Đặc điểm tán sắc trong Hệ thống thông tin truyền dẫn toàn quang
MỤC LỤC
Đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Đặc tính tán sắc
Sự tán sắc của sợi quang dẫn đến phát sinh sự chồng lấn của các xung lân cận lên nhau khi truyền ở tốc độ bít cao và cự ly dài gọi là sự giao thoa giữa các ký hiệu ISI (inter symbol interference), gây ra lỗi ở máy thu, do đó hạn chế cự ly và tốc độ bit truyền trong sợi. Có các dạng tán sắc của sợi quang nh sau : tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng. +Tán sắc mode : Tán sắc mode chỉ sảy ra trong sợi đa mode. Tán sắc mode là do sự khác nhau về thời gian truyền dọc sợi quang của các mode khác nhau. Mỗi mode là một tia sóng sẽ truyền theo các đường khác nhau trong sợi, mặc dù các mode truyền đi. đồng thời ở lối vào sợi, nhưng ở cuối sợi các mode lại đến tại những thời điểm khác nhau do đi trên những khoảng cách khác nhau, còn được gọi là sự trễ mode. Tán sắc mode dẫn đến làm giãn rộng xung quang. Tán sắc mode thể hiện ở sợi MM-SI mạnh hơn so với ở sợi MM-GI. Để đặc trưng cho sự tán sắc, ta đưa vào đại lượng gọi là hệ số tán sắc tính trên một đơn vị độ dài sợi, ký hiệu là D. Dùng lý thuyết quang hình ta tính đợc hệ số tán sắc mode theo biểu thức sau : Trong sợi MM-SI :. Ở đây C là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tán sắc mode không phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, nó là trội nhất trong các loại tán sắc của sợi quang. +Tán sắc vật liệu : Đó là sự phụ thuộc của vận tốc truyền của các mode sóng trong sợi quang vào bước sóng làm việc λ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do chiết suất của vật liệu chế tạo lừi sợi là hàm của bước súng. Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau : ). Trong sợi đa mode, hệ số tán sắc vật liệu là khá nhỏ so với tán sắc mode nên có thể bỏ qua, nhưng trong sợi đơn mode thì lại là dạng tán sắc trội nhất.Từ đồ thị của chiết suất ta thấy tại bước sóng λ= 1,27 μm đường chiết suất nhóm có độ dốc bằng không, nên tại bước sóng này hệ số tán sắc vật liệu bằng không.
Suy giảm tín hiệu trong sợi quang
+ Hấp thụ do vật liệu:Ta thấy rằng ở bước sóng dài thì sẽ suy hao nhỏ nhưng các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng, nhưng nó vẫn có ảnh hưởng và ở đây nó kéo dài tới vùng bước sóng 1550nm làm cho vùng này không giảm suy hao một cách đáng kể.
Cáp sợi quang
Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh sỏng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ỏnh sỏng lan truyền trong lừi sợi đó bị suy hao. Khi sản xuất cáp quang, để bảo đảm tính ổn định, bền vững cơ học và an toàn, người ta phải làm lớp vỏ bảo vệ cáp, đưa thêm vào cáp các chất độn và các vật liệu gia cường chịu lực cho cáp. + Vật liệu gia cường đảm bảo cho cáp chịu được lực căng, lực nén nhất định, nhưng lại phải đảm bảo độ mềm dẻo cần thiết, trọng lượng và kích thước cáp nhỏ thuận tiện cho sử dụng.
Vỏ cỏp : Vỏ cỏp bảo vệ cho cỏp và thường được bọc đệm để bảo vệ lừi cỏp khỏi bị tác động của ứng suất cơ học và môi trường bên ngoài cáp còn vỏ bọc bằng kim loại được dùng cho cáp chôn trực tiêp. Từ đó có thể rút ra hai cách bảo vệ sợi là tối ưu hoá việc chế tạo vỏ bọc sợi bằng việc lựa chọn vật liệu tương ứng và độ dày của vỏ, đồng thời giữ cho sợi càng thẳng càng tốt và cách thứ hai là bọc xung quang sợi một lớp gia cường có khả năng làm giảm sự co nhiệt.
KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 3.1 Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật khuếch đại quang
- Kỹ thuật khuếch đại quang sợi .1 Nguyên lý hoạt động của EDFA
- Các đặc tính của EDFA
Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng là điều mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể được sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau. Xuyên kênh thấp: Khi một bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại nhiều tín hiệu vào tại các bước sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh là quan trọng để chắc chắn rằng không có nhiễu từ tín hiệu này sang tín hiệu khác. Tiêu biểu có ít hơn 1% phát xạ tự phát được giữ lại bởi mode sợi quang và nó trở thành một nguồn nhiễu quang ở đầu ra của bộ khuếch đại quangEDFA không những tín hiệu được khuếch đại mà nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
Mặc dù việc sử dụng các ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại trong các bộ khuếch đại quang đã được đề cập vào đầu những năm 1964, tuy nhiên EDFA vẫn chưa được ứng dụng thực tế cho đến khi sợi quang pha tạp có suy hao thấp ra đời. Nhiễu ASE sinh ra do hiện tượng phát xạ tự phát của các ion Erbium trong sợi EDF của EDFA khi chúng nhảy từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp mà không có sự kích thích của ánh sáng tín hiệu.
THIẾT BỊ PHÁT QUANG VÀ THIẾT BỊ THU QUANG 4.1 Thiết bị phát quang
- Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn
- Thiết bị thu quang
Nếu một điện tử từ trạng thái bị kích thích (từ mức E2) dịch chuyển trở về trạng thái ổn định (về mức E1) một cách tự nhiên để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng, thì bức xạ ánh sáng nh vậy đợc gọi là bức xạ tự phát (spontaneous emission). Nếu một điện tử đang nằm ở trạng thái bị kích thích (mức E2), khi nhận được ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào có năng lượng của photon là Ep = hν = E2-E1 (ev) thì ngay lập tức dịch chuyển trở về mức mức ổn định E1 để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng. Khi ánh sáng đập vào một vật thể bán dẫn, các điện tử trong vùng hóa trị được chuyển dời tới vùng dẫn nhưng nếu không có một sự tác động sảy ra thì sẽ không thu được kết quả gì mà chỉ có các điện tử chuyển động ra xung quanh và tái hợp trở lại với các lỗ trống vùng hoá trị.
Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng hν lớn hơn hoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của lớp vật liệu bán dẫn trong Photođiốt thì photon có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn.Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử, lỗ trống. Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào phải sinh ra một xung điện ở mạch ngoài và giá trị trung bình của dòng điện sinh ra phải tỷ lệ với công suất của ánh sáng chiếu vào nhưng trong thực tế, không đạt được như vậy mà một phần ánh sáng bị tổn hao do phản xạ. Một máy thu quang bao gồm nhiều khối khác nhau, nhưng khối quan trọng nhất quyết định đến chất lượng của máy thu quang là photo diode hay bộ tách sóng quang và tầng tiền khuyếch đại đặt sát sau nó được gọi là tầng đầu cuối (front-end) tạo ra bộ thu quang đơn giản.
+ Trong các công thức trên Δf là dải thông tần tạp âm, thường lấy bằng dải thông điện tín hiệu của bộ thu, Fn là thừa số tạp của bộ khuyếch đại, δS2,δT2 là phương sai của các dòng tạp lượng tử và tạp nhiệt tương ứng, kB = 1,38.10-23j/K là hằng số Bolztman, T là nhiệt độ tuyệt đối tính theo độ K.
CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 5.1 Hệ thống thông tin quang số IM/DD
- Hệ thống thông tin đa kênh WDM
+ Trạm lặp tái sinh bao gồm ba khối con làm các nhiệm vụ thứ tự là: bộ O/E để biến tín hiệu quang về tín hiệu điện, bộ tái sinh tín hiệu làm nhiệm vụ khuyếch đại đủ lớn tín hiệu đã tách sóng, sửa dạng, tái sinh lại tín hiệu, điều chế bộ E/O. Chúng ta chỉ xét tóm tắt nguyên tắc làm việc, cấu trúc sơ đồ khối và đặc điểm của hệ thống thông tin quang đa kênh WDM.Hệ thống thông tin quang đa kênh WDM làm việc dựa trên nguyên tắc ghép nhiều bước sóng quang khác nhau như : λ1,λ2, …λN để truyền dẫn đồng thời trên một sợi quang thay vì chỉ truyền một bước sóng quang trên một sợi quang như trong hệ thống đơn kênh. Tại phía máy phát, N kênh quang có bước sóng khác nhau là λ1 ,λ2 , λ3 ,…λN từ các máy phát riêng T1 , T2 , T3 ,…TN được đưa đến bộ ghép kênh theo bước sóng MUX, sau đó tất cả N bước sóng được truyền dẫn đồng thời trên một sợi quang đi đến phía máy thu.
Trong sơ đồ dạng ghép kênh đơn hướng các bộ tách và bộ ghép kênh theo bước sóng chỉ làm việc một chức năng là tách hoặc ghép độc lập riêng rẽ nhau, nên cấu trúc đơn giản, chất l- ượng cao, nhưng phải dùng đến hai sợi quang cho hướng đi và về. Đồng thời tại trạm đầu cuối này các kênh quang bước sóng khác nhau khác là RN+1, …RM từ các máy phát TN+1, …TM cũng được đưa đến bộ ghép kênh theo bước sóng để truyền cũng trên cùng một sợi quang đó nhưng theo chiều ngược lại đi về phía trạm đầu cuối thứ nhất.
