Thông tin quang / C2_3_ Tán sắc trong sợi quang doc

1
Tán sắc trong sợi quang – Dispersion
 Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh
sáng theo thời gian khi truyền tín
hiệu, gây nên méo tín hiệu.
Đây là vấn đề quan trọng với tuyến
tốc độ cao, đường truyền dẫn dài.
 [ps.km
-1
.nm
-1
]: độ lệch thời gian lan
truyền xung ánh sáng trên 1km sợi
quang và với phổ bức xạ của nguồn
phát quang rộng 1nm.
 Các loại tán sắc:
 Tán sắc mode
 Tán sắc dẫn sóng
 Tán sắc vật liệu
 Tán sắc mặt cắt (nhỏ)
Tán sắc giữa
các mode
Tán sắc
trong mode
Hanoi University of Technology
2
Tán sắctổng (Dispersion)
3
Tán sắc mode – Modal Dispersion
 Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sáng của các mode
khác nhau. Sự chênh lệch thờigianđến điểm thu giữa các tia

sáng gây trễ nhóm mode lan truyền → dãn xung ánh sáng.
 Trong sợi đơn mode không có tán sắc mode
4
Tán sắc mode
5
 Các mode lan truyềnbaogồmtừ mode bậc0 đến
mode bậc(N –1)
 Mode bậc0 coinhư truyền song song vớitrụccủa
sợi quang vớiquãngđường ngắnnhất L (km)
 Mode bậc cao nhất(N –1) truyềngầngóctớihạn
θ
c
vớiquãngđường dài nhất:
 Tán sắcmode:
()
km
L
C
θ
sin
cn
NA
D
e
⋅⋅
=
1
2
mod
2

6
Tán sắc mode – D
mode
Độ dãn xung tín hiệu–τ
mode
 Tán sắc mode sau quãng đường L (km) hay độ giãn xung
tín hiệuquangsau khi truyền trong sợi quang dài L (km)
đobằng hiệuthờigiantruyềngiữa mode bậc cao nhất
và mode bậcthấpnhất:
ee
c
e
DL
c
n
L
n
nn
c
n
L
n
n
c
n
L
c
n
L
mod

1
mod
2
211
2
111
mod
11
sin
1
⋅=
∆
⋅≅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
τ
θ
τ
7
Tán sắc đơnsắcD
chro
(λ)– Chromatic Dispersion
Những khái niệmcơ bản
 Trong thông tin quang, các xung ánh sáng được
dùng để truyền thông tin. Chúng là những nhóm
sóng ngắn trong đó có các sóng ánh sáng ở những
bước sóng khác nhau.
 Bên trong những nhóm sóng như vậy, các sóng
riêng biệt sẽ truyền với tốc độ khác nhau do
chúng có các bước sóng khác nhau.
 Tốc độ truyền của một nhóm sóng gọi là vận tốc
nhóm - Group velocity.
8
Những khái niệmcơ bản (tiếp)

 Chiếtxuất khúc xạ nhóm – Group refractive index:
Chỉ số chiết xuất khúc xạ n và chiết xuất khúc xạ nhóm n
g

đều là hàm của bước sóng λ
Ví dụ:
(hình vẽ p20) Trong thủy tinh silica tinh khiết, n và
n
g
đều giảm khi bước sóng tăng.
λ
λ
d
dn
nn
g
−=
9
Những khái niệm cơ bản (tiếp)
 Vận tốc nhóm – Group velocity:
 Khi truyền trong sợi quang L (km), xung ánh sáng có
thờigiantrễ nhóm hay độ dãn xung tín hiệu – Group
delay time:
→ n
g
, τ
g
phụ thuộcvào λ.
g
g

g
n
c
L
v
L
⋅==
τ
g
g
n
c
v =
10
Tán sắcvậtliệuD
mat
(Material Dispersion)
 Tán sắcvậtliệu là phép đonhững biến đổicủa chiếtxuấtkhúcxạ
nhóm n
g
ở những bước sóng khác nhau. Tán sắcvậtliệu được tính
từ tích phân củan
g
theo bướcsóng:
()
()
()
⎥
⎦
⎤

⎢
⎣
⎡
⋅
⋅=
⋅=
kmnm
ps
d
d
L
D
d
dn
c
D
g
mat
g
mat
λ
λτ
λ
λ
λ
λ
1
)(
1
→ sẽ tồn tại một giá

trị của λ mà tại đó
D
mat
= 0
λ
ZDmat
11
Tán sắcvật liệuD
mat
 D
mat
= 0 tại λ = λ
ZDmat
 λ
ZDmat
= 1,276µm là bước sóng có tán sắc vật liệu
bằng không vớithủy tinh thuần khiết, có thể thay đổi
trong khoảng 1,27 – 1,29µmvới lõi và vỏ có pha tạp.
 D
mat
< 0 khi λ < λ
ZDmat
 D
mat
> 0 khi λ > λ
ZDmat
 Trong dải 1,25 - 1,66µm có thể tính xấp xỉ Dmat
theo công thức:
)1(122
λ

λ
ZDmat
mat
D −×≈
12
Tán sắcdẫnsóngD
wg
(Waveguide Dispersion)
 D
wg
do sợi đơn mode chỉ giữ
được khoảng 80% năng lượng
trong lõi, còn 20% ánh sáng
truyền trong vỏ nhanh hơn
năng lượng trong lõi.
 D
wg
phụ thuộcvàohằng số lan
truyền sóng β (hay phụ thuộc
vào thiếtkế sợinhư các tham
số a, n và λ)
 Trong vùng bước sóng
0 → 1,6µm : D
wg
< 0
13
Tán sắc đơn sắc: D
chro
(λ) = D
mat

+ D
wg
λ
ZD
14
Tán sắc đơn sắcD
chro
 D
chro
= 0 tại λ = λ
ZD
 λ
ZD
≈ 1,31µm là bướcsóngcótánsắc đơn sắc bằng
không vớithủy tinh thuần khiết. (dịch chuyển 30 - 40
nm so với λ
ZDmat
)
 D
chro
< 0 khi λ < λ
ZD
 D
chro
> 0 khi λ > λ
ZD
15
Độ dãn xung tín hiệu đơnsắc–τ
chro
Độ dãn xung tín hiệutổng – τ

LD
chrochro
⋅
∆
⋅
=
λ
τ
22
mod chroe
τττ
+=
16
Ưu điểmcủaD
wg
 GiảmD
chro
trong vùng bước sóng 1,3 – 1,6µm
 D
wg
phụ thuộc vào tham số sợi quang như a, ∆ nêncóthể thay
đổi giá trị D
wg
bằng cách chế tạo sợicóλ
ZD
nằm trong vùng
bước sóng suy hao thấp 1550nm tạo nên các sợitánsắcdịch
chuyển
17
Nguyên tắctạosợi quang mới

 Điềuchỉnh các tham số cơ bảntrongcấutrúcloại
sợi đơn mode nhằmdịch chuyểntánsắctốithiểu ở
vùng bước sóng 1300nm tớibước sóng có suy hao
nhỏ quanh vùng 1550nm.
 Ví dụ: tán sắcvậtliệucủasợitiêuchuẩnSMF làmtừ SiO
2
có D=0 tại λ
ZD
=1270nm. Nếu pha thêm mộtsố tạpchất
như GeO
2
và P
2
O
5
vào lõi sợi, điểmD=0 sẽ chuyển đến
các bước sóng lớnhơn.
18
Các sợidẫn quang đơn mode mới
 Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF hay sợi không có tán sắcdịch chuyển
DUF (G652 )
 Sợiquangđơnmode tánsắcdịch chuyển DSF (Dispersion – Shifted
Fiber) (G653): có λ
0
nằm trong vùng 1550nm, tại đógiátrị D = 0. Được
sử dụng vào hệ thống TTQ hoạt động ở vùng 1550nm, hệ thống có
EDFA, hệ thống đơn kênh quang.
 Sợiquangđơnmode tánsắcdịch chuyển không bằng không hay tán
sắcdịch chuyển khác không NZ-DSF (Non – Zero DSF) (G655): có tán
sắcnhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểulà0,1ps/nm.km ≤ Dmin ≤

Dmax ≤ 6ps/nm.km trong vùng bước sóng 1530 – 1565nm. Thích hợpvới
hệ thống WDM có dung lượng lớnvàcự ly xa do giảm được các hiệu
ứng phi tuyến.
19
Các sợidẫn quang đơn mode mới