2.3.3.1 Suy hao của sợi quang và băng thông
a. Công thức:
Công suất ngõ ra Pout ở đầu cuối của một sợi quang có chiều dài L liên quan với công suất ngõ vào Pin qua công thức: Pout = Pin.e-αL.
Trong đó, α là suy hao sợi quang. Suy hao thường được tính bằng đơn vị dB/km; suy hao αdB dB/km nghĩa là tỉ số Pout/Pin cho chiều dài L = 1km thỏa mãn:
Hay αdB = (10log10e) α ≈ 4.343α.
b.Đặc tuyến suy hao:
Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tùy thuộc vào loại sợi. Hình 2.8 cho thấy suy hao trong silica như là một hàm theo bước sóng. Ta thấy rằng suy hao nhỏ nhất ở ba dải bước sóng dùng cho truyền thông quang: 0.8 µm, 1.3 µm và 1.55 µm.
Dựa vào đặc tính của những bộ khuếch đại, dải 1.55 µm được chia thành ba vùng, được vẽ trong hình 2.9:
Hình 2.10: Ba vùng bước sóng trong dải 1.55 µm
2.3.3.2 Tán sắc trong sợi quang
Tán sắc là sự mở rộng thời gian của một xung khi nó lan truyền qua sợi quang. Tán sắc làm giới hạn khoảng cách bit và tốc độ truyền cực đại trên một kênh thông tin quang.
Như đã đề cập ở trên, tán sắc xảy ra khi nhiều mode của cùng một tín hiệu truyền ở những vận tốc khác nhau dọc theo sợi quang, tán sắc loại này được gọi là tán sắc mode. Tán sắc mode không xảy ra trong sợi đơn mode.
Một dạng tán sắc khác là tán sắc vật liệu hay tán sắc màu. Trong một môi trường phân tán, chỉ số khúc xạ là một hàm của bước sóng. Vì vậy, nếu tín hiệu truyền dẫn bao gồm nhiều bước sóng, một số bước sóng nào đó sẽ truyền nhanh hơn các bước sóng khác. Vì không có laser nào có thể tạo ra một tín hiệu bao gồm chính xác một bước sóng, hay nói khác đi, vì bất cứ thông tin nào mang tín hiệu cũng có độ rộng phổ khác không, tán sắc vật liệu sẽ luôn xảy ra trong hầu hết các hệ thống.
Một dạng tán sắc thứ ba là tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống dẫn sóng bị gây ra là vì sự truyền sóng các bước sóng khác nhau phụ thuộc các đặc điểm của ống dẫn sóng như là các chỉ số và hình dạng của lõi và vỏ sợi.
Ở 1300 nm, tán sắc vật liệu trong một sợi quang mode quy ước gần bằng không. Mặt khác, hầu hết các hệ thống thông tin quang hoạt động ở dải tần số 1550 nm (vì suy hao thấp hơn ở vùng này). Nhờ những kỹ thuật tiên tiến như là dịch tán sắc, các sợi với tán sắc gần bằng không ở bước sóng giữa 1550 nm có thể được chế tạo. Trong một sợi dịch tán sắc, phần lõi và vỏ được thiết kế sao cho tán sắc ống dẫn sóng phủ định với tán sắc vật liệu, vì thế tán sắc tổng cộng gần như bị triệt tiệu (bằng không).
2.3.3.3 Các ảnh hưởng phi tuyến
Các ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang có khả năng gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng trong việc thực hiện các hệ thống thông tin quang WDM. Ảnh hưởng phi tuyến có thể dẫn đến suy hao, méo dạng và nhiễu xuyên kênh. Trong một hệ thống WDM, hiệu ứng này đặt ra những ràng buộc về khoảng cách giữa các kênh bước sóng liên tiếp nhau, hạn chế công suất cực đại trên bất cứ kênh nào, và vì thế cũng hạn chế tốc độ bit cực đại.
Có hai dạng ảnh hưởng phi tuyến. Dạng thứ nhất xuất hiện do sự tương tác giữa các sóng ánh sáng với sự rung động phân tử trong môi trường silica – một trong nhiều
dạng của hiệu ứng khuếch tán. Có hai dạng khuếch tán chính là khuếch tán tích lũy Brillouin (SBS) và khuếch tán tích lũy Raman (SRS).
Loại ảnh hưởng phi tuyến thứ hai xuất hiện do sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ vào cường độ quang của các tín hiệu quang truyền xuyên qua sợi. Vì vậy, pha của ánh sáng của bộ thu sẽ phụ thuộc vào pha ánh sáng được gởi từ bên phát, chiều dài sợi và cường độ quang. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng nhất loại này gồm có: tự điều chế pha (SPM), và trộn bốn bước sóng (FWM).
a. Tự điều chế pha (SPM):
Tự điều chế pha gây ra bởi sự biến đổi công suất của một tín hiệu quang và kết quả là làm biến đổi pha của tín hiệu. Lượng dịch pha gây ra bởi SPM là:
φNL = n2k0L|E|2
Trong đó n2 là hệ số phi tuyến cho chỉ số khúc xạ, k0 = 2π/λ, L là chiều dài sợi, và |E|2 là cường độ quang. Trong các hệ thống khóa dịch pha (PSK), SPM có thể làm hạ phẩm chất hệ thống, vì đầu thu phụ thuộc vào thông tin pha. SPM cũng dẫn đến giãn độ rộng phổ các xung. Những thay đổi tức thì trong một pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ tín hiệu sẽ dẫn đến những thay đổi tức thời về tần số xung quanh tần số trung tâm của tín hiệu. Đối với những xung rất ngắn, các thành phần tần số thêm vào tạo ra bởi SPM kết hợp với các hiệu ứng tán sắc vật liệu cũng làm cho xung bị trải ra hoặc nén lại trong miền thời gian, ảnh hưởng tốc độ bit cực đại và tỉ lệ lỗi bit.
b. Điều chế xuyên pha (XPM):
XPM là sự dịch pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ của một tín hiệu truyền ở một bước sóng khác. XPM có thể làm phổ mở rộng bất đối xứng, và kết hợp với SPM và tán sắc, cũng có thể ảnh hưởng đến hình dạng xung trong miền thời gian.
Mặc dù XPM có thể làm hạn chế việc thực hiện các hệ thống sợi quang, nó cũng có một số ứng dụng quan trọng. XPM có thể dùng để điều chế tín hiệu “bơm” ở một bước sóng từ một tín hiệu được điều chế trên một bước sóng khác. Các kỹ thuật này có thể được dùng trong các thiết bị chuyển đổi bước sóng.
c. Khuếch tán tích lũy Raman (SRS):
Khuếch tán tích lũy Raman gây ra do sự tương tác ánh sáng với những phân tử. Ánh sáng đi vào gặp những phân tử tạo ra ánh sáng khuếch tán ở một bước sóng dài hơn bước sóng ban đầu. Một phần ánh sáng di chuyển trong sợi tích cực Raman bị dịch xuống vùng tần số thấp hơn. Ánh sáng được tạo ra từ tần số thấp hơn được gọi là
Stokes wave. Phạm vi tần số chiếm bởi Stokes wave được xác định bởi phổ độ lợi Raman thấp hơn tần số ánh sáng đi vào khoảng 40 THz. Trong sợi silica, Stokes wave có một độ lợi cực đại ở tần số thấp hơn tần số tín hiệu ngõ vào khoảng 13.2 THz.
Phần công suất truyền cho sóng Stokes tăng nhanh khi công suất tín hiệu ngõ vào tăng. Khi công suất ngõ vào rất cao, SRS sẽ làm cho hầu hết tất cả các công suất ngõ vào chuyển sang sóng Stokes.
Trong các hệ thống đa bước sóng, các kênh bước sóng ngắn hơn sẽ mất một số công suất cho mỗi kênh bước sóng cao hơn trong phổ độ lợi Raman. Để giảm lượng mất mát, công suất trên mỗi kênh cần phải thấp hơn một mức nào đó. Người ta chứng minh rằng, trong một hệ thống 10 kênh với khoảng cách kênh 10 nm, công suất trên mỗi kênh nên được giữ thấp hơn 3 mW để tối thiểu hóa các ảnh hưởng của SRS.
d. Khuếch tán tích lũy Brillouin (SBS):
SBS tương tự như SRS, ngoại trừ dịch tần số bị gây ra bởi các sóng âm thanh chứ không phải là sự dao động phân tử. Các đặc điểm khác của SBS là các sóng Stokes truyền theo hướng ngược lại với ánh sáng đi vào, và SBS xảy ra ở công suất ngõ vào tương đối thấp cho các xung rộng (lớn hơn 1µs) nhưng lại ảnh hưởng không đáng kể đối với các xung ngắn (ngắn hơn 10 ns). Cường độ ánh sáng khuếch tán trong SBS lớn hơn nhiều trong SRS, nhưng phạm vi tần số của SBS trong tầm 10 GHz thấp hơn nhiều so với SRS. Độ lợi băng thông của SBS cũng chỉ trên 100 MHz.
Để ngăn các ảnh hưởng của SBS, công suất ngõ vào phải dưới một mức ngưỡng nào đó. Trong các hệ thống đa bước sóng, khuếch tán tích lũy Brillouin cũng gây ra xuyên kênh giữa các tín hiệu.
e. Trộn bốn bước sóng (FWM):
Trộn bốn bước sóng xảy ra khi hai bước sóng, hoạt động ở các tần số f1 và f2, trộn với nhau để tạo ra các tín hiệu 2f1 – f2 và 2f2 – f1. Các tín hiệu thêm vào, cũng có thể gây nhiễu nếu chúng trùng với các tần số dùng để truyền dữ liệu. Tương tự, trộn củng có thể xảy ra giữa sự kết hợp của ba bước sóng hoặc nhiều hơn. Ảnh hưởng cùa FWM trong các hệ thống WDM có thể giảm xuống bằng cách sử dụng các kênh được cách nhau không đồng đều.
FWM có thể được dùng để cung cấp chuyển đổi bước sóng.
2.4Các thành phần trong hệ thống thông tin quang
Trong thông tin quang, tín hiệu quang (ánh sáng) được phát đi ở nguồn truyền qua môi trường truyền thông là sợi quang để đến nơi thu. Kỹ thuật điều chế được sử dụng
Mux Demux
Amplifier
phổ biến nhất là điều chế OOK (on-off keying). Tín hiệu vào được phát hiện trực tiếp ở bộ thu và việc quyết định được dựa vào năng lượng tích lũy trong một thởi khoảng bit.
Một hệ thống thông tin quang cơ bản gồm có những thành phần như: các bộ nối, bộ phát quang, bộ thu quang, các bộ khuếch đại quang, các chuyển mạch, các bộ lọc, các bộ ghép và tách kênh quang. Hình 2.10 cho thấy những thành phần của một hệ thống thông tin quang với một bộ khuếch đại.
Hình 2.11: Hệ thống thông tin quang
2.4.1Các bộ ghép
Một bộ ghép định hướng được dùng để kết hợp và chia các tín hiệu trong một mạng quang. Một bộ ghép 2 x 2 bao gồm hai cổng vào và hai cổng ra, như chỉ ra trong hình 2.11. Các bộ ghép được sử dụng rộng rãi nhất được làm bằng cách nối hai sợi với nhau ở giữa. Chúng cũng có thể được chế tạo bằng cách dùng ống dẫn sóng. Bộ ghép lấy một phần nhỏ công suất (α) từ ngõ vào 1 để đưa ra ngõ ra 1 và phần còn lại (1-α) đưa ra ngõ 2. Tương tự, phần công suất (1-α) từ ngõ vào 2 được phân phối đến ngõ ra 1, phần còn lại (α) đến ngõ ra 2. Ta gọi α là tỉ số ghép. Hình 2.12: Bộ ghép định hướng Transmitter (ITU Laser) Transmitter (ITU Laser) Transmitter (ITU Laser) Transmitter (ITU Laser) Receiver Receiver Receiver Receiver
Nguyên lý hoạt động: khi hai ống dẫn sóng được đặt gần nhau, ánh sáng sẽ “ghép” từ ống dẫn sóng này sang ống dẫn sóng kia. Đây là do các mode truyền sóng của ống dẫn sóng kết hợp khá khác với mode truyền sóng của một ống dẫn sóng đơn lẻ. Khi hai ống dẫn sóng giống hệt nhau, ánh sáng sẽ được phóng vào một ống sẽ ghép sang ống khác hoàn toàn và sau đó quay về ống ban đầu một cách định kỳ.
2.4.2Bộ cách ly và bộ truyền
Bộ ghép và các thiết bị quang thụ động khác là những thiết bị thuận nghịch, chúng sẽ hoạt động giống nhau một cách chính xác nếu ngõ vào và ngõ ra được đảo lại. Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống có một nhu cầu đối với các thiết bị thụ động không thuận nghịch. Bộ cách ly là một ví dụ cho loại thiết bị này. Chức năng chính của nó là cho phép truyền dẫn một hướng xuyên qua nó nhưng chặn hướng ngược lại. Bộ cách ly được sử dụng trong hệ thống ở ngõ ra của các bộ khuếch đại quang và lasers chủ yếu để ngăn sự phản xạ từ những nguồn đi vào thiết bị làm giảm chất lượng hệ thống. Hai thông số chính của bộ cách ly là hệ số suy hao (insertion loss), là mất mát theo hướng gửi tới, nên càng nhỏ càng tốt; và hệ số cách ly (isolations), là suy hao theo hướng ngược lại, càng lớn càng tốt. Hệ số suy hao tiêu biểu gần 1dB, còn hệ số cách ly gần 40- 50 dB.
Một bộ truyền (circulator ) tương tự như một bộ cách ly, ngoại trừ nó có nhiều cổng, điển hình là ba hoặc bốn cổng, như được vẽ trong hình 2.12. Trong bộ truyền ba cổng, một tín hiệu ngõ vào trên cổng 1 được gửi ra trên cổng 2, một tín hiệu vào trên cổng 2 được gửi ra trên cổng 3, và một tín hiệu vào cổng 3 sẽ được gửi ra cổng 1. Các bộ circulator được dùng để xây dựng các phần tử xen/rớt quang.
2.4.3Nguồn phát quang
Bộ phát quang có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Ánh sáng phát ra từ các nguồn này được ghép vào sợi quang để truyền đi. Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện nay là:
• Diode phát quang hay LED (Light Emitting Diode)
• LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiasion)
Để xây dựng thành công các hệ thống thông tin quang. Các nguồn phát quang cần có các tính chất vật lý sau:
• Phù hợp với kích thước các sợi quang
• Phóng đủ công suất quang vào sợi để khắc phục suy hao cho phép tín hiệu
có thể được phát hiện ở đầu thu.
• Phát ra ánh sáng ở các bước sóng làm tối thiểu hóa suy hao và tán xạ. Các nguồn quang nên có một bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu tán xạ.
• Duy trì sự vận hành ổn định trong những điều kiện môi trường thay đổi
• Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang ngõ ra
• Giá thành thấp và tin cậy hơn các thiết bị điện tử, cho phép các hệ thống thông tin sợi quang có thể cạnh tranh với những hệ thống thông tin thường. Nguồn phát quang cho những hệ thống ghép kênh đa bước sóng là những laser có độ phân giải cao, băng hẹp, chính xác. Những laser này cho phép khoảng cách kênh nhỏ, tăng số bước sóng có thể sử dụng ở dải 1500nm và giảm các ảnh hưởng xấu đến tín hiệu như sự tán xạ. Chúng giảm nhỏ suy hao công suất, cho phép truyền ở những khoảng cách xa và mức độ toàn vẹn của tín hiệu cao. Những laser này có thể sử dụng các bộ khuếch đại quang để nâng độ lớn của tín hiệu với những khoảng cách mở rộng và loại bỏ các bộ khuếch đại điện tử cần thiết để tái tạo từng tín hiệu quang. Hầu hết các hệ thống laser được thiết kế để làm việc với những bước sóng được quy định bởi ITU-T.
2.4.4Tách sóng quang
Bộ tách sóng quang chuyển các luồng ánh sáng đi vào thành các dòng điện. Dòng điện sau đó được khuếch đại và đi xuyên qua một thiết bị ngưỡng. Một bit ở logic 0 hay 1 phụ thuộc vào dòng điện này ở trên hay dưới một ngưỡng nào đó trong thời gian bit. Nói cách khác, sự quyết định được thực hiện dựa vào sự hiện diện của ánh sáng trong suốt thời khoảng bit.
Các thiết bị tách sóng cơ bản cho các mạng quang tách sóng trực tiếp là các diot PN và PIN. Cấu tạo của chúng cũng phát triển từ tiếp giáp P-N. Dưới hiệu ứng quang- điện, ánh sáng đi vào mối nối P-N sẽ tạo ra các cặp electron-lỗ trống trong cả hai vùng của diot. Các electron được giải phóng trong vùng “p” sẽ đi qua vùng “n”, và các lỗ trống tạo ra trong vùng “n” sẽ xuyên qua vùng “p”, kết quả là tạo ra một dòng điện.
Một phương pháp khác là tách sóng kết hợp. Trong đó thông tin về pha được sử dụng để mã hóa và tách sóng tín hiệu. Luồng ánh sáng vào với một tần số hơi khác tần số bộ dao động, được kết hợp với tín hiệu từ bộ dao động tạo ra một tín hiệu ở tần số khác. Tín hiệu này trong tầm sóng vi ba sẽ được khuếch đại và tách sóng. Tách sóng kết hợp phức tạp hơn tách sóng trực tiếp nhưng nó cho phép nhận các tín hiệu yếu từ một nền nhiễu. Tuy nhiên trong hệ thống quang, việc duy trì thông tin về pha cho tách sóng trực tiếp là điều khó thực hiện.
Theo sau là một số yêu cầu đối với các bộ tách sóng quang để tương thích trong hệ thống WDM:
• Phù hợp với kích thước sợi quang để việc ghép được hiệu quả và đóng gói
dễ dàng.