối với các xung có độ rộng phổ

Δω << ω0, một điều kiện nhìn chung là thỏa mãn với thực tế Ở đây ω0 là tần số được đặt ở giữa phổ xung, và được gọi là tần số trung tâm hay tần số mang Các thành phần phố khác sẽ truyền bên trong sợi theo quan hệ đơn giản sau:

p

¥ -¥

0 0 ( , ) ( , ) exp[ ( )]

Ở đây A% (0, Dw) =G(0,w w- 0) là biến đổi Fourier của A(0,t)

Bằng việc tính toán ¶A/ ¶z và lưu ý rằng Dw được thay thế bởi i A t(¶ ¶/ )trong miền thời gian, thì biểu thức (2.29) có thể được viết là:

2.2.2 Các xung Gaussian bị chirp

Trong phần này, ta sẽ xem xét hiện tượng chirp xảy ra đối với các xung quang trong thông tin quang Khi áp dụng phương trình (2.31) ở trên, ta hãy phân tích sự lan truyền của các xung Gaussian đầu vào trong sợi quang bằng cách thiết lập biên độ ban đầu như sau:

2 0

0

1 (0, ) exp

Trong đó A0 là biên độ đỉnh Tham số T0 là một nửa độ rộng xung tại điểm

có cường độ 1/e Nó có mối liên hệ với độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWHM (Full Width at Half Maximum) của xung bởi biểu thức sau:

Khi không có chirp tần số (C = 0), thì độ rộng phổ thỏa mãn quan hệ

Δω0T0 = 1 Một xung như vậy sẽ có phổ hẹp nhất và được gọi là biến đổi giới hạn

Từ biểu thức (2.36) ta thấy độ rộng phổ được tăng bởi hệ số (1+C2)1/2 khi có chirp tuyến tính xuất hiện

Phương trình truyền dẫn xung (2.31) có thể được giải dễ dàng trong miền Fourier Lời giải của nó được tham khảo từ biểu thức (2.29) và được viết như sau: