Ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton

1

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

2

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


3
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 thông 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


4
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

5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.3. Ảnh hưởng của các thông 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 thông 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 không 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

6
Hình 3.18. Hình ảnh xung super gauss không 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






1
LỜI NÓI ĐẦU

Từ những năm 90 trở lại đây, xã hội loài người tiến vào thời kì bùng nổ
thông 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 thôn 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 thông tin kích thích sự phát triển như vũ bão của dịch vụ
thông tin toàn cầu do đó các hệ thống thông tin luôn được nghiên cứu để có thể
truyền thông tin tốt nhất. Trong thông tin người ta đòi hỏi tín hiêu truyền có
suy hao thấp, khả năng truyền thông tin xa, nhưng trong các hệ thống thông tin
thì xảy ra sự tán sắc ánh sáng, sự tán sắc ánh sáng làm suy hao năng lượng
truyền thậm chí còn 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 thông tin
Soliton là hệ thống thông 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:

2
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 thông 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.

3
CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG

Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này
có nghĩa là thông 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 thông qua đôi 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 môi 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 công 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, không 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.

4
Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm ba bộ phận cơ
bản sau (như hình 1.1)




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 môi 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 thông tin khác nó cũng có những ưu và
nhược điểm riêng:

Thiết bị phát
tín hiệu

Môi trường
truyền dẫn

Thiết bị thu tín
hiệu

5
Ƣu điểm :
Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian và ngược lại
nó cũng không 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 thông 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 không bị nhiễu và không có hiệu ứng thời
gian trễ như ở thông tin vệ tinh.
Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay Time-
Multiplex 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 hoá làm tăng tổn hao.
Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp.
Vì đặc tính bức xạ không 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

6
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 trò là môi 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 môi trường liền
nhau có chiết suất khúc xạ khác nhau đó là môi trường không khí, môi trường lõi, vỏ
sợi quang. Góc
max

là góc nhận lớn nhất và có góc là góc tới hạn.

7
Áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ tại các mặt biên tiếp giáp giữa không
khí và lõi, giữa lõi và vỏ thì ta có phương trình:
 
cm
n

sinsin
1

(1.1)









1
2
0
cos)90sin(
n
n
cc

(1.2)

Từ (1.1) và (1.2) tính được góc mở lớn nhất là:




















 21sin
1
2
1
2
2
2
1
2
1max
nnn
n
n
n

(1.3)

Với là độ lệch chiết suất tương đối và 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 thông 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 không 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 và bằng L và chiều dài lớn nhất khi góc tới và

bằng L/ . Thời gian trễ có thể được tính như sau:

Đánh giá tốc độ truyền thông 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)

8
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 thông 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 0<r<a
Ở đây a, n
1
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 thông số đến các tính chất sợi quang (như hình 1.3)

Hình 1.3. Ảnh hƣởng của các thông 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

Đường kính vỏ 2d
Đường kính lõi 2a
Khẩu độ số NA
Phân bố chiết suất
khúc xạ n (r)
Suy hao chỗ nối
Đặc điểm của băng
tấn cơ sở
Tăng suy hao quang do uốn
cong hoặc vi uốn cong
Suy hao quang
Hiệu suất đưa ánh
sáng vào

9
Trong hệ thống thông tin quang, sợi quang là một kênh thông tin, với vai trò
của kênh thông 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 thông 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 toàn bộ quá trình thông 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 công 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

10
* 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 không 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 công sợi là suy hao ngoài bản chất (không 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 ngoài 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

11
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 không 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 không gây ra hiện týợng trộn mode với
nhau và có thể xem rằng chiết suất của sợi không phụ thuộc vào býớc sóng.

12
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 không
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:

C
nnL
t

)(
21


(1.7)
Các sợi ða mode với chiết suất giảm dần (MM-GI) thì các tia sáng chạy ở
vùng ngoài 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:
2
21
)(
2
1
. nn
c
L
t 
(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

13
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 không tòn tại tán sắc giữa các
mode này vì nó chỉ truyền một mode. Tuy nhiên sự mở rộng của xung sáng ðã
không biến mất hoàn toàn. 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
g
v
L
T 

Ở ðây V
g
là tốc ðộ nhóm, ðýợc xác ðịnh nghĩa là:



d

d
V
g


(1.9)
Với  là hằng số truyền ðýợc xác ðịnh bởi:
 = n
hd
k
0
=






c
n
hd


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:


















2
2
2
2
L
d
d
L
v
L
d
d
d
dT
t
g

(1.10)
Ở ðây
2
2
2



d
d

là thông số tán sắc tốc ðộ nhóm GVD.

14

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:

3
3
3
3





d
d

d
d

(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:



c2

và
2
2




c




Ta sẽ có:





 DLL
c
T
2
2
)
2
(
(1.12)
Ở ðây:
2
2
2



c
D 
(1.13)
Gọi là thông số tán sắc toàn 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
+ D
w

Với D
M

là tán sắc vật liệu
D
W
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:
1

DBL

(1.14)
Ðối với sợi ðiôxit 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.

15
1

0,5

P
max
P

LED

LD






0


Hình1. 4. Phổ bức xạ của LED và LD.
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 quá 1 (Tb/s).km.
Thông 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.

2
01





và
2
02




(1.15)
Giá trị ðộ rộng phổ týõng ðối
0



là:
05,0
0










LED



và
01,0
0










LD



Ðối với thuỷ tinh dùng làm sợi
quang, tán sắc vật liệu gần nhý bằng
không tại býớc sóng 1300nm.
Khi truyền qua sợi quang ðộ
dài L thì hai sóng sáng 
1
và 
2
có tốc
ðộ truyền nhóm v
n
(
1

) và v
n
(
2
) sẽ
có thời gian truyền nhóm lệch nhau là:







)(
1
)(
1
21

nn
n
vv
Lt

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

16
2
2
)(




d
nd
c
DD
MM

[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 '.
LLDt
Mn
)('


(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 ðiôxit 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 ðiôxit silic thuần khiết.

Hình 1.5. Sự thay đổi của chiết suất

Biểu thức chiết suất n () gần ðúng theo công thức của Sellmeir.
2
2
2
1
2
1)(








j
j
M
j
B
n

(1.18)
ChiÕt suÊt
(m)
0,6
0,4
0,8
1,2
1,0
1,4
1,44
1,46
1,48
1,50

17
Hay khi sử dụng:
j
c
j



2


)(
1)(
2
2
2

1
2




j
j
M
j
B
n




(1.19)
Ở ðây 
j
là býớc sóng cộng hýởng còn Bj là cýờng ðộ của dao ðộng tử, còn
n thay thế cho n
1
hay n
2
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 B
j
:

1
: 0,0684043m B
1
: 0,6961663

2
: 0,1162414m B
2
: 0,4079426

3
: 9,896161m B
1
: 0,8974794
Nhý vậy chiết suất nhý một hàm của býớc sóng có thể biểu diễn theo công thức:
)(
1)(
2
2
2
3

1
j
j
j
B
n







(1.20)
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.
2
2
)(


d
nd
c
D
M

(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:

)1(22,1


ZD
M
D 

(1.22)

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

18

ZD
có thể thay ðổi khoảng 1,27m  1,29m ðối với những sợi quang mà
lõi và vỏ ðã ðýợc pha tạp thêm ðể thay ðổi chiết suất

Hình 1.6: Tán sắc dẫn song
Ngýời ta thấy ở býớc sóng 1300nm tuy tán sắc vật liệu gần bằng không
những hao phí vẫn còn 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 không 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 d
k
và býớc sóng làm việc λ Khi ðýờng kính lõi sợi
không 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 còn là một hàm số của ðặc
T¸n s¾c
(ps/km.nm)
T¸n s¾c
tiªu
chuÈn
T¸n s¾c
ph¼ng
DÞch
chuyÓn
t¸n s¾c
20
10
0

-10
-20
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7
(m)

19
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.









2
2
)(
.

dV
Vbd
V







Hinh 1.7. Đường cong thông số dẫn sóng theo tần số chuyển hóa






Th«ng sè
dÉn sãng
TÇn sè
chuÈn hãa V
1 2 3
0
1,0
0,5
V
30
20
10
0

-10
-20
-30
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
(m)
T¸n s¾c
[ps/km.nm]
D
M
D

D
W