Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc ánh sáng đến hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang sợi sử dụng các sợi dẫn quang để truyền dẫn cácsóng ánh sáng.. Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương: Chương I: Tìm hiểu tổng quan về sợi cáp quan

Do nhiều hạn chế về thời gian, luận văn không thể không có những thiếu sót,rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của quý thầy cô giáo, anh chị cùng các bạnsinh viên để luận văn có thể hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Lời mở đầu……… 6

Chơng I: tổng quan về sợi cáp quang 1.1 Sự phỏt triển của hệ thống thụng tin quang ……….7

1.1.1 Khỏi quỏt về lịch sử ra đời của thụng tin quang ……… … …… …7

1.1.2 Quỏ trỡnh phỏt triển của hệ thống thụng tin quang ……….…10

1.1.3 Cỏc đặc tớnh của thụng tin quang ……… …12

1.1.4 Cỏc thành phần chớnh của thụng tin quang ………14

1.2 Sợi quang: 16

1.2.1 Cấu tạo sợi quang 16

1.2.2 Phõn loại sợi quang ……… ………17

1.2.3 Truyền ỏnh sỏng trong sợi quang ……… ……… 18

1.3 Quỏ trỡnh truyền xung trong sợi quang: 20

1.3.1 Cỏc phương trỡnh Maxwell 20

Chơng II: tán sắc trong sợi quang …… ………24

2.1 Tỏn sắc là gỡ? ……… …… 24

2.2 Tỏn sắc trong sợi quang 25

2.3 Tỏn sắc trong sợi đơn mode 27

2.3.1 Tỏn sắc vận tốc nhúm 27

2.3.2 Tỏn sắc vật liệu ……… ……… 28

2.3.3 Tỏn sắc dẫn súng ……… …… 30

2.3.4 Tỏn sắc bậc cao 31

2.3.5 Tỏn sắc phõn cực mode 32

Chơng III: ảnh hởng của tán sắc đến

hÖ thèng th«ng tin quang

3.1 Phương trình truyền dẫn cơ bản 35

3.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) ……… … 37

3.3 Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn 41

3.3.1 Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ lớn 41

3.3.2 Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ 43

3.3.3 Ảnh hưởng của chirp tần số 45

3.4 Bù độ tán sắc trong quang sợi đơn mode ……….……… 46

3.5 Băng tần sợi quang ……… 49

3.6 Giới thiệu một số sợi quang mới 50

3.6.1 Nguyên tắc chế tạo sợi quang mới 51

3.6.2 Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang 55

Kết luận chung 57

Tài liệu tham khảo 58

Lêi më ®Çu

Trong những năm gần đây, các thệ thống tin quang đã được ứng dụng rộng rãitrong các lĩnh vực của đời sống kinh tế xã hội trên phạm vi toàn thế giới, và đượcxem như là mũi nhọn đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn, cấu hình linh hoạt chocác dịch vụ viễn thông cấp cao

Hệ thống thông tin quang sợi sử dụng các sợi dẫn quang để truyền dẫn cácsóng ánh sáng Nhưng khi ánh sáng truyền qua môi trường sợi dẫn quang thì sẽ cóảnh hưởng của các hiệu ứng tán sắc, hấp thụ, tán xạ Vấn đề đặt ra cho các nhàchế tạo là tìm ra các giải pháp để khắc phục và hạn chế ảnh hưởng của các hiệu ứngnày đến chất lượng và truyền thông tin trong sợi quang Để tìm hiểu sâu hơn về vấn

đề này, chúng tôi đã lựa chọn đề tài "Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc ánh sáng trong quá trình truyền dẫn thông tin quang" cho luận văn của mình.

Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương:

Chương I: Tìm hiểu tổng quan về sợi cáp quang

Trong chương này tôi đã trình bày một cách tổng quan về hệ thống thông tinquang: lịch sử phát triển, đặc tính, các thành phần chính của hệ thống thông tinquang, cấu tạo, phân loại….của sợi dẫn quang

Chương II: Tán sắc trong sợi quang

Tìm hiểu các đặc điểm của hiệu ứng tán sắc, những loại tán sắc trong quá trìnhtruyền dẫn ánh sáng trong sợi dẫn quang

Chương III: Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang

Khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc ánh sáng đến hệ thống thông tinquang Giới thiệu một số phương pháp khắc phục ảnh hưởng của tán sác và các sợiquang mới hiện nay đang được nghiên cứu và sử dụng trong thông tin quang

Ch¬ng I: tæng quan vÒ sîi c¸p quang

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang

1.1.1 Khái quát về lịch sử ra đời của thông tin quang

Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến các loại thông tin sử dụng các môitrường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian _ thông tin quang là một hệthống truyền thông tin qua sợi quang Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyểnthành ánh sáng và ánh sáng sau đó được truyền qua sợi quang Tại nơi nhận nó lạiđược biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu trên hình 1.1 giới thiệu một hệ thốngtruyền dẫn sợi quang digital được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay

Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của conngười về chuyển động, hình dáng, màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt Tiếp đó,một hệ thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hảiđăng, các đèn hiệu Sau đó, năm 1791, V.C.Chape phát minh ra một máy điện báoquang Thiết bị này sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đóchịu ảnh hưởng của các điều kịên về thời tiết… Năm 1838, Samuel F.B.Morse phátminh ra máy điện báo Sau đó, dịch vụ điện báo thương mại đầu tiên được đưa vàokhai thác năm 1844 và dần dần tăng lên với số lượng đáng kể Năm 1878, người tatiến hành đặt các cáp kim loại để nối với tổng đài điện thoại đầu tiên tại Neu Havenbang Connecticut Giai đoạn sử dụng cáp kim loại để truyền dẫn tín hiệu ngự trịcho tới năm 1887, khi mà H Hertơ phát minh ra sự phát xạ sóng điện từ có bướcsóng dài và Guliclmo Marconi thực hiện màn trình diễn sóng vô tuyến vào năm1895

Những năm tiếp sau và trong thế kỷ 20, mạng lưới điện thoại đã được pháttriển rộng khắp trên thế giới và liên tiếp xuất hiện những công nghệ tiên tiến trongviệc thiết kế các hệ thống thông tin điện Trước tiên phải kể đến sự cống hiến củacác loại cáp đồng trục đã làm tăng dung lượng đáng kể Năm 1940, hệ thống cápđồng trục đầu tiên đã được lắp đặt có băng tần 3 MHz để truyền dung lượng 300

kênh thoại hoặc một kênh truyền hình Các hệ thống sau đó có băng tần 10 MHz,nhưng đây cũng là giới hạn của hệ thống này vì suy hao cáp bị phụ thuộc vào tần

số Giới hạn này nhanh chóng được giải tỏa do sự xuất hiện của các hệ thống thôngtin vô tuyến

Hình1.1: Hệ thống truyền dẫn sợi quang Digital

Xu hướng sử dụng phổ sóng điện từ để biến đổi tín hiệu truyền dẫn tăng lên,

ở đây tín hiệu mang thông tin thường được chồng lên một sóng điện từ khác códạng hình sin, mà người ta thường gọi là sóng mang, trước khi vào đường xử lý lạiyêu cầu Lượng thông tin được phát đi có liên quan trực tiếp tới băng tần mà sóngmang hoạt động, như vậy tăng tần số sóng mang tức là tăng băng tần truyền dẫn,lúc đó sẽ có được dung lượng thông tin lớn hơn

Xuất phát từ đó, các hệ thống thông tin điện có được cơ hội phát triển và saunày lần lượt ra đời các lĩnh vực truyền hình, rada, các tuyến viba Hệ thống thôngtin viba đầu tiên hoạt động với tần số sóng mang 4GHz đã được đưa vào khai thácnăm 1948 và sau đó các hệ thống có băng tần cao hơn tiếp tục được lắp đặt trênmạng lưới Cùng với sự phát triển của các hệ thống viba, các hệ thống cáp đồngtrục cũng được lắp đặt để hoạt động với tốc độ bit ~ 100m bit/s Theo thời gian, tốc

độ bit tăng lên, có thể cho cự li xa hơn nhưng cũng bị hạn chế bởi tần số sóng mang

Nhìn chung hình ảnh có ý nghĩa khi đề cập tới khả năng của hệ thống thôngtin là tính tốc độ bit và cự ly: BL Hình 1.2 mô tả tích BL tăng lên theo tính hiện đạicủa công nghệ thông tin trong một thế kỷ rưỡi vừa qua

Để thấy được quá trình sử dụng phổ sóng điện từ cho các hệ thống thông tinđiện, có thể khảo sát bảng phân cấp phổ sóng điện từ như được đưa ra bảng 1.1,trong đó môi trường truyền dẫn rất phong phú từ các đôi dây kim loại cho tới ốngdẫn sóng, từ sóng dài cho tới sóng viba đã cho phép thực hiện mọi dịch vụ

Cho tới nay, đã có rất nhiều các hệ thống thông tin dước các hình thức đadạng Các hệ thống tin này được gán cho các tên gọi nhất định theo môi trườngtruyền dẫn và đôi khi theo cả tính chất dịch vụ của hệ thống Thông thường, các hệthống sau đều là sự phát triển, kế thừa từ các hệ thống trước nó, chúng được cảithiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con người

Bước ngoặt có ý nghĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần

số ánh sáng đó là việc phát minh ra Laser, vào năm 1960, để làm nguồn phátquang Sự kiện này gây ra một sự cuốn hút đặc biệt các nhà nghiên cứu hàng đầu

2000 1950

Thông tin quang

Khuếch đại quang

về thông tin trên thế giới và tạo ra các ý tưởng tập trung tìm tòi giải pháp sử dụngánh sáng Laser cho thông tin quang Đây chính là điểm xuất phát của sự ra đời các

hệ thống thông tin quang

1.1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thôngtin từ nơi này đến nơi khác, thông tin được phát triển rất nhanh sóng điện với cácdải tần số khác nhau từ các megaHec tới hàng trăm têrahec Còn thông tin quangđược thực hiện trên hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấyhoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ Hệ thống thông tin quang sợi là hệthống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin

Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng việc phát minhthành công Laser năm 1960 bằng khuyến nghị của Kao và Hockham năm 1966 vềviệc chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp 4 năm sau, Kaprow đã có thể chế tạo cácsợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/km Được cổ vũ bởithành công này, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành

Hồng ngoại

Nhìn thấy

Cực tím

2,55m sợi quang

Tần số trung bình (MF)

Tần

số cao (HF)

Tần số rất cao (VHF)

Tần số cực cao (UHF)

Tần số siêu cao (SHF)

Sóng mm

1 MHz

10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz

100 GHz

các hoạt động nghiên cứu và phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suyhao truyền dẫn, về tăng giải thông, về các laser bán dẫn đã được phát triển thànhcông trong những năm 7080 (Bảng 1.2) Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt mức suyhao nhỏ, giá trị suy hao dưới 0,154dB/km tại bước sóng 1550nm đã cho thấy sựphát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần ba thập niên qua Dựa trêncác công nghệ, sợi quang có độ dày như sợi tóc không cần đến các bộ tái tạo.

Hiện nay các thệ thống tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giớichúng đáp ứng các tín hiệu tương tự (analog) và số (digital), chúng cho phép truyềndẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng đáp ứng đẩy đủ mọi yêu cầucủa mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN) Các hệ thống tin quang sẽ là mũi đột phá

về tốc độ, cự ly truyền dẫn, cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao

Thực tế, thông tin quang đang ở vào giai đoạn kết thúc thế hệ thứ tư và bắtđầu thế hệ thứ năm với việc giải quyết tán sắc của sợi quang cùng với ứng dụngkhuếch đại quang trên diện rộng Các hệ thống thông tin quang đã được triển khaithử nghiệm thành công với những đặc tính hấp dẫn như độ 1,2 Tbit/s, hay truyềndẫn Soliton cự ly 9400km tại tộc độ 70 Gbit/s nhờ ghép bit kênh 10Gbit/s

1960 Triển khai máy Laser Ruby (Hughes)

Triển khai thành công sợi cáp quang

sử dụng abaston (Cor ning, 20 dB/km)

1980 Cấu trục Laser giếng lượng tử được

chế tạo (bell lab)

Chế tạo sợi quang Flo (NRL) độ tổnthất 100 dB/km

1981 GalenAsp LD (1.6 um) Contonuous

Osei llation (TIT)

1982 LD Array High Power

(2,5w Contnuous Osci llatcon)

1983 Single mode, single Frequency LD

(KDD, Bel lab)

Sợi quang flaro có độ tổn thất thấp10dB/km (NRT, NTT)

1986 Single mode, single Frequency LD

Commerciali zation (NFC, Hitachietc)

Sợi quang flaro có độ tổn thất thấp1dB/km (khoảng 2,5 um)

1989 GaAI/AlGa laser Develoment

Bảng 1.2: Các giai đoạn phát triển của thông tin cáp sợi quang

Rõ ràng thông tin quang luôn mang lại điều bất ngờ trong sự phát triển côngnghệ Điều đó muốn nói rằng chúng ta cần phải thường xuyên bổ túc nhiều kiếnthức về thông tin quang

1.1.3 Các đặc tính của thông tin quang

Trong thông tin sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử dụng mộtcách có hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn Thêm vào

đó, chúng có thể được sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng,không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởngcủa nhiều cảm ứng sóng điện từ Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫnthông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay Cùng với công nghệ chế tạo các nguồnphát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang có nhiều

ưu điểm trội hơn hẳn so với thông tin cáp kim loại

Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông

tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệthống có cự ly đến 100 GHz – km Tương ứng , bằng cách sử dụng sợi quang, mộtkhối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể truyền dẫn đến những địađiểm cách xa hàng trăm km mà không cần đến bộ tái tạo

Thứ hai, sợi quang có kích thước và trọng lượng nhỏ, không có xuyên âm.

Do vậy chúng có thể được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay, cáctòa nhà cao tầng không cần lắp thêm các đường ống và cống cáp Không gây xuyên

âm giữa các sợi quang nên bảo đảm tính bảo mật

Thứ ba, sợi quang được chế tạo từ thủy tinh là môi trường trung tính với ảnh

hưởng của nước axit, kiềm không sợ ăn mòn ngay cả khi lớp bảo vệ ngoài bị hư

hỏng Hoàn toàn cách biệt, không bị chập mạch gây cháy hay hỏa hoạn

Thứ tư, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phi dẫn nên chúng

không chịu ảnh hưởng bởi sự can nhiễu của sóng điện từ, xung điện từ Vì vậy,

chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn Điều đó có nghĩa là nó

có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứnghạt nhân

Thứ năm, do nguyên nhân chủ yếu để sản xuất sợi quang và chất dẻo, là

những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên có kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều giá thành của

sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra Ngoài ra như đã đềcập ở trên, do đặc trưng độ tổn hao thấp giá thành lắp đặt ban đầu cũng như giáthành bảo dưỡng, sửa chữa thấp vì cần ít các bộ tái tạo hơn Người ta tính toán rằngnếu chế tạo được 10.000km/năm thì giá thành 1 hệ thống truyền dẫn quang chỉbằng 1/10 giá thành của hệ thống truyền dẫn cáp kim loại có cùng năng lượngtruyền dẫn

Ngoài những ưu điểm trên, sợi quang còn có độ an toàn bảo mật cao, tuổi thọdài, có khả năng đề kháng môi trường lớn Nó cũng dễ bảo dưỡng, sửa chữa Hơnnữa lại không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần, có thể chế tạo với giá thànhthấp Trong bảng (1.3) là tổng hợp các ưu điểm trên

Nhờ những ưu điểm này mà sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới điện thoại, số liệu máy tín, phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng), được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế, quân sự, các thiết bị đo Và do đó các hệ thống thông tin quang nhanh chóng được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới Chúng

có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo

dài đáp ứng mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên lục địa, vượt đại dương

Độ tổn thất thấp Cự ly tái tạo xa chi phí thiết bị đường

dây dẫn Dải không lớn Truyền dẫn dung lượng lớn

Giảm kích thước đường

cát

Nguyên liệu phong phú, chi phí sản xuất rẻ

Cần có các phương thức chỉnh lõi mới (cáp) Đánh giá Đường truyền dẫn tuyệt vời Có thể giải quyết

bằng các tiến độ công nghệ mới

Bảng 1.3: Các ưu, nhược điểm của sợi quang

1.1.4 Các thành phần chính của thông tin quang

Ta có thể xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thànhphần chính như hình 1.3

Hình 1.3: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang (bộ phát quang),cáp sợi quang, thiết bị thu quang (bộ thu quang) Ngoài các thành phần chủ yếu nàytuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang, các mối hàn, các bộ chiaquang, các trạm lặp, ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có thể có các bộkhuếch đại quang, thiết bị bù ánh sáng, các trạm, xen rẽ kênh tất cả tạo thành mộttuyến thông tin quang hoàn chỉnh.

Độ dài của tuyến thông tin này phụ thuộc vào các điều kiện lắp đặt (treongoài trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cống, đặt dưới biển) và suy hao sợiquang theo bước sóng Tham số quyết định đó là suy hao sợi quang theo bướcsóng Các hướng nghiên cứu về công nghệ sợi quang còn cho biết rằng, suy hao sợiquang ở các vùng bước sóng dài còn nhỏ hơn nữa, giá trị suy hao nhỏ nhất thuđược lại ở vùng bước sóng 2,5Mm trên sợi Fluori là 0,001dB/km

Thiết bị phát quang bao gồm mạch điều khiển và nguồn phát quang Tín hiệuđiện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết bị phátnày sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang tương ứng

Công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi cường độ dòng điềubiến công suất phát quang là tham số quan trọng vì nó góp phần xác định suy haosợi quang hoặc quỹ công suất trên truyến được phép là bao nhiêu

1 log 10 )

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọctheo sợi dẫn quang tới thiết bị thu quang Bộ tách sóng quang trong thiết bị thu thựchiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếpthành tín hiệu điện Các phô tô điốt pin và phô tô điot thác APD đều được sử dụnglàm bộ tách sóng quang Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới cự ly nào đó tínhiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều cần phải có trạm lặp quang, trạm lặp sẽ

thu tín hiệu quang chuyển thành tín hiệu điện, khuếch đại nó rồi lại chuyển thànhtín hiệu quang rồi phát vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đạiquang được thay thế cho trạm lặp Nó khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà khôngthông qua biến đổi quang - điện Trên tuyến truyền dẫn dài đi qua một số điểm cầnthông tin với nhau cần có trạm xen rẽ kênh Các thiết bị này có thể tách kênh hoặcghép xen thêm kênh tại nơi muốn gửi thông tin

1.2 Sợi quang

1.2.1 Cấu tạo sợi quang

Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được vàcác tia hồng ngoại Như trong hình 1.4, sợi quang có lõi ở giữa và có phần bao bọcxung quanh lõi Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiếtsuất của lõi lớn hơn chiết suất của vỏ

Vỏ bọc ở phía ngoài bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thờichống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý Để bọcngoài, dùng các nguyên liệu mềm và độ tổn thất năng lượng quang lớn, vật liệu cấutạo ra lõi thông thường là thủy tinh, còn vỏ phản xạ (lớp bọc đầu tiên) có thể làthủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt

Hình1.4 : Cấu tạo sợi quang

Sợi quang thường có tiết diện tròn, đường kính từ 100-400 Mm Phần lõi dẫn quangđặc có chiết suất n1 bán kính là a, đường kính dk Phần vỏ chiết xuất n2 (n2<n1) bao

xung quanh lỏi đường kính dm Các thông số n1, n2, a quyết định đặc tính truyền dẫncủa sợi quang Người ta gọi đó là tham số cấu trúc.

Độ lệch chiết suất n = n1 – n2

Độ lệch chiết suất tương đối

2 tham số này quy định đặc tính truyền dẫn của sợi

Sợi quang đã trở thành một phương tiện thông dụng cho nhiều yêu cầutruyền thông Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp truyềndẫn thông thường như: Dung lượng lớn, kích thước và trọng lượng nhỏ, không bịnhiễu điện, cách điện, bảo mật, độ tin cậy cao, dễ bảo dưỡng, linh hoạt Tuy nhiên,

có cũng có những nhược điểm cần kiểm tra trước khi lắp đặt như: vấn đề biến đổiđiện quang, yêu cầu lắp đặt đặc biệt quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có nhóm kỹthuật viên và thiết bị thích hợp

1.2.2 Phân loại sợi quang

1 Phân loại theo sợi thay đổi thành phần chi tiết suất của lõi sợi: Có 2 loại:

+ Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc: loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi sợi

+ Sợi có chỉ số suất Gradien: loại sợi có chiết suất giảm dần từ tâm của lõi

2 Phân loại theo mode truyền dẫn:

Mode truyền dẫn là sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi, mô tả dưới dạngsóng điện từ truyền dẫn Mỗi mode truyền dẫn là một mẫu các đường trường điện

và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở khoảng cách tương đương bướcsóng Có 2 loại:

+ Sợi đa mode: cho phép nhiều mode truyền dẫn trong nó

+ Sợi đơn mode: cho phép một mode truyền dẫn trong nó

3 Phân loại theo cấu trúc vật liệu:

Sự phân loại sợi dẫn quang như bảng 1.4

Phân loại theo chỉ số chiết suất - Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc- Sợi có chỉ số chiết suất Gradien

Phân loại theo mode truyền dẫn - Sợi đa mode- Sợi đơn mode

Phân loại theo cấu trúc vật liệu

- Sợi thủy tinh

- Sợi thủy tinh, vỏ chất dẻo

- Sợi thủy tinh nhiều thành phần

- Sợi chất dẻo

Bảng 1.4: Sự phân loại sợi dẫn quang

1.2.3 Truyền ánh sáng trong sợi quang

Để dễ dàng nhận thấy quá trình tiếp nhận và truyền ánh sáng trong sợi dẫnquang, ta hãy xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ

số chiết suất phân bậc, vì kích thước lõi của loại sợi này lớn hơn nhiều so với bướcsóng ánh sáng mà ta xét tới Để đơn giản ta chỉ xét một tia sáng đặc trưng thuộc vềloại tia tương hợp thể hiện là mode sợi

Hình 1.5: Cấu trúc các loại sợi quang

Có hai loại tia có thể truyền dẫn trong sợi quang là các kia kinh tuyến và tianghiêng Tia kinh tuyến là tia xác định mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi Có 2 loạitia kinh tuyến: là tia biên (tia tồn tại trong lõi sợi và truyền theo hướng dọc theotrục lõi sợi) và tia ngoài biên (tia bị khúc xạ xa ngoài lõi sợi) Tia nghiêng lại khôngxác định một mặt phẳng đơn thuần nào mà nó truyền lại từng đoạn xoắn dọc theosợi (Hình 1.6)

Hình 1.6:Tia kinh tuyến và tia nghiêng

Các tia kinh tuyến trong hình 1.7 xét cho loại sợi chiết suất phân bậc Các tiasáng đi vào sợi từ môi trường Chiết xuất n, hợp với trục sợi góc 0 Tia này đậpvào ranh giới vỏ và lõi 1 góc 

Nếu  > ghtf để đảm bảo tia đó bị phản xạ toàn phần thì tia kinh tuyến sẽ đi theođường zích zắc dọc theo lõi sợi sau mỗi lần phản xạ

Hình 1.7: Tia kinh tuyến trong quá trình tiếp nhận và lan truyền

ánh sáng trong sợi đa mode chiết suất phân bậc

Mặt khác: n sin  0max = n1 sin c = n1 cosmin = 2

2 2

Vỏ n2



b) Tia nghiêng

Biểu thức (2) xác định khẩu độ (độ mở) số NA của sợi có chỉ số chiết suấtphân bậc đối với tia kinh tuyến.

NA = n sin omax = 2

2 2

1 n

n  n1 2  (1.3) Với  là sự khác nhau về chiết suất giữa lỏi và vỏ, được xác định

n2 = n1(1 - )

Sợi có chiết suất phân bậc trong thực tế có n1 thường bằng 1,48; n2 chọn saocho  vào khoảng 0,01 Giá trị khẩu độ số thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năngtập trung tia sáng của sợi nên cho phép ta tính được hiệu quả của quá trình ghép nguồnphát vào sợi dẫn quang Giá trị của khẩu độ số luôn nhỏ hơn 1 và nằm trong dải từ0,14 đến 0,5

lần phải cùng pha với sóng tới tức là sóng phải cộng hưởng và giao thoa với bảnthân Nếu điều kiện này không thỏa mãn sóng sẽ yếu dần và tắt

1.3 Quá trình truyền xung trong sợi quang

Bảng 1.5: Kích thước sợi và khẩu độ số tương ứng

Như vậy, trong lõi sợi, tia có góc nhỏ hơn  c mới lan truyền dọc theosợi Khi pha của sóng phẳng kết hợpvới tia, chỉ có các tia có góc riêngnhỏ hơn hoặc bằng  c mới có khảnăng truyền dọc theo sợi Để chosóng kết hợp với mọi tia đã truyềntrong sợi, pha của sóng phản xạ hai

0 

B (1.7)Mặt khác: D EP (1.8)

M H

B  (1.9)Trong đó: E, H: Véc tơ điện trường và từ trường

D, B: là các mật độ thông lượng trường điện và trường từ

: Hằng số điện môi

: Độ từ thẩmP,M: Là các phân cực điện và từ

B



( ) ( xH)

t xE

Ta phân tích quá trình lan truyền của sóng điện từ dọc theo sợi dẫn quang

Hệ thống trục tọa độ (r, , z) xác định theo trục z nằm dọc theo trục của sợi Nếusóng điện từ lan truyền theo trục z chúng có hình dạng như sau:

E = E0 (r, ) ej (t-  z) (1.12)

H = H0 (r, ) ej (t-  t) (1.13)

Đây là các hàm điều hòa theo thời gian t trong tọa độ z Tham số 

thuộc thành phần z của vectơ truyền lan và được xác định bởi các điều kiện

biên trên trường điện từ tại ranh giới phân cách lõi và vỏ của sợi

Thay (1.12) (1.13) vào (1.4) biến Hướng

r



(1.19)Tiến hành rút biến số ta thu được:

E q

r q

H q

r q

2

2 2 2

z

r r

E r r

E

 (1.24)Thế (1.20) + (1.21) vào (1.16) ta có:

0 1

2

2 2 2

r r

Hz r r

H

 (1.25)

Từ các phương trình (1.24) (1.25) ta thấy từng phương trình chỉ chứa một đại lượng

Ez hoặc Hz Điều này có nghĩa là các thành phần dọc theo trục sợi của E và H là

tách biệt và được chọn tùy ý miễn sao chúng thỏa mãn phương trình (1.24)(1.25).Tuy nhiên cặp Ez và Hz phải thỏa mãn điều kiện bờ của các thành phần trường điện

từ mô tả trong các phương trình mode Nếu như các điều kiện bờ không dẫn tớighép giữa các thành phần trường thì các giải pháp mode có thể thu được cả Ez=0 và

Hz=0 Khi Ez=0, các mode sẽ được gọi là mode điện ngang hoặc TE Khi Hz=0 cácmode sẽ được gọi là trường ngang hoặc là TM Các mode ghép hybud sẽ tồn tại nếu

cả Ez và Hz khác không, đó là các mode HE hoặc EH Các mode này tuỳ thuộc vào

Hz hoặc Ez Nếu Hz đóng góp lớn hơn vào trường ngang thì ta có mode HE vàtương tự nếu Ez lớn hơn thì ta có mode EH Thực tế việc phân tích các mode ghéptrong sợi dẫn quang là rất phức tạp

Ch¬ng II: t¸n s¾c trong sîi quang

Nghiên cứu hệ thống về tán sắc dị thường Kemdi đã đưa ra định luật “Mọichất gây ra hiện tượng tán sắc dị thường ở một miền quang phổ nào thì hấp thụmạnh ánh sáng trong miền ấy” Như vậy, bất kỳ môi trường vật chất nào cũng cómột đám hấp thụ xác định, dạng của đường cong tán sắc được xác định bởi các đámhấp thụ ấy và tán sắc ở trong đám hấp thụ có tính dị thường Hiện tượng tán sắc dịthường là hiện tượng phổ biến chung của mọi môi trường vật chất truyền sóng

Trên hình (2.1) là đường cong

tán sắc của Cianin thu được bằng thực

nghiệm Ta thấy ở ngoài và khá xa đám

hấp thụ là tán sắc dị thường

Trong truyền thông, do ánh sáng

đơn sắc (ánh sáng từ tia Lade) được

điều biến nên phổ của nó rộng ra Phổ

1

5 , 12

5,2

4 ,

0 0 , 5 0 , 6 0 , 7 ( m )

n

Hình 2.1:Đường cong tán sắc của Cianin

rộng đồng nghĩa với phổ có nhiều thành phần bước sóng, và khi được truyền trongmôi trường tán sắc, mỗi bước sóng được truyền với vận tốc khác nhau sẽ làm biếndạng tín hiệu.

2.2 Tán sắc trong sợi quang

Tín hiệu khi truyền theo sợi dây dẫn quang sẽ bị méo Méo này là do tán sắcbên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc ở đâyđược giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyềndẫn mà ở đây vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong mode riêng biệtlan truyền dọc theo sợi

Tán sắc bên trong mode là sự giãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong mộtmode 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 rộngphổ là dải các bước sóng mà nguồn quang là nguồn phát tín hiệu ánh sáng trên nó

Có thể mô tả độ dãn xung bằng công thức:

 : Độ rộng trung bình phương của phổ nguồn phát

Như vậy, tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm

+ Tán sắc giữa các mode (Tán sắc mode)

+ Tán sắc bên trong mode Tán sắc vật liệu

Tán sắc dẫn sóng

Loại tán sắc Nguyên nhân Đặc điểm

Tán sắc mode Tồn tại trên sợi đa mode vì

các mode trong sợi này sẽ lantruyền theo các đường đi khácnhau -> Cự li đường cácmode cũng khác nhau ->Thờigian lan truyền khác nhau

+ Chỉ phụ thuộc kích thước sợiđặc biệt là đường kính lõi sợi.+ Chỉ tồn tại trên sợi đa mode.Sợi đơn mode không có tánsắc mode

Tán sắc vật liệu Do sự thay đổi về chỉ số chiết

suất của vật liệu lõi

- Là một hàm của bước sóng.Làm cho bước sóng luôn phụthuộc vào vận tốc nhóm củabất kỳ mode nào

Tán sắc dẫn sóng - Do sợi đơn mode chỉ giữ

được khoảng 80% năng lượng

ở trong lõi, còn 20% ánh sángtruyền trong vỏ nhanh hơnnăng lượng ở trong lõi

- Phụ thuộc vào thiết kế sợi vìhằng số lan truyền mode là

1 hàm của a/

- Bỏ qua ở sợi đa modeQuan tâm ở sợi đơn mode

Bảng 2.1 : Phân loại tán sắc

+ 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

+ Còn đối với đơn mode chỉ tồn tại tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng

Đặc tính truyền dẫn của hệ thống thông tin sẽ bị tác động từ nhiều yếu tố,nhất là đối với các hệ thống được lắp đặt trong các tuyến có dung lượng lớn và c ự

li xa Mặt khác hầu hết các tuyến truyền dẫn lại sử dụng sợi quang đơn mode.Chính vì thế, việc nghiên cứu tán sắc trong sợi quang chỉ xem xét đối với sợi đơnmode nhằm đáp ứng phù hợp cho mạng thông tin quang hiện đại

Sau đây sẽ tìm hiểu tán sắc trong sợi đơn mode

2.3 Tán sắc trong sợi đơn mode

Ta khảo sát sợi quang đơn mode có độ dài L Nguồn phát có thành phần nhỏ

đặc trưng tại tần số , đi từ đầu vào tới đầu ra của sợi sau thời gian trễ

g V

L d

d d

dT

: / 2 2

Ở đây: 2 2

2 1

D được gọi là tham số tán sắc (ps/km.n.m)

Ảnh hưởng của tán sắc tới tốc độ bit B có thể được xác định bằng cách sửdụng mức chuẩn B T  1 Áp dụng (2.6) ta được:

BL D    1 (2.8)Biểu thức (2.8) đưa ra một sự ước lượng cấp biên độ của tích BL cho các sợiquang đơn mode Đối với sợi thủy tinh tiêu chuẩn, giá trị của D là tương đối nhỏtrong vùng gần bước sóng 1310m Với Laze bán dẫn, độ rộng phổ  là 2  4nm-

> Tích BL có thể vượt 10Gbit/s với khoảng lặp 4050km Tích này có thể vượt 1Tbit/s.km khi sử dụng laze bán dẫn đơn mode có  dưới 1nm

Tham số tán sắc D có thể thay đổi đáng kể khi bước sóng hoạt động chệnhkhỏi vùng 1310nm Từ (2.7) ta có thể viết:

dn Vg

d

d c

(2.9)

D có thể viết dưới dạng tổng sau:

D = DM + Dw

Ở đây DM v à D¦ W tương ứng là tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng

Thực tế, 2 cơ chế tán sắc này có mối liên hệ phức tạp với nhau Tuy nhiên,qua thực nghiệm về tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng người ta nhận thấy hoàntoàn có thể chấp nhận giải pháp cộng hai tán sắc trên sau khi đã tính riêng từng loại

để có tán sắc bên trong mode nếu không cần quá chính xác Và vì thế biểu thức 2.9chấp nhận được

n2g: chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi.

Chỉ số chiết suất n()được làm xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier:

2 2 2

j

n (2.11)

j

 : Tần số cộng hưởng ; j: Cường độ giao động

n: chung cho cả n1, n2 tùy thuộc vào các đặc tính phân tán của lõi hay vỏ cóđược xem xét hay không

Số hạng dưới tổng trong (2.11) mở rộng cho tất cả các cộng hưởng vật liệutham gia vào dải tần số quan tâm

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng đã gây ra tánsắc vật liệu, và có thể tham khảo trong hình (2.2)

Tán sắc vật liệu DM có ràng buộc với đường bao của ng bằng đẳng thức(2.10) hóa ra rằng: dng/d = 0 tại bước sóng = 1, 267m Bước sóng này đượccoi là bước sóng có tán sắc bằng không zD Tham số tán sắc DM có giá trị âm tại