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

Trong phần này sẽ trình bày ảnh hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tìm hiểu về hệ thống truyền dẫn Soliton, xem xét các dạng xung gauss, xung super gauss Chương 3: Ảnh hưởng của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

………

Tạ Quang Hậu

ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ

TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SOLITON

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Hà Nội - 2012

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG 1

1.1 Sự phát triển của thông tin quang: 1

1.1.1 Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang: 2

1.1.2 Ứng dụng 3

1.2 Sợi quang 4

1.2.1 Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 4

1.2.2 Một số yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang 7

1.3 Một số hệ thông tin quang 24

1.3.1 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) 24

1.3.2 Hệ thống ghép kênh theo tần số OFDM 26

1.3.3 Ghép kênh quang theo thời gian OTDM 27

1.3.4 Hệ truyền dẫn Soliton 27

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 28

2.1 Ảnh hưởng của môt số hiệu ứng phi tuyến cơ bản 28

2.1.1 Tán xạ ánh cưỡng bức SRS và SBS 28

2.1.2 Tự biến điệu pha SPM (self-phase modulation) và biến điệu chéo pha XPM (cross-phase modulation) 30

2.1.3 Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) 33

2.2 Hệ thống truyền dẫn Soliton 34

2.2.1 Khái niệm về soliton 34

2.2.2 Mô hình hệ thống chung 35

2.2.3 Truyền thông tin với các soliton 35

2.2.4 Mở rộng xung soliton do hao phí 36

2.2.5 Khuếch đại soliton 38

2.3 Những xung sáng dạng Gauss với tần số thay đổi theo thời gian 40

2.4 Xung Super Gauss 42

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN TÍNH CHẤT

SOLITON CỦA XUNG QUANG HỌC 44

3.1 Tương tác soliton 44

3.1.1 Phương trình Shrodinger phi tuyến 44

3.1.2 Tương tác hai Soliton 45

3.2 Chirp tần số 46

3.3 Khảo sát sự tương tác hai Soliton 48

3.3.1 Khảo sát sự tương tác hai Soliton cùng biên độ, cùng pha ban đầu theo khoảng phân cách giữa hai soliton 48

3.3.2 Khảo sát tương tác của hai Soliton cùng pha ban đầu nhưng khác biên độ 53

3.2.3 Khảo sát tương tác hai Soliton cùng biên độ nhưng khác pha ban đầu 56

3.4 Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất soliton của xung truyền trong sợi quang 59 KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.3 Ảnh hưởng của các thông số đến tính chất sợi quang 6

Hình1 4 Phổ bức xạ của LED và LD 13

Hình 1.5 Sự thay đổi của chiết suất 14

Hình 1.6: Tán sắc dẫn song 16

Hinh 1.7 Đường cong thông số dẫn sóng theo tần số chuyển hóa 17

Hình1 8 Đường cong tán sắc Dw, DM và D theo bước sóng 17

Hình1 9 Sơ đồ tuyến thông tin có ghép kênh theo bước sóng 25

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang OFDM 26

Hình 2.1 Mở rộng soliton sợi hao phí (Γ = 0,07) với soliton cơ bản 37

Hình 2.2 Sơ đồ khuếch đại tập trung (lump) (a) bộ ghép và phân bố 38

Hình 3.1 Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =1 49

Hình 3.2 Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =1,5 50

Hình 3.3 Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =2 50

Hình 3.4 Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =2,5 51

Hình 3.5.Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =3 51

Hình 3.6 Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =3,5 52

Hình 3.7 Tương tác hai Soliton có khoảng phân cách ban đầu =4 52

Hình 3.8 Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.025 54

Hình 3.9 Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.1 54

Hình 3.10 Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.175 55

Hình 3.11 Tương tác hai Soliton có biên độ tương đối A=1.2 55

Hình 3.12.Tương tác hai Soliton có độ lệch pha 57

Hình 3.13 Tương tác hai Soliton có độ lệch pha 57

Hình 3.14 Tương tác hai Soliton có độ lệch pha 58

Hình 3.15 Tương tác hai Soliton có độ lệch pha 58

Hình 3.16 Hình ảnh xung super gauss không chirp qua sợi quang với m=1 59

Hình 3.17 Hình ảnh xung super gauss không chirp qua sợi quang với m=2 60

Hình 3.18 Hình ảnh xung super gauss không chirp qua sợi quang với m=4 60

Hình 3.19 Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với m=2 61

Hình 3.20 Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với m=4 62

Hình3.21 Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=1 63

Hình3.22 Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=3 63

Hình 3.23 Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=10 64

Hình3.24 Hình ảnh xung super gauss có chirp tuyến tính qua sợi quang với C=50 64

Hình 3.25 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với m=2 65

Hình 3.26 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với m=4 66

Hình 3.27 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.025 67

Hình 3.28 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.05 67

Hình 3.29 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.1 68

Hình 3.30 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.2 68

Hình 3.31 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=0.5 69

Hình 3.32 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=1 69

Hình 3.33 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=5 70

Hình 3.34 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=10 70

Hình 3.35 Hình ảnh xung super gauss có chirp phi tuyến qua sợi quang với C=50 71

LỜI NÓI ĐẦU

Từ những năm 90 trở lại đây, xã hội loài người tiến vào thời kì bùng nổ thông tin trong đó có ba sự kiện ảnh hương lớn nhất là sự phát triển chóng mặt của mạng internet do phổ cập máy tính cá nhân, cuộc cách mạng thôn tin từ dịch vụ thông tin di động số đến thông tin cá nhân và sự xuất hiện của dịch vụ thông tin đa phương tiện

Sự bùng nổ thông tin kích thích sự phát triển như vũ bão của dịch vụ thông tin toàn cầu do đó các hệ thống thông tin luôn được nghiên cứu để có thể truyền thông tin tốt nhất Trong thông tin người ta đòi hỏi tín hiêu truyền có suy hao thấp, khả năng truyền thông tin xa, nhưng trong các hệ thống thông tin thì xảy ra sự tán sắc ánh sáng, sự tán sắc ánh sáng làm suy hao năng lượng truyền thậm chí còn mở rộng xung truyền dẫn đến méo dạng tín hiệu khi truyền Để góp pần giải quyết vấn đề giảm ảnh hưởng của tán sắc, người ta sử dụng một phương pháp bù trừ tán sắc, đặc biệt là phương pháp vào xung dạng Gauss có chirp, hơn nữa trong thực tế người ta đã phát triển hệ thống thông tin Soliton là hệ thống thông tin ít tán sắc Tuy nhiên trong quá trình truyền thì các Soliton gần nhau vẫn ảnh hưởng đến nhau do đó luận văn của em sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của chirp tần số lên hệ thông tin Soliton

Khi xung sáng truyền trong môi trường phi tuyến sẽ bị tác động bởi hiện tượng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và tự biến điệu pha (SPM) làm mở rộng dải phổ đồng thời còn làm xung bị méo dạng tín hiệu khi lan truyền Để hiểu rõ về các quá trình biến đổi xung sáng trên đường truyền thì việc khảo sát ảnh hưởng của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến đặc biệt là ảnh hưởng của chirp tần số đối với xung là rất quan trong Vì vậy luận văn của tôi tập trung nghiên cứu “Ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton” Trên cơ sở đó luận văn được chia làm ba phần:

Chương 1: Giới thiệu chung về thông tin quang, trong phần này sẽ trình bày sự phát triển chung của hệ thông tin quang, các loại sợi quang, một số hệ thông tin quang

Chương 2: Tìm hiểu hệ thống truyền dẫn Soliton Trong phần này sẽ trình bày ảnh hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tìm hiểu về hệ thống truyền dẫn Soliton, xem xét các dạng xung gauss, xung super gauss

Chương 3: Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học trong phần này tôi khảo sát sự tương tác Soliton, khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG

Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều này

có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu

1.1 Sự phát triển của thông tin quang:

Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín hiệu Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau

1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp ( 1000dB/Km) Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm

70 Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm

Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm Km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo

Sự ra đời của laser và sợi quang đã góp phần to lớn vào sự phát triển của hệ thống thông tin hiện đại, tiêu biểu là các hệ thống thông tin quang

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

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu

quang để truyền trong môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang)

Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (ánh sáng bị điều biến theo qui luật của tín hiệu điện)

Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được

chế tạo bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng nh sợi thạch anh, sợi thuỷ tinh, sợi nhựa

Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu)

Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo

dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu

Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ năng lượng điện ít

Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn Trạm lặp biến đổi

tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại Tín hiệu đã được khuyếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyến cáp sợi quang

1.1.1 Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang:

Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhược điểm riêng:

Thiết bị phát

tín hiệu

Môi trường truyền dẫn

Thiết bị thu tín hiệu

Ƣu điểm :

Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian và ngược lại

nó cũng không phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh Như vậy các tín hiệu truyền qua sợi quang không thể bị nghe lén được Tin tức được đảm bảo bí mật

Giá thành của hệ thống dẫn tín hiệu bằng cáp kim loại đắt hơn so với cáp sợi quang

Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện,

Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại

Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong sợi quang

Khi có nước, hơi ấm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các mối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao

Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp

Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog Không thể truyền mã lưỡng cực

1.1.2 Ứng dụng

Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ

được sử dụng trong ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng như trong các thiết bị đo

Với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn là sợi quang

1.2 Sợi quang

Sợi quang là một trong những thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang Trong hệ thống thông tin quang sợi, sợi quang đóng vai trò là môi trường truyền dẫn và thực hiện truyền ánh sáng từ phía phát tới phía thu Sợi quang có bán kính từ 5 20µm hay được sử dụng và tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà sợi quang có bán kính khác nhau

1.2.1 Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng được truyền dẫn chỉ trong lõi sợi bằng phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng Ánh sáng từ nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ và ánh sáng được tập trung lại để đưa vào sợi quang mà chỉ một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định nào đó mới có thể được đưa vào lõi sợi quang

Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang được trình bày (như hình 1 2)

Hình 1.2 Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang

Tại điểm A nơi ánh sáng đưa vào sợi quang được chia làm ba môi trường liền nhau có chiết suất khúc xạ khác nhau đó là môi trường không khí, môi trường lõi, vỏ sợi quang Góc

max

 là góc nhận lớn nhất và có góc là góc tới hạn

Áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ tại các mặt biên tiếp giáp giữa không

khí và lõi, giữa lõi và vỏ thì ta có phương trình:

cos)90

n

n n



(1.3)

Với là độ lệch chiết suất tương đối và được gọi là khẩu

độ số (NA), nó cho biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang Nhưng loại sợi này

không phù hợp cho hệ thông tin quang vì có sự tán sắc nhiều tia hoặc tán sắc giữa

các mode

Tán sắc nhiều tia là do các tia sáng truyền trong sợi quang với những quãng

đường khác nhau do đó, ở đầu cuối của các sợi các tia này không đồng thời ló ra,

trong khi tốc độ truyền của các tia trong sợi là như nhau Các xung bị mở rộng là do

các tia truyền với những quãng đường khác nhau Có thể đánh giá sự mở rộng xung

một cách đơn giản khi tìm được chiều dài ngắn nhất và dài nhất Chiều dài ngắn

nhất khi góc tới và bằng L và chiều dài lớn nhất khi góc tới và

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

Đánh giá tốc độ truyền thông tin dựa vào điều kiện:

B Sự tán sắc giữa các mode có thể giảm khi sử dụng loại sợi chiết

suất biến đổi đều (graded-index fiber)

Với sợi quang, tham số cơ bản để xác định cấu trúc sợi quang là đường kính lõi sợi, đường kính vỏ, khẩu độ số (NA)…Chúng được gọi là thông số cấu trúc của sợi quang Các thông số này ảnh hưởng đến một số đặc tính khác nhau của sợi quang như độ suy hao quang, độ rộng băng truyền…

Với sợi quang đa mode, có bốn thông số xác định cấu trúc các loại sợi quang

đó là đương kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số (NA) và dạng phân bố chiết suất khúc xạ

Phân bố khúc xạ nói chung có thể được xác định như công thức sau:

Với 0<r<a

Ở đây a, n1 lần lượt là bán kính và chiết suất của lõi sợi

Khi quyết định các giá trị của các giá trị thông số này ta phải chú ý đến các ảnh hưởng của mỗi thông số đến các tính chất sợi quang (như hình 1.3)

Hình 1.3 Ảnh hưởng của các thông số đến tính chất sợi quang

Cấu trúc của sợi đơn mode được xác định bởi ba thông số là thông số trường mode, đường kính lõi và bước sóng cắt

Suy hao chỗ nối

Đặc điểm của băng tấn cơ sở

Tăng suy hao quang do uốn cong hoặc vi uốn cong

Suy hao quang

Hiệu suất đưa ánh sáng vào

Trong hệ thống thông tin quang, sợi quang là một kênh thông tin, với vai trò của kênh thông tin, sợi quang truyền tín hiệu quang từ thiết bị truyền tới thiết bị thu

mà không bị thay đổi và các hệ thống thông tin quang sử dụng các sợi quang như kênh thông tin vì các sợi quang có thể truyền ánh sáng với sự mất mát năng lượng tương đối nhỏ Tuy nhiên sự mất mát năng lượng của sợi quang sẽ làm cho tín hiệu truyền dẫn trong sợi quang bị suy hao và méo dạng Đó là các yếu tố quan trọng tác đọng tới toàn bộ quá trình thông tin, nõ định dạng cỡ về khoảng cách và tốc độ của tuyến ttruyeenf dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thông tin quang

1.2.2 Một số yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang

Đối với sợi quang có ba yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thông tin quang là suy hao, hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang và tán sắc

1.2.2.1 Suy hao

Trên một tuyến truyền thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang và sợi quang, giữa sợi quang và đầu thu quang cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn và suy hao trên sợi Đó là một trong những nguyên nhân cơ bản làm gới hạn khoảng cách truyền dẫn do công suất ánh sáng bị làm yếu đi khi qua một cự ly truyền ánh sáng nào đó

Suy hao được xác đinh bởi công thức:

(1.6) Với α : suy hao được tính trong đơn vị (dB/Km)

L: Độ dài sợi dẫn quang

Công suất đầu vào

Công suất đầu ra

Một số nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang

* Suy hao do hấp thụ:

+ Hấp thụ do tạp chất: Các tạp chất trong vật liệu như tạp chất nước, tạp chất

do các ion kim loại chuyển tiếp đã làm tăng tính suy hao của sợi và đặc biệt sự có mặt của các ion OH- của nước làm cho suy hao trội hẳn lên

+ Hấp thụ do vật liệu: Do các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài

+ Hấp thụ điện tử: Do các photon kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn đây cũng là một dạng của hấp thụ vật liệu nhưng tác động qua lại xảy ra trong phạm vi nguyên tử, phân tử

* Suy hao do tán xạ:

Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ hoặc có sự thay đổi thành phần về cấu trúc trong sợi làm tăng sư thay đổi chiết suất tạo ra sự tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh, suy hao do tán xạ Rayleigh tỉ lệ với

λ-4

nên nó sẽ giảm mạnh theo chiều tăng của bước sóng vì thế hệ thống làm việc ở bước sóng dài được quan tâm nhiều

* Suy hao do uốn cong sợi

Suy hao do uốn công sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) của sơi khi bất kì một sợi quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra vỏ ngoài và như vậy ánh sáng lan truyền trong sợi sẽ bị suy hao

Có hai loại uốn cong sợi:

Uốn cong vĩ mô: Là uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi

Vi uốn cong: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này xảy ra trong lúc bọc sợi thành cáp

1.2.2.2 Tán sắc

Khi một xung sáng ngắn truyền qua một sợi quang sẽ xuất hiện hiện týợng dãn rộng hay mở rộng xung sáng ở ðầu thu Các xung lân cận sẽ mở rộng và chồng

lên nhau không phân biệt đýợc các xung với nhau nữa Nó sẽ dẫn đến hiện tượng méo tắn hiệu trong sợi dẫn quang

Hiện týợng mở rộng xung sáng này chắnh là dõ sự tán sắc Sự tán sắc trong sợi quang sẽ hạn chế cự ly truyền dẫn cũng nhý tốc độ truyền dẫn của sợi

Ta nhớ lại rằng tán sắc là hiện týợng chiết suất n của môi trýờng phụ thuộc vào býớc sóng hay tần số của ánh sáng tới Điều đó cũng có nghĩa các býớc sóng hay tần số khác nhau sẽ có tốc độ khác nhau trong sợi quang

Các loại tán sắc trong sợi quang là:

- Tán sắc mode (mode dispersion)

- Tán sắc vật liệu (material dispersion)

- Tán sắc dẫn sóng (wave-guide dispersion)

- Tán sắc bậc cao (Higher-order - Dispersion)

- Tán sắc phi tuyến (nonlinear dispersion)

- Tán sắc mode phân cực (Polarization - mode dispersion) (PMD)

* Tán sắc mode (mode dispersion):

Tán sắc mode xảy ra trong sợi quang đa mode do sự khác nhau về tốc độ nhóm của những mode Nó không có trong sợi đõn mode, chỉ có ở sợi đa mode Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kắch thước sợi, đặc biệt là vào đýờng kắnh lõi sợi

Nguyên nhân gây tán sắc mode trong sợi đa mode là do các thành phần sóng sáng trong xung sáng lan truyền theo các đýờng đi khác nhau nên có sự chênh lệch

về thời gian truyền và gây ra sự mở rộng xung sáng, làm méo xung sáng

Dạng xung ở dầu vào máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố chắnh

- Thành phần phổ của nguồn sáng đýợc ghép vào sợi quang

- Sự phân bố của các mode truyền dẫn trên sợi quang

Sợi quang đýợc xem là lý týởng nếu không gây ra hiện týợng trộn mode với nhau và có thể xem rằng chiết suất của sợi không phụ thuộc vào býớc sóng

Đối với sợi quang đa mode chiết suất bậc (MM-SI) chiết suất lõi là không đổi, vận tốc các mode là nhý nhau nhýng cự ly truyền dẫn đến cuối sợi quang không bằng nhau (vì theop các đýờng đi zic zắc khác nhau) nên thời gian truyền dẫn khác nhau gây mở rộng xung Trong đó tia song song với trục quang sợi có độ dài ngắn nhất và thời gian truyền nhỏ nhất

Thời gian lệch giữa các tia sáng truyền nhanh nhất và chậm nhất là:

C

n n L

( 2

Ta đã biết sự tán sắc giữa các mode trong sợi quang đa mode đã dẫn tới sự

mở rộng đẳng kế của những xung sáng ngắn Nó vào khoảng ~10ns/km mà theo quang hình học, sự mở rộng nhý vậy là do những quãng đýờng truyền khác nhau

của các tia gây ra Điều đó cũng liên hệ với tốc độ nhóm khác nhau của các mode khác nhau Sợi quang đõn mode có thuận lợi chắnh là không tòn tại tán sắc giữa các mode này vì nó chỉ truyền một mode Tuy nhiên sự mở rộng của xung sáng đã không biến mất hoàn toàn Tốc độ mode của mode cõ bản là phụ thuộc vào tần số bởi vì còn cơ sự tán sắc đõn sắc: sự tán sắc phụ thuộc vào býớc sóng đõn sắc (Chromatic dispersion) Do vậy những thành phần phổ khác nhau của xung sáng sẽ truyền với tốc độ nhóm khác nhau một chút Hiện týợng này gọi là tán sắc tốc độ nhóm GVD (group - velocity dispersion) hay là tán sắc nội mode hay đõn giản là tán sắc sợi quang Tán sắc nội mode hay tán sắc trong mode có hai yếu tố tạo nên

Đó là tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng

* Tán sắc tốc độ nhóm trong sợi đơn mode (Group-Velocity dispersion)

Ta khảo sát một sợi quang học đõn mode có chiều dài L Một thành phần phổ tần số ω đạt tới đầu ra của sợi với thời gian trễ

Nếu  là độ rộng phổ của xung sáng, độ mở rộng của xung t đýợc cho bởi:

d L v

L d

d d

dT t

 là thông số tán sắc tốc độ nhóm GVD

2 xác ðịnh xung sáng sẽ mở rộng nhý thế nào trên ðýờng truyền trong sợi quang Thông số tán sắc bậc cao hõn ðýợc xác ðịnh cũng bằng cách týõng tự:

3

3 3

Gọi là thông số tán sắc toàn phần Ðõn vị ðo của D là ps/km.wm)

Tán sắc D có thể ðýợc viết nhý tổng của hai số hạng

(1.14) Ðối với sợi ðiôxit silic tiêu chuẩn, D có giá trị týõng ðối nhỏ ở vùng býớc sóng gần ~1,3m; D ~1ps/(km.nm) Ðối với laser bán dẫn thông thýờng ðộ rộng phổ  = 2  4nm Nhý vậy tích B.L sẽ výợt quá 100 (Gb/s) km

Thông số tán sắc D có thể thay đổi đáng kể khi býớc sóng hoạt động dịch chuyển khỏi 1,3m

* Tán sắc vật liệu (Material dispersion)

Do chiết suất của vật liệu thuỷ tinh dùng làm sợi quang phụ thuộc vào býớc sóng (hay tần số) của ánh sáng n () chắnh là nguyên nhân gây nên tán sắc vật liệu Các nguồn phát quang dùng trong thông tin quang nhý LED hay LD Laser Diode) đến bức xạ ra một vạch phổ có độ rộng  với 0 là býớc sóng trung tâm

Nhý vậy bức xạ của LED là phổ bức xạ gồm vô số vạch phổ và phổ của LD cũng bao gồm nhiều vạch phổ nằm giữa hai býớc sóng

2 0 1





2 0 2

1 ) (

v v

L t

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

2

)(

Ở đây  là độ dãn xung sáng khi truyền qua độ dài 1km

Độ dãn xung  gây méo xung, nên nó sẽ hạn chế cự ly truyền dẫn cũng nhý

Hình 1.5 Sự thay đổi của chiết suất

Biểu thức chiết suất n () gần đúng theo công thức của Sellmeir

2 2 2

1

2

1)(

Hay khi sử dụng:

j

c j





 2

)(

1)

2 2

j

B n

Ở đây j là býớc sóng cộng hýởng còn Bj là cýờng độ của dao động tử, còn

n thay thế cho n1 hay n2 tuỳ theo chúng ta khảo sát tắnh chất tán sắc của lõi hay vỏ sợi quang Theo kinh nghiệm đối với sợi quang, những thông số Bj và j đýợc chọn với M=3 để phù hợp với những đýờng cong tán sắc đo đýợc bằng thực nghiệm Những thông số này còn phụ thuộc vào lýợng lýợng pha tạp và đã lập bảng cho nhiều loại sợi Với sợi Silica ta có:

1)

2

2 3

1

j

j j

B n

Trong khoảng býớc sóng 1,25m  1,66m ngýời ta còn sử dụng biểu thức gần đúng rút ra từ thực nghiệm:

) 1 ( 22 , 1

ZD có thể thay đổi khoảng 1,27m  1,29m đối với những sợi quang mà lõi và vỏ đã đýợc pha tạp thêm để thay đổi chiết suất

Sự phân bố của trýờng và hằng số của truyền dẫn của các mode phụ thuộc vào tỷ số đýờng kắnh lõi sợi dk và býớc sóng làm việc λ Khi đýờng kắnh lõi sợi không đổi, các mode lan truyền với các býớc sóng λ lệnh nhau một chút Vận tốc pha và vận tốc nhóm phụ thuộc vào býớc sóng λ lúc này còn là một hàm số của đặc

Tịn sớc

(ps/km.nm)

Tịn sớc tiếu chuÈn

Tịn sớc phỬng

Dỡch chuyÓn tịn sớc

tắnh hình học của sợi quang Nhý thế xung sáng thu đýợc bị mở rộng mà nguyên nhân là vận tốc và thời gian truyền tốc độ nhóm biến đổi phụ thuộc vào býớc sóng Đối với sợi đa mode có đýờng kắnh lõi lớn thì ảnh hýởng của tán sắc này rất nhỏ Ngýợc lại trong sợi đõn mode có đýờng kắnh lõi nhỏ thì ảnh hýởng của tán sắc dẫn sóng này lại có ảnh hýởng đáng kể Do đó trong một số loại sợi đõn mode ngýời ta thiết kế để chế tạo sao cho tán sắc dẫn sóng bù trừ với tán sắc vật liệu để giảm tán sắc tổng cộng ở một số býớc sóng cần thiết theo yêu cầu

Đối với sợi đa mode, tán sắc dẫn sóng nhìn chung là rất nhỏ và có thể bỏ qua

dV

Vb d V

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

Thềng sè dÉn sãng

Tẵn sè chuÈn hãa V

DM

D

DW

Hình1 8 Đường cong tán sắc D w , D M và D theo bước sóng

Nhìn chung do ảnh hýởng của tán sắc sẽ ảnh hýởng đến dung lýợng truyền dẫn trên sợi quang, làm giảm và giới hạn dung lýợng truyền dẫn do sự mở rộng các xung sáng khi truyền dẫn tắn hiệu digital cũng nhý làm giảm biên độ tắn hiệu ở đầu thu khi truyền dẫn tắn hiệu analog, nhý vậy gây ra méo tắn hiệu và sẽ xuất hiện lỗi

Đõn vị đo lýờng của dung lýợng truyền dẫn đối với sợi quang thýờng đýợc xác định bằng tắch:

Tắch bằng tần - cự ly (tắnh bằng đõn vị MHz.km)

Sợi đa mode chiết suất bậc [MM-SI) sẽ có tắch bằng tần cự ly hay dung lýợng truyền dẫn nhỏ hõn sợi gradien Sợi đõn mode có dung lýợng lớn hõn hẵn hai loại sợi đa mode trên Ở býớc sóng tán sắc tối ýu (tán sắc nhỏ nhất), bãng tần của sợi đõn mode sẽ phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát

dV

Vb d V c

n n

V cũng phụ thuộc vào V

Sự phụ thuộc của thông số tán sắc dẫn sóng theo tần số chuẩn hoá V

Ngýời ta cũng có thể thiết kế sợi quang để sao cho tán sắc dẫn sóng thêm vào sẽ làm cho tán sắc toàn phần của sợi týõng đối nhỏ trên cả một vùng rộng của khoảng býớc sóng từ 1,5m tới 1,6m Sợi quang nhý vậy đýợc gọi là sợi tán sắc phẳng

Trên hình chỉ ra sự phụ thuộc mà thông số tán sắc D theo býớc sóng của sợi quang tiêu chuẩn, sợi tán sắc dịch chuyển và sợi tán sắc phẳng

Để thiết kế những sợi quang giảm đýợc độ tán sắc cần phải sử dụng sợi quang nhiều lớp vỏ và mặt cắt (Profin) chiết suất sợi quang phải đýợc chọn tối ýu

Từ nãm 1991 tán sắc dẫn sóng đã đýợc dùng để sản xuất sợi quang có tán sắc tốc

độ nhóm GVD giảm dọc theo chiều dài sợi do sự thay đổi hýớng theo trục của bán kắnh lõi sợi Sợi nhý vậy đýợc gọi là sợi giảm tán sắc và đã tìm thấy ứng dụng trong thông tin soliton

*Tán sắc bậc cao (Higher order dispersion)

Từ biểu thức (6) ta thấy tắch B L của sợi đõn mode có thể tãng không có giới hạn khi hoạt động ở býớc sóng tán sắc bằng không ZD có độ tán sắc D = 0 Tuy nhiên, ảnh hýởng tán sắc không phải là hoàn toàn không xuất hiện ở  = ZD Xung sáng vẫn bị ảnh hýởng sự mở rộng xung do những hiệu ứng tán sắc bậc cao Đặc điểm này ta có thể nhận thấy khi chú ý rằng độ tán sắc D không thể bằng không ở tất cả các býớc sóng trong dải phổ của xung sáng có tâm ở býớc sóng ZD Nhý vậy

sự phụ thuộc býớc sóng của độ tán sắc D sẽ đóng vai trò trong sự mở rộng xung

Hiệu ứng tán sắc bậc cao bị chi phối bởi độ dốc tán sắc

Sử dụng biểu thức (5) ta có biểu thức:

2 3 3 2

*Tán sắc phi tuyến (Nonlinear dispersion)

Tán sắc phi tuyến xảy ra khi cýờng độ ánh sáng truyền dẫn trong lõi sợi quang đủ cao để gây ra chiết suất phụ thuộc vào cýờng độ ánh sáng và vật liệu sợi quang trở thành phi tuyến Phần có cýờng độ đủ cao của xung sáng sẽ có sự dịch chuyển pha khác với phần có cýờng độ thấp của nó Do đó tần số sẽ bị dịch chuyển những lýợng khác nhau

Do tán sắc vật liệu, tốc độ nhóm thay đổi và do đó dạng xung sáng bị thay đổi Tuy nhiên, dýới những điều kiện nhất định,sự tán sắc phi tuyến có thể "bù trừ"

sự tán sắc vật liệu và nhý vậy sự truyền của xung sáng sẽ không bị thay đổi dạng theo thời gian Sóng sáng truyền đýợc nhý vậy (Không thay đổi dạng xung theo thời gian khi lan truyền) gọi là sóng dạng hạt hay một soliton

Ngýời ta đã sử dụng kỹ thuật truyền soliton trong thông tin quang nhờ sử dụng laser soliton đã đạt đýợc nhiều thành tựu và là một hýớng phát triển đầy triển vọng của thông tin quang sợi cực nhanh trong những thập niên đầu của thế kỷ 21

* Tán sắc mode phân cực (PMD) (Polarization-mode dispersion)

Một nguồn nữa có nhiều khả nãng gây ra sự mở rộng xunglà do tắnh lýỡng chiết của sợi quang Sợi quang thực tế có sự thay đổi đáng kể hình dạng lõi của nó dọc theo chiều dài của sợi Những ứng suất không đều sẽ làm cho tắnh đối xứng hình trụ của sợi quang bị phá vỡ

Độ lýỡng chiết của sợi quang nlc xác định bằng hệ thức:

n

hd x lc

Chu kỳ của nó đýợc cho bởi công thức:

lc B

n

L



Thông thýờng nlc ~10-7 và LB ~ 10m đối với býớc sóng  =1m

Trạng thái phân cực của nó thay đổi dọc theo chiều dài sợi quang, từ phân cực thẳng tới phân cực elip rồi lại trở về phân cực thẳng trong mỗi chu kỳ LB

Trong sợi đõn mode thông thýờng, độ lýỡng chiết nlc không phải là hằng số

mà nó thay đổi một cách ngẫu nhiên do sự thãng giáng về hình dạng của lõi sợi cũng nhý ứng suất không đều tác động lên lõi sợi Do đó ánh sáng từ nguồn Laser đýợc phóng vào sợi với sự phân cực thẳng sẽ nhanh chóng đạt trạng thái phân cực tuỳ ý (bất kỳ) Trạng thái phân cực này nói chung không ảnh hýởng đến hệ thống

thông tin quang sợi thông thýờng vì máy thu chỉ nhận trực tiếp cýờng độ toàn phần của sóng sáng, nhýng nó sẽ trở nên quan trọng đối với hệ thống thông tin quang học kết hợp Ngýời ta chế tạo sợi quang mà sự thay đổi ngẫu nhiên của hình dạng và kắch thýớc lõi sợi không làm thay đổi trạng thái phân cực của nó, sợi quang nhý vậy gọi là sợi duy trì phân cực

(Polarization - preserving fibers)

Ngýời ta đã tạo ra độ lýỡng chiết của những sợi quang này lớn qua sự thay đổi thiết kế sợi để làm sao cho những thãng giáng lýỡng chiết ngẫu nhiên đủ nhỏ không làm ảnh hýởng đến sự phân cực ánh sáng của sợi quang Đối với những sợi nhý vậy, giá trị thông thýờng của nlc~10-4

Nếu xung sáng vào kắch thắch cả hai thành phần phân cực trực giao, xung đó

sẽ mở rộng hõn ở đầu ra của sợi quang do hai thành phần đó truyền dọc theo sợi với những tốc độ nhóm khác nhau

Hiện týợng này gọi là tán sắc mode phân cực (PMD: Polarization-mode dispersion)

Týõng tự nhý đối với trýờng hợp tán sắc tốc độ nhóm GVD, sự mở rộng xung có thể đýợc đánh giá theo trời gian T giữa hai thành phần phân cực trực giao trong thời gian truyền của xung Với sợi quang chiều dài L ta có:

1 1

L

gy gx

(1.27)

Ở đây chỉ số x và y týõng ứng với hai mode phân cực trực giao với nhau còn

1 liên hệ với sự lýỡng chiết của sợi quang

Týõng tự nhý tán sắc giữa các mode, đại lýợng

L T



là một số đo của tán sắc mode phân cực PMD

Đối với những sợi duy trì phân cực,

L T



là rất lỡn cỡ ~ 1ns/km khi hai thành phần đýợc kắch thắch nhý nhau ở đầu vào của sợi quang, nhýng nó sẽ giảm xuống tới không khi ánh sáng tới dọc theo trục chắnh sợi quang

Biểu thức (1) không thể dùng để trực tiếp đánh giá sự tán sắc mode phân cực PMD đối với những sợi quang viễn thông tiêu chuẩn bởi vì sự liên kết ngẫu nhiên giữa hai mode gây ra bởi vì sự liên kết ngẫu nhiên giữa hai mode gây ra bởi sự nhiễu loạn lýỡng chiết ngẫu nhiên xảy ra dọc theo sợi quang

Sự liên kết này có xu hýớng làm cân bằng thời gian truyền đối với hai thành phần phân cực

Trong thực tế đó tán sắc mode phân cực cho sợi duy trì phân cực gần đúng đýợc xác định bởi T là

Tắn hiệu quang khi lan truyền trong sợi dẫn quang sẽ bị tán sắc, tán sắc trong sợi đơn mode là kết quả của sự phụ thuộc hằng số lan truyền (β) vào bước sóng tức là các thành phần tần số khác nhau sẽ lan truyền trong sợi quang với vận tốc khác nhau

1.2.2.3 Hiệu ứng phi tuyến

Các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lưới viễn thông đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà ở đó các tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang

Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ thống và thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Với việc tăng hiệu quả truyền thông tin mà có thể được làm bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên, các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai tṛ quyết định hơn

Mặc dù công suất riêng của mỗi kênh có thể thấp dưới mức cần thiết để xuất hiện tính phi tuyến, tổng công suất của tất cả các kênh có thể nhanh chóng trở nên

đủ lớn Sự kết hợp của tổng công suất quang cao và một số lớn các kênh ở các bước sóng gần nhau thì lý tưởng cho nhiều loại hiệu ứng phi tuyến Vói tất cả lý do này cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu các hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng phi tuyến này bao gồm: tán xạ Raman kích thích (SRS: simulated Raman scattering), tán xạ Brillouin kích thich (SBS: simulated Brillouin scattering), hiệu ứng trộn 4 sóng (four-wave mixing), điều chế chéo pha (XPM: cross-phase modulation), tự điều chế pha (SPM: self-phase modulation) Mỗi hiệu ứng phi tuyến tùy từng trường hợp có thể có lợi hoặc có hại Chẳng hạn XPM và FWM thì bất lợi cho hệ thống đa kênh WDM SPM và XPM gây ra sự mở rộng phổ trong các xung quang mà sau đó tương tác với tán sắc sợi Điều này có thể có lợi hoặc có hại cho

hệ thống truyền thông quang tùy thuộc vào tán sắc thường hay dị thường

Như vậy, việc nắm rõ các hiệu ứng phi tuyến này là rất cần thiết để có thể hạn chế các ảnh hưởng không có lợi của nó và tối ưu hóa trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn quang Các loại hiệu ứng phi tuyến và các ảnh hưởng của nó sẽ được nghiên cứu ở chương II

1.3 Một số hệ thông tin quang

1.3.1 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM)

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang Với một kênh đơn tốc độ bit thường bị giới hạn là 10 Gb/s hoặc nhỏ hơn Vai trò của WDM trong hệ thống này

là tăng tốc độ bit tổng cộng

Nguyên lý cơ bản của hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) là tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) trên cùng một sợi quang để truyền dẫn, ở đầu thu tín hiệu các bước sóng tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh) và sau đó khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các máy thu khác nhau

Sơ đồ mô tả tuyến thông tin có ghép kênh theo bước sóng (như hình vẽ 4)

Hình1 9 Sơ đồ tuyến thông tin có ghép kênh theo bước sóng

Khi hệ thống thông tin WDM có N kênh có tốc độ bit như nhau truyền qua một sợi quang thì tốc độ truyền của hệ sẽ tăng N lần

Có hai hình thức cơ bản của hệ thống thông tin WDM

+ Hệ WDM truyền theo một hướng: Là tất cả các kênh trên cùng một sợi quang truyền theo cùng một chiều, vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau do đó sẽ không lẫn lộn Ở đầu thu bộ tách kênh tách tín hiệu có bước sóng khác nhau Hệ WDM truyền theo một hướng thường được sử dụng trong mạng lưới truyền thông tin roongnj rãi như mạng lưới truyền hình cáp

Bộ phân kênh

Máy thu Máy thu Máy thu

+ Hệ WDM truyền theo hai hướng: Là kênh quang trên mỗi sợi cùng truyền theo hai chiều ngược nhau và hệ WDM truyền theo hai hướng dung các bước sóng tách rời nhau để thông tin hai chiều Hệ thống WDM hai chiều thì yêu cầu phát triển

và ứng dụng cao hơn, thường được sử dụng trong các mạng lưới sử dụng để nối nhiều máy tính (ví dụ như internet) trong các mạng lưới mỗi thuê bao không chỉ thu thông tin mà còn có thể truyền thông tin tới bất kỳ thuê bao nào nằm trong mạng lưới đó, so với hệ WDM một hướng thì hệ WDM hai hướng giảm số lượng bộ khuếch đại sợi quang và đường dây

1.3.2 Hệ thống ghép kênh theo tần số OFDM

Kỹ thuật OFDM (Optical Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số

Với kỹ thuật ghép kênh quang OFDM băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số các kênh thông tin riêng biệt, các kênh ánh sáng có các tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên một sợi quang

Vì các sóng ánh sáng có tần số cao (200000 GHz) và sợi dẫn quang có suy hao nhỏ ở băng tần 200000 GHz vì thế một số lượng lớn các kênnh quang FDM sẽ được truyền trên sợi và mỗi một kênh quang riêng biệt có thể có băng tần rộng và như vậy, ghép kênh quang theo tần số được coi là cao cấp hơn WDM vì số kênh có thể được ghép ở trong băng tần quang sẵn có rất lớn Hệ OFDM có thể đáp ứng các chức năng như sau:

+ Sắp xếp các kênh thông tin một cách hợp lý

+ Cho phép truyền dễ dàng qua các phần tử thụ động

Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang OFDM (Như hình 1 5)

Bộ kết hợp

Bộ chia công suất Tách

quang

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang OFDM

1.3.3 Ghép kênh quang theo thời gian OTDM

Với hai phương pháp ghép kênh quang WDM và OFDM để đạt được tốc độ truyền dẫn cao (tới 100Gbit/s) thì đều yêu cầu các thành phần điện tử có tốc độ cao hơn ở luồng nhánh được ghép, với các thành phần thiết bị điện tử ở tốc độ cao hơn

là rất khó vì vẫn phải dựa vào nền tảng công nghệ hỗn hợp InP vì vậy, kỹ thuật ghép kênh quang đã khắc phục được hạn chế trên

hệ Ảnh hưởng rõ ràng nhất của hiệu ứng phi tuyến trên sợi dẫn quang là hiện tượng tự điều chế pha (SPM), hiệu ứng này được coi như là cơ chế chirp phi tuyến: Tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung có thể bị “chirp” không chỉ đơn giản là do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương tác với môi trường truyền dẫn của sợi Như vậy tính phi tuyến làm cho các sườn xung lên bị dịch chuyển về phía sóng dài hơn và sườn xung xuống bị dịch về phía sóng ngắn hơn Điều này ngược với hiện tượng “chirp” tuyến tính thông thường trong các nguồn laser bán dẫn Quá trình truyền dẫn Soliton được coi là

sự phát triển của tuyến truyền dẫn ít tán sắc

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON 2.1 Ảnh hưởng của môt số hiệu ứng phi tuyến cơ bản

2.1.1 Tán xạ ánh cưỡng bức SRS và SBS

2.1.1.1 Tán xạ Raman cưỡng bức SRS

SRS là một loại của tán xạ không đàn hồi (tán xạ mà tần số ánh sáng phát ra

bị dịch xuống) Ta có thể hiểu đây là một loại tán xạ của một photon tới photon

năng lượng thấp hơn sao cho năng lượng khác xuất hiện dưới dạng một phonon

Quá trình tán xạ gây ra suy hao công suất ở tần số tới và thiết lập một cơ chế suy

hao cho sợi quang Ở mức công suất thấp, thiết diện tán xạ phải đủ nhỏ để suy hao

là không đáng kể

Ở mức công suất cao, hiện tượng phi tuyến SRS xẩy ra nên cần xem xét

đến suy hao sợi Cường độ ánh sáng sẽ tăng theo hàm mũ mỗi khi công suất

quang vượt quá giới hạn nhất định Giá trị ngưỡng này được tính toán dựa trên

việc cường độ ánh sáng tăng nhưthế nào so với tạp âm và được định nghĩa là

công suất tới tại nơi nửa công suất bị mất bởi SRS ở cuối đầu ra sợi dài L và

được mô phỏng như sau [2]:

(2.1) Trong đó:

gR là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman

Aeff là diện tích hiệu dụng

Leff là chiều dài tương tác hiệu dụng

(2.2) Với α là suy hao sợi

Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để Nếu thay , với là kích thước điểm

(2.3)

Hệ số khuyếch đại Raman m/W với sợi silica ở gần vùng bước sóng 1µm và tỉ lệ nghịch với bước sóng

Nếu ta thay thế và α = 0,2dB/Km, 370mW ở gần vùng 1,55µm Vì công suất đặt trong sợi quang thường nhỏ (dưới 10mW) nên tán

xạ Raman cưỡng bức (SRS) không gây hại nhiều tới suy hao sợi đơn mốt chỉ xả

2.1.1.2 Tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS)

Cũng giống với SRS,SBS là một loại của tán xạ không đàn hồi và cả hai rất giống nhau về nguồn gốc của chúng Điểm khác nhau chính là các phonon quang tham gia trong tán xạ Raman còn tán xạ Brillouin có các phonon âm thanh tham gia Mối quan hệ tán sắc khác nhau với các phonon quang và các phonon âm thanh dẫn đến vài điểm khác nhau cơ bản giữa chúng Đó là hiệu ứng SBS trong sợi mốt chỉ xảy ra theo hướng ngược còn SRS chiếm ưu thế trong hướng đi

Mức công suất ngưỡng của SBS cũng được tính tương tự như sau:

{gB Pth. Leff/ (2.4) Trong đó: gB là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Brillouin

Thay Leff ,

{Pth (2.5)

Hệ số khuyếch đại Brillouin m/W với sợi silica lớn gấp hàng trăm lần hệ số khuyếch đại Raman Suy ra 1mW, với cùng điều kiện ở gần bước sóng 1,55 m, nơi suy hao sợi nhỏ nhất

Rõ ràng, SBS thiết lập một giới hạn trên đối với công suất quang vì giá trị ngưỡng của nó thấp Khi công suất quang vượt quá ngưỡng, một phần lớn ánh sáng

đã phát sẽ truyền lại bộ phát Do đó, SBS gây ra sự bão hòa công suất quang trong máy thu, đồng thời cũng làm xuất hiện sự phản xạ ngược của tín hiệu quang, và nhiễu làm giảm tỉ lệ BER Như vậy việc điều khiển SBS trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao là không thể thiếu

Hiện tượng phản xạ ngược tương tự như hiệu ứng của cách tử Bragg và ánh sáng tán xạ ngược càng tăng khi công suất quang vượt quá giá trị ngưỡng càng tăng

Việc tính toán Pth ở trên không tính đến ảnh hưởng của độ rộng phổ kết hợp với ánh sáng tới Vì phổ khuyếch đại cho sợi silica rất hẹp (<100MHz), công suất ngưỡng có thể tăng đến 10mW hoặc hơn bằng việc tăng trước băng tần khuyếch đại tới 200-400MHz qua sự điều chế pha Bởi vậy, SBS giới hạn mức công suất đặt dưới 100mW trong hầu hết các hệ thống truyền thông quang

Tóm lại: Cả SRS và SBS có thể được sử dụng để cải tiến trong thiết kế hệ thống truyền thông quang vì chúng có thể khuyếch đại một trường quang bằng việc truyền năng lượng tới nó từ một trường bơm với bước sóng được chọn thích hợp SRS đặc biệt có ích vì một băng tần cực lớn (~10THz) kết hợp với dạng phổ khuyếch đại Raman của silica Cả SRS và SBS đều có thể sử dụng để làm bộ khuyếch đại Raman sợi và khuyếch đại brillouin sợi tương ứng

2.1.2 Tự biến điệu pha SPM (self-phase modulation) và biến điệu chéo pha XPM (cross-phase modulation)

2.1.2.1 Tự biến điệu pha SPM

Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng được gọi là hiệu ứng Kerr quang, trong đó toàn bộ các trường tham gia vào tương tác phi tuyến ở cùng một tần số Chỉ số chiết suất biến đổi như sau [2]:

Trong đó: , là chiết suất lõi và vỏ

là hệ số chiết suất phi tuyến

nj là chỉ số chiết suất tuyến tính

W với sợi silica

Hệ số truyền dẫn phi tuyến [2]:

Với là hằng số truyền dẫn phi tuyến

Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là:

Pin giả thiết là không đổi Thực tế sự phụ thuộc của Pin vào thời gian làm cho thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển tần số mà từng bước ảnh hưởng tới hình dạng xung qua GVD Để giảm ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến thì độ dịch pha phi tuyến cần thỏa mãn điều kiện <<1 Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của công suất quang: