Bài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin quang

Bài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin quangBài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin quangBài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin quangBài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin quangThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thôngThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thôngThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thôngThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thôngThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thôngCơ sởKỹ thuậtViễn thôngThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thôngCơ sởKỹ thuậtViễn thôngThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thôngCơ sởKỹ thuậtViễn thôngThông tin quangCơ sởKỹ thuậtViễn thông

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Nhóm biên soạn: TS Nguyễn Đức Nhân

ThS Trần Thủy Bình ThS Ngô Thu Trang ThS Lê Thanh Thủy

HÀ NỘI 12-2013

PTIT

LỜI MỞ ĐẦU

Từ khi ra đời cho đến nay thông tin quang đã trở thành hệ thống truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông Trước đây, nhắc đến hệ thống truyền dẫn quang thì chúng ta thường nghĩ ngay đến các hệ thống truyền dẫn với tốc độ rất cao, dung lượng lớn đóng vai trò như các mạng đường trục của viễn thông Nhưng giờ đây, thông tin quang còn được phát triển nhanh chóng ở cả cấp độ mạng truy nhập Có thể thấy rằng để đáp ứng nhu cầu truyền tải do sự bùng nổ thông tin, hệ thống viễn thông cần phải phát triển cả về qui mô và cấu trúc mạng

Mạng truyền dẫn dựa trên hệ thống truyền thông sợi quang là xương sống của mạng viễn thông Do vậy để xây dựng được các hệ thống thông tin quang chúng ta cần tìm hiểu đầy đủ về nó Nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các phần tử

cơ bản cấu thành hệ thống thông tin sợi quang, các tham số và nguyên lý vận hành hệ thống, nhóm tác giả chúng tôi đã viết cuốn bài giảng “Kỹ thuật thông tin sợi quang” như là một kênh tài liệu tham khảo bổ ích cho môn học Tài liệu gồm 5 chương với các nội dung cơ bản như sau:

 Chương 1: Chúng tôi trình bày tổng quan về kỹ thuật thông tin sợi quang, lịch

sử phát triển, sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang và một số khái niệm cơ bản liên quan đến kỹ thuật thông tin quang

 Chương 2: Giới thiệu về cấu trúc của các loại sợi quang, quá trình lan truyền ánh sáng trong sợi quang theo quan điểm quang hình và sóng điện từ Các đặc tính truyền dẫn cơ bản của sợi quang cũng được trình bày Ngoài ra, chúng tôi giới thiệu về cấu trúc cơ bản cáp sợi quang và một số vấn đề khi kết nối cáp

 Chương 3: Bộ phát quang là một phần tử quan trọng trong hệ thống thông tin sợi quang Trong chương này, chúng tôi giới thiệu cấu trúc và các đặc tính quan trọng của các nguồn phát quang bán dẫn được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin sợi quang là LED và laser Các vấn đề cơ bản trong thiết kế bộ phát quang điều biến cường độ sử dụng LED và laser cũng được trình bày

 Chương 4: Cấu trúc bộ thu tín hiệu quang và các phần tử chuyển đổi quang - điện quan trọng là PIN và APD được trình bày cụ thể Các vấn đề cơ bản về nhiễu và thiết kế bộ thu quang cũng được phân tích và đánh giá

 Chương 5: Giới thiệu về các vấn đề cơ bản trong thiết kế hệ thống thông tin quang bao gồm hệ thống thông tin quang số và hệ thống thông tin quang tương

tự Ngoài các vấn đề khi thiết kế hệ thống đơn kênh, một số khái niệm và nguyên lý của hệ thống đa kênh cũng được giới thiệu

PTIT

Chúng tôi hy vọng rằng cuốn bài giảng sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành viễn thông và những người quan tâm Với một khối lượng lớn kiến thức nhưng nhóm tác giả cũng cố gắng chắt lọc để giới thiệu tới bạn đọc trong một số lượng trang sách nhất định để giúp bạn đọc nắm bắt những vấn đề cơ bản nhất của kỹ thuật thông tin sợi quang Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các quí thầy cô, các bạn sinh viên và những người quan tâm để hoàn thiện hơn cuốn tài liệu này

PTIT

MỤC LỤC

1.2 Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang 6

1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang 11 1.3.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi 12

2.7.1 Chế tạo sợi quang 75

3.5 Một số vấn đề trong thiết kế bộ phát quang 124

4.3.4 Một số kiểu mạch tiền khuếch đại của bộ thu quang 147 4.3.4.a Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 148 4.3.4.b Các bộ khuếch đại tranzisto lưỡng cực trở kháng cao 150

PTIT

PTIT

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

BH Burried Heterostructure Cấu trúc dị thể chon

cộng hưởng Fabry – Perot FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa

lớn nhất

G

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

I

PTIT

IM Intensity Modulation Điều chế cường độ

IM – DD Intensity Modulation – Direct

Detection

Điều chế cường độ - Tách sóng trực tiếp

ISI Intersymbol Interference Nhiễu giữa các kí tự

L

M

MCVD Modified Chemical Vapor Deposition Ngưng đọng hơi hóa chất

biến đổi MESFET Metal Semiconductor Field Effect

Transistor

Transistor trường bán dẫn kim loại

MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect

Transistor

Transistor trường oxit Silic kim loại

Zehnder

N

NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến

O

P

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN

R

RIN Relative Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối

SE Spontaneous Emission Phát xạ tự phát

SNR Signal – to – Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

W

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

PTIT

Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin

quang

1.1Lịch sử phát triển thông tin quang

Hình 1-1 Sự tăng trưởng về tích tốc đô-khoảng cách BL trong khoảng thời gian 1850 đến

2000 Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công nghệ mới

Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xưa con người đã sử dụng phương thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa Tuy nhiên sự phát triển các hệ thống thông tin liên lạc trước 1980 đều dựa trên cơ chế truyền dẫn điện và trải qua quá trình phát triển từ điện báo, điện thoại cho đến cáp đồng, viba số Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sự tăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin Năng lực của một hệ thống thông tin được đánh giá qua tích tốc độ bit và khoảng cách (B.L), trong đó B là tốc

độ bit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp Việc ra đời các hệ thống truyền dẫn quang sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kỳ mới cho hệ thống mạng viễn thông Những phát triểncủa thông tin quang có được bắt nguồn từ những nỗ lực nghiên cứu tiên phong về nguồn quang laser bán dẫn từ trước năm

PTIT

1960 và chế tạo sợi quang thủy tinh có suy hao nhỏ những năm 1960-70 Trong đó nổi bật phải kể đến những nghiên cứu đột phá của GS Charles K Kao, người đã đoạt giải Nobel vật lý năm 2009 cho công trình chế tạo sợi quang dùng cho thông tin quang

Giai đoạn nghiên cứu các hệ thống thông tin sợi quang đã bắt đầu khoảng năm 1975 Hình 1-2 cho thấy sự tăng dung lượng hệ thống thông tin quang được thực hiện từ sau 1980 qua một số giai đoạn phát triển Các sản phẩm hệ thống thương mại thường đi sau giai đoạn nghiên cứu và phát triển mất khoảng vài năm Quá trình phát triển mạnh mẽ của hệ thống được thực hiện trên 25 năm từ 1975 đến năm 2000 có thể được phân thành một số thế hệ rõ rệt Hình 1-3 cho thấy sự tăng về tích BL theo thời gian được xác định qua các thí nghiệm được tiến hành khác nhau Đường thẳng tương ứng với sự tăng gấp đôi về tích BL mỗi năm Mỗi thế hệ, BL tăng mạnh ở thời kỳ đầu sau đó bắt đầu bão hòa khi công nghệ đạt được độ chín của

nó Mỗi thế hệ mới đem lại sự thay đổi cơ bản giúp cải thiện tốt hơn hiệu năng của

hệ thống

Hình 1-2 Sự tăng trưởng về dung lượng của các hệ thống thông tin quang được thực hiện sau năm 1980 Các đường chấm chỉ ra sự tăng trưởng theo dạng gần hàm mũ về tốc độ bit

ở cả hai hệ thống nghiên cứu và hệ thống thương mại

Thế hệ đầu tiên của các hệ thống sợi quang hoạt động gần 0,8 µm và sử dụng các nguồn laser bán dẫn GaAs Các hệ thống này được thương mại hóa năm 1980 hoạt động tại tốc độ 45 Mb/s và cho phép khoảng cách lặp chỉ khoảng 10 km Tuy

là thế hệ thông tin quang đầu tiên nhưng hiệu năng của hệ thống đã cao hơn nhiều

so với các hệ thống truyền dẫn cáp đồng truyền thống thời đó

PTIT

Hình 1-3 Sự tăng về tích BL trong giai đoạn 1975 đến 2000 qua một số thế hệ hệ thống thông tin quang Các ký hiệu khác nhau mô tả cho các thế hệ kế tiếp nhau

Khoảng cách lặp có thể được tăng lên đáng kể khi hệ thống sợi quang hoạt động tại vùng bước sóng gần 1,3 µm mà ở đó suy hao của sợi nhỏ hơn 1 dB/km Thêm nữa các sợi quang lúc đó có đặc tính tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóng này Do đó đã có nhiều nỗ lực trong việc phát triển các laser và các linh kiện thu bán dẫn InGaAsP hoạt động gần 1,3 µm Thế hệ các hệ thống thông tin sợi quang thứ hai đã trở nên sẵn sang vào đầu thập kỷ 1980, nhưng tốc độ bít của các hệ thống ban đầu bị giới hạn dưới 100 Mb/s vì tán sắc trong các sợi đa mode Giới hạn này được khắc phục bằng cách sử dụng sợi đơn mode và sợi này sớm đưa vào sử dụng trong các hệ thống thương mại hóa giai đoạn đó Vào năm 1987, các hệ thống thông tin sợi quang thứ hai hoạt động tại tốc độ lên tới 1,7 Gb/s với khoảng cách lặp khoảng 50 km đã sẵn có cung cấp cho thương mại

Khoảng cách lặp của các hệ thống sợi quang thế hệ thứ hai bị giới hạn bởi suy hao sợi quang tại bước sóng hoạt động 1,3 µm (điển hình 0,5 dB/km) Các suy hao của các sợi quang nhỏ nhất ở gần 1,55 µm Một mức suy hao cỡ 0,2 dB/km đã thực hiện được trong vùng phổ này Tuy nhiên việc đưa vào các hệ thống sợi quang thế hệ thứ ba hoạt động tại 1,55 µm bị chậm lại đáng kể bởi tán sắc lớn của sợi quang gần 1,55 µm Các laser bán dẫn InGaAsP thông thường đã không thể sử dụng được vì sự trải rộng xung quang xảy ra như là kết quả của sự dao động đồng thời của một vài mode phát xạ dọc từ laser Vấn đề tán sắc có thể được khắc phục hoặc bằng các sợi dịch tán sắc được thiết kế để có tán sắc nhỏ nhất tại vùng 1,55 µm hoặc bằng giới hạn phổ laser chỉ có một mode dọc phát xạ đơn Cả hai tiếp cận này đã được thực hiện trong suốt thập kỉ 1980 Vào năm 1985, các thực nghiệm tại phòng

PTIT

thí nghiệm đã cho thấy khả năng truyền dẫn thông tin tại tốc độ lên tới 4 Gb/s trên khoảng cách lớn hơn 100 km Các hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ ba hoạt động tại 2,5 Gb/s đã sẵn có cho việc thương mại hóa vào năm 1990 Các hệ thốn như vậy cũng có thể hoạt động ở tốc độ lên tới 10 Gb/s Hiệu năng tốt nhất của hệ thống được thực hiện bằng việc sử dụng các sợi dịch tán sắc kết hợp với các nguồn laser đơn mode

Nhược điểm của hệ thống 1,55 µm thế hệ thứ ba đó là tín hiệu phải được tái sinh tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ lặp điện ở khoảng cách điển hình cỡ 60 – 70 km Khoảng cách bộ lặp có thể được tăng thêm nhờ sử dụng chế độ thu kết hợp homodyne hoặc heterodyne vì cải thiện được độ nhạy bộ thu Các hệ thống như vậy được gọi là các hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent) Các hệ thống coherent cũng đã được phát triển trong những năm 1980 và những lợi ích tiềm tàng của chúng đã được chứng minh trong nhiều thí nghiệm Tuy nhiên việc thương mại hóa các hệ thống này đã bị trì hoãn do sự ra đời của các bộ khuyếch đại quang sợi vào năm 1989

Thế hệ thứ tư của các hệ thống sợi quang sử dụng khuyếch đại quang để tăng khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theo bước sóng (WDM) để tăng dung lượng truyền dẫn Như thấy rõ trong hình 1-3 trước và sau 1992, sự ra đời kỹ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn và cho phép các hệ thống sợi quang hoạt động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001.Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hao của sợi quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp erbium (EDFA) cách nhau cỡ 60 – 80 km Các bộ khuyếch đại quang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp thương mại năm 1990 Nhờ việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi mà các hệ thống truyền dẫn cáp biển toàn quang giữa các lục địa trở nên khả thi Từ sau năm

1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc

độ Gb/s đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới PTIT

Hình 1-4 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á

Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm được quan tâm bởi sự mở rộng dải bước sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạt động đồng thời Cửa sổ bước sóng quen thuộc được gọi là băng tần C bao trùm dải bước sóng 1,53 – 1,57 µm Nó

sẽ được mở rộng ở cả hai phía bước sóng ngắn và bước sóng dài để hình thành các băng tần S và L tương ứng Kỹ thuật khuyếch đại Raman có thể khuyếch đại tín hiệu ở cả 3 băng tần bước sóng mà các bộ khuyeechs đại EDFA không thực hiện được Thêm nữa, một loại sợi quang mới được gọi là sợi khô đã được phát triển để suy hao của sợi là nhỏ trên toàn bộ vùng bước sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm Việc sử dụng các sợi quang như vậy và các chế độ khuyeechs đại mới có thể cho phép các hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM Tiêu điểm của

hệ thống thế hệ thứ năm hiện tại là tăng hiệu suất phổ của các hệ thống WDM Ý tưởng là để sử dụng các định dạng điều chế tiên tiến trong đó thông tin được mã hóa

sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang quang Mặc dù các định dạng như vậy đã được phát triển và sử dụng thông dụng trong các hệ thống vô tuyến, nhưng việc sử dụng trong các hệ thống sợi quang chỉ được chú ý đến nhiều sau năm 2001 Nhờ sử dụng các định dạng điều chế tiên tiến đã cho phép hệ thống tăng hiệu suất phổ bị giới hạn dưới 0,8 b/s/Hz trong hệ thống thế hệ thứ tư tăng lên > 8 b/s/Hz Trong một thí nghiệm năm 2010, một kỷ lục mới đã được thiết lập để truyền dẫn 64 Tb/s trên khoảng cách 320 km bằng việc sử dụng 640 kênh WDM trên cả hai băng tần C và L

PTIT

với khoảng cách kênh 12,5 GHz Mỗi kênh chứa 2 tín hiệu 107 Gb/s được ghép phân cực với dạng điều chế sử dụng là điều chế biên độ cầu phương (QAM)

Hệ thống thông tin quang sợi đã trải qua hơn 30 năm phát triển với nhiều kỹ thuật công nghệ đã đạt đến độ chin muồi Thông tin quang sợi hiện nay đã trở thành công nghệ để xây dựng cơ sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin

từ mạng đường trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập

1.2Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang

1.2.1Băng tần phổ quang

Tất cả các hệ thống viễn thông đều sử dụng các dạng năng lượng điện từ để phát tín hiệu Phổ bức xạ điện từ (EM) được cho thấy trong hình 1-4 Năng lượng điện từ là sự tổ hợp của điện trường và từ trường, và bao gồm điện năng, các sóng

vô tuyến, vi ba, ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại, tia X và tia gamma Mỗi loại sẽ chiếm một phần phổ sóng điện từ Bản chất cơ bản của tất cả các bức xạ trong phổ sóng điện từ là các sóng điện từ lan truyền tại tốc độ ánh sáng c = 3x108m/s trong chân không Tốc độ của sóng lan truyền trong một vật liệu là nhỏ hơn tốc

độ c trong chân không bởi một hệ số chiết suất n:

Hình 1-5 Phổ bức xạ sóng điện từ Các tính chất vật lý của các sóng điện từ có thể được xác định qua một số các đại lượng như độ dài một chu kỳ của sóng, năng lượng chứa trong sóng hoặc tần số

PTIT

dao động của sóng Khác với truyền dẫn tín hiệu điện thường sử dụng tần số để chỉ các băng tần hoạt động của tín hiệu, thì thông tin quang lại thường sử dụng bước sóng để chỉ các vùng phổ hoạt động Các đại lượng này liên hệ với nhau qua một số phương trình đơn giản Trước hết, tốc độ ánh sáng trong chân không c bằng bước sóng l nhân với tần số n:

trong đó tần số n được đo theo Hz Tiếp theo, quan hệ giữa năng lượng của một photon (hạt ánh sáng) và tần số (hoặc bước sóng) của nó được xác định qua định luật Planck:

Các hệ thống thông tin có thể được phân biệt qua các vùng phổ sóng điện từ

sử dụng Hình 1-5 cho thấy các vùng phổ cụ thể cho các hệ thống thông tin vô tuyến

và quang sợi Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến các băng tần sử dụng trải rộng từ băng tần cao HF tới VHF và tới UHF với các tần số sóng mang cỡ bậc 107,

108 và 109 Hz tương ứng Về mặt lý thuyết, việc tần số sóng mang hoạt động tại vùng tần số cao cho phép tăng băng tần truyền dẫn khả dụng và kết quả cho phép tăng dung lượng truyền dẫn thông tin Đối với thông tin quang, các vùng băng tần quang có tần số lớn hơn nhiều bậc so với tần số vô tuyến, do vậy các hệ thống sợi quang cho thấy khả năng truyền dẫn một dung lượng thông tin vô cùng lớn qua hệ thống

Vùng phổ quang trải dài từ khoảng 5 nm trong vùng cực tím đến 1 mm trong vùng hồng ngoại xa Ở giữa các vùng giới hạn này là vùng phổ nhìn thấy từ 400 đến

700 nm Thông tin quang sợi sử dụng băng tần phổ hồng ngoại gần từ 770 đến 1675

nm Các hệ thống thông tin quang hiện này hầu hết sử dụng ở vùng bước sóng dài

và tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU đã chỉ định sáu băng tần phổ sử dụng cho thông tin sợi quang trong phạm vi 1260 đến 1675 nm Các chỉ định băng tần bước sóng dài này xuất phát từ đặc tính suy hao của sợi quang và đặc tính của bộ khuyếch đại EDFA Vùng băng tần 770 đến 910 nm được sử dụng cho các hệ thống sợi quang đa mode bước sóng ngắn Mỗi vùng phổ đều đòi hỏi các thành phần linh

PTIT

kiện phù hợp để hoạt động và các đặc tính khác nhau của các thành phần này sẽ dẫn đến hiệu năng cũng như ứng dụng của các hệ thống tương ứng là khác nhau

Hình 1-6 Các vùng phổ sóng điện từ sử dụng cho thông tin quang sợi và thông tin vô

tuyến

Hình 1-7 Ký hiệu các băng tần phổ bước sóng dài do ITU-T quy định

PTIT

1.2.2Ghép kênh

Ghép kênh là kỹ thuật kết hợp nhiều kênh tín hiệu khác nhau để truyền đồng thời qua hệ thống truyền dẫn nhằm sử dụng hiệu quả dung lượng truyền dẫn của hệ thống Đối với hệ thống thông tin sợi quang có dung lượng truyền dẫn lớn thì chức năng ghép kênh luôn đi kèm với hệ thống này Các kỹ thuật ghép kênh thường được

sử dụng bao gồm ghép kênh theo thời gian (TDM) và ghép kênh theo tần số (FDM)

Trong trường hợp TDM các bit dữ liệu của các kênh khác nhau được ghép xen trong miền thời gian để tạo thành luồng bit tổng, hay nói cách khác mỗi kênh sẽ được gán vào những khe thời gian xác định để truyền đồng thời qua hệ thống cùng với các kênh khác Kỹ thuật TDM được sử dụng cho các tín hiệu số trong các mạng viễn thông và hình thành các phân cấp số khác nhau trong quá trình phát triển Trong thời gian đầu phát triển các hệ thống truyền dẫn số, phân cấp số cận đồng bộ (PDH) được hình thành xác định các mức và số lượng kênh thoại được ghép Phân cấp PDH như cho thấy trong hình 1-6 có sự khác biệt giữa các khu vực và được sử dụng cho cả hệ thống thông tin quang sợi và vô tuyến Sự thiếu một tiêu chuẩn thống nhất về phân cấp số trong công nghiệp viễn thông đã đòi hỏi sự ra đời một tiêu chuẩn phân cấp số mới gọi là mạng quang đồng bộ (SONET) và sau đó gọi là phân cấp số đồng bộ SDH Bảng cho

Hình 1-8 Phân cấp số cận đồng bộ PDH Bảng 1-1 Bảng tốc độ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SONET/SDH

PTIT

Trong trường hợp FDM, các kênh được ghép trong miền tần số trong đó mỗi kênh được mang bởi một sóng mang riêng biệt Các tần số sóng mang cách nhau một khoảng tần lớn hơn độ rộng băng tần của kênh để tránh sự chồng phổ FDM có thể được sử dụng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số và thường hay được sử dụng trong các hệ thống quảng bá Trong các hệ thống viễn thông, chức năng ghép kênh thường được thực hiện trong miền điện trước khi chuyển đổi thành tín hiệu quang Trường hợp FDM thực hiện hoàn toàn trong miền quang được xem là ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM

1.2.3Đơn vị công suất

Công suất là một đại lượng quan trọng trong hệ thống sợi quang để đặc trưng cho cường độ của tín hiệu quang trên hệ thống Đại lượng công suất có thể được đo trên hai kiểu thang đo:

- Thang đo tuyến tính với đơn vị W hoặc mW

- Thang đo logarithm với đơn vị dBm

Trong kỹ thuật hệ thống thang đo logarithm thường hay được sử dụng vì nó đem lại một số ưu điểm bao gồm cho phép biểu diễn dải rộng giá trị mức công suất hay nói cách khác dễ dàng biểu diễn các mức tín hiệu khác biệt nhau nhiều bậc độ lớn Thêm nữa việc tính toán các đại lượng theo thang đo logarithm cũng được đơn giản hóa bằng các phép tính cộng hoặc trừ thay cho các phép tính nhân chia tỉ lệ trong thang đo tuyến tính

Quan hệ giữa mức công suất theo thang logarithm và mức công suất theo thang tuyến tính được xác định qua biểu thức sau:

Đơn vị dBm biểu thị mức công suất P như là một tỉ lệ logarithm của P so với 1 mW Mức tham chiếu 1 mW được chọn đơn giản vì các giá trị điển hình mức công suất phát nằm trong dải này (chữ m trong dBm bao hàm mức tham chiếu là 1 mW) Như vậy dBm được coi là thang đo decibel cho mức giá trị công suất tuyệt đối và một

PTIT

quy tắc quan trọng là 0 dBm = 1 mW Do đó, các giá trị công suất dương theo dBm

là lớn hơn 1 mW và các giá trị âm theo dBm là nhỏ hơn 1 mW Bảng cho một số ví

dụ mức công suất quang theo hai đơn vị đo tương ứng

Bảng 1-2 Bảng ví dụ chuyển đổi mức công suất giữa đơn vị tuyến tính và dBm

1.3Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang

1.3.1Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang

Hình 1-9 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quang

Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, một kênh thông tin và một bộ thu, đây được xem là ba phần tử cơ bản và chung nhất cho tất cả các hệ thống thông tin Các

hệ thống thông tin quang có thể được phân thành hai loại: có môi trường dẫn (guided) và không dẫn (unguided) Trong trường hợp hệ thống quang có môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát bị giam hãm về không gian khi lan truyền và được thực hiện qua việc sử dụng sợi quang trong thực tế

Hình 1-9 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không môi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát trải rộng trong không gian tương tự hệ thống vô tuyến Tuy nhiên, các hệ thống này ít phù hợp cho các ứng dụng quảng bá như hệ thống vô tuyến vì các chùm quang chủ yếu tập trung theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả

PTIT

của bước sóng ngắn của chùm quang) Việc sử dụng các hệ thống này đòi hỏi việc căn chỉnh chính xác giữa bộ phát và bộ thu Trong trường hợp truyền dẫn khoảng cách lớn, tín hiệu trong hệ thống không dẫn có thể bị suy giảm đáng kể bởi tán xạ trong khí quyển Tuy nhiên vấn đề này biến mất trong thông tin không gian tự do ở trên bầu khí quyển trái đất (ví dụ thông tin liên lạc giữa các vệ tinh) Mặc dù hệ thống thông tin quang không gian tự do được sử dụng trong một số ứng dụng và đã được nghiên cứu mạnh mẽ, nhưng hầu hết các ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng hệ thống thông tin quang sợi Do vậy mà nội dung bài giảng này sẽ chỉ tập trung vào hệ thống quang sợi

1.3.2Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi

Hình 1-9 đã cho thấy ba thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin quang sợi bao gồm: cáp sợi quang vai trò như kênh thông tin, bộ phát quang và bộ thu quang

a Sợi quang như một kênh thông tin

Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới

bộ thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang như là kênh thông tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn ánh sáng với suy hao nhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km Thậm chí khi công suất quang giảm chỉ còn 1% sau 100 km Do vậy suy hao sợi quang có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống và xác định khoảng cách bộ lặp hoặc bộ khuyeesch đại của một hệ thống thông tin quang khoảng cách lớn Một vấn đề thiết kế quan trọng khác là tán sắc sợi quang gây ra sự trải rộng các xung quang khi truyền dẫn Nếu các xung quang trải rộng nhiều ra ngoài khe thời gian được cấp phát cho chúng, thì tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng và khó có thể khôi phục được tín hiệu ban đầu với độ chính xác cao Vấn đề này là nghiêm trọng nhất trong trường hợp các sợi đa mode do mức

độ dãn xung cỡ ~ 10 ns/km Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin quang ngày nay

sử dụng sợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1 ns/km) Các vấn

đề về sợi quang sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2

b Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang

và đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn Hình 1-10 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một bộ phát quang, trong đó bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế,

và một bộ ghép nối với sợi quang Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát

PTIT

quang (LED) được dùng như những nguồn quang vì khả năng tương thích của chúng với kênh sợi quang Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều biến sóng mang quang Có hai phương thức điều biến: điều biến trực tiếp và điều biến ngoài

Ở phương thức điều biến trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm trực tiếp nguồn quang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều biến ngoài Phương thức điều biến trực tiếp mặc dù hiệu quả về chi phí nhưng bị giới hạn về tính năng khi điều biến dữ liệu ở tốc độ cao

Hình 1-10 Sơ đồ khối bộ phát quang Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao Ở đây nguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín hiệu điện điều biến sóng mang quang thông qua bộ điều biến ngoài Nhờ sử dụng bộ điều biến ngoài, ngoài định dạng điều biến cường độ (IM) thì các định dạng điều biến tiên tiến khác như PSK, FSK hay QAM cũng có thể được thực hiện dễ dàng như trong các hệ thống thông tin quang thế hệ năm

Trong bộ phát quang bộ ghép nối thường là một vi thấu kính để hội tụ tín hiệu quang đầu ra vào trong sợi quang với hiệu suất ghép cao nhất Các vấn đề về

bộ phát quang sẽ đề cập chi tiết trong chương 3

c Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ra tuyến sợi quang thành tín hiệu điện Hình 1-11 cho thấy sơ đồ khối một bộ thu quang trong đó bao gồm một bộ ghép nối, một bộ tách sóng quang và một bộ giải điều chế Bộ ghép nối để tập trung tín hiệu quang thu được vào bộ tách sóng quang Các diode thu quang bán dẫn được sử dụng như là các bộ tách sóng quang

để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Bộ giải điều chế phụ thuộc vào các định dạng điều biến được sử dụng mà có cấu trúc một cách cụ thể Các hệ thống thông tin quang sợi hiện tại hầu hết sử dụng phương thức điều biến cường độ thu trực tiếp (IM/DD) thì quá trình giải điều chế được thực hiện bởi mạch quyết định để

PTIT

xác địn các bit thông tin thu được là 1 hoặc 0 phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điện thu được

Hình 1-11 Sơ đồ khối bộ thu quangHiệu năng của một hệ thống thông tin quang số được xác định qua tỉ số lỗi bit (BER) như là xác suất trung bình thu sai bit Hầu hết các hệ thống thông tin quang sợi xác định BER cỡ 10-9 như là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ thống thậm chí còn yêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14 Các vấn đề cơ bản của bộ thu quang sẽ được trình bày trong chương 4

1.3.3Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang

Ưu điểm:

- Suy hao thấp: Các sợi quang có suy hao thấp hơn so với cáp đồng do vậy cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn Điều này giúp giảm số lượng các bộ lặp cần thiết sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn

Sự giảm về thiết bị và các thành phần sẽ giảm độ phức tạp và giá thành của hệ thống

- Băng tần truyền dẫn rộng: Các sợi quang có độ rộng băng tần truyền dẫn rộng nên một dung lượng lớn thông tin có thể được truyền qua hệ thống giúp làm giảm số đường truyền vật lý cần thiết

- Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ: Trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ của sợi quang cho phép dễ dàng triển khai lắp đặt trên các hệ thống cáp khác nhau Đặc điểm này cũng cho thấy hệ thống quang sợi cũng triển khai dễ dàng trong các hệ thống quân sự, hàng không, vệ tinh và tầu thuyền

- Không bị can nhiễu điện từ: Do sợi quang được làm từ vật liệu điện môi không dẫn điện, nên sợi quang không bị ảnh hưởng bới các hiệu ứng giao thoa điện từ cũng như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện có thể ghép cặp với đường truyền

PTIT

- Độ an toàn được tăng cường: Các sợi quang cho mức độ an toàn cao khi vận hành vì chúng không có các vấn đề về đấu đất, đánh tia lửa điện và điện thế cao như trong hệ thống cáp đồng

- Bảo mật thông tin cao: Sợi quang cho phép một mức độ bảo mật thông tin cao vì tín hiệu quang bị giam hãm tốt bên trong sợi quang khi truyền

mà không bức xạ ra ngoài gây rò rỉ thông tin

Nhược điểm:

- Các hệ thống thông tin quang sợi có chi phí lặp đặt ban đầu lớn do vậy

mà chúng thường triển khai trên các mạng khoảng cách lớn và dung lượng cao để đảm bảo hiệu quả về chi phí đầu tư

- Do sợi quang có kích thước nhỏ và làm từ vật liệu điện môi trong suốt như thủy tinh nên việc hàn nối trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi phải có

kỹ năng để đảm bảo chất lượng mối hàn

- Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nên đòi hỏi cần phải chú ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng

Tuy có một số nhược điểm nhưng những lợi ích rất lớn mà hệ thống thông tin quang sợi đem lại đã tạo cơ sở cho việc triển khai ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đối với lĩnh vực viễn thông, hệ thống thông tin quang sợi đã trở thành nền tảng cơ bản của cấu trúc hạ tầng mạng truyền tải ở mọi cấp từ mạng quốc

tế liên lục địa, mạng quốc gia cho đến mạng truy nhập Những thành tựu đạt được

và sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet ngày nay có được cũng nhờ vào sự thành công có được của công nghệ thông tin quang sợi

1.4 Các tiêu chuẩncho hệ thống thông tin quang

Để cho phép các thành phần và thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau có thể giao tiếp với nhau, rất nhiều các tiêu chuẩn quốc tế về viễn thông nói chung và thông tin quang nói riêng đã được phát triển Có ba loại cơ bản cho hệ thống quang sợi bao gồm các tiêu chuẩn sơ cấp, các tiêu chuẩn kiểm định các thành phần thiết bị

và các tiêu chuẩn hệ thống

Các tiêu chuẩn sơ cấp liên quan đến việc đo và mô tả các tham số vật lý cơ bản như suy hao, độ rộng băng tần và các đặc tính hoạt động của sợi quang, các mức công suất quang và độ rộng phổ Ở Mỹ tổ chức chính liên quan đến các tiêu chuẩn sơ cấp là Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (NIST) Tổ chức này thực

PTIT

hiện các công việc tiêu chuẩn hóa laser và sợi quang, và nó cũng tài trợ hội thảo hàng năm về đo kiểm quang sợi Một số tổ chức quốc gia khác như Phòng thí nghiệm vật lý quốc gia (NPL) ở Anh và PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) ở Đức cũng có chức năng tương tự

Các tiêu chuẩn kiểm định thành phần định nghĩa các phép đo thử hiệu năng thành phần quang sợi và chúng thiết lập các thủ tục hiệu chỉnh thiết bị Một số các

tổ chức khác nhau liên quan đến việc hình thành các tiêu chuẩn kiểm định này như Hiệp hội công nghiệp viễn thông (TIA) kết hợp với Liên minh các nhà công nghiệp điện tử (EIA), Ban viễn thông của ITU (ITU-T) và Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) TIA có một danh sách trên 120 tiêu chuẩn và tham số kỹ thuật đo kiểm quang sợi được ký hiệu TIA/EIA-455-XX-YY, trong đó XX liên quan đến một kỹ thuật đo cụ thể và YY liên quan đến năm phát hành Các tiêu chuẩn này cũng được gọi là Các thủ tục đo kiểm định quang sợi (FOTP), do đó TIA/EIA-455-XX trở thành FOTP-XX Các tiêu chuẩn này bao gồm một loạt các phương pháp được khuyến nghị cho việc đo kiểm định phản ứng của sợi quang, cáp, linh kiện thụ động

và các thành phần quang điện đối với các yếu tố môi trường và các điều kiện hoạt động Ví dụ, TIA/EIA-455-60-1997 hoặc FOTP-60 là một phương pháp được ban hành năm 1997 về đo độ dài của cáp sợi quang

Các tiêu chuẩn hệ thống liên quan đến các phương pháp đo kiểm tuyến và mạng truyền dẫn Các tổ chức chính là Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ (ANSI), Tổ chức cho các kỹ sư điện và điện tử (IEEE), ITU-T và Telcordia Technologies Cụ thể cho hệ thống quang sợi là các tiêu chuẩn đo kiểm và các khuyển nghị từ ITU-T Trong loạt khuyến nghị G (trong dải số G.650 và cao hơn) liên quan đến cáp sợi quang, bộ khuyeechs đại quang, ghép kênh bước sóng, mạng truyền tải quang (OTN), tính khả dụng và độ tin cậy hệ thống, quản lý và điều khiển các mạng quang thụ động (PON) Loạt khuyến nghị L của ITU-T giải quyết việc xây dựng, lắp đặt,

hỗ trợ bảo dưỡng, giám sát và đo kiểm cáp và các phần tử khác trong hệ thống sợi quang được triển khai ngoài thực địa

PTIT

Chương 2 Sợi quang

2.1Cấu tạo và phân lo

2.1.1Cấu tạo sợi quang

được bọc thêm một hoặc m

cao Việc bọc thêm lớp bọc đ

quang và giảm các khuyết

trong môi trường thực tế

2.1.2Phân loại sợi quang

Có nhiều kiểu sợi quang khác nhau và c

quang Nhìn chung các sợi quang có th

ng dẫn sóng điện môi hoạt động tại tần số quang C

i quang có dạng hình trụ tròn bao gồm hai lớp chính là l

sợi bao bọc quanh lõi có chiết suất n2 như mô t

ền trong sợi quang dựa trên nguyên lý phản x

i nhỏ hơn chiết suất lớp lõi (n2 < n1) Mặ

là không cần thiết cho việc truyền ánh sáng trong

ố mục đích như giảm suy hao tán xạ cũng nh

c tính dẫn sóng của sợi quang

Hình 2-1 Cấu trúc cơ bản của sợi quang

p cơ bản lõi và vỏ sợi, sợi quang sử dụng trong th

c một vài lớp bọc đệm bằng vật liệu polyme có tính đàn h

c đệm này cũng nhằm mục đích gia cường thêm cho s tật trên bề mặt sợi quang, đảm bảo khả năng s

i quang

i quang khác nhau và cũng có nhiều cách phân lo

i quang có thể được phân loại dựa trên các y

u cách phân loại sợi

a trên các yếu tố cơ bản PTIT

- Dựa vào số lượng mode truyền dẫn

- Dựa vào mặt cắt chiết suất

Dựa vào vật liệu chế tạo,các loại sợi quang thường được chế tạo từ hai loại vật liệu trong suốt là thủy tinh và nhựa Các sợi quang sử dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thủy tinh cho cả phần lõi và vỏ Các sợi quang nhựa thường có kích thước lớn và suy hao cao hơn nhiều so với sợi thủy tinh, nhưng có độ bền cơ học tốt hơn Một số loại sợi cũng có thể được chế tạo có lõi làm bằng thủy tinh, còn lớp vỏ làm bằng nhựa Do dựa trên hai loại vật liệu khác nhau nên cửa sổ truyền dẫn có suy hao thấp của mỗi loại không giống nhau

Hình 2-2 Mặt cắt ngang và mặt cắt chiết suất của sợi chiết suất bậc và sợi chiết suất biến

đổi Dựa vào sự biến đổi chiết suất trong lõi hay dạng mặt cắt chiết suất, sợi quang có thể được phân thành hai loại chính: sợi chiết suất bậc (SI – step index) và sợi chiết suất biến đổi (GI – graded index) như mô tả trong hình 2-2 Trong sợi chiết suất bậc, chiết suất trong lõi sợi là một hằng số hay không thay đổi trên toàn bộ mặt cắt lõi sợi Như vậy chiết suất chỉ thay đổi tại tiếp giáp giữa lõi và vỏ tạo ra sự thay đổi dạng bậc Còn đối với sợi chiết suất biến đổi, chiết suất trong lõi biến đổi theo khoảng cách từ tâm sợi ra ngoài biên tiếp giáp với xu hướng chiết suất tại tâm lõi là lớn nhất và giảm dần về phía biên giữa lõi và vỏ

PTIT

Dựa theo số lượng mode truy

đa mode hỗ trợ nhiều mode truy

một mode truyền cơ bản Khái ni

sau

Do sợi quang sử dụng trong vi

hai yếu tố mặt cắt chiết suấ

loại sợi chính: sợi đa mode chi

đơn mode Hình 2-3 cho thấ

tính truyền dẫn của ba loại s

Hình 2-3So sánh cấu trúc các lo

Ngoài các cách phân lo

được phân loại theo nhiều cách

sợi Nếu dựa vào đặc tính truy

tán sắc (DSF) có đặc tính tán s

dụng để bù ảnh hưởng của tán s

phân cực của tín hiệu khi lan truy

dùng trong các ứng dụng x

có các loại sợi tinh thể photonic (PCF) hay còn g

vùng lõi trong vài trường hợ

cấu trúc trong một PCF sẽ xác đ

ng mode truyền, các sợi quang có hai loại cơ b

u mode truyền trong sợi và sợi đơn mode chỉ hỗ Khái niệm mode truyền sẽ được đề cập đến trong ph

ng trong viễn thông đều là các sợi thủy tinh nên d

ất và số lượng mode, các sợi quang được phân thành ba

i đa mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất biế

ấy đặc điểm cấu trúc của ba loại sợi quang này Các đ

i sợi sẽ được đề cập chi tiết trong những phần sau

u trúc các loại sợi quang cơ bản sử dụng trong viễn thôngNgoài các cách phân loại cơ bản sợi quang ở trên, sợi quang c

u cách khác tùy theo mục đích sử dụng hay tính năng ctruyền dẫn các sợi quang có thể có thêm các lo

c tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn, sợi bù tán s

a tán sắc, sợi duy trì phân cực cho phép duy trì tr

u khi lan truyền, sợi phi tuyến (HNLF) có hệ số phi tuy

ng xử lý tín hiệu quang Dựa vào cấu trúc đặc biphotonic (PCF) hay còn gọi là sợi vi cấu trúc có l

ợp chứa các lỗ không khí chạy dọc theo sợi Sxác định đặc tính dẫn ánh sáng của sợi

i cơ bản đó là: sợi trợ duy nhất

ng hay tính năng của

có thêm các loại sợi dịch

i bù tán sắc (DCF) sử

c cho phép duy trì trạng thái

phi tuyến cao

c biệt hiện nay

u trúc có lớp vỏ và cả

i Sự sắp xếp PTIT

2.2Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang

2.2.1Mô tả theo quang hình học

Quá trình dẫn ánh sáng trong sợi quang có thể được hiểu một cách đơn giản qua lý thuyết quang hình Mặc dù lý thuyết này chỉ là một sự mô tả gần đúng cho quá trình dẫn sóng ánh sáng nhưng có thể sử dụng đối với sợi có bán kính lõi a lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng l Do vậy lý thuyết này thường chỉ đúng đối với sợi quang đa mode

a Sợi chiết suất bậc (SI)

Trong sợi chiết suất bậc, cơ chế truyền dẫn ánh sáng có thể được mô tả cơ bản bởi bởi lý thuyết tia như trong hình 2-4 Tia sáng đi vào trong lõi sợi từ môi trường ngoài có chiết suất n0 tại một góc qi so với trục sợi Do chiết suất môi trường ngoài thường nhỏ hơn chiết suất lõi sợi nên tia sáng bị khúc xạ về phía trục sợi với góc khúc xạ qr được xác định qua định luật Snell:

Tia sáng sau đó tới bề mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ với một góc tới f Nếu góc tới nhỏ hơn một góc tới hạn fc thì tia sáng sẽ bị khúc xạ ra ngoài vỏ, còn nếu lớn hơn góc tới hạn thì tia sáng sẽ phản xạ toàn phần trong lõi sợi và lan truyền trong sợi quang Góc tới hạn cũng được xác định qua định luật Snell:

(2.2) Như vậy chỉ có những tia sáng đi vào sợi có góc f>fc mới bị giam hãm trong sợi thông qua phản xạ toàn phần Từ hai phương trình (2.1) và (2.2), góc lớn nhất của tia sáng đi vào và bị giam hãm trong sợi được xác định bởi:

PTIT

Hình 2-4Mô tả quang hình c

Đứng trên quan điểm lý thuy

loại tia sáng lan truyền trong s

đa mode chiết suất bậc sẽ lan truy

truyền trên nhiều tia sáng v

sợi chiết suất bậc là không thay đ

xạ toàn phần tại bề mặt giữa lõi và v

zig-zac Các tia lan truyền t

gây ra tán sắc mode làm méo d

Có 2 loại tia sáng lan truy

xiên Các tia kinh tuyến là các tia

Một tia kinh tuyến xác định ch

mặt phẳng đơn

Các tia xiên không b

đường đi dạng xoáy ốc dọc theo s

trợ cả tia xiên, nhưng các tia này thư

cong hay khuyết tật và chúng c

tuyến

Hình 2-5 Mô tả hình h

quang hình cơ chế lan truyền ánh sáng trong sợi SI

m lý thuyết tia, mode sợi quang có thể xem như là m

n trong sợi tại một góc xác định Như vậy ánh sáng đi vào slan truyền trên nhiều mode hay nói cách khác nó s

u tia sáng với các góc lan truyền khác nhau Do chiết su

c là không thay đổi nên các tia sáng đi thẳng trong lõi và ch

a lõi và vỏ tạo ra quỹ đạo của các tia sáng có d

n tại các góc khác nhau sẽ có quãng đường đi khác nhau làm méo dạng xung quang khi lan truyền

i tia sáng lan truyền trong sợi quang: tia kinh tuyến (tia th

n là các tia bị giam hãm trong mặt phẳng đi qua tr

nh chỉ phản xạ toàn phần dọc theo sợi quang trong m

Các tia xiên không bị giam hãm trong một mặt phẳng đơn đi qua tâm mà có

c theo sợi quang như mô tả trong hình 2-5 Mtia xiên, nhưng các tia này thường dễ bị tán xạ khỏi sợi ở những ch

t và chúng cũng trải qua sự suy hao lớn hơn so với các tia kinh

hình học sự lan truyền của tia xiêntrong sợi quang

i SI xem như là một ánh sáng đi vào sợi

u mode hay nói cách khác nó sẽ lan

t suất lõi trong

Sợi chiết suất biến đổi có chiết suất lõi giảm dần theo khoảng cách từ tâm sợi Một cách tổng quát, mặt cắt chiết suất của sợi được mô tả bởi:



 D





a r )

1 (

a

r

; ) / ( 1 ) (

2 1

1

n n

a r n

r n

a

(2.5)

trong đó a là hệ số mặt cắt chiết suất xác định dạng biến đổi của mặt cắt chiết suất trong lõi sợi, a là bán kính lõi sợi, r là khoảng cách xuyên tâm Hầu hết các sợi chiết suất biến đổi có dạng mặt cắt parabol hay a = 2

Do chiết suất biến đổi bên trong lõi nên khẩu độ số của sợi chiết suất biến đổi cũng là một hàm của vị trí trên mặt cắt lõi sợi Khẩu độ số tại vị trí r xác định bởi:

(2.6) trong đó NA(0) là khẩu độ số tại tâm sợi

(2.7) Như vậy khẩu độ số của sợi GI giảm dần từ NA(0) xuống đến 0 khi r dịch từ trục sợi tới biên giữa lõi và vỏ

Sự biến đổi chiết suất của lõi cũng làm cho tia sáng trong lõi sợi không truyền thẳng mà bị uốn cong đi Quỹ đạo của tia có thể được mô tả gần đúng bởi phương trình:

dr

dn n dz

trong đó p = (2D/a2)1/2 và r 0 và r 0 ’ là vị trí và hướng của tia đi vào sợi tương ứng

Như vậy trong sợi GI quỹ đạo các tia sáng có dạng đường cong hình sin như mô tả

ở hình 2-6 Phương trình (2.9) cũng cho thấy các tia sẽ phục hồi vị trí và hướng ban

đầu của chúng tại khoảng cách z = 2m/p, trong đó m la một số nguyên Do vậy về

mặt nguyên tắc, sợi mặt cắt parabol sẽ không biểu thị tán sắc mode Trong thực tế, sợi chiết suất biến đổi vẫn có tán sắc mode nhưng nhỏ hơn nhiều so với sợi chiết suất bậc

PTIT

Cũng như sợi SI, có hai loại tia gồm tia kinh tuyến và tia xoắn được hỗ trợ lan truyền trong sợi.Các tia xoắn sẽ không đi qua trục sợi và cũng bị uốn cong khi lan truyền tạo thành các vòng xoắn chiếu trên mặt cắt lõi sợi

Hình 2-6Quỹ đạo của tia sáng trong sợi GI 2.2.2Lý thuyết truyền sóng

Để hiểu được bản chất mode truyền ánh sáng và các đặc tính truyền dẫn kháctrong sợi quang, đặc biệt trong sợi đơn mode, lý thuyết truyền sóng sử dụng hệ phương trình Maxwell cần được sử dụng

a Hệ phương trình Maxwell

Cũng như tất cả các hiện tượng sóng điện từ, quá trình lan truyền của trường quang trong sợi được mô tả bởi hệ phương trình Maxwell Trong một môi trường điện môi không có điện tích tự do, hệ phương trình này có dạng:

(2.11) (2.12)

trong đó E và H là các vec tơ cường độ điện trường và từ trường tương ứng, D và B

là các vec tơ cảm ứng điện và từ tương ứng Các vec tơ cảm ứng liên hệ với các vec

tơ cường độ trường qua các hệ thức sau:

(2.14) (2.15)

ở đây e0 là hằng số điện môi chân không, µ 0 là hằng số từ môi hay độ từ thẩm chân không, P và M là các vec tơ phân cực điện và từ tương ứng Đối với sợi quang M =

0 còn vec tơ phân cực điện P trong điều kiện tuyến tính liên hệ với E qua:

PTIT

trong đó tốc độ ánh sáng trong chân không được định nghĩa bởi c = (µ 0e0)-1/2 Lấy khai triển Fourier E(r,t) qua hệ thức:

(2.18) cũng như tương tự đối với P(r,t) và sử dụng ptr (2.16), ptr (2.17) có thể được viết trong miền tần số như sau:

(2.19) trong đó hằng số điện môi phụ thuộc tần số được định nghĩa như sau:

(2.20) c( , ) là khai triển Fourier của c(r,t) Một cách tổng quát, e(r,) là phức Các

thành phần thực và ảo của nó liên hệ với chiết suất n và hệ số hấp thụ a qua biểu thức:

Sử dụng các ptr (2.20) và (2.21), n và a liên hệ với c như sau:

(2.23) trong đó Re và Im ký hiệu cho phần thực và ảo tương ứng Cả hai đại lượng n và a đều phụ thuộc tần số Sự phụ thuộc tần số của n liên quan đến hiệu ứng tán sắc vật liệu trong sợi quang

PTIT

Trước khi giải phương trình (2.19), một số gần đúng được thực hiện để đơn giản hóa phương trình Trước hết, e có thể được lấy phần thực và thay thế bằng n2

vì suy hao nhỏ trong sợi quang thủy tinh Thứ hai, vì n(r,) độc lập với tọa độ không gian r ở cả lõi và vỏ trong sợi SI, ta có thể sử dụng đẳng thức:

(2.24)

ở đây ptr (2.12) và hệ thức =e được sử dụng để đặt Ñ = 0 Ptr (2.24) có thể vẫn đúng cho các sợi GI khi sự biến đổi chiết suất xảy ra ở cỡ độ dài dài hơn bước sóng Bằng cách sử dụng (2.24) vào (2.19), ta thu được:

(2.25) trong đó hệ số sóng không gian tự do k0 được định nghĩa như sau:

và l là bước sóng của trường quang trong chân không dao động tại tần số  Một phương trình sóng cho đại lượng vec tơ cường độ từ trường H cũng thu được theo cách tương tự.Các phương trình sóng này cần được giải để thu được các mode trong sợi quang

b Các mode sợi quang

Một mode quang được xem là một nghiệm của phương trình sóng thỏa mãn các điều kiện biên phù hợp và có thuộc tính dạng phân bố năng lượng trong không gian không thay đổi khi lan truyền Các mode sợi quang có thể được phân loại thành các mode dẫn, các mode dò và các mode bức xạ Các mode dò chỉ bị giam hãm một phần trong lõi và dễ bị suy hao do bức xạ công suất khỏi lõi khi lan truyền, còn các mode bức xạ không bị giam hãm trong lõi mà bị bức xạ ra ngoài vỏ Do vậy các mode dẫn là các mode được mong đợi để truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Để xác định các mode trong sợi quang, xét trường hợp sợi SI trong hệ tọa độ trụ như cho trong hình 2-7 Vec tơ cường độ điện trường và từ trường trong hệ tọa

độ trụ là:

PTIT

Hình 2-7Hệ tọa độ trụ trong phân tích lý thuyết truyền sóng trong sợi SI

Phương trình sóng (2.25) trong hệ tọa độ trụ trở thành:

(2.28) trong đó toán tử Laplace có dạng:

(2.29) Phương trình tương tự cũng thu được đối với H Vì chỉ có hai thành Ez và Hz là độc lập, các thành phần khác Er, Ef, Hr và Hf có thể thu được từ các thành phần này Do vậy, phương trình sóng cho thành phần z thu được từ (2.28):

(2.30) với chiết suất có dạng:

;

a

r

; ) (

2

1

n

n r

Phương trình (2.30) dễ dàng giải được bằng cách sử dụng phương pháp tách biến và viết Ez thành:

(2.32) Thay (2.32) vào (2.30) ta sẽ thu được ba phương trình vi phân thường:

(2.33) (2.34) PTIT

(2.35) Phương trình (2.33) có nghiệm = (  ), trong đó  gọi là hằng số lan truyền Tương tự, ptr (2.34) có nghiệm F = ( f) với m là các số nguyên vì trường biến đổi tuần hoàn theo f với chu kỳ 2

Phương trình (2.35) là phương trình vi phân thỏa mãn bởi các hàm Bessel Nghiệm tổng quát trong các vùng lõi và vỏ sợi có thể được viết thành:

(2.36) trong đó A, A’, C và C’ là các hằng số và Jm, Ym, Km và Im là các loại hàm Bessel khác nhau Các tham số p và q được định nghĩa như sau:

(2.37) (2.38)

Áp dụng điều kiện biên đối với trường quang của một mode dẫn trong đó trường sẽ hữu hạn tại r = 0 và suy giảm về không tại r =  Vì Ym(pr) có điểm kì dị tại r = 0, nên F(0) có thể duy trì hữu hạn chỉ nếu A’ = 0 Tương tự, F(r) triệt tiêu tại vô cùng chỉ nếu C’ = 0 Do vậy, nghiệm tổng quát của ptr (2.30) có dạng:

CK

a r z) )exp(i (pr)exp(im

DK

a r z) )exp(i (pr)exp(im

(2.43)

(2.44) Các phương trình này có thể được sử dụng trong lớp vỏ sợi sau khi thay p2 bằng –

q2

Các phương trình (2.39)-(2.44) biểu thị trường điện từ trong vùng lõi và vỏ sợi quang theo bốn hằng số A, B, C và D Các hằng số này được xác định bằng cách

áp dụng điều kiện biên mà các thành phần trường phải liên tục qua tiếp giáp giữa lõi

và vỏ Từ điều kiện liên tục của Ez, Hz, Ef và Hf tại r = a ta thu được bốn phương trình đồng nhất thỏa mãn bởi A, B, C,và D Một nghiệm của các phương trình này chỉ tồn tại chỉ khi định thức của ma trận hệ số bằng 0 Sau một số bước biến đổi đại

số ta thu được phương trình trị riêng:

(2.45) Đối với một tập tham số k0, a, n1 và n2 xác định, ptr (2.45) có thể được giải để xác định hằng số lan truyền  Do đặc tính biến đổi tuần hoàn của hàm Bessel loại J nên

nó có thể có n nghiệm đối với mỗi giá trị m Các nghiệm này được ký hiệu mn cho một giá trị m xác định (n = 1, 2, …) Mỗi giá trị mn tương ứng với một mode lan truyền có thể của trường quang mà dạng phân bố không gian thu được từ các ptr (2.39)-(2.44) Vì phân bố trường không thay đổi khi lan truyền ngoại trừ một hệ số pha và thỏa mãn tất cả các điều kiện biên nên đó chính là một mode của sợi quang

Nhìn chung cả hai E z và H z đều khác không (ngoại trừ m = 0), khác với các ống dẫn sóng phẳng Do đó các mode sợi quang thường là các mode lai ghép và ký hiệu

HEmn hoặc EHmn phụ thuộc vào H z hay E z chiếm ưu thế Trong trường hợp đặc biệt

m = 0, các mode thường được ký hiệu TE0n và TM0n vì tương ứng với các mode truyền điện ngang (Ez = 0) và từ ngang (Hz = 0) tương ứng Khi m  0 phương trình (2.45) cần sử dụng phương pháp số hoặc gần đúng dẫn sóng yếu (n1 – n2<< 1) để tìm nghiệm

Một mode được xác định bởi một hằng số lan truyền duy nhất của nó, do vậy

sẽ tiện dụng khi đưa ra một đại lượng = ⁄ gọi là chỉ số mode hoặc chiết suất hiệu dụng đặc trưng cho sự lan truyền của mỗi mode và có giá trị trong dải 1 >

PTIT

> 2 Một mode dừng được dẫn hay không còn liên kết với lõi sợi khi

£ 2.Điều này dễ hiểu khi lưu ý trường quang của các mode dẫn suy giảm hàm mũ trong lớp vỏ vì:

(2.46) Khi £ từ (2.38) ta có £ 0 và suy giảm hàm mũ không xảy ra Mode đạt đến trạng thái cắt khi q  0 hoặc khi = Một tham số quan trọng liên quan đến điều kiện cắt là tần số chuẩn hóa hay cũng gọi là tham số V:

2 2 2

2 2 1

2 2

2 2

) (

2 )



(2.47)

đây là một số đặc trưng cho sợi quang, không đơn vị và xác định số lượng mode mà một sợi có thể hỗ trợ Số lượng mode có thể tồn tại trong sợi quang như là một hàm của V có thể được biểu diễn thuận tiện theo hằng số lan truyền chuẩn hóa b như sau:

Hình 2-8 cho thấy đồ thị của b như một hàm của V đối với một số mode bậc thấp Mỗi mode dẫn chỉ có thể tồn tại khi V lớn hơn một giá trị xác định được gọi là V cắt (Vc) của mode Vì giá trị V là hàm của bước sóng l nên tương ứng với Vc sẽ có bước sóng cắt (lc) tương ứng trong một sợi quang xác định

Hình 2-8Đồ thị hằng số lan truyền chuẩn hóa b phụ thuộc vào tham số V của một số mode

sợi quang bậc thấp

Một sợi có giá trị V lớn sẽ hỗ trợ nhiều mode như trong sợi đa mode Đối với sợi MM-SI, số lượng mode truyền được xác định:

PTIT

(2.49) Còn đối với sợi MM-GI với hệ số mặt cắt chiết suất a, số lượng mode truyền được tính gần đúng:

(2.50) Sợi MM-GI thường sử dụng mặt cắt chiết suất parabol (a = 2), trong trường hợp này số lượng mode M = V2/4 hay bằng một nửa so với sợi MM-SI có cùng V

c Mode phân cực tuyến tính

Trong trường hợp gần đúng sợi quang dẫn sóng yếu tức là khi độ lệch chiết suất giữa lõi và vỏ là rất nhỏ (D<< 1), các mẫu phân bố trường và hằng số lan truyền của các cặp mode HEm+1n và EHm-1n là tương tự nhau Đặc điểm này cũng đúng cho

ba loại mode TE0n, TM0n và HE2n Khi D<< 1 ta có k12» k22»2 và ptr (2.45) được viết lại thành

0 ) (

) ( )

qa qK pa

J

pa pJ

j j

EHmodecáccho 1

TM vàTEmodecáccho 1

Các mode suy biến như vậy được gọi là các mode phân cực tuyến tính (LP)

và ký hiệu là LPjn Hằng số lan truyền chuẩn hóa b là hàm của V đối với một số mode LPjn cho trong hình 2-9 và có dạng như sau:

- Mỗi mode LP0n thu được từ một mode HE1n

- Mỗi mode LP1n thu được từ các mode TE0n, TM0n và HE2n

- Mỗi mode LPmn (m  2) thu được từ một mode HEm+1n và một mode

EHm-1n

PTIT

Bảng 2-1cho thấy mười mode LP bậc thấp nhất và các mode suy biến tương ứng

Hình 2-9 Đồ thị b là hàm của tham số V của một số mode phân cực tuyến tính LP bậc thấp

Bảng 2-1 Bảng thành phần của các mode phân cực tuyến tính bậc thấp nhất

Một điểm nổi bật của ký hiệu mode LP là khả năng hiển thị mode dễ dàng Vec tơ cường độ điện trường E có thể được chọn nằm dọc theo một trục bất kì, với vec tơ từ trường H vuông góc với nó Từ một kí hiệu mode LPjn thì bốn mẫu phân

bố mode rời rạc có thể thu được Hình 2-10cho thấy một ví dụ về bốn chiều điện và

từ trường có thể và phân bố cường độ trường tương ứng đối với mode LP11 Một số dạng mặt cắt phân bố cường độ của một số mode LP bậc thấp được cho trong hình 2-11 và hình 2-12 cho thấy dạng phân bố cường độ trường 3D của hai mode LP bậc thấp nhất

PTIT