Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tán sắc trong thông tin quang

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

----------

BÀI TIỂU LUẬN THÔNG TIN QUANG
Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tán sắc trong thông tin quang
GVHD: Phạm Thành Nam
Nhóm sinh viên thực hiện:
1) Đàm Đức Anh
2) Phạm Thế Duyệt
3) Phan Đình Tường
4) Hoàng Thanh Tùng
5) Quách Văn Thủy

Thái Nguyên 4-2013


Mục lục:


Chương 1: Tổng quan về sợi cáp quang
1.1 sự phát triển của hệ thống thông tin quang
1.1.1 khái quát về lịch sử ra đời của thông tin quang
khác với thông tin vô tuyến và hữu tuyến các loại thông tin sử dụng các môi
trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian, thông tin quang là
một hệ thống truyền thông tin qua sợi quang. Điều này có nghĩa là thông tin
được chuyển thành ánh sáng và ánh sáng sau đó được truyền qua sợi quang.
Tại nơi nhận nó lại được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu.
các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con

người về chuyển động, hình dáng, màu sắc của sự vật 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 báo hiệu. sau đó, năm 1971, V.C.Chape phát
minh ra máy điện báo quang.
Thiết bị này sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó
chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết. Năm 1838, Samuel F.B.Mose
phát minh ra máy điện báo. Sau đó, dịch vụ điện bapso thương mại đầu tiên
được đưa vào khai thác năm 1844 và dần tăng lên với số lượng đáng kể.
Năm 1878 người ta tiến hành đặt các cáp kim loại đề nối tổng đài điện thoại
đầu tiên tại Neu Haven bang Connecticut. Giai đoạn sử dụng cáp kim loại để
truyền dẫn tín hiệu ngự trị cho tới năm 1887, khi mà H.Herto phat minh ra
sự phát xạ sóng điện từ có bước sóng dài và Guliclmo Marconi thực hiện
màn trình diễn sóng vô tuyến vào năm 1985.
Những năm tiếp sau và trong thế kỷ 20, mạng lưới điện thoại đã phát triển
rộng khắp thế giới và liên tiếp xuất hiện những công nghệ tiên tiến trong
việc thiết kế các hệ thống thông tin điện. trước tiên phải nói đến cáp đồng
trục, đã làm tăng dung lượng đáng kể. Năm 1940, hệ thống cáp đồng trục
được lắp đặt có băng tần 3MHz để truyền dung lượng 300 kênh thoại hoặc
một kênh truyền hình. Các hệ thống sau đó có băng tần 10MHz, nhưng đây
cũng là giới hạn của hệ thống này vì suy hao cáp bị phụ thuộc vào tần số.
giới hạn này nhanh chóng được giải tỏa do sự xuất hiện của các hệ thống
thông tin vô tuyến.
Xu hướng sử dụng phổ sóng điện từ đề biến đổi tín hiệu truyền dẫn tăng lên,
ở đây tín hiệu mang thông tin thường được chồng lên một sóng điện từ khác
có dạng hình sin, hay còn gọi là sóng mang. Lượng thông tin được phát đi có
liên quan trực tiếp tới băng tần mà sóng mang hoạt động, như vậy tăng tần
số sóng mang tức là tăng băng tần truyền dẫn, lúc đó sẽ có được dung lượng
thông tin lớn hơn.
Xuất phát từ đó, các hệ thống thông tin điện có được cơ hội để phát triển và
sau này lần lượt ra đời các lĩnh vực truyền hình, rada, các tuyến viba. Hệ

thống thông tin viba đầu tiên hoạt động với tần số sóng mang 4GHz đã được


đưa vào khai thác năm 1948 và sau đó các hệ thống có băng tần cao hơn tiếp
tục được lắp trên mạng lưới. cùng với sự phát triển của các hệ thống viba,
các hệ thống cáp đồng trục cũng được lắp đặt để hoạt động với tốc độ bit
100m bit/s. Theo thời gian, tốc độ bít tăng lên, có thể cho cự ly xa hơn
nhưng cũng bị hạn chế bởi tần số sóng mang.
Để thấy được quá trình sử dụng phổ sóng điện từ cho các hệ thống thông
tin điện, có thể khảo sát bảng phân cấp sóng điện từ.

Hình 1.1.phân cấp sóng điện từ.


Hình 1.1.sự tăng của tốc độ bit-cự ly
Cho tới ngày nay đã có rất nhiều các hệ thống thông tin dưới các hình thức
đa dạng. Các hệ thống này được gán cho tên gọi nhất định theo môi trường
truyền dẫn và đôi khi theo cả tính chất dịch vụ của hệ thống. thông thường,
các hệ thống sau đều là sự phát triển kế thừa từ các hệ thống trước nó, chúng
được cải thiện nhằm thỏa mãn nhu cầu con người.
Bước ngoặt có ý nghĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải
tần số ánh sáng đó là việc phát minh ra Laser, vào năm 1960 để làm nguần
phát quang. Sự kiên này gây ra sự cuấn hút đặc biệt các nhà nghiên cứu hàng
đầu về thông tin trên thế giới và tạo ra các ý tưởng tập trung tìm tòi giải
pháp sử dụng ánh sáng Laser cho thông tin quang. Đây chính là điểm xuất
phát của sự ra đời của các hệ thống thông tin quang.
1.1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền
thông tin từ nơi này đến nơi khác, thông tin được phát triển rất nhanh sóng
điện từ với các dải tần số khác nhau từ các MHz đến hàng trăm terahec. Còn

thông tin quang được thực hiện trên hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao
trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ. Hệ thống
thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng các
sợi quang để truyền thông tin.
Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng việc phát
minh thành công Laser năm 1960 bằng khuyến nghị của Kao và Hockham
năm 1966 về việc chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp. sau 4 năm sau,


Kaprow đã có thể chế tạo các sợi quang trong suất có độ suy hao truyền dẫn
khoảng 20dB/km. tiếp sau đó các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới
đã bắt đầu tiến hành các hoạt động nghiên cứu và phát triển kết quả là công
nghệ mới về giảm suy hoa truyền dẫn, tăng dải thông, các laser bán dẫn đã
được phát triển thành công. Cho tới nay sợi dẫn quang đã đạt mức suy hao
nhỏ, giá trị suy hao dưới 0,154dB/km tại bước sóng 1550nm đã cho thấy sự
phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần ba thập niên qua,
Dựa vào các công nghệ sợi có độ dày như sợi tóc không cần đến các bộ tái
tạo.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới chúng đáp ứng được các tín hiệu tương tự(analog) và số (digital) chúng
cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng đáp
ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Các hệ
thống tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn, cấu hình linh
hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao.
Thực tế thông tin quang đang vào giai đoạn kết thúc thế hệ thứ tư và bắt
đầu thế hệ thứ năm với việc giải quyết tán sắc của sợi quang cùng với ứng
dụng khuếch đại quang trên diện rộng. Các hệ thống thông tin quang đã
được triển khai thử nghiệm thành công với những đặc tính như tốc độ
1,2Tbit/s, hay truyền dẫn Siliton cự ly 9400km tại tốc độ 70Gbit/s.

Bảng 1.1 Các giai đoạn phát triển của thông tin cáp sợi quang.
Rõ ràng thông tin quang luân mang lại điều bất ngờ trong sự phát triển
công nghệ.
1.1.3. Các đặc tính của thông tin quang
Trong thông tin sợi quang các ưu điểm của sợi quang được sử dụng một
cách có hiệu quả, độ suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn thêm
vào đó, chúng có thể được sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và
mỏng, không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu
ảnh hưởng của nhiều cảm ứng sóng điện từ. Trong thực tế sợi quang là
phương tiện truyền dẫn thông tin có hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay. Cùng
với công nghệ chế tạo các nguần phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra
các hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với thông tin
cáp kim loại.
Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông
tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, các tín hiệu hỗn hợp thông qua
một hệ thống có cự ly đến 100Ghz/km. Tương ứng, bằng cách sử dụng sợi
quang một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể truyền
dẫn đến những địa điểm cách xa hàng trăm km mà không cần đến bộ tái tạo.
Thứ hai, sợi quang có kích thức và trọng lượng nhỏ, không có xuyên âm.
Do vậy chúng có thể được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy
bay, các tòa nhà cao tầng không cần lắp đặt thêm các đường ống và cống


cáp. Không gây xuyên âm giữa giữa các sợi quang nên bảo đảm tính bảo
mật.
Thứ ba, sợi quang được chế tạo từ thủy tinh là môi trường trung tính với
ảnh hưởng của nước axit, kiềm không sợ ăn mòn ngay cả khi lớp bảo vệ
ngoài bị hư hỏng. Hoàn toàn cách biệt, không bị chập mạch gây cháy hay
hỏa hoạn.

Thứ tư vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phi dẫn nên chúng
không chịu ảnh hưởng bởi sự can nhiễu của sóng điện từ, xung điện từ. Vì
vậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn. Điều đó có
nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi
trường phản ứng hạt nhân.
Thứ năm, do nguyên nhân chủ yếu để sản xuất sợi quang và chất dẻo, là
những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên có kinh tế hơn cáp đồng trục nhiều giá
thành của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra.
Ngoài ra như đã đề cập ở trên, do đặc trưng độ tổn hao thấp giá thành lắp đặt
ban đầu cũng như giá thành bảo dưỡng, sửu chữa thấp vì cần ít các bộ tái tạo
hơn. Người ta tính toán rằng nếu chế tạo được 10.000k/năm thì giá thành 1
hệ thống truyền dẫn quang chỉ bằng 1/10 giá thành của hệ thống truyền dẫn
cáp kim loại có cùng năng lượng truyền dẫn.
Ngoài những ưu điểm trên, sợi quang còn có độ an toàn bảo mật cao, tuổi
thọ dài,có khả năng đề kháng môi trường lớn. Nó cũng dễ bảo dưỡng, sửa
chữa hơn nữa lại không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần, có thế chế tạo
với giá thành thấp.

Bảng 1.2.Các ưu nhược điểm của sợi quang


Nhờ những ưu điểm này mà sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới
điện thoại, số liệu máy tính, phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng),
được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế, quân sự, các thiết bị
đo. Và do đó các hệ thống thông tin quang nhanh chóng được áp dụng rộng
rãi trên mạng lưới chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục,
trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài. Đáp ứng mọi môi trường lắp đặt từ
trong nhà, cho tới các thiết bị cho tới xuyên lục địa, vượt đại dương.
1.1.4 các thành phần chính của thông tin quang
Cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần:

Hình 1.2.Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang.
Các thành phần chính của tuyến gồm có thiết bị phát quang (bộ phát
quang), cáp sợi quang, thiết bị thu (bộ thu quang). Ngoài các thành phần chủ
yếu này tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang, các mối hàn,
các bộ chia quang, các trạm lặp ở các tuyến thông tin quang hiện đại còn có
thể có các bộ khuếch đại quang, thiết bị bù ánh sáng, các trạm xen rẽ kênh
tất cả tạo thành 1 tuyến thông tin quang hoàn chỉnh.
Độ dài của tuyến thông tin này phụ thuộc vào các điều kiện lắp đặt và suy
hao sợi quang theo bước sóng. Tham số quyết định đó là suy hao sợi quang
theo bước sóng. Các nghiên cứu về công nghệ sợi quang còn cho biết rằng,
suy hao sợi quang ở các vùng bước sóng dài còn nhỏ hơn nữa.


Thiết bị phát quang gồm mạch điều khiển và nguần phát quang. Tín hiệu
điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự. Thiết
bị phát này sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang tương
ứng.
Công suất phát quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi cường độ dòng
điều biến công suất phát quang là tham số quan trọng vì nó góp phần xác
định suy hao sợi quang hoặc quỹ công suất trên truyền được phép là bao
nhiêu.
Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguần phát quang sẽ lan truyền dọc
theo sợi dẫn quang tới thiết bị thu quang. Bộ tách sóng quang trong thiết bị
thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu. Tín hiệu quang được
biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện. các photo diode pin và photo diode
thác APD đều được sử dụng làm bộ tách sóng quang. Khi khoảng cách
truyền dẫn khá dài, tới cự ly nào đó tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá
nhiều cần phải có trạm lặp quang, trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang chuyển
thành tín hiệu điện, khuếch đại nó rồi lại chuyển thành tín hiệu quang rồi

phát vào đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang được
thay thế cho trạm lặp. Nó khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không
thông qua biến đổi quang-điện. Trên tuyến truyền dẫn dài đi qua một số
điểm cần thông tin với nhau cần có trạm xen rẽ kênh. Các thiết bị này có thể
tách kênh hoặc ghép xen thêm kênh tại nơi muấn gửi thông tin.
1.2 Sợi quang
2.1.1 cấu tạo sợi quang
Sợi quang là những dây nhở và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và
các tia hồng ngoại. Sợi quang có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh
lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất
của lõi lớn hơn chiết suất của vỏ.
Vỏ bọc ở phía ngoài bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời
chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý. Để
bọc ngoài, dùng các nguyên liệu mềm và độ tổn thất năng lượng quang lớn,
vật liệu cấu tạo lõi thông thường là thủy tinh, còn vỏ phản xạ (lớp bọc đầu
tiên) có thể là thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt.


Hình 1.3.Cấu tạo của sợi quang.
Sợi quang thường có tiết diện tròn, đường kính từ 100-400 Mm. Phần lõi
dẫn quang đặc có chiết suất n1 bán kính là a, đường kính là dk. Phần vỏ
chiết xuất n2(trong đó n2thông số n1,n2,a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang, đó được gọi
là tham số cấu trúc.
Độ lệch chiết suất n=n1-n2
Độ lệch chiết suất tương đối
Hai tham số này quy định đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Sợi quang đã
trở thành 1 phương tiện thông dụng cho nhiều yêu cầu truyền thông. Nó có
những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp truyền dẫn thông
thường như: Dung lượng lớn, kích thước và trọng lượng nhỏ, không bị nhiễu

điện, cách điện, bảo mật, độ tin cậy cao, dễ bảo dưỡng, linh hoạt. Tuy nhiên
cũng có những nhược điểm cần kiểm tra trước khi lắp đặt như. Vấn đề biến
đổi điện quang, yêu cầu lắp đặt đặc biệt quy trình sủa chữa đòi hỏi phải có
nhóm kỹ thuật viên và thiết bị thích hợp.
1.2.2. Phân loại sợi quang
a.phân loại theo sự thay đổi thành phần chiết suất của lõi sợi.
Có hai loại:
+) Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc:loại sợi có chiết suất đồng đều ở
lõi sợi.
+) Sợi có chỉ số suất Gradien: loại sợi có chiết suất giảm dần từ tâm
của lõi.
b. phân loại theo mode truyền dẫn.
Mode truyền dẫn là sự lan truyền của ánh sáng dọc theo sợi, mô tả dưới
dạng sóng điện từ truyền dẫn. Mỗi mode truyền dẫn là 1 mẫu các đường điện


và từ trường được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở khoảng cách tương đương
bước sóng có 2 loại:
+) Sợi đa mode: cho phép truyền nhiều mode truyền dẫn trong nó.
+) Sợi đơn mode: cho phép một mode truyền dẫn trong nó.
c. phân loại theo cấu trúc vật liệu.

Hình 1.4. Cấu trúc các loại sợi quang.

Bảng 1.2.Sự phân loại sợi dẫn quang


1.2.3. Truyền ánh sáng trong sợi quang.
Để dễ dàng nhận thấy quá trình tiếp nhận và truyền ánh sáng trong sợi dẫn
quang, ta hãy xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode

có chỉ số chiết suất phân bậc, vì kích thước của lõi loại sợi này lớn hơn
nhiều so với bước sóng ánh sáng mà ta xét tới. Để đơn giản ta xét 1 tia sáng
đặc trưng thuộc về loại tia tương hợp thể hiện là sợi mode.
Có hai loại tia có thể truyền dẫn trong sợi quang là các tia kinh tuyến và tai
nghiêng. Tia kinh tuyến là tia xác định mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi. có
hai lại tia kinh tuyến: là tia biên (tia tồn tại trong lõi sợi và truyền theo
hướng dọc theo trục lõi sợi) và tia bên ngoài (tia bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi).
Tia nghiêng lại không xác định một mặt phẳng đơn thuần nào mà nó truyền
lại từng đoạn xoắn dọc theo sợi.

Hình 1.5. Các tia kinh tuyến và tia nghiêng.


CHƯƠNG II: TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG
2.1. Tán sắc là gi?
Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra. Nếu
xung bị giãn ra lớn hơn số chu kỳ bits sẽ dẫn tới sự chồng lấn giũa các bits
kế cận nhau. Kết quả là đầu thu không nhận diện được bits 1 hay bits 0 đã
được truyền đi ở đầu phát. Dẫn tới bộ quyết định trong bộ thu
sẽ quyết định sai, và khi đó tỷ số BER tăng lên tỷ số S/N giảm dẫn đến chất
lượng hệ thống giảm. sự mở rộng xung do tán sắc.

Gọi d là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị là giây (s). khi đó D
được xác định bởi công thức:

Trong đó T0,Ti lần lượt là độ rộng tại điểm nửa công suất cực đại của xung
ngõ vào và ngõ ra của sợi quang đơn vị là (s). độ tán sắc qua mỗi km sợi
quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km. đối với loại tán sắc phụ thuộc vào
bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km-nm.
Tán sắc gây ra do tăng BER:

“ Tán sắc là hiện tượng vận tốc truyền sóng ánh sáng của môi trường phụ
thuộc vào bước sóng ánh sáng”
Năm 1672, khi cho 1 chùm sáng song song vào mặt bên một lăng kính thì
Nuitơn đã phát hiện ra hiện tượng tán sắc, đó là hiện tượng chiết suất của môi
trường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc
chiết suất (n) theo bước sóng ( ) gọi là đường tán sắc n = f( ). Nếu bước
sóng ánh sáng tới lăng kính giảm dần thì chiết suất (n) tăng dần. Đây là tán sắc
thường. Nhưng thực tế, sự phụ thuộc của n vào (�) không hoàn toàn như vậy mà
phức tạp hơn. Năm 1862, Refyes đã phát hiện ra rằng khi cho ánh sáng đi qua lăng
kính rỗng chứa đầy hơi Iot thì khi bước sóng của ánh sáng tới giảm dần thì chiết
suất n của mồi trường giảm dần. Đó là hiện tượng tán sắc dị thường.
Nghiên cứu hệ thống về tán sắc dị thường Kemdi đã đưa ra định luật “Mọi
chất gây ra hiện tượng tán sắc dị thường ở một miền quang phổ nào thì hấp thụ
mạnh ánh sáng ứong miền ấy”. Như vậy, bất kỳ môi trường vật chất nào cũng có
một đám hấp thụ xác định, dạng của đường cong tán sắc được xác định bởi các
đám hấp thụ ấy và tán sắc ở ứong đám hấp thụ có tính dị thường. Hiện tượng tán
sắc dị thường là hiện tượng phổ biến chung của mọi môi trường vật chất truyền
sóng.

Hình 2.1. Đường cong tán sắc của Cianin
Trên hình (2.1) là đường cong tán sắc của Cianin thu được bằng thực 2,5
nghiệm. Ta thấy ở ngoài và khá xa đám 2 hấp thụ là tán sắc dị thường.
Trong truyền thông, do ánh sáng đơn sắc (ánh sáng từ tia Lade) được điều
biến nên phổ của nó rộng ra. Phổ rộng đồng nghĩa với phổ có nhiều thành phần
bước sóng, và khi được truyền trong môi trường tán sắc, mỗi bước sóng được
truyền với yận tốc khác nhau sẽ làm biến dạng tín hiệu.

2.2.

Tán sắc trong sợi quang

Tín hiệu khi truyền theo sợi dây dẫn quang sẽ bị méo. Méo này là do tán sắc
bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra. Các hiệu ứng tán sắc ở đây
được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các yận tốc nhóm của các mode truyền


dẫn mà ở đây vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở ừong mode riêng biệt
lan truyền dọc theo sợi.
Tán sắc bên trong mode là sự giãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở ứong 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 các bước sóng mà nguồn quang là nguồn phát tín hiệu ánh sáng trên nó.
Có thể mồ tả độ dãn xung bằng cồng thức:

= L(

)

(2.1)

Với L là độ dài sợi dẫn quang
: Sự ứễ nhóm đối với một đơn vị độ dài
: Bước sóng trung tâm
: Độ rộng trung bình phương của phổ nguồn phát. Như vậy, tán sắc tổng
cộng trên sợi dẫn quang gồm
+ Tán sắc giữa các mode (Tán sắc mode)
+ Tán sắc bên trong mode: Tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng
Loại tán sắc

Nguyên nhân
Đặc điểm
Tán sắc mode
Tồn tại trên sợi
+ Chỉ phụ thuộc
đa mode vì các mode kích thước sợi đặc biệt
trong sợi này sẽ lan là đường kính lõi sợi.
truyền theo các đường
+ Chỉ tồn tại ừên
đi khác nhau -> Cự li sợi đa mode. Sợi đơn
đường các mode cũng mode không có tán sắc
khác nhau ->Thời gian mode.
lan truyền khác nhau
Tán sắc vật liệu
Do sự thay đổi
- Là một hàm của
về chỉ số chiết suất của bước sóng. Làm cho
vật liệu lõi
bước sóng luôn phụ
thuộc vào vận tốc nhóm
của bất kỳ mode nào
Tán sắc dẫn
- Do sợi đơn
Phụ thuộc
sóng
mode chỉ giữ được vào thiết kế sợi vì hằng
khoảng 80% năng số lan truyền mode β là
lượng ở trong lõi, còn 1 hàm của a/�.
20% ánh sáng truyền
Bỏ qua ở sợi đa

trong vỏ nhanh hơn mode Quan tâm ở sợi
năng lượng ở trong lõi đơn mode
Bảng 2.1. Phân loại tán sắc
+ Tổng hợp tán sắc ở sợi đa mode như sau:


Tán sắc tổng = [(Tán sắc mode)2 + (Tán sắc bên ừong mode)2]1/2
+ Còn đối với đơn mode chỉ tồn tại tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
Đặc tính truyền dẫn của hệ thống thông tin sẽ bị tác động từ nhiều yếu tố,
nhất là đối với các hệ thống được lắp đặt trong các tuyến có dung lượng lớn và cự
li xa. Mặt khác hầu hết các tuyến truyền dẫn lại sử dụng sợi quang đơn mode.
Chính vì thế, việc nghiên cứu tán sắc trong sợi quang chỉ xem xét đối với sợi đơn
mode nhằm đáp ứng phù hợp cho mạng thông tin quang hiện đại.
Sau đây sẽ tìm hiểu tán sắc ừong sợi đơn mode.

2.3.

Tán sắc trong sợi đơn mode

2.3.1. Tán sắc vận tốc nhóm
Trong sợi quang không tồn tại tán sắc mode nhưng sự dãn xung không hoàn
toàn mất đi. Vận tốc nhóm kết hợp với mode cơ bản là một đặc trưng phụ thuộc
tần số. Do đó các thành phần phổ khác nhau của xung sẽ lan truyền với các vận tốc
nhóm hơi khác nhau. Đó chính là tán sắc vận tốc nhóm, hay tán sắc bên trong
mode hoặc tán sắc sợi.
Ta khảo sát sợi quang đơn mode có độ dài L. Nguồn phát có thành phần
nhỏ đặc trưng tại tần số G), đi từ đầu vào tới đầu ra của sợi sau thời gian trễ T =

=

: vận tốc nhóm được xác định
Với

β=n

=n

n: chỉ số mode và

ng = n + ω(

=>

=

(2.2)

: chỉ số nhóm được cho bởi

)

(2.3)
Gọi ∆ω: độ rộng phổ của xung -> khoảng thời gian của độ giãn xung khi
truyền qua sợi

2

β/dω2 : Tham số tán sắc vận tốc nhóm. Tham số này nhằm xác định
xung quang có thể bị dãn là bao nhiêu khi truyền sợi quang.
Trong một số hệ thống thông tin quang, sự trải tần số ∆ω: được xác định

bằng dải các bước song ∆� được phát từ nguồn quang.

ω=

và ∆ω = (-

Khi đó (2.4) viết lại:

)∆�

2.5


∆T =

(2.6)

Ở đây:
D=
=
�2)β2
(2.7)
D được gọi là tham số tán sắc (ps/km.n.m)
Ảnh hưởng của tán sắc tới tốc độ bit B có thể được xác định bằng cách sử
dụng mức chuẩn B. ∆t < 1. Áp dụng (2.6) ta được:
BL|D|∆� < 1
(2.8)
Biểu thức (2.8) đưa ra một sự ước lượng cấp biên độ của tích BL cho các
sợi quang đơn mode. Đối với sợi thủy tinh tiêu chuẩn, giá trị của D là tương đối
nhỏ trong vùng gần bước song 1310m. Với laze bán dẫn, độ rộng phổ ∆� là 2 đến

4nm -> Tích BL có thể vượt 10Gbit/s với khoảng lặp 40 đến 50km. Tích này có
thể vượt 1Tbit/s.km khi sử dụng laze bán dẫn đơn mode có ∆� dưới 1nm.
Tham số tán sắc D có thể thay đổi đáng kể khi bước song hoạt động chệch
khỏi vùng 1310nm. Từ (2.7) ta có thể viết:

Ở đây DM V à Dw tương ứng là tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
Thực tế, 2 cơ chế tán sắc này có mối liên hệ phức tạp với nhau. Tuy nhiên,
qua thực nghiệm về tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng người ta nhận thấy hoàn
toàn có thể chấp nhận giải pháp cộng hai tán sắc trên sau khi đã tính riêng từng
loại để có tán sắc bên trong mode nếu không cần quá chính xác. Và vì thế biểu
thức 2.9 chấp nhận được.
2.3.2. Tán sắc vật liệu
Tán sắc vật liệu DM xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thủy tinh, loại vật liệu
dùng để chế tạo ra sợi quang, và những thay đổi của chúng theo tần số quang Cũ
có thể viết tán sắc vật liệu như sau:

n2g: chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi.
Chỉ số chiết suất n(ω) được làm xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier:

n2(ω) = 1 +

(2.11)

ωj: Tần số cộng hưởng ; βj: cường độ dao động
n: chung cho cả n1, n2 tùy thuộc vào các đặc tính phân tán của lõi hay vỏ có
được xem xét hay không.


Số hạng dưới tổng ừong (2.11) mở rộng cho tất cả các cộng hưởng vật liệu
tham gia vào dải tần số quan tâm.

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán
sắc yật liệu, và có thể tham khảo trong hình (2.2).

Hình 2.2. Chỉ số chiến suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước song ở
sợi thủy tinh
Tán sắc vật liệu DM có rang buộc với đường bao của n g bằng đẳng thức
(2.10) hóa ra rằng: dng/d� = 0 tại bước sóng � = 1, 267 �m. Bước sóng này được
coi là bước sóng có tán sắc bằng không �zD. Tham số tán sắc DM có giá trị âm tại
�<�2D. trong vùng bước sóng 1,25 đến 1,66 �m tán sắc vật liệu có thể xác định
bằng biểu thức kinh nghiệm sau:

DM= 122(1-

)

= 1,276 �m chỉ đối với sợi thủy tinh thuần khiến. Giá trị này không đổi
trong dải 1,27 đến 1,29 �m đới với sợi quang có lỗi và cỏ được pha tạp. Bước
sóng có tán sắc bằng không của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và
bậc chỉ số ∆ thông qua tán sắc tổng
2.3.3. Tán sắc dẫn sóng
Tương tự như tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng D w là một thành phần đóng góp
vào tham số tán sắc D, nó phụ thuộc vào tần số chuẩn hó V của sợi quang:

Trong đó:
n2g: chỉ số nhóm của vật liệu
b: hằng số lan truyền chuẩn
A: được giả thiết không phụ thuộc vào tần số.


Ảnh hưởng của tán sắc dẫn sóng lên độ giãn xung có thể được khảo sát

ứong điều kiện giả thiết rằng, chỉ số chiết suất của vật liệu không phụ thuộc vào
bước sóng.

Hình 2.3. tham số b và các vi phân của nó thay đổi theo tham số V
Hình (2.3) chỉ ra d(Vb) /dv và Vd2 (Vb)/dV2 thay đổi theo V.
Do cả hai đạo hàm dương nên Dw âm trong toàn bộ vùng bước sóng 0^l,6//m.
Điều này khác tán sắc vật liệu DM CÓ cả giá trị âm và dương tương ứng với
bước sóng ở thấp hay cao hơn �ZD
Hình 2.4 mô tả các tán sắc Dm, Dw và tán sắc tổng D = Dm + Dw cho sợi
quang đơn mode. Tác động chính của tán sắc dẫn sóng là để dịch bước sóng �ZD
đi một lượng nhằm thu được tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310nm. Giá ứị
tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm trong dải 15 đến 18ps/km.nm ở gần bước
sóng 1,55 �m. Vùng bước sóng này đang được quan tâm rất nhiều vì nó có suy
hao sợi nhỏ nhất.


Hình 2.4. Tán sắc tổng D và các tán sắc thành phần là tán sắc vật liệu D M và
tán sắc dẫn sóng DW cho sợi đơn mode thông dụng
M: Tán sắc vật liệu
G: Tán sắc dẫn sóng
T: Tán săc tổng
P: Tán sắc do mặt cắt gây ra (p nhỏ)
R: Tán sắc dư (nhỏ)
2.3.4. Tán sắc bậc cao
Từ biểu thức (2.8) ta thấy rằng tốc độ cự ly BL của sợi quang đơn mode có thể
tăng vô hạn khi hệ thống hoạt động tại bước sóng �ZD nơi mà D=0. Tuy nhiên, các
hiệu ứng phân tán vẫn không hoàn toàn mất đi tại � = �ZD. Các xung quang vẫn
còn phải chịu sự dãn do các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn. Rõ ràng là sự phụ
thuộc của tán sắc D vào bước sóng sẽ tham gia vào quá trình giãn xung. Các hiệu
ứng phân tán bậc cao hơn được cho bởi đường bao tán sắc:

S=

(2.13)
S: được gọi là tham sô tán săc vi phân hay tham sô tán săc bậc hai.
Từ (2.7) ta có:

S=(

)2β3 + (

)β2

(2.14)

Trong đó : β3 =
=
tại � = �ZD , β2= 0, s tỉ lệ với β3
Đối với nguồn phát có độ rộng phổ AẪ giá ứị hiệu dụng của tham số tán sắc
trở thành D = S.∆�. Tích tốc độ bit cự ly có thể xác định


BL |s|(∆�2) < 1
2.3.5. Tán sắc phân cực mode
Tán sắc phân cực mode PMD là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành
phàn sợi quang đơn mode trong đó năng lượng tín hiệu tại bước sóng đã cho được
chuyển vào hai mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền hơi khác nhau. Tán
sắc phân cực mode ở một chừng mực nào đó sẽ gây ra một số sự xuống cấp đặc
tính dung lượng một cách nghiêm trọng.
Khi có một nguồn phát quang mạnh sự dãn xung thường liên quan tới

lưỡng chiết sợi. Những xuất phát nhỏ từ tính đối xứng tròn hoàn hảo sẽ dẫn đến
lưỡng chiết do có các chỉ số mode khác nhau từ các thành phần phân cực trực giao
của mode sợi cơ bản. Nếu như xung đầu vào kích thích cả hai thành phần phân
cực, nó sẽ bị dãn rộng ra tại đầu ra của sợi vì hai thành phần sẽ phân tán dọc sợi do
các vận tốc nhóm khác nhau của chúng. Hiện tượng này được gọi là tán sắc phân
cực mode PMD.
Tương tự như tán sắc vận tốc nhóm GVD, sự dãn xung có thể được xác
định từ thời gian trễ ∆T giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung. Với
sợi quang có độ dài L thì ∆T được xác định:

∆T = |

| = L|βtx – βty| = L∆β1

(2.15)
Ở đây, các chỉ số phụ x và y dùng để phân biệt hai mode phân cực trực giao và
∆β1 được ràng buộc với sự lưỡng chiết sợi. Biểu thức (2.15) được dùng để liên hệ
vận tốc nhóm Vg với hằng số lan truyền β. Nhưng nó không thể dùng một cách
trực tiếp để xác định PMD đối với các sợi quang tiêu chuẩn ứong mạng viễn thông
là do tính ghép ngẫu nhiên giữa hai mode được sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên
của lưỡng chiết xảy ra dọc theo sợi. Thực tế thì PMD được đặc trưng bởi giá trị
căn trung bình bình phương RMS của ∆T thu được sau khi lấy trung bình những
xáo trộn ngẫu nhiên. Kết quả thu được như sau:

Trong đó:
h: độ dài hiệu chỉnh. Đối với các sợi duy ứì phân cực, độ dài hiệu chỉnh sẽ
lớn vô tận và �T hy vọng sẽ tăng tuyến tính với độ dài sợi. Ngược lại, khi h<thì:

�T = ∆β1

= Dp

(2.17)
Dp là tham số PMD với các giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng 0,1 đến 1ps/
. Do có sự phụ thuộc
của nó, sự dãn xung do PMD là tương đối nhỏ so
với các hiệu ứng GVD. Tuy nhiên, PMD có thể ứở thành nhân tố giới hạn cự ly xa
của các hệ thống thông tin sợi quang hoạt động tại bước sóng gần với bước sóng
tán sắc bằng không. Ngoài ra, trong một số trường hợp PMD có thể làm xuống cấp
nghiêm trọng đặc tính hệ thống do dãn xung quá mức.


Các ảnh hưởng của PMD đối với hệ thống thông tin quang số được minh
hoạ như hình 2.5

Hình 2.5. Ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode đến hệ thống thông tin
quang số