Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc đến các tham số truyền tín hiệu trong thông tin quang sợi luận văn thạc sỹ vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

LÊ THỊ TÚ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN CÁC THAM
SỐ TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG THƠNG TIN QUANG SỢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGHỆ AN – 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

LÊ THỊ TÚ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN CÁC THAM
SỐ TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG THƠNG TIN QUANG SỢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Chuyên ngành: Quang học
Người hướng dẫn khoa học: TS.Dương Công Hiệp

NGHỆ AN – 2012
2

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu sau đại học Trường Đại học Vinh, tôi
đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức phong phú và bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt
tình từ các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ khác của trường. Tôi xin gửi lời cảm
ơn chân thành đến các Thầy, Cô giáo trong khoa Vật lý, Đại học Vinh đã chỉ dẫn
cho tơi trong q trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật
lý, Ban chủ nhiệm Khoa Sau đại học đã tạo cho tôi môi trường học tập và
nghiên cứu thuận lợi. Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo
TS.Dương Công Hiệp, người đã giúp tôi định hướng đề tài và tận tình hướng
dẫn tơi trong suốt q trình hồn thành luận văn.
Với tình cảm tân trọng, tơi xin gửi tới gia đình, những người thân yêu
nhất và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập
và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả
Lê Thị Tú

3

MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU...............................................................................................................4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................9
Chương 1: Tổng quan về tán sắc trong thông tin quang...............................10
1.1. Cấu tạo và phân loại sợi quang.....................................................................10
1.1.1. Cấu tạo.......................................................................................................10
1.1.2. Phân loại sợi quang.....................................................................................10

1.1.2.1. Phân loại theo sự phân bố chiết suất trong sợi quang................................11
1.1.2.1.1. Sợi quang chiết suất bậc SI...................................................................11
1.1.2.1.2. Sợi quang chiết suất biến đổi đều GI.....................................................13
1.1.2.2. Phân loại theo mode truyền sóng..............................................................14
1.1.2.2.1. Khái niệm.............................................................................................14
1.1.2.2.2. Sợi quang đa mode (MM).....................................................................14
1.1.2.2.3. Sợi quang đơn mode (SM)...................................................................16
1.2. Tán sắc trong sợi quang................................................................................17
1.2.1. Khái niệm tán sắc......................................................................................17
1.2.2. Các loại tán sắc..........................................................................................18
1.2.2.1. Tán sắc mode..........................................................................................18
1.2.2.2. Tán sắc vận tốc nhóm (GVD).................................................................19
1.2.2.3. Tán sắc vật liệu......................................................................................21
1.2.2.4. Tán sắc ống dẫn sóng.............................................................................22
1.2.2.5. Tán sắc phân cực mode..........................................................................24
1.3. Giới hạn gây ra tán sắc và ảnh hưởng của nó tới q trình truyền xung......25
1.3.1. Phương trình truyền sóng cơ bản...............................................................25
1.3.2. Xung Gauss chirp......................................................................................27
1.3.3. Sự giới hạn của tốc độ bít..........................................................................29
1.4. Kết luận chương I.........................................................................................33

4

Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng của tán đến các tham số truyền tín hiệu
trong thơng tin quang sợi..................................................................................35
2.1. Giới thiệu......................................................................................................35
2.2. Hệ thống thơng tin quang có độ rộng phổ rộng............................................37
2.2.1. Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc cho hệ thống 1Gb/s
và 2,5Gb/s.............................................................................................................38
2.2.2. Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào cự ly truyền dẫn với các

nguồn có độ rộng phổ khác nhau...........................................................................39
2.3. Hệ thống thơng tin quang có độ rộng phổ hẹp..............................................40
2.3.1. Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc cho hệ thống 5Gb/s
và 10Gb/s..............................................................................................................40
2.3.2. Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc với các giá trị chirp
khác nhau..............................................................................................................41
2.4. Tính tốn thiết kế cấu hình tuyến.....................................................................42
2.4.1. Hệ thống sử dụng nguồn phát có phổ rộng....................................................42
2.4.2. Hệ thống sử dụng nguồn phát có phổ hẹp.....................................................44
2.5. Kết luận chương II........................................................................................46
PHẦN III. KẾT LUẬN CHUNG.....................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................49

5

MỞ ĐẦU
Viễn thơng Việt Nam đang có những bước phát triển mạnh mẽ và vượt
bậc, trở thành một trong những ngành kinh tế kỹ thuật mũi nhọn, đóng góp
mạnh mẽ vào sự phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh Quốc phòng của đất
nước.
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thơng tin ngày càng
cao. Điều này địi hỏi băng thông và dung lượng đường truyền ngày càng lớn.
Trong viễn thơng, hệ thống truyền dẫn có hai dạng là vô tuyến và hữu tuyến. Do
hệ thống vô truyến có những hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữu tuyến vẫn là
hình thức truyền dẫn hiệu quả và quan trọng. Trong truyền dẫn hữu tuyến sử
dụng cáp đồng và cáp quang. Cáp đồng không thể đảm bảo được yêu cầu băng
thông và dung lượng đường truyền lớn. Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu
một bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ưu điểm nổi
trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp, …, truyền dẫn quang đã trở
thành công nghệ truyền dẫn chính trong các ứng dụng tốc độ cao và mạng

truyền dẫn đường trục. Truyền dẫn thông tin quang bằng cáp sợi quang từ khi ra
đời đến nay đã trải qua nhiều thời kì phát triển. Ban đầu là sợi đa mode có suy
hao cao, với cự ly truyền dẫn vài km đến sợi quang đơn mode có suy hao thấp,
cự ly truyền dẫn tăng lên hàng chục, thậm chí hàng trăm km. Cáp quang là giải
pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thơng đường dài và quốc tế có tốc độ truyền dẫn
cao và rất cao, sử dụng trên đất liền và vượt đại dương.
Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang dung lượng lớn sẽ gặp phải ba vấn đề
cần quan tâm như: suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng
và cự ly truyền dẫn của hệ thống. Vấn đề suy hao có thể được giải quyết đơn
giản bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang. Các hiệu ứng phi tuyến có thể
bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở công suất vừa phải
khoảng vài mW với tốc độ lên đến 2,5Gb/s. Nhưng ở các tốc độ bit cao như
10Gb/s thì chúng ta phải xem xét các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Các
ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến có thể giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện
tích lõi hiệu dụng lớn. Cịn lại, vấn đề tán sắc là mối quan tâm lớn nhất của các

6

hệ thống thông tin quang. Việc xác định ảnh hưởng của tán sắc một cách định
lượng là rất cần thiết để trên cơ sở đó có thể xác định việc bù tán sắc. Trong luận
văn này, chúng tơi trình bày phương pháp xác định ảnh hưởng của tán sắc thông
qua phương pháp xác định mất mát công suất của hệ thống.

Với lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tán
sắc đến các tham số truyền tín hiệu trong thông tin quang sợi”.

Mục đích nghiên cứu của đề tài:
- Tổng quan các loại tán sắc trong sợi quang, xây dựng phương trình

truyền sóng trong sợi quang và giới hạn tốc độ truyền bit của hệ thống.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống truyền dẫn.
- Nghiên cứu phương pháp xác định tán sắc bằng phương pháp xác định

công suất mất mát của hệ thống.
Luận văn được thực hiện thông qua việc nghiên cứu lý thuyết, các bài báo
khoa học, các tài liệu tham khảo, và qua trao đổi với thầy giáo hướng dẫn.
Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, các vấn đề chi tiết
được trình bày trong hai chương:
Chương 1: Tổng quan về tán sắc trong thông tin quang
Nội dụng của chương 1 trình bày về sợi quang và phân loại sợi quang;
tổng quan về các loại tán sắc trong sợi quang đơn mode; các ảnh hưởng của tán
sắc trong quá trình truyền xung; giới hạn gây ra tán sắc, đưa ra các biểu thức cụ
thể về sự mở rộng xung và giới hạn của tốc độ truyền bít trong các trường hợp.
Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc đến các tham số truyền
tín hiệu trong thơng tin quang sợi
Nội dung của chương 2 là khảo sát ảnh hưởng của các tham số có liên
quan đến tán sắc thông qua phương pháp xác định công suất mất mát của hệ
thống.
Trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp, mặc dù có nhiều cố gắng
nhưng đề tài khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các thầy cơ và các
bạn tận tình chỉ bảo và góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn.

7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

SI Step Index Sợi quang chiết suất bậc
GI
NA Graded Index Sợi quang chiết suất biến đổi đều
MM

SM Numerical Aperture Khẩu độ số
BER
SNR Multi Mode Sợi quang đa mode
DM
DW Single Mode Sợi quang đơn mode
MFD
RMS Bir Error Rate Tỷ lệ lỗi bít
GVD
EDFA Signal_to_Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu

DFB Material Dispersion Tán sắc vật liệu
WDM
Waveguide Dispersion Tán sắc ống dẫn sóng
PA
OAR Mode Field Diameter Đường kính của trường mode
FWHM
Root Mean Square Giá trị căn quân phương
SMF
Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

Erbium Doped Fibre Bộ khuếch đại quang sợi pha

tạp Erbium

Distributed Feed Back Laser Laser phản hồi phân bố

Wavelength Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo bước

sóng

Pre Amplifier Tiền khuếch đại

Optically Amplified Receiver Máy thu khuếch đại quang

Full Width at Half Maximum Chiều rộng ở tại một nửa cực đại

của xung

Simple Machines Forum Sợi quang đơn mode G.652

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1. Một số hình ảnh về sợi quang..............................................................10
Hình 1.2. Đường truyền của tia sáng trong sợi quang SI.....................................12
Hình 1.3. Đường đi của một tia sáng trong sợi quang GI....................................13
Hình 1.4. Các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang..................14
Hình 1.5. Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đa mode chiết suất bậc............16
Hình 1.6. Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đa mode chiết suất biến
đổi đều.................................................................................................................16
Hình 1.7. Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đơn mode................................16
Hình 1.8. Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc................................................17
Hình 1.9. Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước
sóng của Silica nóng chảy...................................................................................21
Hình 1.10. Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode..........................22
Hình 1.11. Sự thay đổi của b (tần số lan truyền chuẩn hóa) và đạo hàm
của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] theo tham số V...........................................23
Hình 1.12. Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc

vật liệu (DM) và tán sắc ống dẫn sóng (DW) của sợi đơn mode thường...............24
Hình 1.13. Minh họa trạng thái phân cực của sóng theo chiều sợi quang...........25
Hình 1.14. Giới hạn tán sắc BL của xung Gauss chirp và xung siêu Gauss.......33
Hình 2.1. Cấu hình hệ thống thơng tin quang tiêu biểu.......................................36
Hình 2.2. Kết quả tính tốn lượng cơng suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán
sắc cho hệ thống 1Gb/s và 2.5Gb/s.....................................................................38
Hình 2.3. Kết quả tính tốn lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào độ
rộng phổ nguồn phát khi tăng cự ly truyền dẫn cho hệ thống 2.5Gb/s...............39
Hình 2.4. Tổn thất cơng suất tín hiệu phụ thuộc vào tán sắc với các tốc độ bít
khác nhau.............................................................................................................41
Hình 2.5. Công suất tổn thất phụ thuộc vào tán sắc sợi với các giá trị Chirp khác
nhau.....................................................................................................................42
Hình 2.6. Quỹ cơng suất của hệ thống phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn với

9

các tốc độ bít khác nhau......................................................................................44
Hình 2.7. Cự ly truyền dẫn của hệ thống 10Gb/s phụ thuộc vào tán sắc tuyến.........45

10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 2.1. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số
lý thuyết)..............................................................................................................35
Bảng 2.2. Các tham số để tính tốn.....................................................................43
Bảng 2.3. Các tham số để tính tốn thiết kế cấu hình tuyến 10Gb/s...................45

11

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG
1.1. Cấu tạo và phân loại sợi quang
1.1.1. Cấu tạo
Sợi quang là môi trường truyền tin đặc biệt với đặc điểm truyền dẫn suy hao
thấp. Nó có cấu tạo là một ống dẫn sóng hình trụ trong đó ánh sáng có thể lan
truyền được. Nhờ ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo
cơ bản gồm hai lớp điện môi trong suốt khác nhau:
+) Lõi: có dạng hình trụ trịn, là nơi ánh sáng lan truyền, có chiết suất n1, đường
kính cỡ một vài m (lớn hơn bước sóng truyền tải cỡ vài chục lần).
+) Vỏ: có dạng hình trụ bao quanh lõi, có chiết suất khơng đổi n2 với n2 < n1, chiều
dày khoảng 0.1 m , làm bằng thủy tinh hoặc plastic. Ở biên giữa của lõi và vỏ xảy
ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
Ngồi ra cịn có các thành phần khác như:
+) Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt.
+) Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp quang. Những
bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là Jacket.

Hình 1.1. Một số hình ảnh về sợi quang [2].
1.1.2. Phân loại sợi quang

Sợi quang được phân loại theo nhiều cách: phân loại theo phân bố chiết
suất trong sợi quang, phân loại theo mode truyền sóng, phân loại theo vật liệu điện
môi sử dụng, …
+) Phân loại theo phân bố chiết suất: sợi quang chiết suất bậc và sợi chiết suất biến
đổi.
+) Phân loại theo mode truyền sóng: sợi quang đơn mode và sợi quang đa mode.

12

1.1.2.1. Phân loại theo sự phân bố chiết suất trong sợi quang
Sự phân bố chiết suất trong sợi quang như sau:

+) Chiết suất của lớp vỏ bọc không đổi và bằng n2.
+) Chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính của sợi quang (tâm nằm trên
trục cua lõi). Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát
sau:

   r  
n1 1     với r a
n(r)    a   (1.1)

 với a  r b
 n2

Với: n1: chiết suất lớn nhất ở lõi, tức tại r = 0 hay n(0) = n1.

n2: chiết suất vỏ bọc.

r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất.

a: bán kính lõi sợi quang.

b: bán kính ngồi lớp vỏ sợi quang.

 : độ chêch lệch chiết suất tương đối, được xác định bởi biểu thức

n12  n22 (1.2)
 2

2n1

 : hệ số mũ (chỉ số chiết suất), giá trị của  quyết định dạng phân bố chiết

suất của sợi quang với  1. Một số giá trị điển hình:

 1 : dạng tam giác.

 2 : dạng parabol.

  : dạng bậc thang.

1.1.2.1.1. Sợi quang chiết suất bậc SI

Sợi quang SI là sợi đơn giản nhất, có lớp lõi là đồng nhất. Sợi quang chiết

suất bậc có dạng phân bố chiết suất như sau:

n(r)  n1 với r a (1.3)

n2 với a  r b

13

Tia không dẫn

Lỏi(n1) Tia dẫn
Lớp sơn phủ (n2)

Hình 1.2. Đường truyền của tia sáng trong sợi quang SI [1].

Trên hình (1.2) tia sáng đi vào sợi quang tạo với trục của sợi một góc i

và bị khúc xạ tạo với trục một góc r được xác định theo cơng thức:

n0 sini n1 sinr (1.4)

Với n0, n1 là chiết suất của khơng khí và của lõi.
Để tia sáng phản xạ toàn phần tại mặt phẳng phân cách giữa lõi – vỏ trong

sợi quang thì góc tới hạn c được xác định bởi biểu thức:

sinc n2 (1.5)
n1

Với n2 là chiết suất vỏ bọc.

Khi các tia sáng truyền vào trong sợi thỏa mãn điều kiện   c thì tất cả

các tia sáng sẽ phản xạ toàn phần trong lõi của sợi. Các tia khác nhau thì có

thành phần vận tốc truyền khác nhau, cụ thể:   c sin . Sự phụ thuộc của vận

n1

tốc vào  dẫn đến thời gian trễ khác nhau khi truyền - tức là có sự tán sắc.

Khi r 2  c , thay vào phương trình (1.4) và kết hợp phương trình (1.5)
thì phương trình (1.4) trở thành:

n0 sinimax n1 sinr  n12  n22 (1.6)

14

Đại lượng n0 sinimax đặc trưng cho độ dễ ghép ánh sáng vào sợi quang
hay khả năng thu sáng của sợi quang để truyền đi được gọi là khẩu độ số NA, tức
là:

NA n0 sinimax  n12  n22 (1.7)

Trong sợi SI đường truyền ngắn nhất khi i 0 và chiều dài đúng bằng

chiều dài L, còn đường truyền dài nhất khi i xác định bởi phương trình (1.7) và

chiều dài là L / sinc . Ở đây đường truyền ngắn nhất thì ánh sáng truyền hết ít
thời gian nhất vì chiết suất trong lõi được phân bố đều.
1.1.2.1.2. Sợi quang chiết suất biến đổi đều GI

Sợi quang GI có chiết suất của lõi giảm dần từ trục ra vỏ (thay đổi một cách
từ từ). Chiết suất của lõi có phân bố dạng parabol (tương ứng  = 2):

  r 2 


n1 1     với r a
n(r)    a   (1.8)


n2 với a  r b

Khẩu độ số của sợi GI:

NA(r)  n2 (r)  n22

Hình 1.3.

Đường đi của một tia sáng trong sợi quang GI [1].

Hình (1.3) cho ta thấy những đường dẫn khác nhau thì cho các tia ló khác
nhau. Những tia sáng có đường dẫn dài hơn thì tia ló xiên góc lớn hơn. Vận tốc
tia sáng thay đổi theo đường dẫn vì chỉ số chiết quang của sợi thay đổi. Tia sáng
đi dọc theo trục sợi có đường dẫn ngắn nhất nhưng chạy chậm nhất trong đường

15

dẫn này. Những tia sáng xiên có một phần nằm trong mơi trường có chiết suất
thấp hơn nên chạy nhanh hơn. Vì vậy nếu có sự chọn lựa thích hợp chỉ số chiết
suất thì tất cả các tia sáng sẽ đến đầu ra cùng một lúc.
1.1.2.2. Phân loại theo mode truyền sóng
1.1.2.2.1. Khái niệm

Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường khác nhau, trạng
thái ổn định của các đường này được gọi là những mode sóng. Có thể hình dung
gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.

Ánh sáng truyền trong sợi quang như một tập hợp của những luồng sáng
hoặc những tia sáng riêng lẻ. Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang
ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc  biến thiên từ 0 đến c
như được minh họa ở hình sau:

Hình 1.4. Các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang [1].

Những luồng sáng khác nhau được gọi là những mode. Ta phân biệt các
mode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt.
Nguyên tắc là: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp.
Như vậy mode truyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và
mode truyền ở góc truyền tới hạn (c ) là mode có số thứ tự lớn nhất có thể của sợi
quang.
1.1.2.2.2. Sợi quang đa mode (MM)

Sợi đa mode là sợi quang có thể truyền đồng thời nhiều mode sóng, tức là có
thể truyền cùng lúc nhiều ánh sáng với góc  khác nhau.

16

Sợi đa mode được sản xuất theo công nghệ tiên tiến, chiết suất từ lõi ra đến

vỏ sẽ giảm từ từ (nhưng vẫn đảm bảo một tỉ số chiết suất để ánh sáng chỉ phản xạ

mà không tán xạ), khi đó ánh sáng sẽ đi theo đường cong, độ lệch pha ít.

Số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình học của

sợi. Nếu đường kính lõi càng lớn và bước sóng ánh sáng càng ngắn thì sợi quang

càng chứa nhiều mode sóng. Nếu NA càng lớn thì số lượng mode sóng thu được

càng nhiều. Khi đó tần số được chuẩn hóa V được xác định như sau:

V 2 a NA (1.9)


Với: a: bán kính lõi sợi quang.

 : bước sóng được truyền trong sợi quang.

NA: khẩu độ số của sợi quang.

Một cách tổng quát, số mode sóng truyền được trong sợi quang được xác

định gần đúng như sau:

N V 2  (1.10)
2  2

Với  là số mũ trong hàm chiết suất. Từ đó suy ra:

+) Số mode truyền được trong sợi SI: N V 2 (   )

2

+) Số mode truyền được trong sợi GI: N V 2 (  2 )

4

Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ lớn. Giá trị điển hình:

+) Đường kính lõi: d 50m

+) Đường kính lớp vỏ bọc: D 125m

+) Khẩu độ số: NA 0.2 0.29

Có bốn thơng số xác định cấu trúc của các loại sợi quang đa mode: đường

kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số và dạng phân bố chiết suất khúc xạ.

Nhược điểm của sợi đa mode: trong sợi đa mode ánh sáng đi theo một chùm

tia sáng nên sẽ bị tán sắc. Các mode truyền dẫn tín hiệu trong sợi đa mode dễ bị tán

xạ, do đó tốc độ truyền kém và khoảng cách truyền ngắn. Vì vậy mà sợi đa mode

17

chỉ sử dụng truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn và chỉ dùng để truyền tín
hiệu giữa các mạng trong vùng.

Sợi đa mode chia thành 2 loại:
+) Sợi đa mode chiết suất bậc (MM – SI): Có chiết suất từ lõi đến vỏ giảm dần theo
từng nấc. Loại sợi này thường dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn
soi trong.

Hình 1.5. Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đa mode chiết suất bậc [1].
+) Sợi đa mode chiết suất biến đổi đều (MM – GI): Có chiết suất giảm liên tục và
thường dùng trong các mạng LAN.

Hình 1.6. Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đa mode chiết suất biến đổi đều [1].
1.1.2.2.3. Sợi quang đơn mode (SM)

Sợi đơn mode là sợi trong đó chỉ có một mode sóng cơ bản lan truyền (chỉ
có thể truyền một ánh sáng với một bước sóng nhất định). Do chỉ truyền được một
mode nên sợi đơn mode không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc mode. Lõi của
nó có chiết suất là một hằng số.

Hình 1.7. Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đơn mode [1].

18

Sợi đơn mode có đường kính lõi, khẩu độ số nhỏ. Giá trị điển hình:
+) Đường kính lõi: d 9 10m
+) Đường kính lớp bọc: D 125m
+) Khẩu độ số: NA 0.13 0.18

Sợi đơn mode dùng để truyền tải tín hiệu trong những khoảng cách xa
hàng nghìn km, phổ biến trong các mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp,
mạng internet.
1.2. Tán sắc trong sợi quang
1.2.1. Khái niệm tán sắc

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra. Nếu
xung giãn ra lớn hơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận nhau.
Kết quả là đầu thu khơng nhận diện được bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầu
phát, dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỷ số giữa
số bít bị lỗi trên tổng số bít phát đi gọi là tỷ lệ lỗi bít BER tăng lên – thông số
này đặc trưng cho chất lượng truyền dẫn của tuyến, tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu
(S/N) giảm và chất lượng hệ thống giảm. Hình 1.1 dưới đây minh họa cho sự mở
rộng xung do tán sắc.

Hình 1.8. Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc [1].

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

D   02   i2 (1.11)

trong đó i ,0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nữa 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

19

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/(nm.km).

1.2.2. Các loại tán sắc

Các loại tán sắc quan trọng trong sợi quang gồm:

- Tán sắc mode.

- Tán sắc vận tốc nhóm.

- Tán sắc vật liệu.

- Tán sắc ống dẫn sóng.

- Tán sắc mode phân cực.

Trong sợi đa mode có tất cả các loại tán sắc trên, tuy nhiên do tán sắc

mode có ảnh hưởng lớn hơn cả nên ta chỉ xét tán sắc mode trong sợi đa mode.

Để khắc phục tán sắc mode người ta chế tạo ra loại sợi đơn mode. Rõ ràng sợi

đơn mode đã khắc phục hoàn toàn tán sắc mode. Tuy nhiên, vì sợi đơn mode

vẫn được chế tạo từ Silica nên nó cịn chịu ảnh hưởng của các loại tán sắc khác.

Sau đây ta sẽ khảo sát cụ thể các loại tán sắc trên.

1.2.2.1. Tán sắc mode

Nguyên nhân gây ra tán sắc mode trong sợi đa mode là do sợi đa mode

truyền đồng thời nhiều mode sóng, mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau

(mỗi mode có hằng số lan truyền khác nhau) nên thời gian truyền đến đầu thu

của các mode khác nhau là khác nhau gây ra tán sắc mode.

Đối với sợi MM – SI độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode

bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhât) được tính bằng biểu thức sau:

T n1 ( L  L)  Ln12  (1.12)
c sin c cn2

Đối với sợi MM – GI độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode

bậc thấp nhất) và tia dài nhất (mode bậc cao nhất) được tính theo biểu thức:

n1 (  0 p1)L  0 p1
 (  2)c  0 p1
T  (1.13)
 n12L

 2c

1.2.2.2. Tán sắc vận tốc nhóm (GVD)

20