Đồ án tốt nghiệp đại học Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I

Mục lục
Mục lục I
Thuật ngữ viết tắt IV
Danh mục hình vẽ VI
Danh mục bảng biểu VIII
Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 1
1.1. Mô hình tuyến thông tin quang 1
1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang 2
1.2.1. Suy hao 3
1.2.2. Tán sắc 4
1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến 7
1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM 7
1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) 9
1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) 10
1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế 12
1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích 12
1.3.1.1. Quỹ công suất 12
1.3.1.2. Quỹ thời gian lên 13
1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn 16
1.3.2.1. Tính tương thích 16
1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất 18
1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê 18
Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao
21

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 II

2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số 21
2.1.1. Tính toán với tán sắc 21
2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu 21
2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu 27
2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc 27
2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống 31
2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF 33
2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR 34
2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm 37
2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang 42
2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ 42
2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh 43
2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa 47
2.1.5. Ví dụ 50
2.2. Tính toán theo số liệu thống kê 57
2.2.1. Phương pháp chung 57
2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống 57
2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống 57
2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng 58
2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê 60
2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu 62
2.2.3.1. Cơ sở 62
2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu 62
2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang 65

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III

2.2.3.4. Ghép nối thống kê 66
2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực 71
2.3. So sánh hai phương pháp 71
Kết luận 73
Tài liệu tham khảo 74

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt


Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV

Thuật ngữ viết tắt
Từ viết
tắt
Từ gốc
Nghĩa
APD
Avalanche Photodiode
Diode tách sóng thác
BER
Bit Error Ratio
Tỉ số lỗi bít
CD
Chromatic Dispersion
Tán sắc màu
DCF
Dispersion Compensating Fiber
Sợi bù tán sắc

DCU
Dispersion Compensate Unit
Khối bù tán sắc
DGD
Diffirential Group Delay
Trễ nhóm phân biệt
DWDM
Density Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo bước sóng
mật độ cao
EDFA
Erbium Doped Fiber Amplifier
Bộ khuếch đại pha tạp Erbium
EOL
End Of Life
Hết thời gian sử dụng
FBG
Fiber Bragg Grared
Cách tử sợi Bragg
FWHM
Full Wide Half Maximum
Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất
FWM
Four Wave Mixing
Hiệu ứng trộn bốn sóng
GVD
Group Velocity Dispersion
Tán sắc vận tốc nhóm
LD

Laser Diode
Laze diode
LED
Light Emitting Diode
Diode phát xạ quang

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt


Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V

MLM
Muti Longitudinal Mode
Laser đa mode
MPI
Multi Path Interference
Nhiễu đa đường
MPN
Mode Partition Noise
Tạp âm cạnh tranh mode
NF
Noise Factor
Hệ số tạp âm
NRZ
Non Return to Zero
Không trở về không
OSNR
Optical Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm
pdf

Probability density function
Hàm mật độ xác suất
p-i-n
Positive Intrinsic Negative
Cấu trúc PIN
PMD
Polarization Mode Dispersion
Tán sắc phân cực mode
rms
Root mean square
Trung bình quân phương
RZ
Return to Zero
Trở về không
SC
Single Channel
Đơn kênh
SLM
Single Longitudinal Mode
Laser đơn mode
SMF
Single Mode Fiber
Sợi đơn mode
SMP
Self Modulation Phase
Tự điều chế pha
WDM
Wavelength Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo bước sóng
XMP

Cross Modulation Phase
Điều chế chéo pha


Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ


Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI

Danh mục hình vẽ
Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. 1
Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang 6
Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền 6
Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung 9
Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác 11
Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp 16
Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp 17
Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp 17
Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp 18
Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm 25
Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất 29
Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc 30
Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau 30
Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt 32
Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 34
Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER 35
Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào 35
Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm 38
Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản 44
Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh 45

Hình 2-12 Đồ thị điểm bù quang để chống lại xuyên âm liên kênh 46
Hình 2-13 Lược đồ điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa . 49

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ


Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2
VII

Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa
(mô hình Gausse) 50
Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại 60
Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm 63
Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm 63
Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng 64
Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng 64
Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 67
Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 68
Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình 69
Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc 69
Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 70

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng


Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2
VIII


Danh mục bảng biểu

Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử 19
Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon 23
Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại 26
Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm 26
Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB 27
Bảng 2-7 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] 34
Bảng 2-8 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên 41
Bảng 2-9 Các thuật ngữ sử dụng 43
Bảng 2-10 Giới hạn xác suất của hệ thống 58
Bảng 2-11 Một số giá trị 66

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu


Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IX

Lời nói đầu
Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong
lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang
chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang
đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày
càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm
hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng,
có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo
mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn
như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương mà còn có tiềm năng trong các hệ
thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch
vụ trong hiện đại và cả tương lai.
Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không
phải đơn giản. Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang. Thiết kế

tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng
sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc
biệt quan trọng. Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác. Vì vậy, việc
tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một
công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang.
Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin
quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án
của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc
độ cao. Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn
được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương:
Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số
phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong
thiết kế xấu nhất và theo thống kê.
Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc
độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết
kế xấu nhất và thống kê.

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu


Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 X

Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều
thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các
bạn để đồ án hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ
em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa
Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án.
Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã
hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp.

Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008
Sinh viên
Lê Đức Vượng



Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 1

Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang
1.1. Mô hình tuyến thông tin quang
Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang,
sợi quang, và phần thu quang. Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin
quang.

Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản.
Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều
khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc
vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các
mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển
nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong
thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode).
Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường
truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp
kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không
chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp. Với
những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã
được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương. Chúng vừa
đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện

các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết
suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ
thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử
dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này.
Nơi phát
tín hiệu
Thiết bị
phát
Môi trường
truyền dẫn
Thiết bị
thu
Nơi thu tín
hiệu đến

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 2
Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu
băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách
sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu
điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh.
1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang
Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham
số.
Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm:
 Suy hao.
 Tán sắc.
 Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.
 Quỹ thời gian
 Nhiễu

Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số
này cũng khác nhau. Với các hệ thống có cự ly không quá dài thì tham số quỹ thời gian
luôn được đảm bảo. Còn đối với nhiễu thì chủ yếu là do thiết bị quyết định, vấn đề này
lại phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị. Do đó, ở đây chủ yếu xét đến các tham số ảnh
hưởng là suy hao, tán sắc, và hiệu ứng phi tuyến. Các tham số này cũng ảnh hưởng khác
nhau với các hệ thống khác nhau.
 Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì tham số chủ yếu cần
quan tâm là suy hao.
 Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì tham số quan tâm gồm
có suy hao và tán sắc.
 Đối với các hệ thống WDM cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 tham
số trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến. Các tham số trong
hiệu ứng phi tuyến thì có các hiệu ứng Kerr và hiệu ứng tán xạ do kích thích
Brillouin (SBS) và hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS). Trong hiệu
ứng Kerr thì lại bao gồm hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và
hiệu ứng điều chế pha chéo. Tuy nhiên trong phần hiệu ứng phi tuyến này, chỉ

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 3
xét ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và điều
chế pha chéo.
Dưới đây xét đến ảnh hưởng của các tham số này
1.2.1. Suy hao
Việc truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo
tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó có tác động vào quá trình thông tin, định cỡ về
khoảng cách và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ
thống thông tin quang.
Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ
thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên một tuyến thông
tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với

sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang hay giữa các thiết bị xen rẽ kênh … cũng có
thể gây ra suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới
hạn cho phép cũng gây ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi
nên có thể giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau. Bên cạnh suy hao ngoài bản chất
là suy hao bản chất bên trong sợi quang. Trong quá trình truyền tín hiệu ánh sáng, bản
thân sợi quang cũng có suy hao làm cho cường độ tín hiệu giảm xuống khi đi qua một cự
ly nào đó. Các dạng suy hao bản chất gồm suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy
hao do bức xạ năng lượng ánh sáng. Trong các dạng suy hao trên, suy hao do hấp thụ có
liên quan tới vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu.
Suy hao bức xạ là do sự sai lệch cấu trúc hình học của sợi gây ra.
Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặc trưng bằng hệ số
suy hao và được xác định bằng tỉ số giữa công suất quang đầu vào
in
P
của sợi dẫn quang
dải L với công suất quang đầu ra
out
P
. Tỷ số công suất này là một hàm bước sóng, nếu gọi

là hệ số suy hao thì ta có thể xác định hệ số này bởi công thức sau:
)log(
10
out
in
P
P
L



(1-1)
Với

được tính theo dB/km và chiều dài L được tính theo km. Các sợi truyền dẫn
quang thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao, lúc đó
công suất đầu vào
in
P
gần như bằng công suất đầu ra
out
P
và
0

dB/km.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 4
Từ công thức trên có thể suy ra được công thức tính cự ly truyền dẫn:
)log(
1
10
out
in
P
P
L


(1-2)

Nếu gọi công suất tín hiệu quang trung bình phát vào sợi quang là
t
P
và công suất
tín hiệu quang trung bình nhỏ nhất
rec
P
tại đầu vào của bộ thu quang với tốc độ truyền
dẫn là B. Khi đó, cự ly truyền dẫn cực đại được tính:
)log(
1
10
max
rec
t
P
P
L


(1-3)
Cự ly truyền dẫn L còn phụ thuộc vào tốc độ bít là do công suất thu được
rec
P
phụ
thuộc vào tốc độ bít B, vì rằng
hvBNP
prec

trong đó hv là năng lượng photon và

p
N
là
số photon trung bình trên bit được yêu cầu tại bộ thu quang .
Như vậy, cự ly truyền dẫn L giảm theo hàm logarit với sự tăng tốc độ bít B tại
bước sóng hoạt động của hệ thống. Có 3 vùng bước sóng hoạt động tiêu biểu đó là (vùng
tại đó mà suy hao tín hiệu là nhỏ nhất) vùng bước sóng 0.85
m

, vùng bước sóng 1.3
m


và vùng bước sóng 1.55
m

. Trong các vùng bước sóng thì cự ly truyền dẫn ngắn nhất
khi hệ thống hoạt động ở bước sóng 0.85
m

do tại vùng này suy hao tín hiệu tương đối
lớn. Khoảng cách lặp của các tuyến sử dụng hệ thống này khoảng từ 10 đến 30 km hoàn
tuỳ theo tốc độ bít. Ngược lại cự ly lớn hơn 100 km hoàn toàn có thể thực hiện được với
hệ thống hoạt độn tại vùng bước sóng 1.55
m

.
1.2.2. Tán sắc
Suy hao mặc dù có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, nhưng nó chỉ
được quan tâm đặc biệt khi hệ thống thông tin quang có cự ly ngắn, dung lượng thấp.

Tuy nhiên khi khoảng cách tăng lên thì suy hao không còn là vấn đề quan trọng nữa, bởi
vì suy hao dễ dàng được khắc phục bởi các bộ khuếch đại. Khi suy hao không còn là vấn
đề quan trọng thì tán sắc trở thành mối quan tâm chủ yếu nhất ảnh hưởng tới cự ly truyền
dẫn và tốc độ bít.
Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng
đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp
quang.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 5
Như trên đã nói tín hiệu khi truyền qua sợi quang sẽ bị méo và suy hao. Suy hao
là do sợi quang còn méo là tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra.
Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và
trễ nhóm.
Tuy nhiên hầu hết các hệ thống truyền dẫn đều sử dụng sợi quang đơn mode nên
tán sắc đơn mode trở thành một yếu tố hết sức quan trọng và vì vậy ở đây chỉ xét đến tán
sắc bên trong mode.
Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra 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 là dải bước
sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó. Có thể mô tả độ dãn xung bằng
công thức sau đây:





s
n
d

d
L )(
(1-4)
Với L là độ dài của của sợi quang,
n

là trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài,
s

là
bước sóng trung tâm và


là độ rộng trung bình quân phương rms của phổ nguồn phát.
Như vậy, tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm 2 thành phần chính là tán sắc mode
và tán sắc bên trong mode. Tán sắc bên trong mode lại gồm có tán sắc ống dẫn sóng và
tán sắc vật liệu. Tán sắc bên trong mode còn được gọi là tán sắc màu CD (chromatic
dispersion). Do chỉ xét đến sợi đơn mode nên ở đây quan tâm đến tán sắc màu.
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,
vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh
sáng tín hiệu. Hình vẽ 1-2 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc nhóm của một xung ánh
sáng đối với các bước sóng khác nhau trong một sợi cáp quang thông tin đơn mode thông
thường.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 6

Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang
Trên hình vẽ 1-2, chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận

tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng. Như chúng ta đã biết, trên thực tế
không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ
nhất định. Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ
Δλ
0
truyền qua một sợi cáp quang đơn mode. Các thành phần bước sóng dài hơn của
xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng
đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị
chèn lên nhau (hình 1-3). Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2
xung riêng biệt. Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc
rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu.

Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền
a) Xung tại đầu phát b) Xung tại đầu thu

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 7
1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến
Trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng, có cự ly dài, dung lượng rất lớn thì
ngoài tham số suy hao và tán sắc còn phải tính đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi
tuyến. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến là do tương tác lẫn nhau giữa các kênh với
các bước sóng khác nhau được ghép trong sợi quang.
1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng được
gọi là hiệu ứng Kerr quang, trong đó toàn bộ các trường tham gia vào tương tác phi
tuyến ở cùng một tần số. Chỉ số chiết suất biến đổi như sau:

n
,
j

= n
j
+
n
2
.
eff
A
P
với j=1,2… (1-5)
Trong đó: n
,
1
, n
,
2
là chiết suất lõi và vỏ.

n
2
là hệ số chiết suất phi tuyến.
n
j
là chỉ số chiết suất tuyến tính

n
2
/10.3
220
m



W với sợi silica
Hệ số truyền dẫn phi tuyến:

P
A
P
n
A
P
n
nn
c
n
eff
eff
jjj
.
2
2
2.
.2.
2
2
''
'













(1-6)
Với
/
2
2
n




A
eff
là hằng số truyền dẫn phi tuyến.
Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi
tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là:


Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 8

effin

L
in
Lz
in
z
in
LL
NL
LPePeP
dzePdzzPdz
)1(
1
|.
1

)(.)(
0
00
'















(1-7)
P
in
giả thiết là không đổi. Thực tế sự phụ thuộc của P
in
vào thời gian làm cho
NL


thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển tần số mà từng bước ảnh hưởng tới
hình dạng xung qua GVD. Để giảm ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến thì độ dịch pha
phi tuyến cần thỏa mãn điều kiện
NL

<<1. Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của
công suất quang:







.
1
1
eff

ineffinin
L
PLPP
(1-8)
Với
2,046.0/2.0
1



KmKmdB
W
11
.

Km
, ta có:
P
in
<<
023.0
2
046.0

W= 23mW
Rõ ràng sự phụ thuộc chiết suất vào công suất quang là một yếu tố giới hạn với
hệ thống truyền thông quang. Hiện tượng phi tuyến tương ứng với giới hạn này được gọi
là tự điều chế pha SPM vì độ dịch pha
NL


được cảm ứng bởi chính trường quang. SPM
tương tác với tán sắc sắc thể trong sợi để thay đổi tốc độ mở rộng xung khi nó lan truyền
trong sợi quang. Khi tán sắc sắc thể trong sợi quang càng tăng ảnh hưởng của SPM càng
lớn. Nó dẫn đến việc thay đổi các thành phẩn trong xung quang. Hiệu ứng này có thể
xem như là cơ chế chirp phi tuyến, tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung
có thể bị chirp không chỉ đơn giản do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương
tác phi tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi. Điều này dẫn đến sự dịch các sườn
xung, xung lên bị dịch về phía bước sóng dài hơn và xung xuống bị dịch về phía bước
sóng ngắn hơn và dẫn tới một sự dịch tần trên mỗi sườn xung mà tương tác với tán sắc
sợi để mở rộng xung.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 9


Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung

1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM)
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ trường của sóng ánh sáng có thể
cũng dẫn đến hiện tượng phi tuyến được biết là điều chế chéo pha. Nó chỉ xuất hiện
trong hệ thống đa kênh và xảy ra khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi
sử dụng các tần số sóng mang khác nhau. Độ dịch pha phi tuyến cho một kênh riêng
không phụ thuộc vào chỉ số chiết suất của kênh khác. Độ dịch pha cho kênh j là:














M
jm
mjeff
NL
j
PPL 2.

(1-9)
Trong đó: M là tổng số kênh
P
j
là công suất kênh j (j=
M,1
).
Hệ số 2 chỉ ra rằng XPM ảnh hưởng bằng 2 lần SPM với cùng công suất. Độ dịch
pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ thuộc vào
kiểu bit của kênh lân cận.
Nếu ta giả sử công suất các kênh bằng nhau, độ dịch pha trong trường hợp xấu
nhất khi tất cả các kênh truyền đồng thời tất cả các bit 1 là:

Sự dịch
xung
Xung bị mở rộng
khi lan truyền trong

sợi
Chirp tần số
Xung đã phát
Tần số

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 10

 
j
NL
j
PM 12 



(1-10)

Để

NL
j

1 => P
j
<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá trị

và

ở vùng


=1,55
m

. Rõ ràng XPM có thể là nhân tố giới hạn công suất chính.
Tóm lại: Với những xung quang rộng tương đối (>100ps), ảnh hưởng của tán sắc
không đáng kể. Với những xung quang ngắn hơn, ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến
hoạt động cùng nhau trên xung dẫn đến nhiều đặc tính mới. Cụ thể sự mở rộng xung
quang do tán sắc được giảm nhiều với sự có mặt của SPM và GVD dị thường.
1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing)
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ có gốc của nó trong độ cảm phi
tuyến bậc 3 được biểu hiện bởi
)3(

. Hiện tượng phi tuyến khác được biết từ sự trộn 4
sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của
)3(

trong sợi thủy tinh. Nếu 3 trường
quang với tần số sóng mang
321
,,

lan truyền đồng thời trong sợi,
)3(

tạo ra trường
thứ tư mà tần số
4


của nó liên quan với các tần số qua công thức:
4

=
321


.
Về nguyên lý sẽ xuất hiện nhiều tần số tương ứng với các sự kết hợp khác nhau
của các dấu +, Tuy nhiên trong thực tế hầu hết sự kết hợp của chúng không xây dựng
được yêu cầu thích ứng pha. Sự kết hợp của dạng
3214


là gây rắc rối nhất
cho hệ thống truyền thông quang đa kênh vì chúng có thể gần với pha được thích ứng khi
bước sóng nằm ở vùng tán sắc bằng 0.
Hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu năng trộn là:
- Đầu tiên là khoảng cách kênh. Hiệu năng trộn sẽ tăng mạnh mẽ khi khoảng
cách kênh trở nên gần hơn.
- Thứ hai là tán sắc sợi. Hiệu năng trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi và lớn nhất ở
vùng tán sắc bằng không vì khi đó các sản phẩm trộn không mong muốn sẽ di
chuyển cùng tốc độ. Do vậy trong thực tế, các sợi dịch tán sắc thường được
thiết kế để có tán sắc dư ở bước sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của
FWM.
Hình vẽ sau mô tả hiệu năng trộn 4 sóng trong sợi đơn mode.