bù tán sắc sử dụng sợi bù tán sắc dcf

Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triểnmạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suyhao thấp… truyền dẫn quang đã tr

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 giá saukhi 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 Việt Nam.Vai trò của ngành Viễn Thông không chỉ quan trọng trong sự phát triển kinh tế mà nó còn có nhiệm

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 của conngười 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 Trong Viễn thông, hệthống truyền dẫn có hai dạng là vô tuyến và hữu tuyến Do hệ thống vô tuyến có những hạn chế đặcthù nên truyền dẫn hữu tuyến vẫn là hình thức truyền dẫn hiệu quả và quan trọng nhất Trong truyềndẫn hữu tuyến sử dụng cáp đồng và cáp quang Cáp đồng không thể đảm trách về băng thông và dunglượng lớn từ nhu cầu của con người Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triểnmạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suyhao thấp… truyền dẫn quang đã trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các ứng dụng tốc độ cao

và mạng truyền dẫn trục.Truyền dẫn thông tin quang bằng cáp sợi quang từ khi ra đời đến nay đã trảiqua nhiều thời kỳ phát triến 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 hàngtrăm km Cáp quang là giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài và quốc tế có tốc độtruyền 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 hệ thống,vấn đề suy hao có thể được giải quyết đơn giản bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFAtrong mạng WDM Ngày nay, hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang được thiết kế hoạt động trongbăng C, vùng bước sóng 1530nm - 1565nm, bởi ưu điếm suy hao rất thấp trong vùng này Các hiệuứng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừaphải khoảng vài mW với tốc độ bit lên đến 2,5 Gbps Tuy nhiên ở các tốc độ bit cao hơn như 10 Gbpsthì chúng ta phải xem xét các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến Các ảnh hưởng của các hiệu ứng phituyến có thể giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn Vì vậy vấn đề tán sắc làvấn đề lớn nhất của các hệ thống thông tin quang Khi chúng ta sử dụng các bộ khuếch đại quang

compensation) Trong kỹ thuật bù trên đường dây còn có các loại như: bù tán sắc bằng sợi DCF, bằng

bộ lọc quang, cách tử Bragg hay bằng tín hiệu quang liên hợp pha Trong khi hai phương pháp bùtrước và bù sau tỏ ra khá hạn chế khi chiều dài tuyến quang lớn, đòi hỏi phải bù tán sắc theo từngchặng thì phương pháp bù tán sắc trên đường truyền tỏ ra rất hiệu quả và được sử dụng khá phổ biếntrong 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 trong sợitruyền dẫn được bù với tán sắc âm của DCF xen trên đường truyền DCF được thiết kế trong mộtmodule kích thước nhỏ gọn và có nhiều mức chọn lựa tán sắc Yêu cầu phải có đối với DCF là suyhao xen thấp, suy hao phụ thuộc phân cực thấp, tính phi tuyến thấp DCF cũng phải có đường kính lõinhỏ để cho kích thước module nhỏ lại bởi vì module DCF nên chiếm một không gian nhỏ

Bài báo cáo được chia thành 3 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 đánh giásau khi bù bằng sợi

C – MỤC LỤC

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 nhận diệnđược bít 1 hay bít 0 đã được truyền đi ở đầu phát, dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyết địnhsai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm và chất lượng hệ thống giảm Hình dưới đây minhhọa 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

trong đó Ti , T0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nữa công suất cực đại của xungngõ 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, tán sắcphân cực mode và tán sắc sắc thể (trong đó tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc ống dẫn sóng và tán sắcvật liệu) Khi sợi truyền dẫn là đa mode (tức loại sợi quang có thể truyền cùng lúc nhiều mode sóngkhác 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 phục được tán sắc mode của sợi đa mode Tuy nhiên, vì bảnchất chiết suất Silica là phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thể phát ra ánh sángđơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng) mà là một chùm tia sáng với một độ rộng phổ nào đó Chính

vì thế trong sợi đơn mode vẫn còn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cực mode 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 quangmới có mức tán sắc giảm đáng kể Những sợi này được dùng 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

1011

Tán sắc mode

Sợi đơn mode

Sợi đa mode

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

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 sợi

quang Khi truyền trong sợi quang, ánh sáng đi theo nhiều đường khác 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

lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode 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 sợi đơn mode Vì vậy khi xét đến tán sắc mode ta chỉ xét ở sợi 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 ta có cảm giác như khẩu độ số càng lớn

thì càng tốt Nhưng điều này là không đúng, có một trở ngại khiến ta không 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 hoặc những tia sáng riêng lẻ Nói cách khác,

nếu ta có khả năng nhìn vào sợi quang ta sẽ thấy một tập hợp những luồng sáng truyền với góc α biến

thiên từ 0 đến αc như được minh họa ở hình sau:

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 lớn nhất

có thể của sợi quang Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều modetruyền 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 Nếuđường kính lõi càng lớn, lõi càng chứa được nhiều mode sóng Và bước sóng ánh sáng càng ngắn thìsợi quang càng chứa được nhiều mode sóng Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng sợi thuđược càng nhiều Như vậy có thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ lệ thuận vớiđường 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 nguồn quang đi vào sợi quangchia thành một tập hợp mode Trong sợi, công suất quang tổng cộng được mang bởi nhiều mode riêng

lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại thành luồng ra với công suất của nó Hình sau sẽ minh họacho 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 kết thúcbằng 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(Birefringence) của sợi ( BM = lần lượt là chiết suất mode của các mode phân cực trực giao) Sựkhông đối xứng tròn của lõi tạo ra sự phản xạ hai lần do chiết suất mode ứng với các thành phần phâncực 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 vận tốc nhóm khác nhau Hiện tượngnày 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 độtrễ về mặt thời gian giữa hai trạng thái phân cực trong suốt quá trình lan truyền xung là ΔT Đối vớisợi có chiều dài L thì ΔT được cho bởi:

trong đó x, y dùng để chỉ hai mode phân cực trực giao; Δβ1có liên hệ với chênh lệch vận tốc nhómcủa hai trạng thái phân cực Phương trình (1) được sử dụng để có sự liên hệ giữa vgvới hằng số lan

dụng tách sóng Coherent Vấn đề ảnh hưởng đến các hệ thống như thế này không phải là trạng tháiphân cực ngẫu nhiên nhưng xung lại bị mở rộng do sự thay đổi ngẫu nhiên của Birefringence.

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 s c trong s i đ n mode ắ ợ ơ

Như ta đã xét ở phần trên, tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hạn chế tốc độ bíttrong hệ thống Thông Tin Quang sử dụng sợi đa mode Điều này không có nghĩa là trong sợi đa modechỉ có tán sắc mode, mà nó còn chịu ảnh hưởng của nhiều loại tán sắc khác Tuy nhiên do tán sắcmode có ảnh hưởng lớn 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 quang như thế được gọi làsợi đơn mode (SMF- Single Mode Fiber) Rõ ràng ta thấy sợi đơn mode đã khắc phục được hoàn toàntán 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 ảnh hưởng của các loại án sắc khácnhư tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode Trong đó tán sắc sắc thể là nguyên nhân chính gây hạnchế 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 sắc sắcthể là do bộ phát quang (LED, LAZER) không phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bướcsóng), mà nó phát ra một chùm tia sáng có bước sóng trung tâm (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 nằmtrong một dải tần (dải bước sóng) Mà như ta đã biết thì chiết suất của sợi làm từ Silica là một hàmphụ thuộc vào bước sóng (hay tần số), nên vận tốc lan truyền của các thành phần tần số khác nhau làkhác nhau, và nó phụ thuộc vào bước sóng theo công thức sau: v = c/n(λ)

liệu, đây là nguyên nhân chủ yếu của tán sắc sắc thể Tuy nhiên còn có thành phần tán sắc thứ hai làtán sắc ống dẫn sóng, mà nguyên nhân sinh ra nó là do năng lượng ánh sáng truyền đi có một phầntrong lõi và một phần trong lớp bọc Sự phân bố năng lượng giữa lõi và lớp bọc là một hàm của bướcsóng, cụ thể là nếu bước sóng dài hơn thì năng lượng trong lớp bọc nhiều hơn Như vậy nếu bướcsóng thay đổi, sự phân bố năng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền β cũng thay đổi Đâychính 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) trongdải 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.

Mà vì dng /dλ= 0 tại bước sóng 1,276µm nên DM = 0 tại λZD=1,276µm (λZD được gọi là bướcsóng tán 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 đổi trong dải từ 1,27 đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớp bọcđược pha tạp chất để thay đổi chiết suất Bước sóng tán sắc 0 (λZD) của sợi quang cũng phụ thuộcvào bán kính lõi (a) và bước nhảy chiết suất (Δ) của sợi quang

2.3.2 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion)

Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắc tổng, do đó thườngthấy thuật ngữ tán sắc sắc thể và tán sắc chất liệu có thể sử dụng hoán chuyển cho nhau khi xét sợi đamode Nhưng đối với sợi đơn mode thì tán sắc ống dẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan trọng.Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau và do đó ta phải xét chúng cùng nhau

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 là sợi quang.Cơ chếgây ra tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đơn mode như sau: Sau khi đi vào sợi quang,một xung ánh sángmang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi và lớp bọc như được minh họa ở hình sau:

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 khác nhau (do lõi và lớp bọc

có chiết suất khác nhau), nên đến cuối sợi quang vào các thời điểm khác nhau gâyra tán sắc.Từ hìnhtrên ta thấy tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trường modegiữa lõi và lớp bọc, tức phụthuộc vào đường kính của trường mode (MFD – Mode FieldDiameter) mà MFD lại phụ thuộc vàobước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng là phụ thuộc vào bước sóng

Tán sắc ống dẫn sóng (DW) được tính như trong phương trình (*) và phụ thuộc vào tham số V ( tần số