Luận văn thạc sĩ HUS ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton luận văn ths vật lý 60 44 11

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
………………………………

Tạ Quang Hậu

ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SOLITON

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

1

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
………………………………

Tạ Quang Hậu

ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SOLITON

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 60 44 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS TRỊNH ĐÌNH CHIẾN
ĐHKHTN-ĐHQG HÀ NỘI

Hà Nội - 2012

2

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG ....................... 1
1.1 Sự phát triển của thông tin quang: .................................................................... 1
1.1.1. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang: ........................... 2
1.1.2. Ứng dụng. ............................................................................................... 3
1.2. Sợi quang. ....................................................................................................... 4
1.2.1. Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. ..................................................... 4
1.2.2. Một số yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống thông tin
quang............................................................................................................... 7
1.3. Một số hệ thông tin quang .............................................................................. 24
1.3.1. Hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM). ........................................ 24
1.3.2. Hệ thống ghép kênh theo tần số OFDM ................................................. 26
1.3.3. Ghép kênh quang theo thời gian OTDM ................................................ 27
1.3.4. Hệ truyền dẫn Soliton ............................................................................ 27
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON ....................................... 28
2.1. Ảnh hưởng của môt số hiệu ứng phi tuyến cơ bản .......................................... 28
2.1.1. Tán xạ ánh cưỡng bức SRS và SBS ...................................................... 28
2.1.2. Tự biến điệu pha SPM (self-phase modulation) và biến điệu chéo pha
XPM (cross-phase modulation) ..................................................................... 30

2.1.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing)

.......................... 33

2.2. Hệ thống truyền dẫn Soliton ........................................................................... 34
2.2.1. Khái niệm về soliton

......................................................................... 34

2.2.2. Mô hình hệ thống chung.

................................................................. 35

2.2.3. Truyền thơng tin với các soliton .......................................................... 35
2.2.4. Mở rộng xung soliton do hao phí .......................................................... 36
2.2.5. Khuếch đại soliton. ............................................................................... 38
2.3. Những xung sáng dạng Gauss với tần số thay đổi theo thời gian. ................... 40
2.4. Xung Super Gauss ......................................................................................... 42

3

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN TÍNH CHẤT
SOLITON CỦA XUNG QUANG HỌC ............................................................... 44
3.1. Tương tác soliton ........................................................................................... 44
3.1.1. Phương trình Shrodinger phi tuyến ........................................................ 44
3.1.2. Tương tác hai Soliton............................................................................. 45
3.2. Chirp tần số................................................................................................... 46

3.3. Khảo sát sự tương tác hai Soliton ................................................................... 48
3.3.1. Khảo sát sự tương tác hai Soliton cùng biên độ, cùng pha ban đầu theo
khoảng phân cách giữa hai soliton ................................................................... 48
3.3.2. Khảo sát tương tác của hai Soliton cùng pha ban đầu nhưng khác biên độ ........ 53
3.2.3. Khảo sát tương tác hai Soliton cùng biên độ nhưng khác pha ban đầu............ 56
3.4. Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất soliton của xung truyền trong sợi quang . 59
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 74
PHỤ LỤC

4

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.3. Ảnh hưởng của các thơng số đến tính chất sợi quang ................................ 6
Hình1. 4. Phổ bức xạ của LED và LD. ..................................................................... 13
Hình 1.5. Sự thay đổi của chiết suất ......................................................................... 14
Hình 1.6: Tán sắc dẫn song ................................................................................................ 16
Hinh 1.7. Đường cong thông số dẫn sóng theo tần số chuyển hóa ....................................... 17
Hình1. 8. Đường cong tán sắc Dw, DM và D theo bước sóng ............................................. 17
Hình1. 9. Sơ đồ tuyến thơng tin có ghép kênh theo bước sóng ............................................ 25
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang OFDM ........................................................... 26
Hình 2.1. Mở rộng soliton sợi hao phí (Γ = 0,07) với soliton cơ bản ................................... 37
Hình 2.2. Sơ đồ khuếch đại tập trung (lump) (a) bộ ghép và phân bố ................................ 38
Hình 3.1. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu

=1 ................................... 49

Hình 3.2. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu

=1,5 ................................ 50

Hình 3.3. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu

=2 ................................... 50

Hình 3.4. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu

=2,5 ................................ 51

Hình 3.5.Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu

=3 .................................... 51

Hình 3.6. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu

=3,5 ................................ 52

Hình 3.7. Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu

=4 ................................... 52

Hình 3.8. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.025 .......................................... 54
Hình 3.9. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.1 .............................................. 54
Hình 3.10. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.175......................................... 55
Hình 3.11. Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.2 ............................................ 55
Hình 3.12.Tương tác hai Soliton có độ lệch pha

...................................................... 57

Hình 3.13. Tương tác hai Soliton có độ lệch pha

................................................ 57

Hình 3.14. Tương tác hai Soliton có độ lệch pha

................................................ 58

Hình 3.15. Tương tác hai Soliton có độ lệch pha

................................................ 58

Hình 3.16. Hình ảnh xung super gauss khơng chirp qua sợi quang với m=1 ........................ 59
Hình 3.17. Hình ảnh xung super gauss không chirp qua sợi quang với m=2 ........................ 60

5

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 3.18. Hình ảnh xung super gauss khơng chirp qua sợi quang với m=4 ........................ 60
Hình 3.19. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với m=2 ............. 61
Hình 3.20. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với m=4 ............. 62
Hình3.21. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=1 ............... 63
Hình3.22. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=3 ............... 63
Hình 3.23. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=10 ............ 64
Hình3.24. Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=50 ............. 64

Hình 3.25. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với m=2 ............. 65
Hình 3.26. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với m=4 ............. 66
Hình 3.27. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.025 ....... 67
Hình 3.28. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.05 ......... 67
Hình 3.29. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.1 ........... 68
Hình 3.30. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.2 ........... 68
Hình 3.31. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.5 ........... 69
Hình 3.32. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=1 .............. 69
Hình 3.33. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=5 .............. 70
Hình 3.34. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=10 ............ 70
Hình 3.35. Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=50 ............ 71

6

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


LỜI NÓI ĐẦU
Từ những năm 90 trở lại đây, xã hội lồi người tiến vào thời kì bùng nổ
thơng tin trong đó có ba sự kiện ảnh hương lớn nhất là sự phát triển chóng mặt của
mạng internet do phổ cập máy tính cá nhân, cuộc cách mạng thơn tin từ dịch vụ
thông tin di động số đến thông tin cá nhân và sự xuất hiện của dịch vụ thông tin đa
phương tiện.
Sự bùng nổ thơng tin kích thích sự phát triển như vũ bão của dịch vụ
thơng tin tồn cầu do đó các hệ thống thơng tin ln được nghiên cứu để có thể
truyền thơng tin tốt nhất. Trong thơng tin người ta địi hỏi tín hiêu truyền có
suy hao thấp, khả năng truyền thông tin xa, nhưng trong các hệ thống thơng tin
thì xảy ra sự tán sắc ánh sáng, sự tán sắc ánh sáng làm suy hao năng lượng
truyền thậm chí cịn mở rộng xung truyền dẫn đến méo dạng tín hiệu khi
truyền. Để góp pần giải quyết vấn đề giảm ảnh hưởng của tán sắc, người ta sử

dụng một phương pháp bù trừ tán sắc, đặc biệt là phương pháp vào xung dạng
Gauss có chirp, hơn nữa trong thực tế người ta đã phát triển hệ thống thơng tin
Soliton là hệ thống thơng tin ít tán sắc. Tuy nhiên trong quá trình truyền thì các
Soliton gần nhau vẫn ảnh hưởng đến nhau do đó luận văn của em sẽ nghiên cứu
ảnh hưởng của chirp tần số lên hệ thông tin Soliton.
Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện
tượng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải
phổ đồng thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền. Để hiểu rõ về
các quá trình biến đổi xung sáng trên đường truyền thì việc khảo sát ảnh hưởng
của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối
với xung là rất quan trong. Vì vậy luận văn của tôi tập trung nghiên cứu “Ảnh
hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton”. Trên cơ sở đó luận
văn được chia làm ba phần:

1

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chương 1: Giới thiệu chung về thông tin quang, trong phần này sẽ trình bày sự
phát triển chung của hệ thông tin quang, các loại sợi quang, một số hệ thơng tin quang.
Chương 2: Tìm hiểu hệ thống truyền dẫn Soliton. Trong phần này sẽ trình
bày ảnh hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tìm hiểu về hệ thống truyền
dẫn Soliton, xem xét các dạng xung gauss, xung super gauss
Chương 3: Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang
học. trong phần này tôi khảo sát sự tương tác Soliton, khảo sát ảnh hưởng của chirp
tần số lên tính chất Soliton của xung quang học.

2

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THƠNG TIN QUANG
Thơng tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này
có nghĩa là thơng tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền
qua sợi quang . Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu
1.1 Sự phát triển của thông tin quang:
Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về
chuyển động hình dáng và màu sắc thơng qua đơi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông
tin, điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín
hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí
quyển như một mơi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện
thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô tuyến
dùng để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau.
1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã
chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp ( 1000dB/Km). Bốn năm sau Karpon đã chế
tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km. Từ
thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành
nghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về
tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành cơng vào những năm
70. Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze bán dẫn có khả năng
thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài
hơn 100 năm.
Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một
khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng
trăm Km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, khơng cần các bộ tái tạo.
Sự ra đời của laser và sợi quang đã góp phần to lớn vào sự phát triển của hệ thống
thông tin hiện đại, tiêu biểu là các hệ thống thông tin quang.

3

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm ba bộ phận cơ
bản sau (như hình 1.1)

Thiết bị phát
tín hiệu

Mơi trường
truyền dẫn

Thiết bị thu tín
hiệu

Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang
Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu
quang để truyền 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 qui luật
của tín hiệu điện).
Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được
chế tạo bằng chất điện mơi có khả năng truyền được ánh sáng nh sợi thạch anh, sợi
thuỷ tinh, sợi nhựa.
Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng
của nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu) .
Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo
dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các

tín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu.
Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ
năng lượng điện ít.
Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp biến đổi
tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại. Tín hiệu đã được khuyếch
đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyến cáp sợi quang.
1.1.1. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang:
Thông tin quang cũng như nhiều loại thơng tin khác nó cũng có những ưu và
nhược điểm riêng:

4

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Ƣu điểm :
Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong khơng gian và ngược lại
nó cũng khơng phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng tới các thiết bị xung
quanh. Như vậy các tín hiệu truyền qua sợi quang không thể bị nghe lén được. Tin
tức được đảm bảo bí mật
Giá thành của hệ thống dẫn tín hiệu bằng cáp kim loại đắt hơn so với cáp sợi quang.
Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu.
Trong kênh thơng tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ.
Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện,
IC lozic TTC và CMOS.
Truyền tín hiệu qua cáp quang khơng bị nhiễu và khơng có hiệu ứng thời
gian trễ như ở thơng tin vệ tinh.
Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay TimeMultiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10GHz.
Nhƣợc điểm.
Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại.

Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong
sợi quang.
Khi có nước, hơi ấm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các mối
hàn mau lão hố làm tăng tổn hao.
Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp.
Vì đặc tính bức xạ khơng tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog.
Không thể truyền mã lưỡng cực.
1.1.2. Ứng dụng.
Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới
điện thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ

5

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


được sử dụng trong ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ
thuật chuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng như trong
các thiết bị đo.
Với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn là sợi quang.
1.2. Sợi quang.
Sợi quang là một trong những thành phần cơ bản của hệ thống thông tin
quang. Trong hệ thống thông tin quang sợi, sợi quang đóng vai trị là mơi trường
truyền dẫn và thực hiện truyền ánh sáng từ phía phát tới phía thu. Sợi quang có bán
kính từ 5

20µm hay được sử dụng và tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà sợi

quang có bán kính khác nhau.
1.2.1. Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng được truyền dẫn chỉ trong lõi sợi
bằng phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng. Ánh sáng từ
nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ và ánh sáng được tập trung lại để đưa
vào sợi quang mà chỉ một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định nào đó
mới có thể được đưa vào lõi sợi quang.
Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang được trình bày (như hình 1. 2)

Hình 1.2. Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang
Tại điểm A nơi ánh sáng đưa vào sợi quang được chia làm ba mơi trường liền
nhau có chiết suất khúc xạ khác nhau đó là mơi trường khơng khí, mơi trường lõi, vỏ
sợi quang. Góc

 max

là góc nhận lớn nhất và có góc

là góc tới hạn.

6

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ tại các mặt biên tiếp giáp giữa khơng
khí và lõi, giữa lõi và vỏ thì ta có phương trình:

sin m  n1 sin c 

(1.1)


n2 
0
sin(90   c )  cos  c  
n1 


(1.2)

Từ (1.1) và (1.2) tính được góc mở lớn nhất là:
2


 n2 


2
2


sin


n
1


n

n


n
2



max
1
2
1
1
n 
 1



là độ lệch chiết suất tương đối và

Với

(1.3)
được gọi là khẩu

độ số (NA), nó cho biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang. Nhưng loại sợi này
không phù hợp cho hệ thơng tin quang vì có sự tán sắc nhiều tia hoặc tán sắc giữa
các mode
Tán sắc nhiều tia là do các tia sáng truyền trong sợi quang với những quãng
đường khác nhau do đó, ở đầu cuối của các sợi các tia này khơng đồng thời ló ra,
trong khi tốc độ truyền của các tia trong sợi là như nhau. Các xung bị mở rộng là do
các tia truyền với những quãng đường khác nhau. Có thể đánh giá sự mở rộng xung

một cách đơn giản khi tìm được chiều dài ngắn nhất và dài nhất. Chiều dài ngắn
nhất khi góc tới
bằng L/

và bằng L và chiều dài lớn nhất khi góc tới

và

. Thời gian trễ có thể được tính như sau:

Đánh giá tốc độ truyền thơng tin dựa vào điều kiện:
B

Sự tán sắc giữa các mode có thể giảm khi sử dụng loại sợi chiết

suất biến đổi đều (graded-index fiber)

7

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Với sợi quang, tham số cơ bản để xác định cấu trúc sợi quang là đường kính
lõi sợi, đường kính vỏ, khẩu độ số (NA)…Chúng được gọi là thông số cấu trúc của
sợi quang. Các thông số này ảnh hưởng đến một số đặc tính khác nhau của sợi
quang như độ suy hao quang, độ rộng băng truyền…
Với sợi quang đa mode, có bốn thơng số xác định cấu trúc các loại sợi quang
đó là đương kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số (NA) và dạng phân bố chiết
suất khúc xạ
Phân bố khúc xạ nói chung có thể được xác định như công thức sau:

Với 0Ở đây a, n1 lần lượt là bán kính và chiết suất của lõi sợi
Khi quyết định các giá trị của các giá trị thông số này ta phải chú ý đến các
ảnh hưởng của mỗi thơng số đến các tính chất sợi quang (như hình 1.3)
Suy hao quang
Đường kính vỏ 2d
Tăng suy hao quang do uốn
cong hoặc vi uốn cong

Đường kính lõi 2a

Suy hao chỗ nối
Khẩu độ số NA
Hiệu suất đưa ánh
sáng vào
Phân bố chiết suất
khúc xạ n (r)

Đặc điểm của băng
tấn cơ sở

Hình 1.3. Ảnh hƣởng của các thơng số đến tính chất sợi quang
Cấu trúc của sợi đơn mode được xác định bởi ba thông số là thông số trường
mode, đường kính lõi và bước sóng cắt

8

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

Trong hệ thống thông tin quang, sợi quang là một kênh thơng tin, với vai trị
của kênh thơng tin, sợi quang truyền tín hiệu quang từ thiết bị truyền tới thiết bị thu
mà không bị thay đổi và các hệ thống thông tin quang sử dụng các sợi quang như
kênh thơng tin vì các sợi quang có thể truyền ánh sáng với sự mất mát năng lượng
tương đối nhỏ. Tuy nhiên sự mất mát năng lượng của sợi quang sẽ làm cho tín hiệu
truyền dẫn trong sợi quang bị suy hao và méo dạng. Đó là các yếu tố quan trọng tác
đọng tới tồn bộ q trình thơng tin, nõ định dạng cỡ về khoảng cách và tốc độ của
tuyến ttruyeenf dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thông tin quang
1.2.2. Một số yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống thông
tin quang.
Đối với sợi quang có ba yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng của các hệ
thông tin quang là suy hao, hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang và tán sắc.
1.2.2.1. Suy hao.
Trên một tuyến truyền thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn
phát quang với sợi quang, giữa sợi quang và sợi quang, giữa sợi quang và đầu thu
quang cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn và suy hao trên sợi. Đó là
một trong những nguyên nhân cơ bản làm gới hạn khoảng cách truyền dẫn do công
suất ánh sáng bị làm yếu đi khi qua một cự ly truyền ánh sáng nào đó.
Suy hao được xác đinh bởi cơng thức:

(1.6)
Với α : suy hao được tính trong đơn vị (dB/Km)
L: Độ dài sợi dẫn quang
Công suất đầu vào
Công suất đầu ra
Một số nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang

9

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


* Suy hao do hấp thụ:
+ Hấp thụ do tạp chất: Các tạp chất trong vật liệu như tạp chất nước, tạp chất
do các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng tính suy hao của sợi và đặc biệt sự có
mặt của các ion OH- của nước làm cho suy hao trội hẳn lên
+ Hấp thụ do vật liệu: Do các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh
sáng có bước sóng dài
+ Hấp thụ điện tử: Do các photon kích thích các điện tử trong nguyên tử lên
một trạng thái năng lượng cao hơn đây cũng là một dạng của hấp thụ vật liệu nhưng
tác động qua lại xảy ra trong phạm vi nguyên tử, phân tử
* Suy hao do tán xạ:
Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính khơng đồng đều rất nhỏ
hoặc có sự thay đổi thành phần về cấu trúc trong sợi làm tăng sư thay đổi chiết suất
tạo ra sự tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh, suy hao do tán xạ Rayleigh tỉ lệ với
λ-4 nên nó sẽ giảm mạnh theo chiều tăng của bước sóng vì thế hệ thống làm việc ở
bước sóng dài được quan tâm nhiều
* Suy hao do uốn cong sợi
Suy hao do uốn cơng sợi là suy hao ngồi bản chất (khơng cố hữu) của sơi
khi bất kì một sợi quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định
thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra vỏ ngồi và như vậy ánh sáng lan
truyền trong sợi sẽ bị suy hao
Có hai loại uốn cong sợi:
Uốn cong vĩ mô: Là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc
lớn hơn đường kính sợi
Vi uốn cong: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này
xảy ra trong lúc bọc sợi thành cáp
1.2.2.2. Tán sắc
Khi một xung sáng ngắn truyền qua một sợi quang sẽ xuất hiện hiện týợng

dãn rộng hay mở rộng xung sáng ở ðầu thu. Các xung lân cận sẽ mở rộng và chồng

10

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


lên nhau không phân biệt ðýợc các xung với nhau nữa. Nó sẽ dẫn ðến hiện tượng
méo tín hiệu trong sợi dẫn quang.
Hiện týợng mở rộng xung sáng này chính là dõ sự tán sắc. Sự tán sắc trong
sợi quang sẽ hạn chế cự ly truyền dẫn cũng nhý tốc ðộ truyền dẫn của sợi.
Ta nhớ lại rằng tán sắc là hiện týợng chiết suất n của môi trýờng phụ thuộc
vào býớc sóng hay tần số của ánh sáng tới. Ðiều ðó cũng có nghĩa các býớc sóng
hay tần số khác nhau sẽ có tốc ðộ khác nhau trong sợi quang.
Các loại tán sắc trong sợi quang là:
- Tán sắc mode (mode dispersion)
- Tán sắc vật liệu (material dispersion)
- Tán sắc dẫn sóng (wave-guide dispersion)
- Tán sắc bậc cao (Higher-order - Dispersion)
- Tán sắc phi tuyến (nonlinear dispersion)
- Tán sắc mode phân cực (Polarization - mode dispersion) (PMD)
* Tán sắc mode (mode dispersion):
Tán sắc mode xảy ra trong sợi quang ða mode do sự khác nhau về tốc ðộ
nhóm của những mode. Nó khơng có trong sợi ðõn mode, chỉ có ở sợi ða mode. Tán
sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là vào ðýờng kính lõi sợi.
Nguyên nhân gây tán sắc mode trong sợi ða mode là do các thành phần sóng
sáng trong xung sáng lan truyền theo các ðýờng ði khác nhau nên có sự chênh lệch
về thời gian truyền và gây ra sự mở rộng xung sáng, làm méo xung sáng.
Dạng xung ở dầu vào máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố chính.
- Thành phần phổ của nguồn sáng ðýợc ghép vào sợi quang.

- Sự phân bố của các mode truyền dẫn trên sợi quang.
Sợi quang ðýợc xem là lý týởng nếu khơng gây ra hiện týợng trộn mode với
nhau và có thể xem rằng chiết suất của sợi không phụ thuộc vào býớc sóng.

11

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Ðối với sợi quang ða mode chiết suất bậc (MM-SI) chiết suất lõi là không
ðổi, vận tốc các mode là nhý nhau nhýng cự ly truyền dẫn ðến cuối sợi quang khơng
bằng nhau (vì theop các ðýờng ði zic zắc khác nhau) nên thời gian truyền dẫn khác
nhau gây mở rộng xung. Trong ðó tia song song với trục quang sợi có ðộ dài ngắn
nhất và thời gian truyền nhỏ nhất.
Thời gian lệch giữa các tia sáng truyền nhanh nhất và chậm nhất là:
t 

L(n1  n2 )
C

(1.7)

Các sợi ða mode với chiết suất giảm dần (MM-GI) thì các tia sáng chạy ở
vùng ngồi sát mép lõi sẽ có tốc ðộ nhanh hõn ở tâm của lõi nhýng vì ðýờng ði của
nó dài hõn nên cuối cùng các mode ði tới máy thu ở gần cuối sợi quang với thời
gian gần nhý nhau.
Tán sắc mode của sợi (MM-GI) ða mode chiết suất giảm dần là rất nhỏ so
với sợi SI (chiết suất bậc)
Trýờng hợp tham số mặt cắt có g = 2 thì thời gian chênh lệch giữa tia nhanh
nhất và chậm nhất là:

t 

L 1
. (n1  n2 ) 2
c 2

(1.8)

Tán sắc mode rất nhạy cảm với sự thay ðổi của chiết suất. Sự thay đổi chiết
suất phụ thuốc vào tham số mặt cắt g.
Với sợi có chiết suất biến ðổi dạng gần parabol (ứng với g = 2) thì sẽ có sự
tán sắc mode bé nhất.
Do ðó ðộ rộng bằng truyền dẫn sẽ lớn nhất.
Khi g   thì sợi GI chuyển thành sợi SI và nhý vậy tán sắc của sợi SI lớn
hõn tán sắc của sợi GI (chiết suất biến ðổi).
Ta ðã biết sự tán sắc giữa các mode trong sợi quang ða mode ðã dẫn tới sự
mở rộng ðẳng kế của những xung sáng ngắn. Nó vào khoảng ~10ns/km mà theo
quang hình học, sự mở rộng nhý vậy là do những quãng ðýờng truyền khác nhau

12

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


của các tia gây ra. Ðiều ðó cũng liên hệ với tốc ðộ nhóm khác nhau của các mode
khác nhau. Sợi quang ðõn mode có thuận lợi chính là khơng tịn tại tán sắc giữa các
mode này vì nó chỉ truyền một mode. Tuy nhiên sự mở rộng của xung sáng ðã
khơng biến mất hồn tồn. Tốc ðộ mode của mode cõ bản là phụ thuộc vào tần số
bởi vì còn cơ sự tán sắc ðõn sắc: sự tán sắc phụ thuộc vào býớc sóng ðõn sắc
(Chromatic dispersion). Do vậy những thành phần phổ khác nhau của xung sáng sẽ

truyền với tốc ðộ nhóm khác nhau một chút. Hiện týợng này gọi là tán sắc tốc ðộ
nhóm GVD (group - velocity dispersion) hay là tán sắc nội mode hay ðõn giản là
tán sắc sợi quang. Tán sắc nội mode hay tán sắc trong mode có hai yếu tố tạo nên.
Ðó là tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
* Tán sắc tốc ðộ nhóm trong sợi đơn mode (Group-Velocity dispersion)
Ta khảo sát một sợi quang học ðõn mode có chiều dài L. Một thành phần phổ
tần số ω ðạt tới ðầu ra của sợi với thời gian trễ T 

L
vg

Ở ðây Vg là tốc ðộ nhóm, ðýợc xác ðịnh nghĩa là:
Vg 

d
d

(1.9)

Với  là hằng số truyền ðýợc xác ðịnh bởi:



 = nhd k0 =  nhd



c

Sự phụ thuộc býớc sóng của tốc ðộ nhóm ðã dẫn tới sự mở rộng xung, một

cách ðõn giản là do những thành phần phổ khác nhau của xung ðã tán sắc trong thời
gian truyền và ðã không tới ðýợc ðầu ra của sợi quang một cách ðồng thời.
Nếu  là ðộ rộng phổ của xung sáng, ðộ mở rộng của xung t ðýợc cho bởi:
t 

dT
d  L
 
d
d  v g

2

   L2 d    L 2 

d 2


(1.10)

d 2
Ở ðây  2  2 là thông số tán sắc tốc ðộ nhóm GVD.
d

13

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


2 xác ðịnh xung sáng sẽ mở rộng nhý thế nào trên ðýờng truyền trong sợi quang.

Thông số tán sắc bậc cao hõn ðýợc xác ðịnh cũng bằng cách týõng tự:
d3 d 3 

d d 3

3 

(1.11)

3 là thông số bậc ba.
Trong hệ thông tin quang, sự mở rộng tần số  thýờng ðýợc xác ðịnh bởi
khoảng cách  ðýợc phát bởi nguồn quang học.
Do vậy, khi sử dụng:  

2 c



và

  2c


2

Ta sẽ có:
T  (

Ở ðây: D  

2c

2

2 c

2

)  2 L   DL 

2

(1.12)
(1.13)

Gọi là thơng số tán sắc tồn phần. Ðõn vị ðo của D là ps/km.wm)
Tán sắc D có thể ðýợc viết nhý tổng của hai số hạng
D = D M + Dw
Với DM là tán sắc vật liệu
DW là tán sắc dẫn sóng
Ảnh hýởng của tán sắc lên tốc ðộ bít B có thể xác ðịnh ðýợc khi ta sử dụng
tiêu chuẩn.
BT < 1
Nhý cách thông thýờng ðã sử dụng:
Khi chú ý tới biểu thức (1.12) ta sẽ có:
BL D   1

(1.14)

Ðối với sợi ðiơxit silic tiêu chuẩn, D có giá trị týõng ðối nhỏ ở vùng býớc

sóng gần ~1,3m; D ~1ps/(km.nm). Ðối với laser bán dẫn thông thýờng ðộ rộng
phổ  = 2  4nm. Nhý vậy tích B.L sẽ výợt quá 100 (Gb/s). km.

14

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hệ thống viễn thông với = 1,3m. Thýờng hoạt ðộng ở tốc ðộ 2Gb/s với
khoảng cách lặp lại ~40 ÷ 50km. Khi sử dụng Laser bán dẫn ðõn mode với  rất
nhỏ dýới 1nm, tích B.L của sợi ðõn mode có thể výợt q 1 (Tb/s).km.
Thơng số tán sắc D có thể thay ðổi ðáng kể khi býớc sóng hoạt ðộng dịch
chuyển khỏi 1,3m.
* Tán sắc vật liệu (Material dispersion)
Do chiết suất của vật liệu thuỷ tinh dùng làm sợi quang phụ thuộc vào býớc
sóng (hay tần số) của ánh sáng n () chính là nguyên nhân gây nên tán sắc vật liệu.
Các nguồn phát quang dùng trong thông tin quang nhý LED hay LD Laser Diode)
ðến bức xạ ra một vạch phổ có ðộ rộng  với 0 là býớc sóng trung tâm.
Nhý vậy bức xạ của LED là phổ bức xạ gồm vô số vạch phổ và phổ của LD
cũng bao gồm nhiều vạch phổ nằm giữa hai býớc sóng.
1  0 



và 2  0 
2
2

Giá trị ðộ rộng phổ týõng ðối
  



 0,05
 0  LED

và



0

(1.15)

là:

  

  0,01
 0  LD

P
1

Ðối với thuỷ tinh dùng làm sợi
quang, tán sắc vật liệu gần nhý bằng
khơng tại býớc sóng 1300nm.

LED

Pmax

LD
0,5

Khi truyền qua sợi quang ðộ



dài L thì hai sóng sáng 1 và 2 có tốc

0

ðộ truyền nhóm vn (1) và vn (2) sẽ
có thời gian truyền nhóm lệch nhau là:





Hình1. 4. Phổ bức xạ của LED và LD.

 1
1 
t n  L 


 vn (1 ) vn (2 ) 

Ngýời ta dựa vào ðịnh nghĩa về hệ số tán sắc vật liệu nhý sau:

15

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DM  DM ( )  

 d 2n
c d2

[ps/km.nm)

(1.16)

Hệ số tán sắc vật liệu ðặc ðiểm cho biết ðộ lệch thời gian lan truyền xung ánh
sáng trên ðộ dài 1km sợi quang với phổ bức xạ của nguồn có ðộ rộng 1nm.
Với phổ bức xạ rộng 1nm, ðộ dãn xung sáng ở ðầu vào máy thu chính là ðộ
lệch thời gian truyền nhóm '.
 '  t n  DM ( ) .L   .L

(1.17)

Ở ðây  là ðộ dãn xung sáng khi truyền qua ðộ dài 1km.
Ðộ dãn xung  gây méo xung, nên nó sẽ hạn chế cự ly truyền dẫn cũng nhý
sẽ hạn chế ðộ rộng của bãng truuyền dẫn.
Tán sắc vật liệu trong một sợi quang chính là do chiết suất của ðiơxit silic,
chất liệu dùng làm sợi quang, thay ðổi theo tần số (hay býớc sóng).
Nhý hình vẽ 1. 5 ðã cho thấy sự thay ðổi của chiết suất nhý hàm số của býớc
sóng  ðối với sợi quang ðiơxit silic thuần khiết.

ChiÕt suÊt

1,50
1,48
1,46

(m)

1,44
0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Hình 1.5. Sự thay đổi của chiết suất

Biểu thức chiết suất n () gần ðúng theo công thức của Sellmeir.
M

n ( )  1  
2

j 1

B j 2



(1.18)

2
j

2

16

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hay khi sử dụng: j 

2c
j

M

B j 2

j 1

(2   j )

n ( )  1  
2

(1.19)

2

Ở ðây j là býớc sóng cộng hýởng cịn Bj là cýờng ðộ của dao ðộng tử, còn
n thay thế cho n1 hay n2 tuỳ theo chúng ta khảo sát tính chất tán sắc của lõi hay vỏ
sợi quang. Theo kinh nghiệm ðối với sợi quang, những thông số B j và  j ðýợc chọn
với M=3 ðể phù hợp với những ðýờng cong tán sắc ðo ðýợc bằng thực nghiệm.
Những thông số này còn phụ thuộc vào lýợng lýợng pha tạp và ðã lập bảng cho
nhiều loại sợi. Với sợi Silica ta có:
j:

Hằng số

Bj:

1 :

0,0684043m

B1:

0,6961663

2 :

0,1162414m

B2:

0,4079426

3 :

9,896161m

B1:

0,8974794

Nhý vậy chiết suất nhý một hàm của býớc sóng có thể biểu diễn theo công thức:
n( ) 

3

B j 2

j 1

(   )

1 

2

2

(1.20)

j

Từ ðây ta có thể tính ðýợc các ðạo hàm bậc một, hai, và ba của n (). Do vậy
có thể xác ðịnh ðýợc hệ số tán sắc vật liệu.
 d 2 n( )
DM  
c d2

(1.21)

Trong khoảng býớc sóng 1,25m  1,66m ngýời ta còn sử dụng biểu thức
gần ðúng rút ra từ thực nghiệm:
DM  1,22 (1 

ZD
)


(1.22)

Ở ðây ZD là býớc sóng tán sắc bằng khơng
Ví dụ: ZD = 1,276m ðối với sợi Silica tinh khiết.

17

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

ZD có thể thay ðổi khoảng 1,27m  1,29m ðối với những sợi quang mà
lõi và vỏ ðã ðýợc pha tp thờm thay i chit sut
Tán sắc
(ps/km.nm)
20
Tán sắc
tiêu
chuẩn

10

Tán sắc
phẳng

0

Dịch
chuyển
tán s¾c

-10

(m)

-20
1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

Hình 1.6: Tán sắc dẫn song
Ngýời ta thấy ở býớc sóng 1300nm tuy tán sắc vật liệu gần bằng khơng
những hao phí vẫn cịn lớn, giá trị của nó khoảng 0,35 dB/km.
Tại býớc sóng 1550nm giá trị hao phí sẽ nhỏ hõn ở 1300nm nhýng giá trị tán
sắc lại lớn hõn. Ðể loại trừ tán sắc tại bước sóng này ngýời ta phải sử dụng công nghệ
"dịch chuyển tán sắc" ðể tạo các sợi quang có tán sắc vật liệu bằng 0 tại  = 1550nm.
* Tán sắc dẫn sóng (waveguide dispersion)
Ảnh hýởng của tán sắc dẫn sóng lên sự mở rộng của xung sáng có thể khảo
sát ðýợc khi ta xem rằng chiết suất của vật liệu sợi quang khơng phụ thuộc vào
bước sóng.
Sự phân bố của trýờng và hằng số của truyền dẫn của các mode phụ thuộc
vào tỷ số ðýờng kính lõi sợi dk và býớc sóng làm việc λ Khi ðýờng kính lõi sợi
khơng ðổi, các mode lan truyền với các býớc sóng λ lệnh nhau một chút. Vận tốc
pha và vận tốc nhóm phụ thuộc vào býớc sóng λ lúc này cịn là một hàm số của ðặc

18

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


tính hình học của sợi quang. Nhý thế xung sáng thu ðýợc bị mở rộng mà nguyên

nhân là vận tốc và thời gian truyền tốc ðộ nhóm biến ðổi phụ thuộc vào býớc sóng.
Ðối với sợi ða mode có ðýờng kính lõi lớn thì ảnh hýởng của tán sắc này rất nhỏ.
Ngýợc lại trong sợi ðõn mode có ðýờng kính lõi nhỏ thì ảnh hýởng của tán sắc dẫn
sóng này lại có ảnh hýởng ðáng kể. Do ðó trong một số loại sợi ðõn mode ngýời ta
thiết kế ðể chế tạo sao cho tán sắc dẫn sóng bù trừ với tán sắc vật liệu ðể giảm tán
sắc tổng cộng ở một số býớc sóng cần thiết theo yêu cầu.
Ðối với sợi ða mode, tán sắc dẫn sóng nhìn chung là rất nhỏ và có thể bỏ qua
so với tán sắc vật liệu.
Ðối với sợi quang ðõn mode, tán sắc dẫn sóng rất quan trọng và có thể coi
nhý ngang bằng với tán sắc vật liệu.
Th«ng sè
dÉn sãng

 d 2 (Vb ) 
V .

dV 2 


1,0

0,5
V
0
1

2

3

TÇn sè
chuÈn hãa V

Hinh 1.7. Đường cong thơng số dẫn sóng theo tần số chuyển hóa
T¸n s¾c
[ps/km.nm]
30

DM

20
10

D
1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

(m)
DW

0
-10
-20

19

-30

LUAN VAN CHAT LUONG download : add