Tán sắc và bù tán sắc bằng sợi quang DCF

Hình 4: Sợi SI [7] Chiết suất lõi không thay đổi, ánh sáng có thể truyền đi theo 3 cách với thờigian đến đích khác nhau gây nên hiện tượng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI khôngthể t

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU

Các hệ thống thông tin hiện đại ngày càng được mở rộng và nhu cầu trao đổithông tin giữa các quốc gia, châu lục ngày càng gia tăng Nó đòi hỏi cần phải có mộtcách thức truyền tín hiệu nhanh hơn, hiệu quả hơn để đáp ứng được sự phát triển khôngngừng đó Sợi quang chính là giải pháp được chọn vì nó có rất nhiều ưu điểm: tốc độtruyền dẫn nhanh, băng thông lớn, ít suy hao, sợi quang nhỏ nhẹ, độ bền cao thông tinquang đảm nhận vai trò truyền dẫn xuyên lục địa, mạng đường trục quốc gia, đườngtrung kế Hệ thống thông tin sợi quang còn được ứng dụng trong y tế, truyền số liệu,truyền hình

Tuy hệ thống thông tin sợi quang có rất nhiều ưu điểm nhưng nó vẫn tồn tạinhiều nhược điểm cần phải khắc phục như: suy hao và đặc biệt là tán sắc Chính vì thếnên trong khuôn khổ bài tập lớn nhóm em sẽ trình bày về tán sắc trong sợi quang, cáccách khắc phục và mô phỏng phương pháp bù tán sắc bằng phần mềm OptiSystem

Đề tài không thể tránh khỏi sai sót, mong cô và các bạn góp ý để nhóm có thểhoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỀ TÀI

Đề tài: Tìm hiểu tán sắc và bù tán sắc bằng sợi quang DCF trong hệ thống thông tin

quang

1.1 Mục đích

- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của sợi quang

- Hiểu rõ tán sắc và ảnh hưởng của nó trong thông tin quang

- Tìm hiểu các phương pháp bù tán sắc hiện nay

- Bản chất và nguyên tắc hoạt động của bù tán sắc sử dụng sợi quang DCF

- Nâng cao hiệu quả làm việc nhóm

1.2 Kế hoạch thực hiện và phân chia công việc

Nguyễn Văn Huỳnh

- Tìm hiểu đề tài

- Phân chia công việc

- Tổng hợp, thiết kế slideNgô Đăng Nam - Tìm hiểu đề tài- Tìm hiểu về sợi quang

Vũ Bạch Nhật - Tìm hiểu đề tài- Tìm hiểu về bù tán sắc

Nguyễn Quang Huy

Đặng Thanh Tùng - Tìm hiểu đề tài- Tìm hiểu tán sắc trong sợi quang

- Tổng hợp, viết báo cáo

CHƯƠNG 2: SỢI QUANG

2.1 Khái niệm sợi quang

Sợi quang là ống dẫn sóng điện môi hình trụ hoạt động tại tần số quang, dẫn ánhsáng theo hướng song song với trục sợi Lõi có chiết suất lớn hơn vỏ 0,1- 0,3%

Sợi quang là một môi trường truyền thông tin nhanh hơn cáp đồng trục nhiềulần

2.2 Cơ sở quang học

Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước song

từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt có 3 bước sóng thông dụng là 850nm, 1300nm,1550nm Chiết suất của môi trường:

Trong đó :

n: chiết suất của môi trường

C: vận tốc ánh sáng trong chân không

C = 3.10^8 m/s V: vận tốc ánh sáng trong môi trường

Vì V ≤ C nên n ≥ 1

Sự phản xạ toàn phần:

Định luật Snell:

Trong đó:

n1: chiết suất môi trường 1

n2: chiết suất môi trường 2α: góc tới hợp bởi tia sáng từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách vàpháp tuyến của mặt phẳng đó

β: góc hợp bởi tia sáng từ mặt phẳng phân cách tới môi trường 2 vàpháp tuyến của mặt phẳng đó

Hình 1: Khúc xạ và phản xạ toàn phần

Nếu n2 < n1 thì khi góc tới đạt giá trị đủ lớn α > αth (với αth là góc khúc xạ tớihạn) thì tia sáng sẽ phản xạ lại môi trường cũ Hiện tượng này được gọi là phản xạ toànphần

Dựa vào công thức Snell có thể tính được góc tới hạn αth:

Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn chung: Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang

được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc(cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 ánh sáng truyền trong lõi sợiquang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏbọc Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốncong với một độ cong có giới hạn

Hình 2: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang [6]

2.3 Cấu tạo sợi quang

Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding) Lõi có tácdụng dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toànphần giữa lõi và lớp bọc

Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợi quang cònđược bọc thêm một vài lớp:

- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primary coating)

- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)

Lớp phủ

Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang:

- Chống lại sự xâm nhập của hơi nước

- Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt

- Giảm ảnh hưởng vì uốn cong

Lớp vỏ

Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng

cơ học và sự thay đổỉ nhiệt độ, cho đến nay lớp vỏ có các dạng chính sau:

Hình 3: Cấu trúc sợi quang [6]

2.4 Phân loại sợi quang

2.4.1 Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ

a Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khácnhau một cách rõ rệt như hình bậc thang

Hình 4: Sợi SI [7]

Chiết suất lõi không thay đổi, ánh sáng có thể truyền đi theo 3 cách với thờigian đến đích khác nhau gây nên hiện tượng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi SI khôngthể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phụcđược trong loại sợi có chiết suất biến đổi

b Sợi quang có chiết suất biến đổi (sợi GI: Graded- Index):

Sự truyền ánh sáng trong sợi GI Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hìnhparabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốncong dần

Hình 5: Sợi GI [8]

Chiết suất lõi giảm dần từ tâm đến vỏ nên tia sáng truyền theo đường hình vòngcung, liên tục hội tụ thành từng bó và cùng đến đích nên giảm được hiện tượng tán sắc

2.4.2 Phân loại theo phân bố mode

a Sợi đa mode (MM: Multi Mode):

Sợi đa mode lan truyền đồng thời ba tia sáng Axial Mode, High Order Mode vàLow Order Mode

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125µm) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50µm

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm

- Độ chênh lệch chiết suất: Δ = 0,01 = 1%

- Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46

b.Sợi đơn mode ( SM: Single Mode ):

Là sợi quang chỉ có một tia sáng Axial được lan truyền

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

- Đường kính lõi: d = 2a =9µm ÷ 10µm

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm

- Độ lệch chiết suất: Δ = 0,003 = 0,3%

- Chiết suất lõi: n1 = 1,46

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng λ = 1300 nm độ tánsắc của sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0) Do đó băng thông của sợi đơn mode rất rộng vàtruyền dữ liệu xa hơn sợi đa mode

CHƯƠNG 3: TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG

Trong sợi quang, những tần số ánh sáng khác nhau và những mode khác nhaucần thời gian khác nhau để truyền trên cùng một khoảng cách tạo ra sự dãn xung ánhsáng theo thời gian khi truyền tín hiệu gây nên méo tín hiệu Hiện tượng này gọi là tánsắc

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu Dt được xác định:

ra tán sắc và tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi quang đa mode

Xác định độ tán sắc mode trong sợi đa mode SI

Trong sợi đa mode SI, mọi tia sáng đi với cùng một vậ tốc

Để xác định độ tán sắc mode tong sợi đa mode SI, ta xét độ chênh lệch thời gianlan truyền giữa hai mode ngắn nhất và dài nhất trong sợi quang dài L(km)

Hình 6: Tán sắc mode trong sợi đa mode SI

- Tia 1 (mode ngắn nhất)

Độ dài lan truyền d1 = LThời gian truyền:

- Tia 2 (mode dài nhất)

Độ dài lan truyền d2 = LThời gian lan truyền:

Áp dụng định luật khúc xạ, ta có

Thay vào:

Do đó thời gian chênh lệch:

Độ chênh lệch này chính là tán sắc mode

Hoặc có thể tính độ tán sắc theo khẩu độ số NA

3.2 Tán sắc vật liệu

Nguyên nhân

Do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi.Tán sắc vật liệu xảy ra khi vận tốc pha của một sóng phẳng lan truyền trong môi trườngđiện môi biến đổi không tuyến tính với bước sóng Một vật liệu được gọi là tồn tại tánsắc vật liệu khi đạo hàm bậc hai của chiết suất theo bước sóng khác 0 (d2n/dλ2 ≠ 0)

Vận tốc pha, vận tốc nhóm

Trong sóng điện từ, có những điểm có pha không đổi Đối với sóng ánh sángđơn sắc lan truyền dọc theo ống dẫn sóng theo phương z (trục ống dẫn sóng), với vậntốc pha

Tuy nhiên trên thực tế, không thể tạo ra sóng ánh sáng hoàn toàn đơn sắc vànăng lượng của ánh sáng là tổng các thành phần có các tần số khác nhau Do đó tồn tạimột nhóm các sóng có tần số gần giống nhau Bó sóng này không lan truyền ở vận tốcpha của các thành phần mà lan truyền với vận tốc nhóm

Nếu lan truyền trong một môi trường vô hạn có chiết suất n thì hằng số lantruyền:

Suy ra:

Ta có:

Với gọi là chiết suất nhóm

Tán sắc vật liệu là phép đo những biến đổi của chiết suất khúc xạ nhóm Ng ởnhững bước sóng khác nhau Tán sắc vật liệu được tính từ tích phân của Ng theo bướcsóng:

- Dmat = 0 tại là bước sóng có tán sắc vật liệu bằng 0 với thuỷ tinh thuần khiết,

có thể thay đổ itrong khoảng 1,27 đến 1,29µm với lõi và vỏ có pha tạp

λZD ≈ 1,31µ là bước sóng có tán sắc đơn sắc bằng không với thuỷ tinhthuần khiết (dịch chuyển 30 - 40nm so với λZDmat)

3.4 Tán sắc phân cực mode (PMD)

Trên thực tế sợi quang đơn mode luôn truyền 2 mode sóng được gọi chung cùngmột tên Các mode này là sóng điện từ được phân cực tuyến tính truyền trong sợi quangtrong những mặt phẳng vuông góc với nhau Nếu chiết suất của sợi quang là không nhưnhau trên phương truyền của 2 mode trên, hiện tượng tán sắc phân cực mode xảy ra

Hình 8: Minh hoạ tán sắc phân cực mode [2]

Hằng số lan truyền của mỗi phân cực thay đổi theo chiều dài sợi quang cho nênthời gian trễ trên mỗi đoạn sợi quang là ngẫu nhiên và có xu hướng khử lẫn nhau Vìvậy tán sắc phân cực mode tỉ lệ tuyến tính với că bậc 2 chiều dài sợi quag:

CHƯƠNG 4: BÙ TÁN SẮC BẰNG SỢI DCF

4.1 Các phương pháp bù tán sắc

Như đã trình bày ở phần trên, tán sắc là hiện tượng xung ánh sáng quang học bịdãn ra sau khi truyền đi một độ dài nhất định, là hiện thượng không thể tránh khỏi trongcác hệ thống thông tin quang, hiện tượng này ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất và chấtlượng của toàn bộ hệ thống Một trong những công việc được ưu tiên hàng đầu khi thiết

kế các hệ thống thông tin quang đó là tính toán loại bỏ hoặc hạn chế tối đa sự ảnhhưởng của hiện tượng tán sắc lên tín hiệu Một số phương pháp khắc phục tán sắc đãđược nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả, ví dụ như các phương pháp sau:

4.1.1 Phương pháp bù trước

Phương pháp bù trước là một trong những phương pháp được nghiên cứu và ứngdụng sớm nhất để loại bỏ tán sắc trong hệ thống thông tin quang Do bản chất của tánsắc là xung tín hiệu quang học bị dãn ra một mức độ nhất định khi truyền đi xa nên ýtưởng của phương pháp bù trước chính là lợi dụng đặc điểm tán sắc đó của xung quanghọc để truyền tín hiệu sao cho xung tín hiệu ở đầu thu là tín hiệu có dạng đúng như thiết

kế mong muốn Cụ thể, phương pháp bù trước sẽ nén xung tín hiệu quang với tính toánphù hợp trước khi truyền đi sao cho tín hiệu tại đầu thu bị tán sắc sẽ dãn ra một mứcvừa đúng để khôi phục dạng tín hiệu như mong đợi Phương pháp này gây thêm yếu tốsuy hao cho toàn bộ hệ thống

Tuy nhiên quá trình nén xung tín hiệu quang ở nguồn phát không đơn giản, các

kỹ thuật thông thường thực hiện không hiệu quả Để thực hiện điều này người ta sửdụng một kỹ thuật đặc biệt có tên là kỹ thuật Prechirp dựa trên lý thuyết truyền xungchirp Gauss trong sợi quang Bằng kỹ thuật này, nếu sử dụng xung chirp Gauss hợp lý

ta có thể tăng khoảng cách truyền tin tối đa lên gấp hai lần so với phương pháp truyềntin thông thường

Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, các hệ thống thông tin quangcũng ngày càng phát triển với các hệ thông có cự ly xa hơn, tới hàng nghìn kilomet.Phương pháp khắc phục tán sắc bằng cách bù trước không phù hợp với các hệ thốngthông tin quang cự ly xa do tín hiệu dù đã nén trước khi truyền đi cũng chỉ có thể

truyền được một khoảng cách nhất định, với các cự ly quá xa tín hiệu sẽ bị tán sắc tớimức không thể khôi phục được.

4.1.2 Phương pháp bù sau

Giống như phương pháp bù trước, phương pháp bù sau cũng được lên ý tưởng

và nghiên cứu ứng dụng từ rất sớm Nếu như với phương pháp bù trước ngời ta tínhtoán nén tín hiệu trước khi truyền đi ở nguồn phát thì với phương pháp bù sau, tín hiệutại nguồn phát không thay đổi, người ta sẽ tính toán và nén xung tại nguồn thu để loại

bỏ ảnh hưởng của tán sắc, khôi phục tín hiệu gốc

Phương pháp bù sau sử dụng bộ thu Heterodyne để nhận dạng tín hiệu và khôiphục tín hiệu ban đầu Bộ thu Heterodyne chuyển tín hiệu quang thu được thành tínhiệu tần số sau đó chuyển qua bộ lọc thông dải có đáp ứng xung được tính toán trước

để loại bỏ thành phần không mong muốn

Phương pháp bù sau là một phương pháp hiệu quả đối với các hệ thống thông tinquang cự ly ngắn, nhưng do tín hiệu quang học truyền trong sợi quang tới một độ dàinhất định thì sẽ bị tán sắc không thể khôi phục được nên phương pháp này cũng nhưphương pháp bù trước, đều không phù hợp với các hệ thống thông tin quang cự ly xa

4.1.3 Phương pháp bù liên tục

Phương pháp bù trước và bù sau có nhiều hạn chế với các hệ thống thông tin cự

ly xa, yêu cầu thực tế đặt ra vấn đề cần phải tìm hiểu & xây dựng một phương pháp bùtán sắc có thể đáp ứng bù tán sắc cho các hệ thống thông tin quang có độ dài lớn.Phương pháp bù liên tục được thiết kế để thực hiện yêu cầu đó Với các module bù tánsắc được mắc liên tục dọc theo hệ thống quang sợi, phương pháp này đảm bảo cho tínhiệu xung quang học không bị dãn xung quá nhiều tới mức không thể khôi phục được

do khoảng cách truyền quá xa Khoảng cách giữa các module bù tán sắc trên đườngtruyền được tính toán trước sao cho xung tín hiệu quang học sau khi truyền một khoảngtương ứng bằng khoảng cách giữa hai module sẽ được module tiếp theo biến đổi trở vềtín hiệu có dạng như tín hiệu gốc

Để thực hiện phương pháp bù tán sắc liên tục, người ta có thể sử dụng nhiều kỹthuật khác nhau, ví dụ như:

- Sử dụng sợi bù tán sắc DCF

- Sử dụng sợi quang cách tử Bragg

- Sử dụng bộ lọc cân bằng quang

Ba phương pháp nêu trên mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm riêng Bàibáo cáo này sẽ trình bày về kỹ thuật sử dụng sợi bù tán sắc DCF để bù tán sắc liên tụctrong hệ thống thông tin quang.

4.2 Sợi quang bù tán sắc DCF

Sợi quang bù tán sắc DCF (Dispersion Compensating Fiber) là một loại sợiquang đặc biệt được nghiên cứu và phát triển từ những năm 1980 để khắc phục hiệntượng tán sắc trong các hệ thống thông tin quang cự ly xa Cho đến thời điểm hiện tại,

kỹ thuật sử dụng sợi quang DCF vẫn là một trong những kỹ thuật khắc phục hiện tượngtán sắc được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống thông tin quang trên thế giới

Kỹ thuật sử dụng sợi quang DCF có thiết kế đơn giản, độ tin cậy cao và dải phổrộng, có thể bù tán sắc cho nhiều bước sóng Nhược điểm của kỹ thuật sử dụng sợiquang DCF là độ phi tuyến lớn, do các sợi DCF thường có lõi nhỏ

Để tìm hiểu bản chất của kỹ thuật sử dụng sợi DCF điều khiển tán sắc, ta xétphương trình truyền xung quang học trong một đoạn sợi quang gồm hai thành phần mắcnối tiếp, thành phần sợi quang cơ bản độ dài Lp, tham số tán sắc và thành phần sợiquang bù tán sắc DCF độ dài Ln, tham số tán sắc :

Xét mối liên hệ giữa tham số tán sắc và hệ số tán sắc D:

Điều kiện bù tán sắc có thể viết thành:

Với : Độ tán sắc của sợi quang cơ bản độ dài Lp

Độ tán sắc của sợi quang DCF độ dài Ln

Điều kiện trên đã chỉ ra đặc điểm cơ bản nhất của sợi quang bù tán sắc DCF, đó

là hệ số tán sắc âm Dn < 0 do trong sợi quang thông thường ở bước sóng 1,55µm có hệ

số Dp > 0

Việc lựa chọn độ dài hai đoạn sợi quang ghép nối tiếp cũng phải thỏa mãn điềukiện Trong thực tế thiết kế người ta cố gắng chọn Ln nhỏ nhất có thể, đồng nghĩa với

Lp sẽ lớn để đảm bảo tổng chiều dài L=Ln+Lp phù hợp Do đó, để thỏa mãn điều kiện

bù tán sắc thì người ta cần tạo ra sợi quang DCF với Dn có giá trị âm càng cao càng tốt(Dn rất nhỏ, lớn)

Có hai hướng cơ bản để thiết kế sợi DCF:

- Thiết kế sợi DCF đơn mode với tần số chuẩn hóa v nhỏ (v1) Hướng thiết kếnày được sử dụng trong thời kỳ đầu nghiên cứu sợi DCF Mode cơ bản được giới hạnquanh mức v ≈ 1 Phần nhỏ các mode còn lại được truyền ở lớp bọc (cladding), là nơichiết suất nhỏ, ống dẫn sóng làm gia tăng thêm tán sắc nhóm và kết quả là hệ số tán sắc

có giá trị D ≈ -100ps/(nm.km) Thiết kế làm giảm lớp bọc thường được sử dụng trongthực tế sản xuất sợi DCF Tuy nhiên, sợi DCF lại có suy hao lớn do sự gia tăng suy hao

do uốn cong (α = 0,4-0,6dB/ km) Hệ số D/α thường được sử dụng và gọi là hệ số phẩmchất M của sợi DCF Cùng với sự phát triển công nghệ, hệ số phẩm chất các sợi quangDCF đơn mode chế tạo sau này có thể đạt giá trị lớn tới vài trăm ps/(nm.dB)

- Thiết kế sợi DCF hai mode với tần số chuẩn hóa v2.5 Suy hao của phươngpháp thiết kế này cũng tương đương suy hao đối với phương pháp thiết kế sợi DCF đơnmode, tuy nhiên ưu điểm của nó là tạo ra được sợi DCF có độ tán sắc giá trị âm cao,khoảng 400-800 ps/(nm.km) 1 km sợi DCF loại này có thể bù tán sắc cho khoảng40km sợi quang thông thường Một ưu điểm khác của sợi quang DCF hai mode đó làhạn chế ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến hơn so với sợi DCF đơn mode do cókích thước lõi lớn hơn Phương pháp thiết kế này có nhược điểm là nó yêu cầu một thiết

bị chuyển đổi mode có khả năng chuyển đổi năng lượng từ mode cơ bản sang mode cóthứ tự cao hơn, đồng thời phân cực mạnh và phải hoạt động được với bang thông rộng.Hầu hết các bộ chuyển đổi mode trong thực tế sử dụng sợi quang hai mode với mộtcách tử quang để ghép nối giữa hai mode

Dù thiết kế bằng phương pháp nào thì sợi quang DCF đều có một điểm chung đó

là gây thêm suy hao cho tuyến thông tin quang Các module DCF bù tán sắc thông