luận văn thạc sĩ hệ thống truyền dẫn quang tốc độ

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñề tài luận văn thạc sỹ khoa học: "Hệ thống
truyền dẫn quang tốc ñộ cao” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn
của GS.TS. Trần ðức Hân. ðây không phải là bản sao chép của bất
kỳ một cá nhân, tổ chức nào. Các số liệu, kết quả trong luận văn ñều
do tôi làm thực nghiệm, xác ñịnh và ñánh giá.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi ñã
trình bày trong Luận văn này.

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2011
HỌC VIÊN



Nguyễn Thành Vinh
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN

CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ðẦU 1

CHƯƠNG 1: SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG QUANG

TỐC ðỘ CAO 3

1.1 Các sợi quang ñơn mode dùng trong hệ thống quang tốc ñộ cao 3

1.2. Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang. 6

1.2.1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang 7

1 2.2. Suy hao do tán xạ 8

1.2.3. Suy hao uốn cong sợi 9

1.3 Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang 9

1.3.1. Tán sắc vật liệu 10

1.3.2. Tán sắc dẫn sóng 11

1.3.3. Tán sắc vận tốc nhóm 13

1.3.4. Tán sắc bậc cao 14

1.3.5.Tán sắc phân cực mode 15

CHƯƠNG 2: NGUỒN PHÁT VÀ NGUỒN THU QUANG TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO 17

2.1. Nguồn phát quang dùng cho hệ thống 40Gbit/s 17

2.1.1. Laser phản hồi phân tán DFB 18

2.1.2. Phương thức ñiều chế nguồn phát hệ thống 40Gb/s 19

2.2. Bộ thu quang dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s 25

CHƯƠNG 3: KHUẾCH ðẠI QUANG SỢI EDFA DÙNG TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO 29

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt ñộng 29
3.2. Các ñặc tính cơ bản của EDFA 31

3.2.1. Nguồn bơm quang 31

3.3.2 Hệ số khuếch ñại 35

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
3.3. Bão hoà hệ số khuếch ñại. 38

3.3.4. Hấp thụ và bức xạ giữa các phần 40

3.3.5. Các phương trình tốc ñộ hạt mang và khuếch ñại 41

3.3.6. ðộ ñài tối ưu của EDFA 43

3.3.7. Tạp âm và hệ số tạp âm 44

3.4. Các ứng dụng của EDFA 50

3.4.1. Bộ khuếch ñại công suất (BA-Hooster Amplifier) 50

3.4.2. Tiền khuếch ñại (PA: Pre-Amplifer) 51

3.4.3. Khuếch ñại ñường dây(La-Line Amplifier) 52

3.4.4. Lựa chọn hệ thống sử dụng EDFA 53

CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC PHI TUYẾN ðẾN CHẤT
LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 40 Gb/s
VÀ GIẢI PHÁP BÙ TÁN SẮC 54

4.1. Ảnh hưởng của tán sắc ñến hệ thống 54

4.1.1. Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) 54

4.1.2. Tán sắc giới hạn tốc ñộ truyền dẫn 56

4.1.3. Ảnh hưởng của chirp tần số 58

4.2. Các kỹ thuật bù tán sắc 58

4.2.1. Bù tán sắc bằng sùi tán sắc cao 60

4.2.2. Kỹ thuật bù trước 62

4.3. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ñến hệ thống thông tin quang 64

4.3.1. Các hiệu ứng liên quan ñến hiệu ứng KERR 64

4.3.2. Các hiệu ứng liên quan ñến tán xạ 71

CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG 40Gb/s 75

5.1. Sơ lược về hệ thống 75

5.2. Phương pháp ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống 76

5.3. Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ trên tuyến có ñộ tán sắc ñược quản
lý (DM line) 77

5.3.1. Giải pháp xung ổn ñịnh (DM soliton) 77

5.3.2. Các ñặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với giải pháp xung
DM. 81

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
5.4.Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ với ñiều chế ñồng bộ thông thường 83

5.4.1.Cấu trúc hệ thống 40Gb/s sử dụng giải pháp ñiều chế ñồng bộ
thông thường 83

5.4.2. ðặc trưng của hệ thống truyền dẫn 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ thông
thường 85

5.5. Hệ thống truyền dẫn RZ 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ cải tiến 87

5.5.1. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s sử dụng công nghệ ñiều chế ñồng bộ
cải tiến 87

5.5.2. ðặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ cải
tiến. 88

CHƯƠNG 6: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG ðIỀU CHẾ ðẾN HỆ
THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ðỘ CAO 92

6.1. Ảnh hưởng của các dạng ñiều chế trong các sợi quang khác nhau . 92

6.1.1. Nguyên lý. 92

6.1.2. Giản ñồ của hệ thống 92

6.1.3. Các kết quả mô phỏng 96

6.1.4 Tổng kết. 99

6.2. Ảnh hưởng của dạng ñiều chế trên các hệ thống quang ñược quản lý tán
sắc 100

6.2.2. Thiết lập hệ thống và mô hình toán học 100

6.2.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận 103

6.2.4. Ảnh hưởng của nhiễu ASE 105

CHƯƠNG 7: BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 108

7.1. Sơ ñồ thuật toán của chương trình 108

7.2. Các chức năng chính của phần mềm 108

7.3. Các form chính của phần mềm 109

7.4. Các hàm thiết kế chính 114

7.4.1. Hàm nhập thiết bị EDFA 114

7.4.4. Hàm mô phỏng hệ thống trình bày trong chương 6 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
CÁC TỪ VIẾT TẮT

APD : Avalanche Photodiode
ASE : Amplified Spontaneous Emission
BA : Booster Amplifier
BER : Bit Error Rate
DFB : Distributed Feedback
DM : Dispersion Management
DSF : Dispersion Shifted Fiber
EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier
ESA : Excited State Absorption
FWHM : Full Width Half Max
FWM : Four Wave Mixing
GVD : Group Velocity Dispersion
LA : Line Ampifier
LD : Laser Diode
LEAF : Lerger Effective Area Fiber

MZ : Mach - Zehnder
MMF : Multi-Mode Fiber
NRZ : Non-Return to Zero
NZ-DSF : Nonzero Dispersion Shifted Fiber
NEP : Noise Equivalent Power
NF : Noise Figure
O/E : Optical- Electric converter
OEIC : Optoelectronic Intergrated Circuit
PA : Power Amplifier
PMD : Polarization Mode Dispersion
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
PRBS : Psedo-Random Bit Sequences
PIN : P type Intrinsic N type
SBS : Simulated Brilium Scanering
SOA : Semiconductor Optical Amplifier
SNR : Signal to Noise Rate
SMF : Single Mode Fiber
SPM : Selfphase Modulation
SRS : Stimulated Raman Scanering
TL : Teralight
RZ : Return to Zero
WDM : Wevelength Division Multiplexing
XPM : Cross Phase Modulation
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tán sắc của các loại sợi SMF. DSF và NZ-DSF 4

Hình 1.2 Các ñặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế 8

Hình 1.3. Sự suy hao do uốn cong thay ñổi theo bán kính R 9

Hình 1. 4. Chỉ số chiết suất và chỉ số nhóm 11

Hình 1.5. Tham số b và các vi phân của nó d (Vb) và Vd
2
thay ñổi theo V 12

Hình 1.6. Các loại tán sắc cho sợi ñơn mode. M: tán sắc vật liệu G: tán sắc dẫn
sóng; T: tán sắc tổng P: tán sắc do mặt cắt gây ra, R: tán sắc dư 12

Hình 1.7. Tán sắc phân cực mode trong sợi quang 15

Hình 2.1. Cấu trúc của DFB 19

Hình 2. 2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật ñiều chế ngoài 20

Hình 2.3. Bộ ñiều chế Mach-zehnder 22

Hình. 2.4. Sơ ñồ nguyên lý của một bộ biến ñiệu ñiện quang Mach-zehnder 22

Hình 2. 5. Bộ ñiều chế âm quang 25

Hình 2.6. Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs 27

Hình 3.1: Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch ñại quang EDFA 31

Hình 3.2: Các mức năng lượng trong EDFA 31

Hình 3.3. Giản ñồ năng lương của Er
3+qe
32

Hình 3.4. Bơm 1540nm, do ảnh hưởng Stark nên xảy ra sự tách biệt trong mức cơ
bản và mức gần ổn ñịnh ra nhiều mức nhỏ riêng biệt 33

Hình 3.5. Hai loại bơm (a)bơm dọc (b) bơm ngang 34

Hình 3.6. Tính năng của 3 phương thức bơm 35

Hình 3.7. Phổ khuếch ñại của EDFA ở bước sóng bơm 980nm 35

Hình 3.8. Quan hệ giữa hệ số khuếch ñai và nồng ñộ trộn Er
3+
36

Hình 3.9 miêu tả sự thay ñổi hệ số khuếch ñại, mức nhiễu, công suất bão hòa 37

Hình. 3.10. ðặc tuyến vào ra của EDFA 39

Hình 3.11.Phổ hấp thụ của Er ở bước sóng 1540 nm 41

Hình 3.12. ñộ dài sợi EDF 43

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao
HVTH: Nguyễn Thành Vinh
Hình 3.13. Hàm mật ñộ phổ công suất của tạp âm ASE 47

Hình 3.14. Minh họa cách tính NF 48

Hình 3.15. Hệ số tạp âm của EDFA 49

Hình 3 16: Các ứng dụng của EDFA 50

Hình 4.1. Hệ số giãn xung phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn ñối với các xung
Gaussian 55

Hình 4. 2 Giới hạn tốc ñộ bít của sợi ñơn mode phụ thuộc vào cự ly 57

Hình 4.3. ðặc tính tán sắc của hai sợi DCF 61

Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 62

Hình 4.4 Sự phụ thuộc của FWM vào D trong sợi quang 68

Hình 4. 5. Sự tương tác giữa photon và phonon quang 71

Hình 4. 6. Hiện tượng Raman nghiêng 72

Hình 4 .7. Phổ khuếch ñại Ra man của silic ở bước sóng bơm
p
1 m
λ = µ
73

Hình 5.1. Cấu hình của hệ thống 40Gb/s RZ trên tuyến Dm gồm SMF và DCF 76

Hình 5. 2. Sự phát triển của ñộ rộng xung quang phổ và D
chirp

ñược ño tại EDFA (a)
ðộ rộng phổ; (b) D
chirp
78

Hình 5. 3: ðộ rộng phổ và D
chirp
xung DM ñươc ño ở một EDFA như một hàm của
năng lương xung 80

Hình 5.4: Khoảng cách truyền dẫn qua ñó hệ số Q>7 trong hệ thống 40Gb/s trong
tuyến DM gồm SMF. 82

Hình 5.5. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s RZ dùng công nghệ ñiều chế ñồng bộ ñội
tuyến thông thường và cấu trúc cua bộ ñiều chế ñồng bộ 84

Hình 5.6 chỉ ra khoảng cách truyền dẫn cho hệ số Q >7 trong hệ thống 40Gb/s với
sự ñiều chế ñồng thông thường như ñược chỉ ra ở hình 5.5 85

Hình 5.7. Dạng sóng của xung 86

Hình 5.8 Cấu trúc của hệ thống 40 Gb/s RZ sử dụng công nghệ ñiều chế ñồng bộ
nội tuyến cải tiến 87

Hình.5.9. Khoảng cách truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s RZ với Q> 7 trên tuyến 88

Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh

Hình 5.10. Sự phát triển ñộ rộng xung, ñộ rộng phổ và Dchirp khi một xung ñơn
ñược truyền trên tuyến DM với ñiều chế ñồng bộ cải tiến 89

Hình 5.11. Sự phát triển dạng sóng của xung trên tuyến DM với ñiều chế ñồng bộ
cái tiến (a)sự truyền dẫn xung ñơn; truyền dẫn 2 xung 90

Hình 6.1. Mô tả hệ thống WDM 92

Hình 6.2. Quản lý tán sắc trên mô phỏng 94

Hình 6.3. NRZ trong các hệ thống 40 GHz; công suất trung bình mỗi kênh là 3dB 97

Hình 6.4: CS-RZ trong các hệ thống 40GHz, công suất trung bình của mỗi kênh là
3dB 97

Hình 6. 5. Hệ thống 40 Gb/s NRZ-DPSK, công suất trung bình mỗi kênh là 0dBm98

Hình 6.6. Hệ thống 40 Gb/s RZ-DPSK~ công suất trung bình mỗi kênh là 0dB 99

Hình 6.7. Sơ ñồ khối của hệ thống 101

Hình 6.8. Quảng lý tán sắc trong mô phỏng 102

Hình 6. 9. EOP (eye-opening-penalty) dọc theo ñường truyền bao gồm cả SSMF và
DCF) khi công suất vào trung bình tà 12dBm và mã hóa quang theo kiểu NRZ 103

Hình 6.10. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang
ñối với tốc ñộ dữ liệu 10 Gb/s 104

Hình 6.11. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang

ñối với tốc ñộ dữ liệu 40 Gb/s 105

Hình 6.12: Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ở
tốc ñộ dữ liệu 10Gb/s. 106

Hình 6.13. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ở
tốc ñộ dữ liệu 40 Gb/s. ðường ñặc 107


Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Một số loại sợi NZ-DSF 5

Bảng 3.1.So sánh các công nghệ ghép bước sóng: 34

Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 62

Bảng 6.1: Các thông số của hệ thống 95

Bảng 6. 3: Các thông số của SSMF và DCF 101

Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
1

LỜI NÓI ðẦU

Trong những năm vừa qua, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ ñiện tử- viễn
thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang ñã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành
không ngừng giảm xuống tạo ñiều kiện cho việc sử dụng ngày càng rộng rãi trên nhiều
lĩnh vực. Hiện nay, hệ thống thông tin quang ñã nổi lên và là các hệ thống thông tin tiên
tiến bậc nhất. Trong tương lai, cáp sợi quang ñược sử dụng rộng rãi và là môi trường
truyền dẫn lí tưởng. Cảnh quang chung về mạng quang qua các giai ñoạn như sau:
Thế hệ quang thứ nhất ñược thương mại hóa từ năm 1980, hoạt ñộng ở bước sóng
800nm và sử dụng laser bán dẫn GaAs. Tốc ñộ dữ liệu của hệ thống khoảng 45Mb/s
với khoảng lặp là 10km.
Thế hệ quang thứ 2 ñược thương mại hóa từ sau những năm 1980, hoạt ñộng ở
bước sóng gần l.3
m
µ
, trong ñó suy hao quang <l dB/km và sợi quang có tán sắc nhỏ
nhất trong vùng này. Năm 1987, hệ thống truyền dẫn quang thế hệ 2 ñã có tốc ñộ bít
1.7 Gb/s và khoảng lặp 50km.
Hệ thống quang thế hệ 3 có tốc ñộ bít 2.5Gb/s và ñược thương mại hóa từ năm
1990. Nó ñược biết ñến với sợi quang silic có suy hao tối thiểu (0.2-dB/km) ở gần
bước sóng 1550nm. Không may là sợi quang lại có tán sắc lớn ở vùng bước sóng
1550nm. ðể giải quyết vấn ñề này, người ta ñã ñưa ra loại sợi quang tán sắc dịch
chuyển và laser ñơn mo de dọc. Mặt hạn chế của mạng quang thế hệ 3 là tín hiệu phải
ñược phát lại một cách tuần hoàn bằng ñiện khi qua các bộ lặp với khoảng cách lặp
tiêu biểu là 60-70km.
Việc sử dụng EDFA và WDM là một ñặc ñiểm nổi bật của mạng quang thế hệ
thứ 4 ñược phát triển từ những năm 1985 và ñược thương mại hóa từ năm 1990. EDFA
làm cho cho tín hiệu quang có thể truyền tới khoảng cách hàng nghìn tìm mà không
cần sử dụng bộ tái tạo ñiện. Việc phát minh ra kỹ thuật WDM ñã mở ra một cuộc cách

mạng về dung lượng truyền dẫn quang. Thời gian này, người ta ñã có thể truyền qua
khoảng cách 11.300km sử dụng cáp quang vượt biển ở tốc ñộ dữ liệu 5Gb/s.
Mạng quang thế hệ tiếp theo, thế hệ 5, hệ thống quang lại tiếp tục phát triển và
tập trung vào 2 nội dung chính sau. Một là ñể tăng bước sóng ñến dải L (1570nm
1610nm) và dải S (1485nm - 1520nm) ñể tăng số kênh WDM. Hiện nay, hệ thống
sóng quang ñược hoạt ñộng ở cửa sổ bước sóng truyền thống là dải C (1530nm -
1565nm). Hai là tập trung vào việc tăng tốc ñộ dữ liệu của mỗi kênh. Rất nhiều thí
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
2

nghiệm ñã thành công ở tốc ñộ 10 Gb/s và 40 Gb/s từ năm 2000. Ở tốc ñộ cao như thế,
việc quản lý bù tán sắc và chống lại các hiệu ứng phi tuyến như SPM, XPM và FWM
là rất quan trọng.
Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan ñến hệ thống truyền dẫn tốc ñộ
cao, ñặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 40 Gb/s. Cụ thể như sau:
Chương 1:
Sợi dẫn quang dùng trong hệ thống quang tốc ñộ cao.

Chương 2:
Nguồn phát và nguồn thu quang trong hệ thống quang tốc ñộ cao.
Chương 3:
Khuếch ñại quang sợi EDFA dùng trong hệ thống quang tốc ñộ
Chương 4:
Ảnh hưởng của tán sắc phi tuyến ñến chất lượng của hệ thống thông
tin quang 40 Gb/s và giải pháp bù tán sắc.
Chương 5:
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

Chương 6:
Ảnh hưởng của các dạng ñiều chế ñến hệ thống truyền dẫn quang tốc
ñộ cao.
Chương 7:
Bài toán mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang.
Mặc dù ñã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành ñề tài song do
trình ñộ và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận ñược ý
kiến ñóng góp quý báu của các thầy cô giáo, chuyên gia chuyên nghành, ñồng nghiệp.
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
3

CHƯƠNG 1
SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG
QUANG TỐC ðỘ CAO

1.1 Các sợi quang ñơn mode dùng trong hệ thống quang tốc ñộ cao.
Khi phân tích các sợi quang ta thấy rằng sợi ñơn mode có suy hao nhỏ và có băng
tần rất lớn. ðiều ñó khẳng ñịnh vai trò và năng lực của nó trong mạng viễn thông hiện ñại
và trong tương lai. Tuy nhiên ñể nâng cao hơn nữa khả năng sửdụng sợi ñơn mode thông
thường người ta tiếp tục thay ñổi một số tham số trong cấu trúc sợi này. Nhờ tối ưu hoá
sợi ñơn mode, công nghệ quang sợi ñã cho ra ñã cho ra ñời một loại sợi mới có suy hao
rất nhỏ, có chất lượng truyền dẫn tốt hơn, tích băng tần cự li lớn và có tuổi thọ cao sẽ ñáp
ứng ñược yêu cầu cao của những hệ thống truyền dẫn tốc ñộ cao.
Có thể nhận thấy rằng có thể tạo ñược các loại sợi quang dẫn mới khi thay ñổi
mặt cắt chỉ số chiết suất của lõi sợi. Cho tới nay người ta ñã thiết kế và chế tạo hai loại
sợi quang mới dùng khá hiệu quả trong các hệ thống thông tin quang dựa theo nguyên

tắc trên, ñó là sợi quang ñơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispertion-shifted Fiber)
và sợi ñơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác
không NZ-DSF(Non-zero Dispersion-Shifted Fiber).
Sợi DSF là sợi quang ñơn mode có bước sóng λο nằm trong vùng bước sóng bước
sóng 1550 nm (1525nm- 1575nm) mà tại ñó giá trị tán sắc bằng không, và sợi này ñược sử
dụng tối ưu cho các bước sông nằm xung quanh 1550nm. Do sợi quang ñơn mode DSF có
cả suy hao nhỏ giống như sợi ñơn mode SMF thông thường và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất
có hiệu quả trong việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt ñộng ở vùng bước
sóng 1550nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuyếch ñại quang sợi pha tạp Erbium
EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier), trong ñó hiệu quả nhất là ñối với các hệ thống ñơn
kênh quang.Như vậy, nhờ loại sợi này mà ta có thể xây dựng ñược các hệ thống thông tin
quang có tốc ñộ cao, cự ly xa chẳng hạn như các hệ thống thông tin cáp quang biển.
Sợi NZ-DSF là sợi quang ñơn mode có giá trị tán sắc mà giá trị tuyệt ñối của nó nhỏ
nhưng không bằng không trong vùng bước sóng 1550nm, bước sóng mà tại ñó tán sắc
bằng không nằm ở ngoài vùng bước sóng 1500nm - 1600nm. Sợi này ñược coi là ưu trong
các hệ thống thông tin quang hoạt ñộng tại các bước sóng nằm trong vùng bước sóng
1500nm- 1600nm, khi kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng trên 1 sợi quang, lúc này
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
4

phi tuyến của sợi quang lại cần phải xem xét kĩ lưỡng. ðáp ứng phi tuyến này gây ra thêm
một loạt các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM(Four Wave Mixing),
tự ñiều chế pha SPM(Self Pha se Modulation). Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM
gây ra nhiều phức tạp hơn cả. Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của
sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thích hợp với các hệ thống WDM
có dung lượng vả cự ly xa. Sự ra ñời của sợi NZ-DSF vào năm 1994 ñã giải quyết ñược
vấn ñề này. ðặc tính suy hao của sợi này tương tự như sợi ñơn mode thông thường SMF,

nhưng ñiểm nổi bật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là
0,lps/km.nm
≤
Dmin
≤
Dmax
≤
6 ps/km. nm trong vùng bước sóng 1530nm- 1565nm.
Có hai loại sợi NZ-DSF. Loại sợi +NZ-DSF có ñiểm tán sắc bằng không nằm ở
vùng bước sóng < 1500nm như ñược thể hiện trong hình 2.4. Loại sợi -NZ- DSF có
ñiểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng > 1600nm. Ngoài ra còn có loại sợi
NZ-DSF có hai ñiểm tán sắc bằng không thuộc loại sợi tán sắc phẳng.

Hình 1.1. Tán sắc của các loại sợi SMF. DSF và NZ-DSF
Ngoài các ưu ñiểm về suy hao và tán sắc như ñã phân tích ở trên, sợi NZ-DSF
còn có các ñặc ñiểm rất mạnh khác như khả năng giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng
phi tuyến và giảm tán sắc phân cục mode. Nhìn chung các sợi quang ñược thiết kế ñể
dịch chuyển tán sắc thường có diện tích hiệu dụng Aeff khoảng 50-60
2
m
µ
. Trong khi
ñó ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tại tỉ lệ nghịch với Aeff ñối với các hiệu ứng
tán xạ Brillouin ñược kích thích SBS(Stimulated Brillouin Scanering), tán xạ Raman
ñược kích thích SRS (Stimulate Raman Scattering), SPM, FWM. Còn các ảnh hưởng
của các hiệu ứng phi tuyến lại tỉ lệ nghịch với (Aeff)
2
ñối với hiệu ứng XPM. Do ñó ñể
giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tích hiệu dụng của sợi.
Luận văn cao học

Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
5

Các sợi NZ-DSF ñã sử dụng cơ chế này ñể nâng cao năng lực ứng dụng của chúng.
Cũng vì vậy mà sợi quang cho phép có thể tiếp nhận công suất tín hiệu quang lớn hơn
và làm cự ly truyền dẫn càng dài thêm, làm giảm tổng số thiết bị sử dụng trên tuyến.
Hiện nay ñã có 1 số sợi tiên tiến thuộc loại NZ-DSF ra ñời. Tiêu biểu là sợi NZ-
DSF của Corning có tên là SMF-LS ra ñời năm 1997, LEAF ra ñời năm 1998. Lucent
thì sản xuất sợi sợi Trực wave RS.Và ñặc biệt Alcatel cho ra ñời sợi Teralight năm
1999, tiếp ñó Teralight me tro và terạlight Ultra, những loại cáp này hoàn toàn phù
hợp với hệ thống tốc ñộ cao 40Gb/s.
Như vậy có thể thấy rằng loại sợi tán sắc dịch chuyển DSF ra ñời với mục ñích dịch
chuyển vùng tán sắc tối ưu của sợi ñơn mode tiêu chuẩn SMF về vùng bước sóng 1550nm,
còn sợi NZ-DSF tiếp tục hợp lý hoá sợi DSF ñể trở thành sợi có khả năng hạn chế hiệu ứng
phi tuyến mà tiêu biểu là giảm FWM, ñể ứng dụng hiệu quả cho các hệ thống WDM mà
vẫn ñảm bảo cự ly truyền dẫn dài. Về ñặc tính suy hao của cả ba loại sợi SMF, DSF, NZ-
DSF nhìn chung ñều giống như nhau. Tuy nhiên chỉ có tán sắc CD và tán sắc PMD là có sự
khác nhau. Từ các ñặc tính của các loại sợi như vậy cho nên nếu sử dụng chúng phù hợp
trong từng ứng dụng cụ thể sẽ có rất nhiều hiệu quả cả về mặt kỹ thuật và kinh tế.
Bảng 1.1. Một số loại sợi NZ-DSF
Loại sợi
SMF-LS
NS-DSF
Submarine
SMF-LS
NS-DSF
LEAF
LEAF

Enhanced

Teralight
ultra
Thời ñiểm ra ñời 4/1997 2/1998 9/1998 1999
ðường kính vỏ phản xạ,
m
µ

125,0 1
±

125,0 1
±

125,0 1
±

125,0 1
±

125,0 1
±

ðường kính vỏ phản xạ,
m
µ
ngoài,
m
µ

245
5
±
245
5
±
245
5
±
245
5
±
245
7
±

ðường kính trường mode tại
1550nm,
m
µ

8,4
±
0,5 7,9
±
8,9 9,0
±
9,6 9,0
±

9,6 9,2
±
0,5
ðộ ñồng tâm của trường mode tại
1550nm,
m
µ

≤
0,5
≤
0,5
≤
0,5
≤
0,5
≤
0,5
Trường mode ðộ không tròn
ñều, %
Vỏ phản xạ
Rất nhỏ Rất nhỏ Rất nhỏ Rất nhỏ
Rất nhỏ

Hệ số tán sắc vùng 1550nm,
ps/nm
2
. km
4,4 4,4 3,7 3,7 8
ðộ dốc tán sắc, ps/km.nm

≤
0,12
≤
0,07
≤
07 07
≤
0,052
PMD, ps/km
1/2

≤
0,5
≤
0,1
≤
0,1
≤
0,08
≤
0,1
Hệ số suy hao tại 1550nm, dB/km
≤
0,25
≤
0,22
≤
0,23
≤
0,23

≤
0,22
Suy hao uốn cong tại 1550nm với
bán kính 37,5nm, dB
≤
0,05
≤
0,05
≤
0,05
≤
0,5 05
Diện tích hiệu dụng 55 70 70
÷
120 70
÷
120 63

Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
6

1.2. Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang.
Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, ñây là
hai yếu tố quan trọng, nó tác ñộng vào toàn bộ quá trình thông tin, ñịnh cỡ về khoảng cách
và tốc ñộ tuyến truyền dẫn cũng như xác ñịnh cấu hình của hệ thống thông tin quang.
Sự suy hao trong sợi quang dẫn ñến việc giảm công suất tín hiệu khi lan truyền
qua một khoảng cách nào ñó

.
ðể xác ñịnh khoảng cách lớn nhất mà một tín hiệu có
thể truyền ñối với một công suất phía phát ñưa ra và ñộ nhạy máy thu thì phải xét tới
sự suy giảm tín hiệu. ðộ nhạy của máy thu là công suất nhỏ nhất mà máy thu yêu cầu
ñể nhận ñược tín hiệu. Gọi P(L) là công suất của xung quang, L là khoảng cách (tìm)
từ ñầu phía phát và A là hệ số suy giảm của sợi(db/km). Sự suy giảm ñược ñặc trưng
bởi phương trình:
P(L) = 10
-AL/10P(0)

(1.1)
Tại P(0) là công suất quang ở ñầu phát. ðối với một tuyến dài L (km) thì P(L)
phải lớn hoặc bằng
(
)
MAX 10
r
P 0
10
L log
A P
=
(1.2)

Khoảng cách lớn nhất giữa ñầu phát và ñầu thu (hay khoảng cách giữa các bộ
khuyếch ñại ) phụ thuộc vào suy hao chung A nhiều hơn công suất ñưa ra của ñầu phát
như trước chúng ta ñã nói suy hao thấp nhất -O,2dB/km xảy ra ở 1550nm.
Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang và sợi
quang, giữa sợi quang và sợi quang và giữa sợi quang với ñầu thu quang cũng có thể coi
là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng

tạo ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi do ñó có thể làm giảm
chúng bằng nhiêu biện pháp khác nhau. Vấn ñề ta xét ở ñây là suy hao bản chất ở bên
trong sợi. Trong quá trình truyền ánh sáng bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao và làm
cho tín hiệu bị yếu ñi khi qua một cự ly lan truyền ánh sáng nào ñó. Cơ chế suy hao cơ
bản trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, do tán xạ hay do bức xạ năng lượng ánh sáng.
Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu sợi bao gồm hấp thụ
do tạp chất hấp thụ vật liệu và hấp thụ ñiện, còn suy hao do tán xạ có liên quan tới cả vật
liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi. Còn suy hao bức xạ là do tính xáo trộn về
hình học của sợi gây ra.
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
7

Từ phương trình trên ta có suy hao là
(
)
10
r
P 0
10
A log
A P
=
(1.3)
1.2.1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang
Hấp thụ ánh sáng trong sợi dẫn quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản
chất suy hao của sợi quang
.

Hấp thụ này sinh do 3 cơ chế sau:
Hấp thụ do tạp chất:
Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi dẫn quang là sự có mặt
của tạp chất có trong vật liệu sợi. Trong thuỷ tinh thông thường, các tạp chất như nước
và con kim loại chuyển tiếp ñã làm tăng ñặc tính suy hao, ñó là các ion sắt, crôm,
coban, ñồng và các ion nước OH. Sự có mặt của tạp chất này làm cho suy hao ñạt tới
giá trị rất lớn, nếu sợi làm bằng thuỷ tinh như các lăng kính thông thường thì suy hao
lên tới vài nghìn dB/km. Các sợi dẫn quang trước ñây với lượng tạp chất từ 1 ñến 10
phần tỷ(ppb) có suy hao vào khoảng 1 ñến 10 db/km. Sự có mặt của các phân tử nước
ñã làm cho suy hao trội hẳn lên. Liên kết OH hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng
2,7
m
µ
và cùng với tác ñộng qua lại của cộng hưởng silic, nó tạo ra các ñỉnh hấp thụ ở
1400, 950 và 750nm. Giữa các ñỉnh này có các vùng suy hao thấp ñó là các cửa sổ
truyền dẫn 850nm, 1300nm và 1550nm mà các hệ thống thông tin ñã sử dụng ñể
truyền ánh sáng.
Hấp thụ vật liệu:
Có thể thấy rằng hoạt ñộng ở bước sóng dài hơn sẽ cho suy hao
nhỏ hơn. Nhưng các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh
sáng có bước sóng dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng
cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng ñuôi
hấp thụ của nó vẫn có ảnh hưởng, và ở ñây nó kẻo cho tới vùng bước sóng 1550nm
làm cho vùng bước sóng này không giảm suy hao một cách ñáng kể.
Hấp thụ ñiện tử:
Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích
thích các ñiện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn. Lúc này bờ
cực tím của các dải hấp thụ ñiện tử của cả hai vật liệu không kết tinh và kết tinh có
quan hệ sau ñây:
0

E/E
uv
Ce
α =
(1.4)
C, E
0
là hằng số rút ra từ kinh nghiệm, E là năng lượng photon. Do E tỉ lệ nghịch
với bước sóng, cho nên ñặc tính hấp thụ cực tím ñi xuống theo bậc hàm mũ so với
chiều tăng của bước sóng.
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
8


Hình 1.2 Các ñặc tính suy hao theo bước

sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế
1 2.2. Suy hao do tán xạ
Suy hao tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không ñồng ñều rất nhỏ của lõi sợi
gây ra. ðó là do có những thay ñổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không ñồng ñều về cấu
trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi. Như vậy trong câu trúc lõi sợi
sẽ bao gồm cả mật ñộ phân tử cao hơn và mật ñộ phân tử thấp hơn mật ñộ trung bình.
Ngoài ra, do thuỷ tinh ñược chế tạo từ vài loại oxit như SIO
2
GeO
2
và P

2
O
5
Cho nên sự
thay ñổi thành phần vẫn có thể xảy ra. Hai yếu tố này làm tăng sự thay ñổi chiết suất,
chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh. Tán xạ Rayleigh chỉ có ý nghĩa
khi bước sóng của ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ. Thực tế thì suy
hao này làm giảm ñi 1/4 công suất của bước sóng.
ðối với thuỷ tinh thuần khiết:
( )
3
2
2
scat B f T
4
8
n 1 k T
3
π
α = − β
λ
(1.5)
trong ñó n: chiết suất
k
B
: hằng số Boltzman
T
β
: hệ số nén ñẳng nhiệt
T

f
: nhiệt ñộ hư cấu là nhiệt ñộ mà tại ñó tính bất ổn ñịnh về mật ñộ bị ñông lại
thành thuỷ tinh.
ðối với các loại thuỷ tinh nhiều thành phần tán xạ này ñược tính như sau:
( )
3
2
2
scat
4
8
n V
3
π
α = δ δ
λ
(1.6)

Ở ñây, tính bất ổn ñịnh về mật ñộ và thành phần lớn hay nhỏ là không thể biết
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
9

ñược, do ñó phải qua số liệu tán xạ thực nghiệm mới biết ñược. Do tán xạ Rayleigh
phụ thuộc theo
4
−
λ

nên nó giảm mạnh theo chiều tăng của bước sóng. Giá trị suy hao
này ñáng kể ở vùng bước sóng dưới làm.
1.2.3. Suy hao uốn cong sợi
-Vi uốn cong:
khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy
hao sợi cũng tăng lên. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi ñi qua
những chỗ uốn cong ñó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáo trộn khi ñi
qua những chỗ vi uốn cong và dẫn ñến sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi.
ðặc biệt sợi ñơn mode rất nhạy cảm với những chỗ vi uốn cong, nhất là về phía
bước sóng dài.
-Uốn cong.
khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng
tăng. Dĩ nhiên không thể tránh khỏi việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và
lắp ñặt. Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép
thì suy hao do uốn cong không ñáng kể. Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất
ñề nghị thông thường từ 30mm ñến 50 mm.

Hình 1.3. Sự suy hao do uốn cong thay ñổi theo bán kính R
1.3 Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang
Khi ánh sáng truyền lan trong sợi dẫn quang, hiện tượng làm cho các xung ánh
sáng phát dọc theo sợi bị rộng ra ñược gọi là tán sắc ánh sáng. Các xung lân cận bị dãn
ra tới một mức ñộ nào ñó sẽ phủ chùm lên nhau, lúc ñó việc thu và tách các xung này
ra ở ñầu thu sẽ gặp nhiều khó khăn. Tín hiệu thu ñược sẽ sai lệch ñi và dẫn tới lỗi bit
(BER). Vì vậy tán sắc sẽ hạn chế cự ly ñường truyền L (km) cũng như tốc ñộ truyền
dẫn Bị (Gb/s)
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
10

Tín hiệu truyền dọc theo sợi dẫn sẽ bị méo. Hiện tượng méo này là do tán sắc bên
trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra. Các hiệu ứng tán sắc ở ñây ñược
giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn, mà
ở ñây vận tốc nhóm là tốc ñộ mà tại ñó năng lượng ở trong các mode riêng biệt lan
truyền dọc theo sợi. Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở
trong một mode. Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh
hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của ñộ rộng phổ nguồn phát. ðộ
rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó. ðộ dãn
xung có thể ñược mô tả bằng công thức như sau:
n
s
d
L
d
τ λ
τ
 
δ = λ σ
 
λ
 
(1.7)
L: ðộ dài sọt dẫn quang.
n
τ
: Sự trễ nhóm ñối với một ñơn vị ñộ dài.
s
λ
:Bước sóng trung tâm.

λ
σ
:ðộ rộng trung bình bình phương của phổ nguồn phát
1.3.1. Tán sắc vật liệu
Tán sắc vật liệu xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thuỷ tinh, loại vật liệu dùng
ñể chế tạo ra sợi quang và những thay ñổi của chúng theo tần số sợi quang. Có thể viết
tán sắc vật liệu như sau:
2g 2g
M
2
dn dn
2 1
D
d c d
π
= =
λ ω λ

(1.8)

n
2g
:
chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi
Nguồn gốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới ñặc tính tần số cộng hưởng mà tại
ñó vật liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ ñiện tử. Chỉ số chiết suất của lõi và vỏ sợi ñược làm
xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier và ñược tính chung bằng công thức sau:
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
11
( )
2
M
j j
2
1,2
2 2
j 1
j
B
n 1
=
ω
ω = +
ω − ω
∑
(1.9)
j
ω
: tần số cộng hưởng Bj: Cường ñộ dao ñộng

Hình 1. 4. Chỉ số chiết suất và chỉ số nhóm
Các tham sổ Bj,
j
ω
thu ñược từ kinh nghiệm thông qua việc ñiền các ñường cong
tán sắc ño ñược vào biểu thức trên với M=3. Chúng phụ thuộc vào hàm lượng các chất
kích tạp và ñược xếp thành vài loại sợi

.
Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm n
g
thay ñổi theo bước sóng ñã gây ra tán sắc
vật liệu. Tán sắc vật liệu D
M
có ràng buộc với ñường bao của n
g
bằng ñẳng thức:
g
M
dn
1
D
c d
=
λ
(1.10)
Với bước sóng
λ
= 1,276
m
µ
thì dn
g
/
d
λ
= 0. Bước sóng này ñược gọi là bước
sóng có tán sắc bằng không

(
)
ZD
λ
vì ở bước sóng ñó D
M
= 0. Tham số tán sắc D
M
có
giá trị âm tại bước sóng dưới
ZD
λ
và có giá trị dương tại bước sóng ở trên
ZD
λ
.
ZD
λ
=1,276
m
µ
chỉ là ñối với sợi thủy tinh thuần khiết. Giá trị này có thể thay ñổi
trong dải từ 1,27 - 1,29
m
µ
ñối với các sợi quang có lõi và vỏ ñược pha tạp ñể thay
ñổi chỉ số chiết suất. Bước sóng có tán sắc bằng không cũng phụ thuộc vào bán kính
lõi a và bậc chỉ số
∆
thông qua phần dẫn sóng cho tán sắc tổng.

1.3.2. Tán sắc dẫn sóng
Tán sắc dẫn sóng Dw là một thành phần ñóng góp vào tham số tán sắc tổng, nó
phụ thuộc vào tần số chuẩn hoá V của sợi quang và ñược viết như sau:

Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
12

Hình 1.5. Tham số b và các vi phân của nó d (Vb) và Vd
2
thay ñổi theo V
(
)
(
)
2 2
2g 2g
2
W
2 2
2
n n
Vd Vb Vd Vb
2
D
n dV dV
 
π∆

= − +
 
λ ω ω
 
 
(1.11)
n
2g
: Chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi
b: Hằng số lan truyền chuẩn
Hình 1.5 chỉ ra d(Vb)dV và Vd
2
(Vb)dv
2
thay ñổi theo V. Do cả hai ñạo hàm là dương
nên D
w
là âm trong toàn bộ vùng bước sóng
0 1,6 m
÷ µ
.
ðiều này khác nhiều so với tán sắc
vật liệu DM có cả giá trị tương ứng với bước sóng ở thấp hơn hay cao hơn
ZD
λ
.

Hình
1.6.
Các loại tán sắc cho sợi ñơn mode.

M:
tán sắc vật liệu G
:
tán sắc
dẫn sóng; T: tán sắc tổng P:

tán sắc do mặt cắt gây ra, R: tán sắc dư
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
13
Hình 1.6 mô tả các tán sắc D
w
, D
M
và tán sắc tổng D= D
W
+D
M
cho sợi quang ñơn
mode tiêu biểu. Tác ñộng chính của tán sắc dẫn sóng là ñể dịch bước sóng
ZD
λ
ñi một
một lượng 30-40nm nhằm ñể thu ñược tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310nm. Nó
cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu D
M
trong vùng bước sông 1,3 - 1,6
m

µ
nơi rất
hấp dẫn cho các hệ thống thông tin quang. Giá trị tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm
trong dải 15
÷
20ps/km.nm ở gần bước sóng 1,55
m
µ
.
Vùng bước sóng này ñang ñược
quan tâm rất nhiều vì có suy hao sợi nhỏ nhất. Khi giá trị tán sắc D cao sẽ làm hạn chế
ñặc tính của các hệ thống thông tin quang hoạt ñộng ở vùng bước sóng 1550nm.
1.3.3. Tán sắc vận tốc nhóm
Vận tốc nhóm kết hợp với mode cơ bản là một ñặc trưng phụ thuộc tần số. Vì vậy
mà các thành phần phổ khác nhau của xung sẽ lan truyền với các vận tốc nhóm hơi
khác nhau, hiện tượng này ñược gọi là tán sắc vận tốc nhóm GVD(Group-Velocity
Dispersion), tán sắc bên trong mode.
Xét một sợi quang ñơn mode có ñộ dài L. Nguồn phát có thành phần phổ ñặc
trưng tại tần số
ω
sẽ ñi từ ñầu vào tới ñầu ra của sợi sau một thời gian trễ T = L/v
g
với
v
g
là vận tốc nhóm ñược xác ñịnh:
1
g
d
v

d
−
β
 
=
 
ω
 
(1.12)
Với
0
nk n / c
β = = ω
suy ra v
g
= c/n
g
, n là chỉ số mode, n
g
là chỉ số nhóm:
g
dn
n n
d
= + ω
ω
(1.13)
Việc vận tốc nhóm phụ thuộc tần số sẽ làm dãn xung là do các thành phần phổ
khác nhau của xung ñã bị phân tán trong khi lan truyền trong sợi quang và không ñến
ñồng thời một lúc tại ñầu ra của sợi. Khoảng thời gian của ñộ dãn xung khi truyền qua

sợi có ñộ dài L ñược viết như sau:
2
2
2
g
dT d L d
T L L
d d v d
 
β
∆ = ∆ω = ∆ω = ∆ω = β ∆ω
 
 
ω ω ω
 
(1.14)
∆ω
: ñộ rộng xung
2
2
d
β =
2
/ d
β ω
: tham số tán sắc vận tốc nhóm. Tham số này xác ñịnh xung
quanh có thể bị dãn là bao nhiêu khi truyền trong sợi quang.
Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
14
Tham số tán sắc D có thể thay ñổi ñáng kể khi bước sóng hoạt ñộng chệch khỏi
vùng 1310nm. Sự phụ thuộc của D vào bước sóng hoạt ñộng chi phối từ sự phụ thuộc
vào tần số của chỉ số moden. D có thể ñược viết như sau:
2
2 2 2
g
2 c d 1 2 dn d n
D 2
d v d d
 
 
π π
= = − +
 
 
 
λ λ λ ω ω
 
 
(1.15)
D là kết quả của sự tán sắc dẫn sóng và tán sắc vật liệu. Về mặt lý thuyết người ta
giả sử một cách ñơn giản rằng có thể tính một cách rõ ràng tán sắc vật liệu và tán sắc
dẫn sóng sau ñó cộng hai giá trị tán sắc này ñể ñược giá trị tán sắc tổng của mode.
D=D
M

+
D

w
(l.16)
D
M
: tán sắc Vật Vật liệu D
w
: tán sắc dẫn sóng
Trong thực tế hai cơ chế này có mối quan hệ phức tạp vì các ñặc tính tán sắc của
chỉ số khúc xạ cũng ảnh hưởng gây hiệu ứng tán sắc ống dẫn sóng
.
Tuy vậy một cuộc
khảo sát về sự phụ thuộc lẫn nhau giữa tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng ñã cho thấy
rằng nếu một giá trị rất chính xác không ñạt ñược thì có thể tính ñược tổng tán sắc nội
phần tử bằng cách tính hiệu ứng sự méo tín hiệu phát sinh do một loại tán sắc khi
không có loại tán sắc khác và sau ñó cộng các kết quả này với nhau.
1.3.4. Tán sắc bậc cao
Theo phân tích ở trên thì có thể thấy rằng tích BL của sợi quang ñơn mode có thể
tăng vô hạn khi hệ thống hoạt ñộng tại bước sóng có tán sắc bằng không
ZD
λ
Tuy
nhiên các hiệu ứng phân tán vẫn không hoàn toàn mất ñi tại
ZD
λ = λ
các Xung quang
vẫn phải chịu sự dãn do các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn. ðặc trưng này có thể hiểu
rằng tán sắc D không ñạt ñược giá trị bằng không tại tất cả các bước sóng ñược chứa
ñựng trong phổ có tâm tại
ZD
λ

. Các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn ñược cho bởi
ñường bao tán sắc ñược viết như sau:
( )
( )
2
3 2
2 3
dD
S 1.18
d
2 c 4 c
S 1.19
d
=
λ
π π
   
= β + β
   
λ λ
   

Luận văn cao học
Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao

HVTH: Nguyễn Thành Vinh
15
S: Tham số tán sắc bậc 2.
Ở ñây
3 3

3 2
d, / d d , / d
β = β ω = β ω
. Tại
ZD 2
, 0
λ = λ β =
và S tỉ lệ với
3
β
. ðối với
nguồn phát có ñộ rộng phố nhỏ, giá trị hiệu dụng của tham số tán sắc trở thành
D=S
∆λ
tích BL có thể ñược xác ñịnh bằng biểu thức:
(
)
BL S 1
∆λ <

1.3.5.Tán sắc phân cực mode
Tán sắc phân cực mode là hệ số cần ñược quan tâm ở hệ thống truyền dẫn ñường
dài tốc ñộ 40Gb/s. Tán sắc phân cực mode PMD(Polarization-mode dispersion) là một
ñặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang ñơn mode trong ñó năng
lượng tín hiệu tại bước sóng ñã cho ñược chuyên vào hai mode phân cực trực giao có
vận tốc lan truyền hơi khác nhau. Tán sắc phân cực mode sẽ gây ra sự xuống cấp ñặc
tính dung lượng một cách nghiêm trọng.
Khi sợi quang ñối xứng tròn và có một vài thay ñổi có tính ñối xứng trong khi
chế tạo sợi quang ở mức ñộ nhỏ. ðiều này gây ra kết quả là trạng thái truyền lan của
tín hiệu quang sẽ bị kích thích khi nó lan truyền dọc theo sợi và sự chênh lệch về trễ

nhóm sẽ tồn tại dưới hai trạng thái truyền lan của sợi ñơn mode ñược gọi là tán sắc
phân cực mode PMD
.

Hình 1.7. Tán sắc phân cực mode trong sợi quang
Thời gian trễ giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung với sợi quang
có ñộ dài L:
( )
1x 1y 1
gx gy
L L
T L L 1.20
v v
∆ = − = β −β = ∆β

1
∆β
: ñộ lệch trường liên kết trong sợi.
T / L
∆
: là ñơn vị của PMD.