bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc dcf

Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang dung lượng lớn sẽ gặp phải 3 vấn đề lớn cần quan tâmnhư : Suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng và cự ly truyền dẫn của hệthống,

BÙ TÁN SẮC

SỬ DỤNG SỢI BÙ TÁN SẮC DCF

GVHD: Th.S ĐỖ VĂN VIỆT EM

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

A – NỘI DUNG YÊU CẦU.

- Khái niệm về tán sắc

- Các loại tán sắc

- Công thức đánh giá các loại tán sắc

- 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, các kết quả nghiên cứu đánh giásau khi bù bằng sợi

B – LỜI GIỚI THIỆU.

Viễn Thông Việt Nam đang có những bước phát triển mạnh mẽ và vượt bậc, trở thành mộttrong những ngành kinh tế kỹ thuật mũi nhọn, đóng góp mạnh mẽ vào sự phát triển kinh tế ViệtNam Vai trò của ngành Viễn Thông không chỉ quan trọng trong sự phát triển kinh tế mà nó còn cónhiệm vụ lớn trong việc đảm bảo an ninh Quốc phòng

Cuộc sống ngày càng được nâng cao, nhu cầu trao đổi thông tin công việc và giải trí củacon người cũng ngày càng đòi hỏi cao hơn, không chỉ đơn giản là việc truyền thoại truyền thống,nhu cầu dữ liệu càng ngày càng đòi hỏi lớn về băng thông và dung lượng đường truyền TrongViễn thông, hệ thống truyền dẫn có hai dạng là vô tuyến và hữu tuyến Do hệ thống vô tuyến cónhững hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữu tuyến vẫn là hình thức truyền dẫn hiệu quả và quantrọng nhất Trong truyền dẫn hữu tuyến sử dụng cáp đồng và cáp quang Cáp đồng không thể đảmtrách về băng thông và dung lượng lớn từ nhu cầu của con người Truyền thông sợi quang ra đờiđánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ưu điểm nổi trội nhưbăng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp… truyền dẫn quang đã trở thành công nghệ truyền dẫnchính trong các ứng dụng tốc độ cao và mạng truyền dẫn trục Truyền dẫn thông tin quang bằngcáp sợi quang từ khi ra đời đến nay đã trải qua nhiều thời kỳ phát triến Ban đầu là sợi quang đamode 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 hệthống 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 tâmnhư : Suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng và cự ly truyền dẫn của hệthống, vấn đề suy hao có thể được giải quyết đơn giản bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quangEDFA trong mạng WDM Ngày nay, hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang được thiết kế hoạtđộng trong băng C, vùng bước sóng 1530nm - 1565nm, bởi ưu điếm suy hao rất thấp trong vùngnày Các hiệu ứng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mứccông suất vừa phải khoảng vài mW với tốc độ bit lên đến 2,5 Gbps Tuy nhiên ở các tốc độ bit caohơn như 10 Gbps thì chúng ta phải xem xét các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến Các ảnh hưởngcủa các hiệu ứng phi tuyến có thể giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn Vìvậy 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 quangkhông khôi phục tín hiệu được khuếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu Do đó tán sắc được tích lũyqua các bộ khuếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu.

Chính vì vậy các phương pháp bù tán sắc đã ra đời từ những năm 1990 để hạn chế ảnhhưởng của nó trong hệ thống thông tin Có thể phân loại thành 3 phương pháp bù tán sắc gồm : kỹthuật 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 sợiDCF, bằng bộ lọc quang, cách tử Bragg hay bằng tín hiệu quang liên hợp pha Trong khi haiphương pháp bù trước và bù sau tỏ ra khá hạn chế khi chiều dài tuyến quang lớn, đòi hỏi phải bùtán 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, côngsuất trong sợi quang phải đảm bảo đủ nhỏ để các hiệu ứng phi tuyến không xảy ra và giá thành lắpđặt cao, tuy nhiên DCF vẫn được sử dụng rộng rãi vì dải bước sóng hoạt động rộng hay khắc phụcthời gian nhóm trễ tốt, đặc biệt là tính đơn giản của phương pháp này Do đó chuyên đề của Nhóm

1 đã được Thầy Đỗ Văn Việt Em chọn DCF là phương pháp bù tán sắc để nghiên cứu và thảo luậntrong chuyên đề bộ môn Thông Tin Quang Trong kỹ thuật sử dụng DCF này, tán sắc dương trongsợi truyền dẫn được bù với tán sắc âm của DCF xen trên đường truyền DCF được thiết kế trongmột 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 cóđường kính lõi nhỏ để cho kích thước module nhỏ lại bởi vì module DCF nên chiếm một khônggian nhỏ

Bài báo cáo được chia thành 4 chương như sau:

Chương 1 : Định nghĩa - Phân loại và đánh giá các loại tán sắc

Chương 2 : Tìm hiểu sợi bù tán sắc DCF So sánh sợi DCF và sợi SMF chuẩn

Chương 3 : Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc: nguyên lý bù, các kết quả nghiên cứu đánhgiá sau khi bù bằng sợi

Chương 4 : Kết luận

C – MỤC LỤC

NH N XET CUA GIANG VIÊN HƯƠNG DÂN Â 2

1 - Khái niệm tán sắc iv

2 – Phân loại và đánh giá tán sắc v

2.1 - Tán sắc mode (Modal Dispersion): vi

2.2 - Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion) ix

2.3 - Tán sắc trong sợi đơn mode x

2.3.1 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion) xi

2.3.2 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion) xii

2.2 - So sánh sợi DCF với sợi SMF xvi

2.2.1 Tìm hiểu tổng quát về sợi SMF (G.652) xvi

2.2.2 So sánh sợi bù tán sắc với sợi SMF chuẩn xvii

Chương 3 : Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc xvii

Nguyên lý bù và các kết quả nghiên cứu sau khi bù bằng sợi DCF xvii

3.1 – Nguyên lý bù bằng sợi DCF xvii

3.2 Kết quả nghiên cứu đánh giá sau khi bù tán sắc bằng sợi DCF xix

Chương 4 : Kết Luận xxiii

D – NỘI DUNG BÁO CÁO

Chương 1 : Định nghĩa và Phân loại và đánh giá tán sắc.

1 - Khái niệm tán sắc.

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra Nếu xung giãn ra lớnhơn chu kỳ bít sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bít kế cận nhau Kết quả là đầu thu không nhậndiện được bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầu phát, dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽquyết định sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm và chất lượng hệ thống giảm Hìnhdưới 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 được xác định bởi

D = trong đó Ti , T0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nữa 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 bằngns/km hoặc ps/km Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó

đơn vị được tính là [ps/(nmkm)] Tán sắc gây ra tăng BER.

2 – Phân loại và đánh giá tán sắc.

Trong Thông Tin Quang người ta chia ra thành 3 loại tán sắc như sau: tán sắc mode, tánsắc phân cực mode và tán sắc sắc thể (trong đó tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc ống dẫn sóng vàtán sắc vật liệu) Khi sợi truyền dẫn là đa mode (tức loại sợi quang có thể truyền cùng lúc nhiềumode sóng khác nhau trong lõi) thì ta có tất cả các loại tán sắc nói trên Nhưng khi công nghệ chếtạo sợi đã phát triển thì sợi đơn mode ra đời và nó khắc phục được tán sắc mode của sợi đa mode.Tuy nhiên, vì bản chất chiết suất Silica là phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa nguồn phát khôngthể phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng) mà là một chùm tia sáng với một độrộng phổ nào đó Chính vì thế trong sợi đơn mode vẫn còn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cựcmode và tán sắc sắc thể Ngày nay, với công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ người ta đã chế tạo

ra được các loại sợi quang mới có mức tán sắc giảm đáng kể Những sợi này được dùng để lắp đặttrong các mạng mới cần tốc độ bít cao và cự ly lớn Sau đây ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản vềcác loại tán sắc trong sợi quang

1011

Hình sau đây mô tả sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang :

2.1 - Tán sắc mode (Modal Dispersion):

Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợiquang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn địnhcủa các đường này được gọi là những Mode sóng Có thể hình dung gần đúng một mode sóng ứngvới một tia sáng Tán sắc mode là do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode Mỗimode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khácnhau là khác nhau gây ra tán sắc Rõ ràng ta thấy tán sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode, do đómuốn loại bỏ tán sắc mode thì ta phải sử dụng sợi đơn mode Vì vậy khi xét đến tán sắc mode tachỉ xét ở sợi đa mode Như ta đã biết, khẩu độ số (NA) biểu diễn khả năng thu ánh sáng của sợiquang 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 trở ngại khiến takhông thể tăng khẩu độ số lớn Để hiểu được điều này ta hãy xem xét các mode trong sợi quang

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

Sợi đơn mode

Sợi đa mode

Hình 2.1: Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang.

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 mode bằng góctruyền của chúng, hay đánh số thứ tự để chỉ những mode riêng biệt Nguyên tắc là: góc truyền củamode càng nhỏ thì số thứ tự của mode càng thấp Như vậy mode truyền dọc theo tâm sợi là mode

0 (hay còn gọi là mode cơ bản) và mode truyền ở góc truyền tới hạn (αc) là mode có số thứ tự lớnnhất có thể của sợi quang Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiềumode truyền được gọi là sợi đa mode

Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang và hình học của sợi.Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều mode sóng Và bước sóng ánh sáng càngngắn thì sợi quang càng chứa được nhiều mode sóng Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng modesóng sợi thu được càng nhiều Như vậy có thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ lệthuận với 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:

với

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 nguồn quang đi vào sợiquang chia thành một tập hợp mode Trong sợi, công suất quang tổng cộng được mang bởi nhiềumode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại thành luồng ra với công suất của nó Hình sau

sẽ minh họa cho vấn đề trên (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 đầu bằng mode 1và kếtthúc bằng mode 4 Do độ trễ về thời gian giữa các mode nên xung tín hiệu bị giãn ra (T0>Ti)

Tán sắc trong sợi SI

Tán sắc mode trong sợi GI

2.2 - Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion)

Nguồn gốc của sự mở rộng xung trong trường hợp này có liên quan đến sự khúc xạ hai lần

phân cực trực giao) Sự không đối xứng tròn của lõi tạo ra sự phản xạ hai lần do chiết suất modeứng với các thành phần phân cực trực giao của mode cơ bản là khác nhau Nếu xung ngõ vào kích

cả hai thành phần phân cực thì nó trở nên rộng hơn do hai thành phần tán sắc dọc theo sợi có vậntốc nhóm khác nhau Hiện tượng này gọi là tán sắc phân cực mode (PMD)

Trong những sợi có Bm là hằng số (ví dụ sợi duy trì phân cực) sự mở rộng xung ước tính từ

độ trễ về mặt thời gian giữa hai trạng thái phân cực trong suốt quá trình lan truyền xung là ΔT.Đối với sợi có chiều dài L thì ΔT được cho bởi:

Đối với sợi thường thì hơi khác vì Birefringence thay đổi dọc theo chiều dài sợi một cáchngẫu nhiên Đối với một xung quang, trạng thái phân cực còn khác đối với các thành phần phổkhác nhau của xung Trạng thái phân cực cuối cùng không là sự quan tâm đối với hầu hết các hệthống Thông Tin Quang vì Photodetector dùng trong bộ thu không nhạy với trạng thái phân cựctrừ khi sử dụng tách sóng Coherent Vấn đề ảnh hưởng đến các hệ thống như thế này không phải

là trạng thái phân cực ngẫu nhiên nhưng xung lại bị mở rộng do sự thay đổi ngẫu nhiên củaBirefringence

Một xung quang không được phân cực dọc theo hai trạng thái chính chia làm hai phần lantruyền với tốc độ khác nhau Độ trễ nhóm vi sai ΔT lớn nhất đối với hai trạng thái phân cực chính

2.3 - Tán sắc trong sợi đơn mode

Như ta đã xét ở phần trên, tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hạn chế tốc độbít trong hệ thống Thông Tin Quang sử dụng sợi đa mode Điều này không có nghĩa là trong sợi

đa mode chỉ có tán sắc mode, mà nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều loại tán sắc khác Tuy nhiên

do tán sắc mode có ảnh hưởng lớn hơn cả nên ta chỉ xét tán sắc mode trong sợi đa mode Để khắcphục tán sắc mode người ta đã chế tạo ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng, sợi quang nhưthế được gọi là sợi đơn mode (SMF- Single Mode Fiber) Rõ ràng ta thấy sợi đơn mode đã khắcphục được hoàn toàn tán sắc mode Vì thế tốc độ truyền dẫn được cải thiện đáng kể và tăng được

cự ly thông tin Tuy nhiên vì sợi đơn mode vẫn được chế tạo từ Silica nên nó sẽ còn chịu ảnhhưởng của các loại án sắc khác như tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode Trong đó tán sắc sắcthể 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 đây không mất tínhtổng quát khi ta xét tán sắc sắc thể trong sợi đơn mode Có thể nói nguyên nhân sâu xa của tán sắcsắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER) không phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có mộtbước sóng), mà nó phát ra một chùm tia sáng có bước sóng trung tâm (tại công suất phát cực đại)

và các bước sóng biên, hay còn gọi là độ rộng phổ nguồn phát Tức là nguồn phát phát ra ánh sángnằm trong một dải tần (dải bước sóng) Mà như ta đã biết thì chiết suất của sợi làm từ Silica làmột hàm phụ thuộc vào bước sóng (hay tần số), nên vận tốc lan truyền của các thành phần tần sốkhác nhau là khác nhau, và nó phụ thuộc vào bước sóng theo công thức sau: v = c/n(λ)

Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân sinh ra nó: Thứ nhất như ta biết là các thành phần tần

số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau, và tán sắc do nguyên nhân này người ta gọi là tánsắc vật liệu, đây là nguyên nhân chủ yếu của tán sắc sắc thể Tuy nhiên còn có thành phần tán sắcthứ hai là tán sắc ống dẫn 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 làmột hàm của bước sóng, cụ thể là nếu bước sóng dài hơn thì năng lượng trong lớp bọc 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 Đây chính là sự giải thích cho tán sắc ống dẫn sóng

2.3.1 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion)

Tán sắc vật liệu xảy ra do chiết suất của Silica (nguyên liệu được sử dụng để chế tạo sợiquang) thay đổi theo tần số quang ω (tức phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu)

Hình sau đây sẽ cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất (n) và chiết suất 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 như sau:

Mà vì dng /dλ= 0 tại bước sóng 1,276µm nên DM = 0 tại λZD=1,276µm (λZD được gọi là bước sóngtán sắc 0) Hệ số tán sắc DM âm khi λ< λZD và dương khi λ> λZD Trongdải bước sóng từ 1,25 đến1,66 µm thì DM có thể được xấp xỉ bằng công thức :

Lưu ý: λZD chỉ bằng 1,276 µm đối với sợi Silica thuần khiết Giá trị của λZD có thể thay đổitrong dải từ 1,27 đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớp bọc được pha tạp chất để thay đổichiết suất Bước sóng tán sắc 0 (λZD) của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi (a) và bướcnhảy chiết suất (Δ) của sợi quang

(*)