Chuyên đề thông tin quang bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc
CHUYÊN ĐỀ THÔNG TIN QUANG BÙ TÁN SẮC SỬ DỤNG SỢI BÙ TÁN SẮC Nội dung yêu cầu - Khái niệm tán sắc - Các loại tán sắc - Đánh giá loại tán sắc - Ảnh hưởng tán sắc hệ thống tốc độ cao - Tìm hiểu sợi bù tán sắc So sánh sợi bù tán sắc với sợi SMF chuẩn - Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc: nguyên lý bù và kết đánh giá chất lượng tín hiệu sau bù sợi Khái niệm tán sắc: Tán sắc độ dãn xung ánh sáng truyền sợi quang vận tốc nhóm khác bước sóng khác chứa thành phần phổ nguồn phát Hệ số tán sắc tán sắc tính cho đơn vị bề rộng phổ nguồn phát đơn vị chiều dài sợi thường tính ps/(nm.km) Trường hợp lý tưởng đạt hệ số tán sắc Sợi khuyến nghị G.652 có hệ số tán sắc nhỏ 1310 nm khoảng 1,2 ps/nm.km, sợi dịch chuyển tán sắc khuyến nghị G.653 lại có hệ số tán sắc nhỏ 1550nm khoảng 2,5ps/nm.km Mặc dù sợi G.652 có tán sắc thấp suy hao qua khoảng cách bước sóng 1550nm lại gấp khoảng lần so với bước sóng 1310nm Sợi G.653 có đặc tính suy hao thấp bước sóng 1550nm mà có đặc tính tán sắc tốt bước sóng Tuy nhiên, sợi G.653 không khuyến nghị cho hệ thống WDM Khi mức công suất quang khoảng cách không trạm lặp hệ thống WDM ảnh hưởng phi tuyến hiệu ứng trộn bước sóng (FWM) tác động đến hệ thống FWM sinh bước sóng khác mạng bước sóng tương tác với Đặc tính tán sắc thấp sợi dịch chuyển tán sắc (G.653) đảm bảo mối quan hệ pha- bước sóng trì dọc chiều dài sợi Tuy nhiên, đặc tính lại làm phát triển nhanh chóng hiệu ứng phi tuyến Các hiệu ứng quang phi tuyến dẫn đến đời sợi tán sắc dịch chuyển khác 0-sợi G.655 Sợi G.655 có lượng tán sắc đủ nhỏ vùng bước sóng 1550nm Lượng tán sắc đủ nhỏ khiến cho mối quan hệ bước sóng-pha thay đổi liên tục, ngăn chặn phát triển hiệu ứng phi tuyến 2 Các loại tán sắc 2.1 Tán sắc màu Tán sắc màu có chất phụ thuộc tốc độ lan truyền ánh sáng vào bước sóng, tán sắc làm giãn rộng xung quang chí gây giao thoa bit (ISI) kết làm suy giảm tỷ số tín hiệu nhiễu (BER) Vì tán sắc bên mode phụ thuộc vào bước sóng ảnh hưởng tới méo tín hiệu tăng lên theo tăng độ rộng phổ nguồn phát Độ rộng phổ dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng Có thể mô tả độ dãn xung công thức sau: dτ δ τ = L n λ s δ λ dλ 2.3 Với L độ dài sợi dẫn quang, τ bước sóng trung tâm σ λ n trễ nhóm đơn vị độ dài, λ s độ rộng trung bình bình phương (r.m.s) phổ nguồn phát Tán sắc tổng cộng sợi dẫn quang đơn mode nhìn chung gồm hai thành phần tán sắc vật liệu tán sắc dẫn sóng (hình 2.1), phải xét đến hiệu ứng tán sắc bậc cao Sau số phân tích chi tiết loại tán sắc Hình 2.1 : Các loại tán sắc sợi quang 2.2 Tán sắc vận tốc nhóm Trong sợi quang đơn mode vận tốc nhóm kết hợp với mode đặc trưng phụ thuộc tần số Vì mà thành phần phổ khác xung lan truyền với vận tốc nhóm khác đôi chút, tượng coi tán sắc vận tốc nhóm GVD, tán sắc bên mode, hay để đơn giản gọi tán sắc sợi giới thiệu Để tìm hiểu tán sắc vận tốc nhóm, ta khảo sát sợi quang đơn mode có độ dài L Nguồn phát có thành phần phổ đặc trưng tần số ω từ đầu vào tới đầu sợi quang sau thời gian trễ T=L/vg với vg vận tốc nhóm xác định từ biểu thức sau: −1 dβ Vg = dω 2.3 Bằng cách sử dụng quan hệ β = nko = nω /c vg= c/ng, n số mode, ng số nhóm cho dn n g = n + ω dω 2.3 Việc vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số làm giãn xung đơn giản thành phần phổ khác xung bị phân tán lan truyền sợi quang không đến đồng thời lúc đầu sợi Nếu gọi ∆ ω độ rộng phổ xung khoảng thời gian độ dãn xung truyền qua sợi có độ dài L viết sau: ∆T = dT d L ∆ω = dω dω ν g Tham số β 2 ∆ω = L d β ∆ω = Lβ2 ∆ω dω 2.3 = d2β / dω gọi tham số tán sắc vận tốc nhóm ( tham số GVD) Tham số nhằm xác định xung quang bị dãn truyền sợi quang Trong số hệ thống thông tin quang, trải tần số ∆ ω xác định dải bước sóng ∆ λ phát từ nguồn quang Đó điều bình thường muốn sử dụng ∆ λ thay cho ∆ ω Khi áp dụng biểu thức sau: ω= 2πc ∆ω = − ∆λ λ λ 2πc 2.3 Thì biểu thức 2.4 viết thành: ∆T = d L dλ ν g D = ∆ω = DL ∆λ d 1 dλ ν g = − 2πc β2 λ2 2.3 2.3 Tham số D viết biểu thức 2.7 gọi tham số tán sắc có đơn vị (ps/km.nm) Ảnh hưởng tán sắc tới tốc độ bit B xác định cách sử dụng mức chuẩn B∆T < , áp dụng điều kiện vào biểu thức 2.6, ta được: BL D ∆λ < 2.3 Điều kiện 2.8 đưa ước lượng cấp biên độ tích BL cho sợi quang đơn mode Đối với sợi thủy tinh tiêu chuẩn, giá trị D tương đối nhỏ vùng gần bước sóng 1310 nm (có thể đạt tới ∼ ps/km.nm) Với lazer bán dẫn, độ rộng phổ ∆ λ ÷ nm lazer hoạt động vài mode dọc Tích BL hệ thống thông tin quang vượt 10Gbít/s.km Thực vậy, hệ thống truyền dẫn thường hoạt động tốc độ bit 2Gbít/s với khoảng lặp 40 ÷ 50 km Tích BL sợi đơn mode vượt Tbit/s.km sử dụng lazer bán dẫn đơn mode có ∆ λ 1nm Tham số tán sắc D thay đổi đáng kể bước sóng hoạt động chệch khỏi vùng 1310 nm Sự phụ thuộc D vào bước sóng chi phối từ phụ thuộc vào tần số số mode n Như theo biểu thức 2.7 ta viết D sau D =− 2πc d 2π =− 2 λ dω ν g λ dn d 2n +ω dω2 dω 2.3 Như vậy, D viết dạng tổng sau: D = DM + DW 2.3 Ở DM DW tương ứng tán sắc vật liệu tán sắc dẫn sóng Có số lý thuyết đề cập sâu tới tán sắc bên mode cho rằng, muốn tính đơn giản tính riêng tán sắc vật liệu tán sắc dẫn sóng sau cộng lại để có tán sắc tổng Nhưng thực chất hai chế tán sắc lại có mối liên quan phức tạp với đặc tính phân tán số chiết suất tạo tán sắc dẫn sóng, người ta nhận thấy hoàn toàn chấp nhận cộng hai tán sắc sau tính riêng loại tán sắc bên mode, không cần xác; biểu thức 2.10 chấp nhận Sau ta xét hai tham số 2.3 Tán sắc vật liệu Tán sắc vật liệu hàm bước sóng thay đổi số chiết suất vật liệu lõi tạo nên Nó làm cho bước sóng phụ thuộc vận tốc cuả nhóm mode Tán sắc vật liệu DM xuất số chiết suất thủy tinh, loại vật liệu dùng để chế tạo sợi quang, thay đổi chúng theo tần số quang ω Có thể viết tán sắc vật liệu sau: DM = − 2π dn g dn g = λ dω c dλ 2.3 Ở n2g số nhóm vật liệu vỏ sợi Dưới góc độ đơn giản, nguồn gốc tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hưởng mà vật liệu hấp thụ phát xạ điện từ Chỉ số chiết suất n(ω ) làm xấp xỉ phương trình Sellmeier viết sau: M n (ω ) = + ∑ B jω j 2.3 2 j =1 ω j − ω Ở ω j tần số cộng hưởng Bj cường độ dao động Chữ n viết đại diện cho n1 n2 tùy thuộc vào đặc tính phân tán lõi hay vỏ sợi có xem xét hay không Số hạng dạng tổng biểu thức 2.12 mở rộng cho tất cộng hưởng vật liệu tham gia vào dải tần số quan tâm Trong trường hợp sợi quang, tham số Bj ω j thu từ kinh nghiệm thông qua việc điền đường cong tán sắc đo vào biểu thức 2.12 với M = Chúng phụ thuộc vào hàm lượng chất kích tạp xếp thành vài loại sợi Đối với thủy tinh suốt, tham số thu B1 = 0,6961663, B2 = 0,4079426, B3 = 0,8974794, λ = 0,0684043 µ m, λ = 0,1162414 µ m, λ = 9,896161 µ m, với λ j = 2π c/ ω j j = 1÷ Chỉ số nhóm ng = n = ω (dn/dω ) thu thông qua việc sử dụng tham số 2.4 Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc dẫn sóng sợi đơn mode giữ khoảng 80% lượng lõi, 20% ánh sáng truyền vỏ nhanh lượng lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi số lan truyền mode β hàm số a/λ , thường bỏ qua sợi đa mode lại cần quan tâm sợi đơn mode Tương tự tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng DW thành phần đóng góp vào tham số tán sắc D, phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V (tham số V) sợi quang viết sau: 2 2π∆ n g Vd ( Vb ) dn2 g d ( Vb ) DW = − + λ n2ω dV d ω dV 2.3 Ở n2g số nhóm vật liệu vỏ, b số lan truyền chuẩn Tham số ∆ giả thiết không phụ thuộc tần số Do hai đạo hàm dương nên D W âm toàn vùng bước sóng ÷ 1,6 µ m Điều khác nhiều so với tán sắc vật liệu DM có giá trị âm đương tương ứng với bước sóng thấp hay cao λ tán sắc dẫn sóng để dịch bước sóng λ Tác động ZD lượng 30 ÷ 40 nm nhằm để ZD thu tán sắc tổng D không gần 1310 nm Nó làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu DM vùng bước sóng 1,3 ÷ 1,6 µ m nơi hấp dẫn cho hệ thống thông tin quang Giá trị tiêu biểu tham số tán sắc D nằm dải 15 ÷ 18 ps/km.nm gần bước sóng 1,55 µ m Vùng bước sóng quan tâm nhiều có suy hao sợi nhỏ Khi mà giá trị tán sắc D cao hạn chế đặc tính hệ thống thông tin quang hoạt động vùng bước sóng 1550 nm Vì tán sắc dẫn sóng DW phụ thuộc vào tham số sợi quang bán kính lõi a khác số chiết suất ∆ nên cho phép thiết kế sợi để cho λ ZD dịch kề sát tới bước sóng 1,55 µ m Các sợi gọi sợi tán sắc dịch chuyển Ta xem xét sợi đặc biệt phần sau 2.5 Tán sắc bậc cao Theo việc phân tích ta thấy tích tốc độ - cự ly BL sợi quang đơn mode tăng vô hạn hệ thống hoạt động bước sóng có tán sắc không λ ZD λ =λ Các xung quang phải chịu dãn hiệu ứng tán sắc bậc cao nơi mà D = Tuy nhiên hiệu ứng tán sắc không hoàn toàn ZD Đặc trưng hiểu tán sắc D đạt giá trị không tất bước sóng phổ tần có tâm λ Rõ ràng phụ thuộc tán sắc D vào ZD bước sóng tham gia vào trình dãn xung Các hiệu ứng phân tán bậc cao cho đường bao tán sắc viết sau: S= dD dλ 2.3 Tham số S gọi tham số tán sắc vi phân hay gọi tham số tán sắc bậc (cấp) hai Sử dụng biểu thức 2.7 viết được: 2πc 4πc S = β3 + β2 λ λ Ở β = dβ 2/dω = d3β / dω Tại λ = λ 2.3 ,β ZD = 0, S tỷ lệ với β Đối với nguồn phát có độ rộng phổ ∆ λ , giá trị hiệu dụng tham số tán sắc trở thành D= S∆ λ Tích tốc độ bit - cự ly xác định biểu thức 2.8 với giá trị D, áp dụng biểu thức sau: BL =( ∆λ) > 1, biểu thức 2.53 xác định xấp xỉ sau: 2 σ β 3σ ω SLσ λ = 1+ = + σ0 σ σ biểu thức 2.15 dùng để liên hệ β 2.3 với đường bao tán sắc S Như vậy, độ rộng xung đầu viết sau: σ = σ0 ( SLσ ) + 2 λ 2 = σ0 +σD 2.3 viết: σD = S Lσ λ 2.3 Cũng trước đây, ta liên hệ σ với tốc độ bit giới hạn điều kiện 4Bσ ≤ Khi σ D >> σ 0, giới hạn tốc độ bit viết sau: BL S σλ ≤ Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ 2.3 Trường hợp tương ứng với Vω [...]... hiệu dụng ps / km 0.5 0.25 0,1 10606 40111 181444 661 2500 11309 40 149 676 8 32 144 1 3 11 Cự ly truyền dẫn không sử dụng trạm lặp (km) 5 Tìm hiểu sợi bù tán sắc 6 Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc Nguyên lý chế tạo sợi cách tử để bù tán sắc dựa trên điều kiện phản xạ Bragg: 2nΛ = λ 3.4 Trong đó: n = 1, 2, 3, Λ là bước của cách tử λ là bước sóng ánh sáng Hình 3.1 Nguyên lý phương pháp bù tán. .. sóng gần bước sóng có tán sắc bằng không của sợi quang và sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ tương đối hẹp Trong thực tế người ta thường tính lượng tán sắc tối đa ứng với 1dB penalty công suất đầu vào làm giới hạn cho các hệ thống truyền dẫn Trong trường hợp sợi sử dụng là sợi chuẩn G652 giới hạn tán sắc này đối với các hệ thống truyền dẫn được cho bởi bảng 3.1 Bảng 3.1 Giới hạn tán sắc CD trong các hệ... cách tử sẽ bù lại GVD do sợi và bù được tán sắc sợi Tham số tán sắc Dg của cách tử có độ dài Lg được xác định bằng mối liên hệ sau TR = Dg Lg ∆λ 3.4 Trong đó TR là thời gian đi vòng ở bên trong cách tử và ∆ λ là sự sai khác về các bước sóng Bragg tại hai đầu của cách tử Vì Tg = 2π Lg c cho nên tán sắc cách tử được cho bởi biểu thức sau Dg = TR 2n = Lg ∆λ c∆λ 3.4 Trên thực tế các loại sợi bù tán sắc cách... pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg Sợi cách tử Bragg được chế tạo bằng cách dùng tia tử ngoại chiếu qua một mặt nạ ánh sáng vào sợi quang đơn mode chuẩn để tạo ra các vùng có chiết suất khác nhau phân bố dọc theo chiều dài z của sợi Để bù lại tán sắc vận tốc nhóm GVD, chu kỳ quang của cách tử được chế tạo sao cho nΛ giảm dọc theo độ dài của nó để cho ra GVD chuẩn (β 2>0) Trong sợi quang đơn mode... phần trên, chúng ta đã xem xét tới ảnh hưởng của tán sắc làm hạn chế năng lực của truyền dẫn của hệ thống Qua đó có thể thấy rằng ảnh hưởng của tán sắc vận tốc nhóm GVD có thể được giảm nhỏ tối thiểu bằng việc sử dụng các nguồn phát laze bán dẫn có độ rộng phổ hẹp và có bước sóng gần với bước sóng có tán sắc bằng không λ ZD của sợi quang Tuy nhiên, vấn đề này không phải lúc nào cũng thực hiện được trong... Amplifiers Tốc độ lỗi Bit Tán sắc màu (Tán sắc sắc thể) Phân bố hồi tiếp Quản lý tán sắc Bậc tự do Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EIA FWHM FWM GVD ISI Electronic Industries Association Liên minh các nhà công nghiệp điện tử full-width at half-maximum Độ rộng tại nửa biên độ Four-wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm Intersymbol... do tán sắc có thể phụ thuộc hoàn toàn khác với đặt trên độ rộng phổ nguồn phát Vì thế ta có thể thảo luận vấn đề này theo hai trường hợp tách biệt sau đây Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ lớn Trong trường hợp hệ thống sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ lớn thì ở biểu thức 2.53 sẽ ứng với Vω >>1 Trước hết ta hãy xem xét hệ thống thông tin quang hoạt động ở bước sóng chệch khỏi bước sóng có tán. .. với σ 0= σ D=(βL/2)1/2 Giới hạn tốc độ bit có thể nhận được khi sử dụng 4Bσ ≤ 1 và dẫn tới điều kiện sau: B β2 L ≤ 1 4 2.3 Sự khác nhau chính từ biểu thức 2.60 là B tỷ lệ với L-1/2 chứ không phải L-1 Đối với hệ thống thông tin quang hoạt động ở bước sóng rất gần với bước sóng có tán sắc bằng không, β 2 ≈ 0 trong biểu thức 2.53 Sử dụng Vω ... hiệu dụng ps / km 0.5 0.25 0,1 10606 40111 181444 661 2500 11309 40 149 676 32 144 11 Cự ly truyền dẫn không sử dụng trạm lặp (km) Tìm hiểu sợi bù tán sắc Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc. .. thành phần tán sắc vật liệu tán sắc dẫn sóng (hình 2.1), phải xét đến hiệu ứng tán sắc bậc cao Sau số phân tích chi tiết loại tán sắc Hình 2.1 : Các loại tán sắc sợi quang 2.2 Tán sắc vận tốc... ví giống tán sắc (hay gọi tán sắc CD - Chromatic Dispersion), có số khác quan trọng Tán sắc CD tượng tương đối ổn định Tán sắc CD tổng tuyến thông tin quang tính từ tổng thành phần tán sắc đoạn