Khảo sát hệ thống thông tin quang sử dụng DCF để bù tán sắc

Tán sắc làm tín hiệu khi truyền dẫn trong sợi quang bịsuy hao và biến dạng dẫn đến hạn chế cự ly truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn, làm giảmdung lượng cũng như chất lượng của hệ thống.. Độ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài :

“Khảo sát hệ thống thông tin quang sử

dụng DCF để bù tán sắc.”

Người hướng dẫn : ThS NGUYỄN THỊ THU NGA

Sinh viên thực hiện : PHẠM THỊ HƯỜNG

Lớp : D10VT5 Khoá : 2010 - 2015

Hà Nội, tháng 11 / 2014.

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ

MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học và kĩ thuật đã và đang diễn ra một cách mạnh mẽtrên toàn cầu Cuộc cách mạng này đã đưa nhân loại tiến sang một kỉ nguyên mới, kỉnguyên của nền văn minh dựa trên cơ sở nền công nghiệp trí tuệ Khoa học kĩ thuật đãgóp phần thúc đẩy kinh tế phát triển và tiến sang một giai đoạn mới đó là nền kinh tếtri thức Trong đó viễn thông là ngành công nghiệp của tương lai và đóng vai trò vôcùng quan trọng trong mọi mặt của đời sống xã hội Mạng truyền dẫn quang ra đời đãđáp ứng được các nhu cầu của người sử dụng dịch vụ viễn thông về băng thông lớn ,chất lượng tín hiệu đảm bảo Điều này dẫn đến sự phát triển tất yếu của mạng truyềndẫn quang Nó nhanh chóng phát triển trở thành mạng đường trục tốc độ lớn với nhiềucông nghệ mới ra đời phục vụ cho mạng như WDM hay EDFA…

Cùng với sự phát triển của mạng truyền dẫn quang thì các công nghệ chế tạothiết bị quang cũng ngày càng phát triển Các thiết bị mới ra đời nhằm tăng tốc độ vàchất lượng truyền dẫn cho mạng cũng như khắc phục các nhược điểm cố hữu củamạng quang như là tán sắc, suy hao, khuyếch đại công suất …

Hệ thống thông tin quang có rất nhiều ưu điểm, được ứng dụng rộng rãi trên thếgiới nhưng bên cạnh đó còn tồn tại những nhược điểm Nhược điểm chính của hệthống là ảnh hưởng của tán sắc Tán sắc làm tín hiệu khi truyền dẫn trong sợi quang bịsuy hao và biến dạng dẫn đến hạn chế cự ly truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn, làm giảmdung lượng cũng như chất lượng của hệ thống Vấn đề đặt ra hiện nay là việc khắcphục những nhược điểm này Vậy nên đồ án của em tập trung vào vấn đề nêu ra cáchiện tượng tán sắc và các phương pháp bù tán sắc mà trong đó, việc sử dụng sợi quang

bù tán sắc DCF là phương pháp đã mang lại hiệu quả cao Vì vậy, em đã lựa chọn đềtài:

“Khảo sát hệ thống thông tin quang sử dụng DCF để bù tán sắc”

Nội dung chính của đồ án gồm ba chương:

Chương 1 – Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống thông tin quang.

Chương này giới thiệu tổng quát về hệ thống thông tin quang tốc độ cao cácgiai đoạn phát triển, các ưu nhược điểm của hệ thống mà trong đó tán sắc là nhượcđiểm lớn nhất Đưa ra khái niệm tán sắc, các loại tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc đến

hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ

Chương 3 giới thiệu hệ thống thông tin quang sử dụng sợi DCF để bù tán sắc,tổng quan về phần mềm Optisystem và sử dụng phần mềm này để khảo sát hệ thốngthông tin quang WDM sử dụng sợi bù tán sắc DCF

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện và hoàn thành tốt đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ và hướng dẫntận tình của các thầy cô và bạn bè khoa Điện tử Truyền thông trường Học viện Côngnghệ Bưu chính Viễn thông

Em xin gửi lời chân thành cảm ơn tới các thầy cô đã cung cấp cho em nhữngkiến thức vô cùng quý báu và cần thiết trong suốt thời gian học tập tại trường, đặc biệt

là cô giáo ThS Nguyễn Thị Thu Nga đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt

thời gian thực hiện đồ án

Tuy nhiên do giới hạn về mặt thời gian và kiến thức nên đồ án chắc chắn sẽkhông tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự cảm thông cũng như sựđóng góp của Hội đồng bảo vệ để em có thể hoàn thiện bài hơn

Em trân trọng cám ơn!

Hà Nội, ngày 26 tháng 11 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Hường.

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn

C

CDMA Code Division Multiple Access Ghép kênh đa truy nhập phân chia theo mã

chế

D

dịch

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng mật

độ caoE

ErbiumF

L

M

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn

N

NZ-DSF Non Zero Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch không bằng không

O

OCDM

OSNR Optical Signal Noise Rate Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm quang

P

R

SSBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích BrillouinSC-DCF Slope Compensating and Dispersion Compensating Fiber Độ dốc tán sắc và sợi bù tán sắc

S-SMF Standard Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn

T

WWDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

X

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 – Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống TTQ.

CHƯƠNG 1 – TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC LÊN HỆ

THỐNG THÔNG TIN QUANG.

1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin quang.

Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin bằng ánh sáng sử dụng các sợiquang để truyền thông tin Hệ thống thông tin truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác

mà khoảng cách giữa các nơi có thể từ vài trăm mét tới hàng trăm km thậm chí đếnhàng chục nghìn km

1.1.1 Sự phát triển của thông tin quang.

Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyểnđộng hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thống thông tin, điềuchế 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 môitrường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyếtvấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa haingười ở cách xa nhau

Vào năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra lazer 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 Từthành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hànhnghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, vềtăng dải thông, về các lazer bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70.Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18dB/Km còn lazer bán dẫn có khả năng thựchiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100năm Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao dưới0,154dB/Km đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần bathập niên qua

Dựa trên công nghệ sợi quang và các lazer bán dẫn giờ đây có thể gửi một khốilượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm Km bằngmột sợi quang có độ dày như một sợi tóc và không cần các bộ tái tạo Điều đó có nghĩa

là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợiquang Tại nơi nhận nó lại được biến đổi trờ lại thành thông tin ban đầu

Hiện nay, các nhà hoạt động nghiên cứu đang tiến hành nghiên cứu một lĩnhvực gọi là photon học, là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có khảnăng phát hiện và xử lý trao đổi, truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng.Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và viễnthông tương lai

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 – Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống TTQ.

1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang.

Hình dưới đây biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang Tínhiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như: điện thoại, điện báo, fax số liệu… sau khi được

mã hóa sẽ được đưa đến thiết bị phát quang Tại đây, tín hiệu điện sẽ được chuyển đổisang tín hiệu quang Trong thực tế tín hiệu trong suốt quá trình truyền đi trong sợiquang sẽ bị suy hao do đó trên đường truyền người ta đặt các trạm lặp nhằm khôi phụclại

Hình 1.1 Cấu hình đơn giản của hệ thống thông tin quang.

Chức năng của từng bộ phận trong 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 mội trường cáp quang (biến đổi xung điện thành xung quang)

Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (tức là ánh sáng bị điều biến theo quyluật 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 như: sợi thạch anh, sợi thủytinh, sợi nhựa…

Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởngcủa 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 cáctín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu

Yêu cầu: Độ nhạy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ, tiêu thụnăng lượng điện ít

Ngoài ra còn có 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 khuếch đại Tín hiệu

đã được khuếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyếncáp sợi quang

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 – Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống TTQ.

1.1.3 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống thông tin quang.

• Suy hao thấp: Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn Nếu so

sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách lớn nhất đối với cáp đồngđược khuyến cáo là 100m thì đối với cáp quang khoảng cách đó là 2000m.Trong khi cáp đồng có suy hao tăng theo tần số của tín hiệu Điều này có nghĩa

là tốc độ dữ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất và giảm khoảng cáchtruyền lan thực tế Đối với cáp quang thì suy hao không thay đổi theo tần số tínhiệu

• Băng thông rộng: Băng thông rộng nên nó có thể truyền một khối lượng thông

tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu và các tín hiệu hỗn hợp thông quamột hệ thống có cự ly đến 100GHz/Km Tương ứng, bằng cách sử dụng sợiquang, một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh, hình ảnh có thể được truyềnđến những địa điểm cách xa hàng trăm km mà không cần đến các bộ tái tạo.Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên đến hàng THz

• Dễ lắp đặt: Do sợi quang có kích thước và trọng lượng nhỏ nên chúng có thể

được lắp đặt dễ dàng hơn cáp đồng, thuận lợi cho những thiết kế mạng chật hẹp

về không gian lắp đặt cáp

• Không bị can nhiễu: do sóng điện từ và điện công nghiệp.

• Tính an toàn: Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện, có độ

an toàn cao

• Tính bảo mật: Sợi quang rất khó trích tín hiệu vì nó không bức xạ năng lượng

điện từ nên không thể lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thôngthường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ

• Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các

dạng thông tin số liệu, thoại và video

Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng rộng rãi trong hệ thống viễnthông ngày nay

1.1.3.2 Nhược điểm.

Hệ thống thông tin quang có những nhược điểm như:

• Vấn đề biến đổi quang điện: Trước khi đưa một tín hiệu thông tin điện vào sợi

quang, tín hiệu đó pải được biến đổi thành sóng ánh sáng

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 – Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống TTQ.

• Dòn, dễ gãy: Sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thủy tinh nên

dòn và dễ gãy Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khókhăn Muốn hàn nối phải có thiết bị chuyên dụng

• Vấn đề sửa chữa và vấn đề an toàn lao động: Các quy trình sửa chữa đòi hỏi

phải có nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

Tuy các hệ thông thông tin quang đang được khai thác trên mạng viễn thônghiện nay đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà ở đócác tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang Tuy nhiên lại có các hiệu ứngphi tuyến xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suấtquang tăng lên Các hiệu ứng phi tuyến này có ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượngtruyền dẫn của hệ thống

Ngoài ra, tín hiệu truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao bị tánsắc dẫn tới hiện tượng méo, dãn xung tín hiệu Xung tín hiệu dãn gây ra hiện tượngchồng lấn các xung kề nhau xuất hiện lỗi tín hiệu, giới hạn khả năng truyền dẫn Ởnhững phần sau, em sẽ đề cập đến ảnh hưởng của tán sắc và các phương pháp được sửdụng để khắc phục ảnh hưởng của tán sắc hiện nay

1.1.3.3 Ứng dụng

Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điệnthoại, số liệu, máy tính, phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử dụngtrong ISDN (là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyểnmạch gẫy), trong điện lực, các ứng dụng y tế quân sự và cũng như các thiết bị đo

• Ứng dụng trong viễn thông: mạng đường trục quốc gia, mạng trung kế, đường

cáp thả biển liên quốc gia…

• Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp: truyền số liệu, truyền hình cáp…

Hiện nay, các công ty truyền hình cáp đã và đang triển khai các đường cápquang để truyền tải những tín hiệu có chất lượng cao từ trung tâm đến các vị trí trungchuyển phân bố xung quanh các thành phố Sợi quang nâng cao được chất lượng củacác tín hiệu truyền hình và làm tăng số kênh khả dụng

1.2. Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống thông tin quang.

1.2.1 Hiện tượng tán sắc.

1.2.1.1 Khái niệm

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu truyền dọc theo sợi quang bị biến dạng, làm chocác xung tín hiệu lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng ra gây méo tín hiệu Nếu xungtín hiệu dãn ra quá rộng (lớn hơn chu kì bit) sẽ gây ra hiện tượng chồng lấn lên cácxung kề nhau và khi sự chồng lấn vượt qua một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽkhông còn phân biệt được các dãy xung này nữa (không nhận diện được bit 1 hay bit 0

đã được truyền đi ở đầu phát) Điều này dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyếtđịnh sai, làm tỉ số BER tăng lên, tỉ số S/N giảm và chất lượng hệ thống giảm

Hình dưới đây minh họa cho sự mở rộng xung do tán sắc:

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 – Tán sắc và ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống TTQ.

Hình 1.2 Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc.

Tán sắc là hiện tượng các sóng ánh sáng có tần số khác nhau truyền dẫn với tốc

độ khác nhau trong cùng môi trường

Đơn vị đo tán sắc: ps/nm/km

Ý nghĩa của đơn vị đo tán sắc: Với một sợi quang có hệ số tán sắc X ps/nm/km,nếu ta truyền ở đầu phát hai bước sóng có khoảng cách với nhau 1nm, khi đó với mỗi1km truyền qua, hai bước sóng này sẽ dãn cách về mặt thời gian là X ps

Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị giây (s) Khi đó D đượcxác định bởi:

(1.1)

Trong đó T i , T 0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nửa công suất cực đại của xungngõ vào và ngõ ra của sợ quang (đơn vị là s) Độ tán sắc qua mỗi km sợi quang đượctính bằng ns/km hoặc ps/km.

Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào bề rộng phổ của nguồn quang thì đơn vị của

hệ số tán sắc D được tính là ps/km.ns Tán sắc tỉ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độrộng phổ của nguồn quang Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị dãn ra một lượng:

(1.2)

Trong đó là độ rộng phổ nguồn quang (nm), L là chiều dài sợi quang (km).

Hình 1.3 Tán sắc gây ra tăng tỉ số BER.

1.2.1.2 Nguyên nhân gây tán sắc

Nguyên nhân chính của hiện tượng tán sắc là do ảnh hưởng của sợi quang màthời gian khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời

Tán sắc có ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, cụ thể như sau:

- Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng cácxung ánh sáng

- Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu giảm nhỏ tới giá trị

AE trên hình b và có hiện tượng dịch pha Độ rộng băng truyền dẫn của sợi

do đó bị giới hạn

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tán sắc lên tín hiệu digital và analog.

S chỉ tín hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu a) Dãn xung b) Sụt biên độ

Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ băng truyền dẫn của sợi bởi vì đểthu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mớiđến

Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lênnhau dẫn tới thu sai

Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bốGauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu Độ rộng xung ở giá trị biên

như sau:

(1.6)Khi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộng là:

(1.7)Nếu tương ứng với τ1, τ2… có các giá trị B1, B2,… thì độ rộng băng truyền dẫncủa sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượng tán sắc khác nhau là B và tínhtheo công thức:

(1.8)Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫncủa sợi quang là tốc độ bít có thể truyền dẫn lớn nhất C (bit/s)

Do ảnh hưởng của tán sắc, các xung ở đầu vào máy thu bị dãn rộng nhưng haixung kề nhau còn phân biệt được khi độ dãn xung τ còn nhỏ hơn độ rộng xung phát đi

từ đó có tốc độ bít là:

(1.9)

Như vậy độ giãn xung τ, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bít C có quan

hệ ảnh hưởng lẫn nhau Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết theo (1.7) cần có độ rộngbằng khoảng 1Hz nhưng trên thực tế cần 1.6Hz cho nên ta có thể nói rằng tốc độ bit/slớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn Từ đó, để sợi cho phéptruyền được các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tần rộng, cần phải giảm ảnh hưởngcủa hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất để có độ dãn xung bé nhất thông qua chọnloại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi

Hình 1.5 Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang.

Khi sợi truyền dẫn đa mode (có thể truyền cùng lúc nhiều mode sóng khác nhautrong lõi) thì ta có tất cả các loại tán sắc nói trên Sự ra đời của sợi đơn mode đã khắcphục được tán sắc mode của sợi đa mode, nhưng không thể khắc phục được tán sắcphân cực và tán sắc sắc thể, bởi vì bản chất chiết suất phụ thuộc vào bước sóng, màmột nguồn sáng không thể phát ra ánh sáng đơn sắc mà là một chùng tia sáng với một

độ rộng phổ nào đó

1.2.2.1 Tán sắc mode.

Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh sángtrong sợi quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sang đi theo nhiều đường khác nhau,trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode sóng Có thể hình dunggần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng

Tán sắc mode là do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiễu mode,mỗi mode lại truyền đi với vận tốc khác nhau nên thời gian truyền đến đầu thu của cácmode là khác nhau gây ra tán sắc

Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi của sợi,

nó chỉ tồn tại trong các sợi quang đa mode (MMF) Tuy nhiên trong thông tin quangchỉ sử dụng sợi quang đơn mode (SMF) nên không tồn tại tán sắc mode

Rõ ràng ta thấy tán sắc mode tồn tại ở sợi đa mode, do đó muốn bỏ tán sắcmode thì ta phải sử dụng sợi đơn mode Vì vậy khi xét đến tán sắc mode ta chỉ xét ởsợi đa mode

Như ta đã biết, 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 khẩu độ số càng lớn thì càng tốt Nhưng điều này là không đúng, cómột trở ngại khiến ta không thể tăng khẩu độ số lớn Để hiểu được điều này ta hãyxem xét các mode trong sợi quang

Sự thật là ánh sáng chỉ có thể truyền trong sợi quang như một tập hợp củanhững luồng sáng hoặc những tia sáng riêng lẻ Nói cách khác, nếu ta có khả năngnhìn vào sợi quang ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc α biếnthiên từ 0 đến αc như được minh họa ở hình sau:

Hình 1.6 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 các modebằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt Nguyêntắc là: góc truyền của mode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp Như vậy modetruyền dọc theo tâm sợi là mode 0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và mode truyền ở góctruyền tới hạn αc (là mode có số thứ tự lớn nhất có thể của sợi quang Nhiều mode cóthể cùng tồn tại trong sợi quang và sợi quang có nhiều mode truyền được gọi là sợi đamode

Số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình học củasợi Nếu đường kính lõi càng lớn thì lõi càng chứa được nhiều mode sóng, bước sóngánh sáng càng ngắn sợi quang càng chứa được nhiều mode sóng, khẩu độ số càng lớnthì số lượng mode sóng sợi thu được càng nhiều Như vậy có thể kết luận là số lượngmode sóng trong sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi (d), khẩu độ số (NA) và tỉ lệnghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng (λ)

Gọi V là tần số chuẩn hóa, ta có:

với (1.11)

Số lượng mode sẽ được tính như sau:

(1.12) (1.13)Như vậy, ta thấy đối với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồn quang đivào sợi quang chia thành một tập hợp mode Trong sợi, công suất quang tổng cộngđược mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại thành luồng

ra với công suất của nó

1.2.2.2 Tán sắc vận tốc nhóm.

Trong thông tin quang, các xung ánh sáng được dùng để truyền thông tin lànhững nhóm sóng ngắn, trong đó có những sóng ánh sáng với vận tốc khác nhau Bêntrong những nhóm như vậy, các sóng riêng biệt sẽ truyền với vận tốc khác nhau dochúng có bước sóng khác nhau Tốc độ truyền của một nhóm sóng gọi là vận tốc nhóm(Group-Velocity)

Xét trong sợi quang đơn mode không còn tán sắc đơn mode, nhưng sự dãn xungkhông hoàn mất đi vì vận tốc nhóm của mode cơ bản thì phụ thuộc vào tần số do tánsắc sắc thể Kết quả là các thành phần phổ khác nhau của xung truyền có vận tốc nhómkhác nhau một chút, tán sắc đó gọi là tán sắc vận tốc nhóm

Khảo sát một sợi quang đơn mode có chiều dài L Nguồn phát có thành phầnphổ đặc trưng tại bước sóng λ, tần số góc là ω sẽ đi từ đầu vào tới đầu ra của sợi saumột thời gian trễ trong đó là vận tốc nhóm được xác định như sau:

(1.14)

•β là hằng số lan truyền dọc theo trục sợi:

Khi đó ta được: trong đó là chiết suất nhóm xác định bởi:

(1.15) Chỉ số chiết suất khúc xạ n và chỉ số chiết suất khúc xạ nhóm ng đều là hàm củabước sóng λ Trong thủy tinh silica, n và ng đều giảm khi λ tăng

Do các thành phần phổ khác nhau của xung bị tán sắc trong khi lan truyền vàkhông đến ngõ ra của sợi cùng một lúc nên vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số, dẫnđến sự mở rộng xung

Đặt ∆ω là độ rộng phổ của xung thì khoảng thời gian của độ dãn xung ∆T khitruyền qua sợi có độ dài L là:

(1.16a) Hoặc với ω=2πc/λ và ta được:

(1.16b)

Trong đó:

• là tham số tán sắc vận tốc nhóm (tham số GVD), quyết định xung quanh

bị mở rộng bao nhiêu khi lan truyền trong sợi quang

• là hệ số tán sắc có đơn vị là ps/km.nmẢnh hưởng của tán sắc lên tốc độ bit B có thể được ước tính bằng cách sử dụngđiều kiện B.∆T < 1 hay:

B.L.|D|∆λ < 1 (1.17) Điều kiện trên cho ta một ước tính về tích B.L của sợi quang đơn mode Đối vớisợi quang đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng 1,3μm (D xấp xỉ1ps/km.nm) Đối với lazer bán dẫn có độ rộng phổ ∆λ từ 2nm đến 4nm thì giá trị củaB.L có thể vượt quá 100Gbps.km Trong thực tế các hệ thống hoạt động tại bước sóng1.3 μm có tốc độ bit là 2Gbps với khoảng cách trạm lặp từ 40km đến 50km Giá trị

B.L của sợi đơn mode có thể vượt quá 1Tbps.km khi lazer bán dẫn đơn mode được sử

dụng để giảm ∆λ dưới 1nm

Hệ số tán sắc D thay đổi đáng kể khi bước sóng làm việc dịch ra khỏi vùng 1,3μm Sựphụ thuộc của D vào bước sóng được chi phối từ sự phụ thuộc vào tần số của chỉ sốmode n Từ biểu thức của D có thể viết lại được:

(1.18)Nếu sử dụng điều kiện ngưỡng của tần số chuẩn thị hệ số D có thể viết được dướidạng:

Trong đó D M và D W tương ứng là hệ số tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng.Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng có một mối liên quan phức tạp với nhau vìcác đặc tính phân tán của chỉ số chiết suất cũng tạo ra tán sắc dẫn sóng

1.2.2.3.Tán sắc sắc thể.

Tán sắc sắc thể là nguyên nhân chính gây hạn chế tốc độ bit Có thể nói nguyênnhân sâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER) không phát ra ánhsáng đơn sắc mà phát ra một chùm tia sáng có bước sóng trung tâm (tại công suất phátcực đại) và các bước sóng biên, hay còn gọi là độ rộng phổ nguồn phát Tức là nguồnphát phát ra ánh sáng nằm trong một dải tần (dải bước sóng)

Như ta đã biết, chiết suất của sợi làm từ Silica là một hàm phụ thuộc vào bướcsóng (hay tần số), nên vận tốc lan truyền của các thành phần tần số khác nhau là khácnhau và phụ thuộc vào bước sóng theo công thức:

(1.20)

Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân: thứ nhất, các thành phần tần số khác nhau

di chuyển với tốc độ khác nhau, và tán sắc do nguyên nhân này gây ra được gọi là tánsắc vật liệu, đây là nguyên nhân chủ yếu của tán sắc sắc thể Thành phần thứ hai là tánsắc ống dẫn sóng, mà nguyên nhân sinh ra nó là do năng lượng ánh sáng truyền đi cómột phần trong lõi và một phần trong lớp bọc Sự phân bố năng lượng giữa lõi và lớpbọc nhiều hơn Như vậy nếu bước sóng thay đổi, sự phân bố năng lượng sẽ thay đổi và

kết quả là hệ số lan truyền β cũng thay đổi.

1.2.2.3.1 Tán sắc vật liệu.

Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyênnhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cápquang, ánh sáng truyền trong đó không phải là đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định vàtốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bướcsóng) Vì vậy các thành phần có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu

Về mặt vật lí, tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bềrộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang Đơn vị của độ tán sắc do chất liệu làps/nm.km Tán sắc vật liệu DM xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thủy tinh dùng đểchế tạo ra sợi quang và những thay đổi của chúng theo tần số quang ω (tức là phụthuộc vào bước sóng tín hiệu)

Hình 1.7 Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo

bước sóng của Silica tinh khiết.

Hình trên cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất n và chiết suấtnhóm ng trong dải 0,5μm đến 1,6 μm đối với sợi Silica tinh khiết

Tán sắc vật liệu D M được tính từ phân tích n g theo bước sóng:

(1.21)

Từ hình vẽ ta nhận thấy tồn tại một giá trị λ mà tại đó DM bằng 0 Với thủy tinh

thuần khiết, tại bước sóng λ = λ ZD = 1,276μm là bước sóng có tán sắc bằng 0 Giá trị

λ ZD có thể thay đổi trong khoảng 1,27μm đến 1,29μm với lõi và vỏ có pha tạp chất

Tham số DM có giá trị âm khi λ < λ ZD và dương khi λ > λ ZD Trong dải bước sóng từ1,25μm đến 1,66μm, tán sắc vật liệu có thể được tính xấp xỉ bằng biểu thức:

Bước sóng có tán sắc bằng 0 (λ ZD) của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán

kính lõi a và bước nhảy chiết suất ∆ của sợi quang.

1.2.2.3.2 Tán sắc ống dẫn sóng.

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 vật liệu có thể sửdụng hoán đổi cho nhau Nhưng đối với sợi đơn mode, tán sắc ống dẫn sóng lại làmột thành phần quan trọng Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc lẫnnhau, do đó ta phải xét chúng cùng nhau Do xấp xỉ nên ta có thể bỏ qua sự phụthuộc để xét riêng chúng

Tán sắc ống dẫn sóng gây ra bởi sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợiquang phụ thuộc vào bước sóng, do sợi quang đơn mode chỉ chiếm được khoảng80% năng lượng trong lõi, còn 20% ánh sáng được truyền ở ngoài vỏ nhanh hơnnăng lượng trong lõi

Hình 1.8 Tán sắc ống dẫn sóng:

(a) Phần lõi của xung, (b) Phần lớp bọc của xung, (c) Xung tổng cộng.

Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp bọc truyền với vận tốc khác nhau(do lõi và lớp bọc có chiết suất khác nhau) nên đến cuối sợi quang vào các thờiđiểm khác nhau gây ra tán sắc

Từ hình trên ta thấy tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trườngmode giữa lõi và lớp bọc, tức là phụ thuộc vào đường kính của trường mode(MFD – Mode Field Diameter), mà MFD lại phụ thuộc vào bước sóng, nên tán sắcống dẫn sóng phụ thuộc vào bước sóng

Tán sắc ống dẫn sóng D W phụ thuộc vào tần số chuẩn hóa V (tham số V)của sợi quang V đắc trưng cho tần số hoạt động của sợi quang và bước sóng công

tác λ 0:

(1.23)

Tán sắc ống dẫn sóng D W được tính theo công thức:

(1.24)

Trong đó:

•n 2g là chỉ số nhóm của vật liệu.

• là hằng số lan truyền chuẩn

• là chỉ số mode có giá trị nằm trong dải n1 > n > n2.

• là hằng số lan truyền dọc theo trục sợi

• là hằng số lan truyền trong không gian tự do

• là giá trị chênh lệch chiết suất (giả thiết là tham số không phụ thuộc vàotấn số)

Hình vẽ sau đây cho thấy D M , D W và tổng D = D M + D W của một sợi quang

đơn mode thông thường Ta sẽ thấy tán sắc ống dẫn sóng D W làm cho bước sóng

có tán sắc bằng 0 (λ ZD) dịch khoảng 30 đến 40nm để tán sắc tổng D bằng 0 ở gầnbước sóng 1,31μm Ngoài ra, tán sắc ống dẫn sóng còn làm giảm tán sắc tổng từ

giá trị tán sắc vật liệu D M trong dải bước sóng từ 1,3μm đến 1,6μm Giá trị tiêu

biểu của D là từ 15 đến 18 ps/km.ns ở gần bước sóng 1,55μm Khi D lớn sẽ hạnchế hoạt động của hệ thống tại bước sóng 1,55μm

Hình 1.9 Tán sắc tổng công D và sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu và

tán sắc ống dẫn sóng của sợi đơn mode thông thường.

Tại vùng bước sóng từ 0 đến 1,6 μm thì D W < 0 Tán sắc ống dẫn sóng D W

phụ thuộc vào hệ số lan truyền β, vào thiết kế sợi và các tham số bán kính lõi a,

n , λ nên có thể thay đổi giá trị của DW bằng cách chế tạo sợi có λ ZD nằm trongcùng bước sóng suy hao thấp lân cận giá trị 1550nm tạo nên các sợi tán sắc dịchchuyển (sợi dịch tán sắc) Ta còn có thể ghép sự phân bố ống dẫn sóng để D tươngđối nhỏ qua một dải bước sóng 1,3μm đến 1,6μm để tạo nên sợi san bằng tán sắc

Hình sau đây cho thấy các ví dụ tiêu biểu về sự phụ thuộc bước sóng của Dđối với sợi chuẩn (sợi thường), sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc.

Hình 1.10 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.

1.2.2.4 Tán sắc bậc cao hơn.

Ta thấy giá trị B.L (trong công thức 1.17) của sợi đơn mode có thể tăng lên

đến vô cùng khi hoạt động tại bước sóng λ ZD vì D = 0 Tuy nhiên các ảnh hưởng

tán sắc không biến đi mất hoàn toàn tại bước sóng λ ZD Các xung quang vẫn trảirộng do ảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn Tán sắc tổng (D) không thể bằng 0

tại tất cả các bước sóng trong dải phổ của một xung tập trung tại bước sóng λ ZD

Rõ ràng là sự phụ thuộc vào bước sóng của D sẽ đóng một vai trò quan trọngtrong sự mở rộng xung Các ảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn bị chi phối bởi độ

dốc tán sắc S = dD/dλ, tham số S còn được gọi là tham số tán sắc vi phân.

Giá trị của độ dốc tán sắc (S) đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết

kế các hệ thống WDM hiện nay Vì S > 0 đối với hầu hết các loại sợi, các kênhkhác nhau có giá trị GVD hơi khác nhau Điều này gây khó khăn cho việc bù tánsắc tất cả các kênh cùng một lúc Để giải quyết vấn đề này, các loại sợi quang mới

đã được phát triển, chúng có S không những nhỏ (độ dốc tán sắc giảm) mà còn âm(sợi tán sắc ngược) Bảng sau cho ta danh sách các đặc tính của các loại sợi hiện

D z(C band)

(ps/nm.km)

Slope S

(ps/nm.km)

Corning SMF-28

Lucent All Wave

Alcatel Color Lock

808080

2 to 6-1.4 to -4.65.5 to 10

0.0600.0500.0600.1120.058

Từ biểu thức 1.17 ta thấy giới hạn tốc độ bit của kênh hoạt động tại bước

sóng λ ZD là cô cùng lớn Tuy nhiên, S sẽ trở thành nhân tố giới hạn trong trườnghợp này Chúng ta có thể ước tính tốc độ bit giới hạn bằng việc chú ý là đối với

nguồn có độ rộng phổ Δλ, giá trị hiệu dụng của hệ số tán sắc trở thành D = S.Δλ và

biểu thức 1.17 trở thành:

(1.25)

Đối với Lazer bán dẫn đa mode có Δλ = 2nm và một sợi quang dịch tán sắc có S

= 0,05 ps/nm2km tại bước sóng 15µm thì B.L đạt 5 Tbps.km (giá trị này sẽ được cảithiện nếu dùng Lazer bán dẫn đơn mode)

1.2.2.5.Tán sắc mode phân cực.

Tán sắc mode phân cực (PMD - Polarization Mode Dispersion) là do sợi quangsản xuất thực tế không đạt lý tưởng, lõi của nó không tròn đều, không đối xứng nêngây ra sự phản xạ hai lần do chiết suất mode ứng với các thành phần phân cực trựcgiao của mode cơ bản là khác nhau

Khi ánh sáng lan truyền trong lõi sợi quang ở tốc độ cao do sự không hoàn hảocủa lõi sợi quang nên các thành phần trực giao này truyền đi trên hai đường truyền có

hệ số khúc xạ khác nhau, vận tốc nhóm khác nhau đáng kể, đến đầu thu sẽ bị trễ khácnhau

Hình 1.11 Cấu tạo lõi của sợi quang.

Ta có khái niệm trễ nhóm vi sai DGD (Differential Group Delay) là hiện tượngmột xung đơn sẽ phân cực, tách ra như hai xung gây lỗi ISI Vì tán sắc phân cực phụthuộc vào cấu trúc của lõi sợi quang nên mỗi loại sợi quang khác nhau sẽ có đặc tínhtán sắc phân cực khác nhau Trên mỗi đoạn sợi quang cũng thể hiện đặc tính tán sắcphân cực khác nhau dưới tác động thay đổi của điều kiện nhiệt độ, cơ khí lên chiều dàisợi quang làm cho DGD có thể gấp nhiều lần giá trị trung bình Để tránh ánh hưởngnghiêm trọng, DGD nhỏ hơn 0.3 chu kỳ bit Do vậy khi tăng tốc độ bit lên đồng nghĩavới giảm chu kỳ bit, thì tán sắc phân cực mới ánh hưởng đáng kể Theo thống kê tạiAnh: PMD trung bình bằng 0.75ps/km1/2, PMD xấu nhất bằng 27.4 ps/km1/2

Về mặt bản chất thì hiện tượng tán sắc phân cực trong sợi quang đơn mode cóthể hiểu một cách đơn giản là do tín hiệu ánh sáng được lan truyền theo hai phươngtrực giao với vận tốc khác nhau dẫn đến dãn xung của tín hiệu tổng hợp phía đầu thugây chồng phổ, tăng lỗi bit đối với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao Về phươngdiện này ảnh hưởng của tán sắc phân cực cũng giống như ảnh hưởng của tán sắc ống

dẫn sóng Tuy nhiên vẫn có sự khác nhau, tán sắc ống dẫn sóng tương đối ổn định còntán sắc phân cực trong sợi đơn mode ở bất kì bước sóng nào cũng không ổn định.

Sự dãn xung có thể được xác định từ thời gian trễ ΔT giữa hai thành phần trựcgiao trong khi truyền xung Với sợi quang có độ dài L thì ΔT được tính như sau:

(1.26)

Trong đó:

•Chỉ số phụ x, y dùng để phân biệt hai mode phân cực trự giao

•Δβ1 được gắn liền với sự khác nhau trong vận tốc nhóm cùng với hai trạngthái chính của sự phân cực

Hình 1.12 Hiện tượng tán sắc mode phân cực.

Tán sắc phân cực gây nên hiện tượng dãn rộng xung tín hiệu làm giảm chấtlượng truyền dẫn, có thể trở thành nhân tố giới hạn cự ly xa của các hệ thống thông tinsợi quang hoạt động trên các khoảng cách dài ở những tốc độ bit lớn Ngoài ra, trongmột số trường hợp tán sắc phân cực có thể làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính hệthống do dãn xung quá mức Đồng thời những hiệu ứng trễ và tán sắc phân cực bậccao ảnh hưởng tới tốc độ truyền bit cao (40 Gbps hoặc lớn hơn)

1.2.3 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống

Tán sắc gây ra những ảnh hưởng rất lớn đến các hệ thống thông tin quang tốc

độ cao Chúng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống,thêm nữa chúng gây ra lỗi bit, gây xuống cấp nghiêm trọng các đặc tính của hệ thống.Hiện tượng tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng

ra và điều này gây nên méo tín hiệu Khi xung bị dãn sẽ dẫn tới méo tín hiệu và làmxuống cấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu mà dãn quá sẽ có thể gây ra hiện tượngchồng lấn của các xung kề nhau, và khi sự chồng lấn vượt quá một mức nào đó thìthiết bị thu quang sẽ không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiệnlỗi tín hiệu Tán sắc làm tăng tỉ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ hoặc khoảng cách truyền củamạng Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng thông tin quang OTDM, DWDM,OCDMA kích thước lớn vài nghìn km, tốc độ cao vài chục Gbps thì một vấn đề quantrọng phải giải quyết đó là giảm tối thiểu độ tán sắc trong sợi cáp quang Sau đây, ta sẽtiến hành phân tích ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống Hiện tượng một xung ánh

sáng bị dãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợicáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang.

Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyênnhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cápquang, vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bướcsóng ánh sáng tín hiệu Hình vẽ sau đây thể hiện sự thay đổi của vận tốc nhóm của mộtxung ánh sáng đối với các bước sóng khác nhau trong mội sợi cáp quang đơn modethông thường:

Hình 1.13 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang.

Từ hình vẽ ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận tốc nhóm

tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng Như chúng ta đã biết, trên thực tế không thể

có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhấtđịnh Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ Δλ0

truyền qua một sợi cáp quang đơn mode Các thành phần bước sóng dài hơn của xung

sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn Như vậy, sau một quãngđường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo dãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bịchèn lên nhau (hình 1.14) Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt đượchai xung riêng biệt Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độtruyền hoặc rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu

Hình 1.14 Hậu quả của tán sắc đối với sự truyền dẫn thông tin:

(a) Xung tại đầu phát, (b) Xung thu được tại đầu thu, thiết bị thu không thể phân

biệt được hai xung kế tiếp.

1.2.3.1 Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn.

Tán sắc đã làm hạn chế đặc tính hệ thống và trước hết cần thấy rằng ảnh hưởngnhất là làm hạn chế tốc độ truyền dẫn của hệ thống Sự giới hạn đặt lên tốc độ bit dotán sắc có thể phụ thuộc hoàn toàn khác với đặt trên độ rộng phổ nguồn phát Trongthực tế người ta thường tính lượng tán sắc tối đa ứng với 1dB công suất đầu vào làmgiới hạn cho các hệ thống truyền dẫn Trong trường hợp sợi sử dụng là sợi chuẩnG.652 giới hạn tán sắc này đối với các hệ thống truyền dẫn được cho bởi bảng sau:

Bảng 1.2 Bảng giới hạn tán sắc đơn sắc trong hệ thống truyền dẫn.

Tốc độ bit (Gbps) SDH SONET Tán sắc tối đa (ps/nm)

Đối với tán sắc mode phân cực, cho đến nay đã có nhiều lý thuyết nghiên cứu

về vấn đề này nhưng do tính ngẫu nhiên của phân cực ánh sáng và các yếu tố ảnhhưởng đến tán sắc phân cực (PMD) trong sợi quang nên các mô hình toán học này vẫnchưa giải thích được một cách đầy đủ tính chất của PMD

Trong thực tế, giới hạn PMD trong các hệ thống thông tin quang được lấy bằng10% thời gian xung Giới hạn về PMD của các hệ thống được giới thiệu trong bảngsau

Bảng 1.3 Bảng giới hạn tán sắc phân cực trong hệ thống truyền dẫn.

SDH SONET Tốc độ bit (Mbps) Bit time (ps) PMD giới hạn (ps)

và việc tạo ra các lazer có bước sóng λ ZD là không dễ dàng Trong các hệ thống thôngtin quang có bước sóng tại vùng 1550 nm đã sử dụng loại nguồn phát lazer DFB, đây

là các hệ thống đang được khai thác phổ biến trên thế giới Tham số tán sắc sợi D của

hệ thống này vào khoảng 17 và đã hạn chế đáng kể đặc tính hệ thống khi mà tốc độvượt quá 2.5 Gbps Đối với các hệ thống điều chế trực tiếp lazer DFB thì cự ly truyềndẫn L bị giới hạn bằng biểu thức sau:

(1.27)

Trong đó:

•B là tốc độ bit truyền dẫn của hệ thống

•σ λ là độ rộng phổ RMS có giá trị tiêu biểu vào khoảng 0,15nm

Do có sự dãn phổ sinh ra từ chirp tần số Nếu như giá trị tham số tán sắc D = 17

thì cự ly truyền dẫn tối đa chỉ có thể đạt được L = 39km cho tốc độ 2.5 Gbps, và trong

thực tế thì khoảng lặp cũng là như vậy Khi độ rộng vào khoảng 0,1 nm thì cự ly đượccải thiện khoảng 62 km, và nếu cự ly là cố định cho các khoảng cách trên thực tế giữahai điểm như vậy thì ta không thể nâng cấp tốc độ cao hơn 2.5 Gbps

Năng lực hệ thống có thể được cải thiện đáng kể khi sử dụng điều chế ngoài, vàtrong trường hợp này có thể tránh được sự dãn phổ do chirp tần số gây ra Kỹ thuậtđiều chế ngoài hiện nay đã được thương mại trên thực tế, các thiết bị phát quang đã cócấu trúc tổ hợp cả lazer DFB và bộ điều chế ngoài thành một thiết bị đơn khối Cự lytruyền dẫn khi đó phụ thuộc vào tham số vận tốc nhóm và được giới hạn như sau:

(1.28)

Nếu như tham số β 2 có giá trị tiêu biểu bằng -20 ps2/nm.km tại bước sóng gần1550nm thì cự ly lớn nhất vào khoảng 500 km tại tốc độ bit 2.5 Gbps Mặc dù cự lytruyền dẫn đã được cải thiện đáng kể so với trường hợp điều chế trực tiếp lazer DFB,nhưng sự hạn chế hệ thống do tán sắc gây ra vẫn là mối quan tâm khi hệ thống có sửdụng khuếch đại đường truyền LA Ảnh hưởng của tán sắc tới cự ly truyền dẫn đượcthống kê theo các bảng sau, qua đó thấy được ảnh hưởng nghiêm trọng của tán sắc tới

sự truyền dẫn

Bảng 1.4 Bảng cự li truyền dẫn tối đa ứng với 1dB công suất mất mát do tán sắc

đối với sợi NZDSF (4,4ps/nm.km) và S-SMF (17 ps/nm.km).

Qua đó ta thấy được tán sắc gây ra ảnh hưởng lớn tới hệ thống thông tin quang

Nó giới hạn cự ly và tốc độ truyền dẫn Bên cạnh đó, tán sắc còn gây ra hiện tượnglàm cho các xung tín hiệu bị lệch tần số

1.2.3.3 Tán sắc làm các xung Gaussian bị chirp.

Hiện tượng các xung Gaussian bị chirp là sự các xung tín hiệu bị dịch tần sốtheo thời gian Trong phần này, ta sẽ xem xét hiện tượng chirp xảy ra đối với các xungquang trong thông tin quang Ta có sự lan truyền của các xung Gaussian đầu vào trongsợi quang như sau:

(1.29)