Ảnh hưởng tiêu cực của hiện tượng tán sắc ánh sáng đến quá trình truyền tín hiệu trong hệ thống thông tin quang

Sơ lợc tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang

Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng đợc phát triển thành những hệ thông thông tin hiện đại nh ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng. Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang đợc bắt đầu từ 1960 nhờ sự phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang, mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng. Các sợi dẫn quang đầu tiên đợc chế tạo mặc dù có suy hao rất lớn (khoảng 1000dB/km), nhng đã tạo ra đợc một mô hình hệ thống có xu hớng linh hoạt hơn.

Tiếp sau đó, năm 1966 Kao, Hockman và Werts đã nhận thấy rằng sự suy hao của sợi dẫn quang chủ yếu là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo sợi gây ra. Đợc cổ vũ bởi thành công này, các nhà khoa học và kỹ s trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các hoạt động nghiên cứu và kết quả là các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, và tăng dải thông và các laser bán dẫn.

Cấu trúc chung của hệ thống thông tin quang

Cùng thời gian này, một nghiên cứu khác đã tạo ra hệ thống truyền tin đáng tin cậy hơn hớng thông tin qua khí quyển là sự phát minh ra sợi dẫn quang. Họ nhận định rằng có thể làm giảm đợc suy hao của sợi và chắc chắn sẽ tồn tại một điểm nào đó trong dải bớc sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ. Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tơng tự nh các hệ thống thông tin khác, vì thế mà các thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung nh hình 3.1.

Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trờng truyền dẫn chính là sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát đến phía thu. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu tính chất và cấu tạo của sợi quang học và khảo sát sự lan truyền ánh sáng trong các ống dẫn sóng.

Cấu tạo và phân loại

Loại sợi có chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi ra tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi là sợi có chỉ số chiết suất liên tục (Graded-Index). Nếu phân chia theo vật liệu chế tạo thì có sợi thủy tinh, sợi lõi thuỷ tinh vỏ chất dẻo (PCS) (Plastic cladsilica). Sợi thuỷ tinh nhiều thành phần và sợi chất dẻo. Hầu hết loại sợi nhựa và PCS là loại sợi chỉ số bớc đa mode. Nh vậy có thể tổng hợp sự phân loại sợi dẫn quang nh bảng 3.2. a) Sợi đa mode chỉ số chiết suất bớc. a) Sợi đa mode chỉ số chiết suất liên tục. Trớc hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lợng thông tin lớn nh các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự ly đến 100 GHz km.

Do vậy, chúng có thể đợc lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, trên tàu thuỷ, máy bay và các toà nhà cao tầng không cần phải lắp thêm các đờng ống và cống cáp. Thứ t, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo - là những thứ rẻ hơn đồng nhiều và là những vật liệu rất sẵn có nên nó kinh tế hơn cáp đồng và giá thành sản xuất giảm.

Sự lan truyền ánh sáng trong điện môi

Tuy nhiên, do sự tơng tác giữa nguyên tử vật liệu và tín hiệu quang, chiết suất biến đổi theo bớc sóng và vì vậy, bất cứ ánh sáng nào của vài bớc sóng khác nhau sẽ bị tán sắc. Từ hình vẽ (3.5) cho thấy, các thành phần tần số khác nhau trong một tín hiệu sẽ có một vận tốc nhóm khác nhau và điểm đến của chúng sau cùng một khoảng thời gian là khác nhau. Đối với sự biến đổi về số của phần tử mang, thì kết quả là sự nhoè đi, hoặc tán sắc của các xung, với các ảnh hởng đến vận tốc cực đại của sự biến điệu.

Để quan sát ảnh hởng của tán sắc vật liệu, trong khoảng thời gian lan truyền khác nhau (δτ), đối với 2 khía cạnh mà chúng ta xem xét có thể giải thích δτ là. Vì vậy để nhận biết sự tán sắc trong ns, chúng ta cần phải nhân Dmat với hiệu bớc sóng giữa thành phần quang phổ cực đại và cực tiểu, và độ dài của liên kết quang học.

Sự lan truyền trong ống dẫn sóng điện môi phẳng

Phơng trình (3.54) chỉ ra rằng trờng này lan truyền không mất mát gì theo hớng ngợc trục x, nhng chịu sự suy giảm bởi exp(-β2Ay) dọc theo trục y ở phơng vuông góc với phơng của lan truyền. Nh vậy dòng năng lợng đến và đi khỏi mặt phẳng phân cách 4 lần trên một chu kỳ của trờng E hoặc H, cho nên không có dòng năng lợng đi qua mặt phân cách dọc theo trục y. Chúng ta bắt đầu khảo sát từ vật liệu bao quanh dới y = - d, thì trờng E phải giảm theo qui luật hàm mũ từ mặt phẳng giới hạn (nó là sóng tắt dần).

Nếu ống dẫn sóng hoạt động với điều kiện ngỡng thì các mode lan truyền sẽ liên kết chặt chẽ với bên trong, và nh vậy chúng ta có thể suy luận theo trực giác rằng βx = β1. Điều này chỉ ra rằng, vận tốc của mode lan truyền liên kết bởi vận tốc trong lõi, cho những mode liên kết mạnh và vận tốc trong vật liệu vỏ cho những mode liên kết yếu. Từ (3.88) chúng ta thấy rằng, sự tán sắc này là kết quả của sự biến thiên của chiết suất nhóm theo bớc sóng và phụ thuộc vào 2 thành phần: số hạng thứ nhất.

Chúng ta đã biết rằng, tín hiệu quang học bị biến dạng bởi 3 bộ phận: sự tán sắc mode đợc tạo bởi kích cỡ của ống dẫn sóng cho phép nhiều mode đợc lan truyền; tán sắc vật liệu đợc tạo bởi chiết suất nhóm của ống dẫn sóng biến thiên theo bớc sóng và tán sắc ống dẫn sóng đợc tạo bởi tham số lan truyền ống dẫn sóng phụ thuộc vào bớc sóng.

Sự lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang

Nếu ống dẫn sóng trong không khí thì :. Giả sử trờng E. lan truyền dọc theo trục z với sự suy giảm không. đáng kể, thì chúng ta có thể viết:. đặc biệt nào. z) Cân bằng theo vectơ đơn vị và tiến hành đạo hàm theo thời gian ta có. Thật thú vị rằng mode bậc thấp nhất sẽ lan truyền trong lõi với hệ số pha β1, còn mode bậc cao nhất sẽ lan truyền qua lại trong lớp vỏ bảo vệ với hệ số pha β2 - đây là sóng tắt dần. Đõy là một kết quả quan trọng, bởi vì nó chỉ ra rằng: khác với ống dẫn sóng hình chữ nhật, ống dẫn sóng hình trụ có thể cho phép các mode trờng điện ngang và mode tr- ờng từ ngang lan truyền.

Trong mục 3.3.3.1, chúng ta đã giải các phơng trình Maxwell cho ống dẫn sóng hình trụ và đã đa ra sợi dẫn quang cho phép trờng điện ngang TE, trờng từ ngang TM và một hỗn hợp EH hoặc HE lan truyền qua nó. Trong phần này chúng ta sẽ áp dụng những kết quả phần trớc cho một loại sợi thờng dùng hiện nay, đó là sợi hớng yếu (n1 ≈ n2) và nó là sợi thờng đợc sử dụng trong thông tin. V2 (3.122) Nh chúng ta đã thấy sóng tắt dần hiện tại đang ở trong lớp vỏ bảo vệ, nghĩa là khụng phải tất cả năng lợng đợc truyền qua bị giữ lại trong lừi.

Vì thế bắt buộc những tia sáng lan truyền trong lõi sợi với một công tua những mode bậc cao đi lại trong vùng chiết suất thấp sẽ lan truyền nhanh hơn những mode bậc thấp.