kỹ thuật thông tin quang

Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion Precise Fiber Test Solutions: CHROMATIC DISPERSION TRAINING Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 1 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion 1. Cơ bản về sợi quang : 1.1. Phản xạ và khúc xạ Trong chuyển động sóng, phản xạ là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới. Các ví dụ về phản xạ đã được quan sát với các sóng như ánh sáng, âm thanh hay sóng nước. Sự phản xạ của ánh sáng có thể là phản xạ định hướng (như phản xạ trên gương) hay phản xạ khuếch tán (như phản xạ trên tờ giấy trắng) tuỳ thuộc vào bề mặt tiếp xúc. Tính chất của bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ, pha hay trạng thái phân cực của sóng. Trong nhiều quá trình vật lý, sóng phẳng lan truyền theo hướng PO đi tới bề mặt phản xạ (gương) thẳng đứng tại điểm O, và bị phản xạ theo hướng OQ. Dựng tia vuông góc với mặt phẳng gương tại O, có thể đo góc tới, θi và góc phản xạ, θr. Công thức cho sự phản xạ định hướng nói rằng: ri θθ = tức là góc tới bằng góc phản xạ. Normal φ Incident Ray Refracted Ray Reflected Ray n 2 e.g. Glass n 2 ≈ 1.5 n 1 e.g. Air n 1 ≈ 1.0 θ i θ r . H1.1 Khúc xạ của tia sáng Khúc xạ là thuật ngữ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau. Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 2 P O Q Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, còn gọi là định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng: với: • i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường. • r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường. • n1 là chiết suất môi trường 1. • n2 là chiết suất môi trường 2. Tỉ số n2/n1 không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1). Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1. Ngược lại nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang kém môi trường 1. Trong trường hợp chiết suất n2>n1, θ > θ c θ c θ φ = 90 o φ n 2 e.g.Glass n 2 ≈ 1.5 n 1 e.g. Air n 1 ≈ 1.0 Normal H1.2 Xét trường hợp chiết suất 2 1 n n> Khi θ < θ c djjk Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 3 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion - Tia sáng sẽ được tách ra, một phần sẽ phản xạ ngược trở lại tại bề mặt phân cách, một phần sẽ khúc xạ và đi qua bề mặt phân cách Khi θ > θ c - Toàn bộ tia sáng sẽ được phản xạ tại bề mặt phân cách, người ta gọi đây là hiện tượng phản xạ toàn phần Từ đây ta sẽ có khái niệm góc tới hạn (Critical Angle) : Góc tới hạn là góc của tia tới sao cho khi góc tới đạt được giá trị của góc tới hạn hoặc lớn hơn thì sẽ không xuất hiện tia khúc xạ ở phía bên kia của bề mặt phân cách. Góc tới hạn được tính theo công thức sau : Nếu góc tới đúng góc tới hạn thì tia khúc xạ sẽ tiếp tuyến với bề mặt phân cách. 1.2 Ánh sáng truyền trong sợi quang: H1.3 Ánh sáng truyền trong sợi quang Khẩu độ (numerical aperture) NA: sinNA n θ = n là chiết suất của môi trường đặt nguồn phát quang. Ánh sáng đưa vào sợi quang sẽ theo một một góc nón nhất định gọi là góc nón cho phép và một nữa góc này gọi là góc cho phép θ. Đối với sợi quang đa mode, góc cho phép sẽ được xác định thông qua các thông số chiết suất 2 2 1 2 sinn n n θ = − Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết suất n sang môi trường chiết suất 1 n ta sẽ có : 1 sin sin i r n n θ θ = (1) Dựa vào hình trên ta sẽ có : sin sin(90 ) os o r c c c θ θ θ = − = trong đó 1 2 1 sin c n n θ − = (2) Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 4 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion Thế (2) vào phương trình (1) ta sẽ có : 1 sin os i c n c n θ θ = (3) Bình phương hai vế ta sẽ có: 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 sin os 1 sin 1 i c c nn c n n θ θ θ = = − = − Do đó ta có : 2 2 1 2 sinn n n θ = − Chỉ số bình thường hóa xung nhip (normalized rap frequence) Vnumber được tính : 2 r NA V π λ = Đối với sợi quang đơn mode : 0<V<2.405 Đối với sợi quang đa mode : V>2.405 Theo định nghĩa, chiết suất của môi trường là: v c n = với v là tốc độ pha của bức xạ điện từ trong môi trường tại một tần số nhất định (đơn sắc). Chiết suất của một vật liệu là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ pha của bức xạ điện từ trong vật liệu. Nó thường được ký hiệu là n. Tốc độ pha của một đoàn sóng là tốc độ di chuyển của đỉnh sóng; cũng là tốc độ di chuyển của pha của đoàn sóng. Tốc độ này đối nghịch với tốc độ nhóm là tốc độ di chuyển của biên độ đoàn sóng. Tốc độ nhóm thể hiện tốc độ di chuyển của thông tin (hay năng lượng) mang theo bởi đoàn sóng vật lý. Tốc độ nhóm luôn nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không, như các thí nghiệm đã cho thấy; còn tốc độ pha có thể lớn hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Đôi khi có thể định nghĩa, chiết suất nhóm dựa vào tốc độ nhóm (tốc độ lan truyền thông tin): g c N v = , với g v là tốc độ nhóm Ngoài ra ta còn có công thức thể hiện sự phụ thuộc của chiết suất nhóm vào bước sóng như sau : . /N n dn d λ λ = − Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 5 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion H1.4 Đồ thị của chiết suất và chiết suất nhóm theo bước sóng 1.3 Quá trình hình thành sợi quang H1.5 Sử dụng lửa làm lắng động bồ hóng trong ống silica Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 6 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion H1.6 Quá trình kéo sợi quang H1.7 Lõi sợi quang sẽ gần bằng sợi tóc 2. Tán sắc 2.1 Cơ bản về tán sắc Như chúng ta đã biết, tốc độ ánh sáng trong vật liệu phụ thuộc vào bước sóng, do đó sự khúc xạ cũng phụ thuộc vào bước sóng. Khi ánh sáng đi qua lăng kính, những bước sóng khác nhau sẽ rẽ theo những góc khác nhau. Hiện tượng đó người ta gọi là tán sắc. Do ta chỉ quan tâm đến sợi đơn mode, nên trong sợi đơn mode có hai loại tán sắc chính : Tán sắc sắc thể và tán sắc mode phân cực Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 7 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion H2.1 Ánh sáng bị tán sắc Vậy trong sợi quang hiện tượng tán sắc sắc thể xảy ra như thế nào ? Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi quang. Nó sẽ mở rộng xung của ánh sáng ngõ vào tùy thuộc vào bề rộng các bước sóng (độ rộng phổ), độ tán sắc D, và chiều dài L. Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc sắc thể đó là: - Tán sắc vật liệu - Tán sắc dẫn sóng - Trễ nhóm H2.2 Sự hình thành trễ nhóm do giãn xung Ta sẽ có công thức thời gian trễ : ( ) L dn n c d τ λ λ λ   = −  ÷   Trễ nhóm trong sợi quang tuân theo một đường cong qua toàn bộ bước sóng của băng truyền. Tần số với thời gian trễ nhỏ nhất được gọi là lamda zero. Tại lamda zero ta sẽ có băng thông là lớn nhất, độ mở rộng xung là nhỏ nhất. Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 8 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion H2.3 Sự phụ thuộc của trễ vào bước sóng H2.4 Đặc tính tán sắc trong sợi quang Trên đây là độ thị của sự tán sắc theo bước sóng – chính là đạo hàm của đồ thị trễ nhóm. Đặc tính quan trong để biết về tán sắc chính là lamda zero và độ dốc. Độ dốc sẽ cho biết sự dịch chuyển của tán sắc khi dịch chuyển bước sóng ra xa lamda zero Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 9 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion H2.5 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn một thông thường. Chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng. Như chúng ta đã biết, trên thực tế không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhất định. Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ 0 λ ∆ truyền qua một sợi cáp quang đơn mode. Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị chèn lên nhau . Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2 xung riêng biệt. Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu. H2.6 Hậu quả của tán sắc đối với tốc độ truyền của mạng a) xung tại đầu phát b) xung thu được tại đầu thu và thiết bị thu không thể phân biệt được hai xung kế tiếp Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 10 [...]... sợi quang Tán sắc trên mỗi sợi quang sẽ có một phương sai tự nhiên Ta có thể làm giảm giá trị phương sai bằng cách kết nối nhiều đoạn sợi quang lại với nhau Và như vậy thông thường thì phương sai trên toàn bộ đường truyền sẽ nhỏ hơn phương sai trên từng sợi quang riêng rẽ hay tán sắc trên đường truyền sẽ ít biến đổi hơn so với trên từng sợi quang và điều này cũng còn phụ thuộc vào số lượng các sợi quang. .. rộng xung tín hiệu, nếu không lỗi sẽ bắt đầu xuất hiện 2.4 Đặc tính tán sắc của sợi quang Mỗi loại sợi quang sẽ có những đặc tính, số liệu về tán sắc, trễ khác nhau Dưới đây là ba loại sợi quang thường được sử dụng: Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 13 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion H2.11 Tán sắc trong các loại sợi quang khác nhau 3 Tán sắc sắc thể và WDM 3.1 Truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM... cũng đủ làm tăng băng thông trên sợi quang lên gấp 64 lần Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 14 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion Các dải băng hoạt động của WDM Mô hình hệ thống WDM : SPAN SPAN H3.1 Mô hình hệ thống WDM Để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi quang hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau : - Phát tín hiệu : Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser... khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh Thu tín hiệu : Tín hiệu thu trong hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường H3.2 Sự phát triển dung lượng quang theo thời gian ứng với các tốc độ khác nhau 3.2 Sai số của hệ thống đối với tán sắc Sự tán sắc tác động lên tín hiệu theo hai cách Đầu tiên, tán sắc không... đại quang sợi EDFA ngày nay được sử dụng rộng rãi trên các tuyến truyền dẫn quang Đó là do: - Có nhiều nguồn bơm laser bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và có công suất cao - EDFA là thiết bị quang sợi nên nó không phụ thuộc vào phân cực và dễ dàng ghép ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra - Thiết bị đơn giản - Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quang bán dẫn Tổ Viễn Thông. .. 2.3 Tán sắc vật liệu trong sợi quang: Thời gian trễ trong sợi quang chiều dài L do tán sắc vật liệu : L dn  τm =  n − λ ÷ c dλ  dτ m L d 2n σm ≈ σλ = σλ λ dλ c dλ2 σ m = τ 1 − τ 2 = Dσ λ L Suy hao trong ống dẫn sóng : - Phụ thuộc vào các thông số của sợi quang d 2bV - Waveguie Dispersion = V dV 2 b: là hằng số bình thường hóa truyền sóng Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 12 Đặng Hồng Phong Chromatic... đồ khối CD 400 Hệ thông âm quang có thể điều chỉnh được (Acousto-Optic Tuneable Filter -AOTF): - Sóng cao tần lái công suất quyết định suy hao trong truyền dẫn quang - Sóng cao tần lái tần số quyết định bước sóng quang lựa chọn – truy cập ngẫu nhiên bởi bộ lựa chọn tần số - Khả năng xử lý và lặp lại cực nhanh, sử dụng bộ lái số - Băng tân rộng (800 -1700nm) Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 34 Đặng Hồng... 6.2 Nhóm quang - Led nguồn (1300nm/1550nm) Chuyển mạch quang Máy phát tán sắc (SSM) Bộ thu quang Lựa chọn phân cực (CD431) H6.4 Sắp xếp các thiết bị quang 6.3 Nhóm điện tử - Đơn vị tách pha và công suất - Bộ xử tín hiệu - Bộ xử lý trung tâm và giao diện IEEE 488 - Tổng hợp tần số và khuếch đại cao tần - Tập hợp các I/O - Bộ nguồn Tổng quan các khối trong nhóm điện : Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 36... đơn sắc): Hệ thống âm quang có thể điều chỉnh được (Acousto-Optic Tuneable Filter -AOTF): - Sóng cao tần lái công suất quyết định suy hao trong truyền dẫn quang - Sóng cao tần lái tần số quyết định bước sóng quang lựa chọn – truy cập ngẫu nhiên bởi bộ lựa chọn tần số - Khả năng xử lý và lặp lại cực nhanh, sử dụng bộ lái số - Băng tân rộng (800 -1700nm) Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 32 Đặng Hồng Phong... truyền H4.5 Mô tả giá trị tán sắc Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 25 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion Ta sẽ có công thức tính tán sắc : 3 StdDev (λ ) n Với n là số các sợi quang được kết nối với nhau Avg : giá trị trung bình của tán sắc StdDev : độ lệch chuẩn của tán sắc DTot (λ ) = Avg (λ ) ± Giới hạn tán sắc trên mỗi sợi quang sẽ được tính ( LCab : chiều dài sợi quang, LTot : chiều dài đường truyền): . thu trong hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường. H3.2 Sự phát triển dung lượng quang theo thời gian ứng với các tốc độ khác nhau 3.2. tán sắc của sợi quang Mỗi loại sợi quang sẽ có những đặc tính, số liệu về tán sắc, trễ khác nhau. Dưới đây là ba loại sợi quang thường được sử dụng: Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 13 Đặng Hồng. sóng ra xa lamda zero Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông 9 Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion H2.5 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn một thông thường. Chúng ta nhận