nghiên cứu và thảo luận phương pháp bù tán sắc DCF

nghiên cứu và thảo luận phương pháp bù tán sắc DCF

LỜI CẢM ƠN

Em xin gởi lời biết ơn chân thành đến những người thân, đến quý Thầy Cô trong khoa Điện Tử- Viễn Thông, đặc biệt là giáo viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Văn Nhị - người đã dìu dắt em trong suốt quá trình làm báo cáo Xin cảm ơn các bạn sinh viên trong lớp đã giúp đỡ tôi rất nhiều mặt như: phương tiện, sách vở, ý kiến ……

MỤC LỤC

2.2 Các loại tán sắc 9

2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion): 9

2.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode 12

2.2.3 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion) 13

2.2.4 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion) 15

2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion) 15

2.2.6 Tán sắc bậc cao hơn (Higher-Order Dispersion) 18

2.2.7 Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion) 18

2.3 Ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang: 20

3.1 Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc 23

3.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation) 25

3.3 Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line) 26

3.3.1 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF 26

3.3.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang 29

3.3.3 Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC 30

3.3.4 Bù tán sắc bằng cách tử Bragg(có trong tài liệu khác) 30

3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation) 32

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi Bit

DW Dispersion Wave Tán sắc ống dẫn sóng

DM Dispersion-managed Quản lý tán sắc

DCF Dispersion-Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc

DFB Distributed Feedback Phân bố hồi tiếp

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang pha trộn Erbium

FSK Frequency Sequency Key Khóa dịch tần

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

IL In-line Kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây LED Light Emitted Diode Nguồn phát dạng LED

MD Material Dispersion Tán sắc vật liệu

MFD Mode Field Diameter Đường kính của trường mode

MD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

S/N Signal to noise Tín hiệu trên nhiễu

SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

TF Transversal Filter Bộ lọc ngang

WD Waveguide Dispersion Tán sắc ống dẫn sóng

WDM Wavelength-Division Multiplexing G.kênh p.chia theo bước sóng OPC Optical phase conjugation Liên hợp pha quang

OA Optical Amplifer Bộ khuếch đại

PC Post Compensation Kỹ thuật bù sau

PC Precompensation Kỹ thuật bù tán sắc trước

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1: Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc

Hình 2: Tán sắc gây ra tăng BER

Hình 3:Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang

Hình 4: Cách thức các luồng sang tương ứng với các mode đi trong sợi quang

Hình 5: Tán sắc mode trong sợi SI và GI

Hình 6: Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode MFD là đường kính trường mode.

Hình 10: Minh họa tán sắc phân cực mode

Hình 11: kết quả tính toán xác định lượng công suất tín hiệu bị mất mát cho các hệ thống thông tin quang 2,5Gbit/s

Hình 12: Công suất quang bị mất khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống 2,5 Gbit/s Hình 13 : Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã.

Hình 14: Sử dụng sợi DCF trên tuyến quang

Hình 15:Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUYÊN ĐỀ

Viễn thông Việt Nam đang có những bước phát triển mạnh mẽ và vượt bậc, trở thành một trong những ngành kinh tế kỹ thuật mũi nhọn, đóng góp mạnh mẽ vào sự phát triển kinh tế xã hội nói chung của đất nước Ngành Viễn thông cũng là ngành đi tiên phong và đã đạt được những thành công lớn trong việc “mang chuông đi đánh xứ người” bằng việc Tập đoàn viễn thông Quân đội Viettel mở rộng đầu tư kinh doanh ở các thị trường ngoài nước như Lào, Campuchia, Mozambique, Haiti, Peru và sắp tới là Ucraina, Argentina, Cuba….Vai trò của ngành Viễn Thông rất quan trọng trong cả việc phát triển kinh tế và đảm bảo an ninh Quốc phòng

Cuộc sống càng ngày càng được nâng cao, nhu cầu trao đổi thông tin công việc và giải trí của con người ngày càng cao, không chỉ đơn giản là việc truyền thoại truyền thống, nhu cầu truyền dữ liệu càng ngày càng đòi hỏi về băng thông và dung lượng đường truyền.Trong Viễn thông, hệ thống truyền dẫn có hai dạng là vô tuyến và hữu tuyến.

Do hệ thống vô tuyến có những hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữu tuyến vẫn là hình thức truyền dẫn hiệu quả và quan trọng nhất Trong truyền dẫn hữu tuyến sử dụng cáp đồng và cáp quang Cáp đồng không thể đảm trách được băng thông và dung lượng đường truyền rất lớn từ nhu cầu của con người Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp…truyền dẫn quang đã trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các ứng dụng tốc độ cao và mạng truyền dẫn đường trục Truyền dẫn thông tin quang bằng cáp sợi quang từ khi ra dời đến nay đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển Ban đầu là sợi quang đa mode có suy hao cao, với cự ly truyền dẫn vài km đến sợi quang đơn mode có suy hao thấp với cự ly truyền dẫn tăng lên hàng chục, thậm chí hàng trăm km Cáp quang là giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài và quốc tế có tốc độ truyền dẫn cao và rất cao, sử dụng trên đất liền và vượt đại dương.

Tuy nhiên hệ thống thông tin quang dung lượng lớn sẽ gặp phải 3 vấn đề lớn cần quan tâm như : Suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống Vấn đề suy hao có thể được giải quyết đơn giản bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA trong mạng WDM Ngày nay, hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang được thiết kế hoạt động trong băng C, vùng bước sóng 1530nm – 1565nm, bởi ưu điểm suy hao rất thấp trong vùng này Các hiệu ứng phi tuyến có thể

bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải khoảng vài mW với tốc độ bit lên đến 2,5 Gbps Tuy nhiên ở các tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps thì chúng ta phải xem xét các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến Các ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến có thể giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn

Vì vậy vấn đề tán sắc là vấn đề lớn nhất của các hệ thống thông tin quang Khi chúng

ta sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA để bù suy hao thì nó lại gia tăng sự tán sắc, một bộ khuếch đại quang không khôi phục tín hiệu được khuếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu Do đó tán sắc được tích lũy qua các bộ khuếch đại làm giảm khả năng truyền

tín hiệu Như chúng ta đã biết, ảnh hưởng của tán sắc đến tốc độ bit truyền tối

đa của sợi quang như sau:

Với dt là tán sắc của sợi quang Từ công thức trên ta dễ dàng nhận thấy mối quan hệ nghịch đảo giữa tốc độ bit và cự ly truyền dẫn khi một sợi quang có tán sắc là dt Do đó

để tăng tốc độ bit truyền dẫn và tăng cự ly truyền dẫn thì phải giảm thông số tán sắc

dt xuống mức thấp nhất có thể Đã có nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu suốt thập niên 1990 để hạn chế tác động của tán sắc trong hệ thống thông tin quang Trong bài chuyên đề này sẽ giới thiệu về các phương pháp

bù tán sắc đã được nghiên cứu từ trước đến nay Có thể phân loại thành 3 phương pháp bù tán sắc gồm kỹ thuật bù trước (Precompensation), kỹ thuật bù tán sắc trên đường dây (In-line) và kỹ thuật bù sau (post compensation) Trong kỹ thuật bù trên đường dây còn có các loại như : bù tán sắc bằng sợi quang DCF, bằng bộ lọc quang, cách tử Bragg hay bằng tín hiệu quang liên hợp pha Trong khi hai phương pháp bù trước và bù sau tỏ ra khá hạn chế khi chiều dài tuyến quang lớn, đòi hỏi phải bù tán sắc theo từng chặng thì phương pháp bù tán sắc trên đường truyền tỏ ra rất hiệu quả và được sử dụng khá phổ biến trong thực tế.

Mặc dù phương pháp dùng sợi bù tán sắc (DCF) bị hạn chế về suy hao ghép khá lớn, công suất trong sợi quang phải đảm bảo đủ nhỏ để các hiệu ứng phi tuyến không xảy

ra và giá thành để lắp đặt cao, tuy nhiên DCF vẫn được sử dụng rộng rãi vì dải bước sóng hoạt động rộng hay khắc phục thời gian trễ nhóm tốt, đặc biệt là tính đơn giản của phương pháp này Do đó chuyên đề của Nhóm 3 đã quyết định chọn DCF là phương pháp bù tán sắc để nghiên cứu và thảo luận chi tiết trong chương 4 của cuốn báo cáo Trong kỹ thuật sử dụng DCF này, tán sắc dương trong sợi truyền dẫn được bù với tán sắc âm của DCF xen trên đường truyền DCF được thiết kế trong một module kích thước nhỏ gọn và có nhiều mức chọn lựa tán sắc Yêu cầu phải có đối với DCF là suy hao xen thấp, suy hao phụ thuộc phân cực thấp, tính phi tuyến thấp DCF cũng phải có đường kính lõi nhỏ để cho kích thước module nhỏ lại bởi vì module DCF nên chiếm một không gian nhỏ Bài báo cáo được chia thành 5 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Khái niệm tán sắc, các loại tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc trong các hệ thống thông tin quang

Chương 3: Giới thiệu về các loại kỹ thuật bù tán sắc trước, bù tán sắc sau hay bù tán sắc đường dây

CHƯƠNG 2 HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC2.1.Khái niệm tán sắc

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra Nếuxung giãn ra lớn hơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận nhau.Kết quả là đầu thu không nhận diện được bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầuphát, dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỉ số BER

tăng lên, tỷ số S/N giảm và chất lượng hệ thống giảm Hình (1) dưới đây minh

họa cho sự mở rộng xung do tán sắc.

Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị là giây (s) Khi đó D đượcxác định bởi trong đó Ti, T0 lần lượt là độ rộng tại điểm mộtnữa công suất cực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi quang (đơn vị là s)

Độ tán sắc qua mỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km Đối vớiloại tán sắc phụ thuộc vào bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị đượctính là ps/km-nm

Hình (2)Tán sắc gây ra tăng BER

2.2 Các loại tán sắc

Trong Thông Tin Quang người ta chia ra thành 3 loại tán sắc như sau: tánsắc mode,tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể (trong đó tán sắc sắc thể baogồm tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu) Khi sợi truyền dẫn là đa mode(tức loại sợi quang có thể truyềncùng lúc nhiều mode sóng khác nhau trong lõi)thì ta có tất cả các loại tán sắc nói trên Nhưng khi công nghệ chế tạo sợi đã pháttriển thì sợi đơn mode ra đời và nó khắc phụcđược tán sắc mode của sợi đamode Tuy nhiên, vì bản chất chiết suất Silica là phụ thuộcvào bước sóng, hơnnữa nguồn phát không thể phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ cómột bướcsóng) mà là một chùm tia sáng với một độ rộng phổ nào đó Chính vì thế trongsợi đơn mode vẫn còn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắcthể Ngày nay, với công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ người ta đã chế tạo rađược các loại sợi quang mới có mức tán sắc giảm đáng kể Những sợi này đượcdùng để lắp đặt trong các mạng mới cần tốc độ bít cao và cự ly lớn Sau đây ta

sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về các loại tán sắc trong sợi quang

Hình (3) sau đây mô tả sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang

2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion):

Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánhsáng trong sợi quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đườngkhác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những Mode sóng

Có thể hình dung gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.Tán sắc mode

là do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lạitruyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của cácmode khác nhau là khác nhau gây ra tán sắc Rõ ràng ta thấy tán sắc mode chỉ

tồn tại ở sợi đa mode, do đó muốn loại bỏ tán sắc mode thì ta phải sử dụng sợiđơn mode Vì vậy khi xét đến tán sắc mode ta chỉ xét ở sợi đa mode Như ta đãbiết, khẩu độ số (NA) biểu diễn khả năng thu ánh sáng của sợi quang Khẩu độ

số càng lớn thì càng dễ hướng ánh sáng vào sợi quang Như vậy ta có cảm giácnhư khẩu độ số càng lớn thì càng tốt Nhưng điều này là không đúng, có một trởngại khiến ta không thể tăng khẩu độ số lớn Để hiểu được điều này ta hãy xemxét các mode trong sợi quang Sự thật là ánh sáng chỉ có thể truyền trong sợiquang như một tập hợp của những luồng sáng hoặc những tia sáng riêng lẻ Nóicách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang ta sẽ thấy một tập hợp nhữngluồng sáng truyền với góc α biến thiên từ 0 đến αc như được minh họa ở hìnhsau:

Hình (4) Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang

Những luồng sáng khác nhau được gọi là những mode Ta phân biệt cácmode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêngbiệt Nguyên tắc là: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càngthấp Như vậy mode truyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơbản) và mode truyền ở góc truyền tới hạn (αc) là mode có số thứ tự lớn nhất cóthể của sợi quang Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang

có nhiều mode truyền được gọi là sợi đa mode

Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang vàhình học của sợi Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều modesóng Và bước sóng ánh sáng càng ngắn thì sợi quang càng chứa được nhiềumode sóng Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng sợi thu được càngnhiều Như vậy có thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ lệ thuậnvới đường kính sợi (d), khẩu độ số (NA)và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng

sử dụng (λ)

Gọi V là tần số chuẩn hóa, ta có:

thì số lượng mode được tính như sau: N=V 2 /2 (đối với sợi SI), N= V 2 /4(đối với

sợi GI)

Như vậy ta thấy đối với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồnquang đi vàosợi quang chia thành một tập hợp mode Trong sợi, công suất quangtổng cộng được mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏhợp lại thành luồng ra với công suấtcủa nó Hình sau sẽ minh họa cho vấn đềtrên (với 4 mode làm ví dụ)

Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi

quang và gây tán sắc

Từ hình trên ta thấy độ rộng xung tín hiệu sau sợi quang được bắt đầubằng mode 1và kết thúc bằng mode 4 Do độ trễ về thời gian giữa các mode nênxung tín hiệu bị giãn ra (T0>Ti)

Tán sắc trong sợi SI

Hình (5)Tán sắc mode trong sợi GI

2.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode

Như ta đã xét ở phần trên, tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sựhạn chế tốc độ bít trong hệ thống Thông Tin Quang sử dụng sợi đa mode Điềunày không có nghĩa là trong sợi đa mode chỉ có tán sắc mode, mà nó còn chịuảnh hưởng của nhiều loại tán sắc khác Tuy nhiên do tán sắc mode có ảnh hưởnglớn hơn cả nên ta chỉ xét tán sắc mode trong sợi đa mode Để khắc phục tán sắcmode người ta đã chế tạo ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng, sợi quangnhư thế được gọi là sợi đơn mode (SMF- Single Mode Fiber) Rõ ràng ta thấysợi đơn mode đã khắc phục được hoàn toàn tán sắc mode Vì thế tốc độ truyềndẫn được cải thiện đáng kể và tăng được cự ly thông tin Tuy nhiên vì sợi đơnmode vẫn được chế tạo từ Silica nên nó sẽ còn chịu ảnh hưởng của các loại ánsắc khác như tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode Trong đó tán sắc sắc thể

là nguyên nhân chính gây hạn chế tốc độ bít

Bây giờ ta sẽ đi khảo sát hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi quang Ở đâykhông mất tính tổng quát khi ta xét tán sắc sắc thể trong sợi đơn mode Có thểnói nguyên nhân sâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER)không phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng), mà nó phát ramột chùm tia sáng có bước sóng trung âm (tại công suất phát cực đại) và cácbước sóng biên, hay còn gọi là độ rộng phổ nguồn phát Tức là nguồn phát phát

ra ánh sáng nằm trong một dải tần (dải bước sóng) Mà như ta đã biết thì chiếtsuất của sợi làm từ Silica là một hàm phụ thuộc vào bước sóng (hay tần số), nênvận tốc lan truyền của các thành phần tần số khác nhau là khác nhau, và nó phụthuộc vào bước sóng theo công thức sau:

Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân sinh ra nó: Thứ nhất như ta biết là cácthành phần tần số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau, và tán sắc donguyên nhân này người ta gọi là tán sắc vật liệu, đây là nguyên nhân chủ yếucủa tán sắc sắc thể Tuy nhiên còn có thành phần tán sắc thứ hai là tán sắc ốngdẫn sóng, mà nguyên nhân sinh ra nó là do năng lượng ánh sáng truyền đi có

một phần trong lõi và một phần trong lớp bọc Sự phân bố năng lượng giữa lõi

và lớp bọc là một hàm của bước sóng, cụ thể là nếu bước sóng dài hơn thì nănglượng trong lớp bọc nhiều hơn Như vậy nếu bước sóng thay đổi, sự phân bốnăng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền β cũng thay đổi Đây chính

là sự giải thích cho tán sắc ống dẫn sóng

Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còntồn tại một loại tán sắc không kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm.Như ta đã biết, ưu điểm chính của sợi đơn mode là không có tán sắc mode bởi vìnăng lượng đưa vào xung chỉ được chuyên chở bởi một mode đơn duy nhất Tuynhiên sự mở rộng xung không biến mất hoàn toàn, vì vận tốc nhóm của mode cơbản thì phụ thuộc vào tần số do tán sắc sắc thể Kết quả là các thành phần phổkhác nhau của xung truyền có vận tốc nhóm khác nhau một chút, và tán sắc cónguyên nhân như trên được gọi là tán sắc vận tốc nhóm

2.2.3 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion)

Xét sợi đơn mode có chiều dài L Một thành phần phổ riêng biệt tại bướcsóng λ có tần số góc là ω sẽ đến ngõ ra cuối sợi quang sau một độ trễ về mặt thời

gian là T=L/v g

Trong đó vg là vận tốc nhóm và được định nghĩa là:

(1) Bằng cách áp dụng (β là hằng số lan truyền) vào phươngtrình(1) ta có thể tính được trong đó ng là chiết suất nhóm và đượccho bởi :

(2)

Sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc nhóm dẫn đến sự mở rộng xung, đơngiản là bởivì các thành phần phổ khác nhau của xung bị tán sắc trong suốt sự lantruyền và không đến ngõ ra của sợi cùng một lúc Nếu Δω là độ rộng phổ củaxung thì phạm vi mở rộng xung đối với sợi có chiều dài L được cho bởi:

(3)trong đó phương trình (1) được sử dụng để biến đổi Tham số

được gọi là tham số tán sắc vận tốc nhóm Nó quyết định xung quang bị mởrộng bao nhiêu khi lan truyền trong sợi

Trong một số hệ thống Thông Tin Quang, sự trải ra về mặt tần số Δωđược quyết định bởi dải các bước sóng Δλ đã phát bởi nguồn quang Thôngthường ta sử dụng Δλ thay cho Δω Bằng cách sử dụng

Phương trình (3) có thể được viết lại:

(4) trong đó

(5)

D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/km-nm [1] Ảnh hưởng của tán sắclên tốc độ bít B có thể được ước tính bằng cách sử dụng điều kiện B ΔT<1.Bằng cách sử dụng ΔT trong phương trình (4) thì điều kiện này trở thành:

(6)Phương trình này cho ta một ước tính về tích B.L của sợi quang đơnmode Đối với sợi quang đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bướcsóng 1,3µm (D xấp xỉ1ps/km-nm) Đối với Lazer bán dẫn có độ rộng phổ Δλ từ

2 đến 4nm thì giá trị B.L có thể vượt quá 100Gbps-km Trong thực tế ta có các

hệ thống hoạt động tại bước sóng1,3µm cótốc độ bít là 2Gbps với khoảng cáchtrạm lặp từ 40 đến 50km Giá trị B.L của sợi đơn modecó thể vượt quá 1Tbps-

km khi Lazer bán dẫn đơn mode được sử dụng để giảm Δλ dưới1nm

Hệ số tán sắc D thay đổi đáng kể khi bước sóng làm việc dịch ra khỏi 1,3

µm Sự phụ thuộc vào bước sóng của D là do sự phụ thuộc vào tần số của chiếtsuất mode n Từ phương trình (5) D có thể được viết lại:

2.2.4 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)

Tán sắc vật liệu xãy ra do chiết suất của Silica (nguyên liệu được sử dụng

để chế tạo sợi quang) thay đổi theo tần số quang ω (tức phụ thuộc vào bước sóngtín hiệu)

Hình sau đây sẽ cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất (n) và chiếtsuất nhóm (ng) trong dải từ 0,5µm đến 1,6µm đối với sợi Silica nóng chảy

Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm n g theo

bước sóng của silica nóng chảy

Tán sắc vật liệu (DM) có liên hệ với độ dốc của ng bởi công thức (9) như sau:

Mà vì dng /dλ= 0 tại bước sóng 1,276µm nên DM = 0 tại λZD=1,276µm (λZDđược gọi là bước sóng tán sắc 0) Hệ số tán sắc DM âm khi λ< λZD và dương khiλ> λZD Trongdải bước sóng từ 1,25 đến 1,66 µm thì DM có thể được xấp xỉ bằngcông thức :

(11)Lưu ý: λZD chỉ bằng 1,276 µm đối với sợi Silica thuần khiết Giá trị của

λZD có thể thay đổi trong dải từ 1,27 đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớpbọc được pha tạp chất để thay đổi chiết suất Bước sóng tán sắc 0 (λZD) của sợiquang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi (a) và bước nhảy chiết suất (Δ) của sợiquang

2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)

Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắctổng, do đó thường thấy thuật ngữ tán sắc sắc thể và tán sắc chất liệu có thể sửdụng hoán chuyển cho nhau khi xét sợi đa mode Nhưng đối với sợi đơn modethì tán sắc ống dẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan trọng Tán sắc vậtliệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau và do đó ta phải xét chúng cùngnhau Do xấp xỉ nên ta có thể bỏ qua sự phụ thuộc để xét riêng chúng.

Tán sắc ống dẫn sóng xuất hiện là do ánh sáng được truyền bởi cấu trúc làsợi quang.Cơ chế gây ra tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đơn mode như sau: Saukhi đi vào sợi quang,một xung ánh sáng mang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi

và lớp bọc như được minh họa ở hình sau:

Hình (6) Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode

MDF là đường kính trường mode.

Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọc truyền với vận tốc khácnhau (do lõi vàlớp bọc có chiết suất khác nhau), nên đến cuối sợi quang vào cácthời điểm khác nhau gâyra tán sắc.Từ hình trên ta thấy tán sắc ống dẫn sóng phụthuộc vào sự phân bố trường modegiữa lõi và lớp bọc, tức phụ thuộc vào đườngkính của trường mode (MFD – Mode FieldDiameter) mà MFD lại phụ thuộc vàobước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng là phụ thuộcvào bước sóng

Tán sắc ống dẫn sóng (DW) được tính như trong phương trình (10) và phụ

thuộcvào tham số V ( tần số chuẩn hóa ) của sợi

Hình sau cho thấy sự thay đổi của d(Vb)/dV và Vd 2 (Vb)/dV 2 theo V

Tần số chuẩn hóa V

Từ hình ta thấy cả d(Vb)/dV và Vd 2 (Vb)/dV 2 đều dương nên theo công

thức (10) thì DW âm trong toàn bộ dải bước sóng từ 0 đến 1,6µm

Hình sau đây sẽ cho thấy DM , DW và tổng của chúng D= DM + DW củamột sợi quang đơn mode thông thường

Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu (D M ) và tán sắc ống dẫn sóng (D W ) của sợi đơn mode thường Bước sóng tán sắc 0 (λ ZD )

dịch đến giá trị cao hơn nhờ sự phân bố ống dẫn sóng.

Ta thấy tán sắc ống dẫn sóng (DW) làm cho bước sóng tán sắc 0 (λZD) dịchkhoảng 30 đến 40nm để tán sắc tổng (D) bằng 0 ở gần bước sóng 1,31µm Ngoài

ra, tán sắc ống dẫn sóng còn làm giảm tán sắc tổng từ giá trị tán sắc vật liệu (DM)trong dải bước sóng từ 1,3µm đến 1,6µm Giá trị tiêu biểu của D là từ 15 đến18ps/(km-nm) ở gần bước sóng1,55µm Khi D lớn sẽ hạn chế hoạt động của hệthống tại bước sóng 1,55 µm Vì DW phụ thuộc vào tham số sợi như bán kính lõi

a và sự chênh lệch chiết suất Δ nên ta có thể thiết kế sợi để bước sóng tán sắc 0dịch đến lân cận giá trị 1,55µm Sợi như thế gọi là sợi dịch tán sắc Ta còn cóthể ghép sự phân bố ống dẫn sóng để D tương đối nhỏ qua một dải bước sóng từ1,3µm đến 1,6µm, sợi loại này gọi là sợi san bằng tán sắc

Hình sau đây cho thấy các ví dụ tiêu biểu về sự phụ thuộc bước sóng của

D đối với sợi chuẩn (sợi thường), sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc

Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn,

sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.