Đặc tớnh truyền dẫn của sợi quang

* Cỏc mode trong sợi quang

Việc giải phương trình Maxwell cho ta xỏc định được cỏc thành phõ̀n sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Nghiợ̀m riờng của phương trình sóng gõ̀n đỳng với cỏc sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là cỏc mode truyền trong sợi quang. Người ta chỉ quan tõm đến cỏc mode truyền dõ̃n và mong muụ́n trong sợi quang chỉ tụ̀n tại mode truyền dõ̃n. Trong một sợi quang có rất nhiờ̀u mode sóng có thờ̉ truyền lan. Sụ́ mode phụ thuộc vào đường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở sụ́ NA. Ta có thờ̉ xỏc định sụ́ cực đại mode trong sợi quang MMSI theo cụng thức sau [2]

Nmod = 12 .V2

(1.10)

* Tán sắc sợi quang

Khi truyền dõ̃n tín hiệu sụ́ qua sợi quang xuất hiợ̀n hiợ̀n tượng dãn rụ̣ng cỏc xung ánh sáng ở đầu thu. Hiợ̀n tượng này gọi là tán sắc trong sợi quang.

Độ tán sắc trờn một đơn vị dài =

L t

Trong đú L là chiờ̀u dài sợi quang, t1 là độ rụ̣ng xung vào ở mức 12 cụng suất,

t2 là độ rụ̣ng xung ra ở mức 21 cụng suất.

Cỏc nguyờn nhõn gõy nờn hiợ̀n tượng tán sắc trong sợi quang có thờ̉ liệt kờ như sau:

- Tán sắc vật liợ̀u

Trong thực tờ́ chờ́ tạo sợi quang chiết suất vật liợ̀u khụng phải là hằng sụ́ mà là hàm số theo bước sóng mà n = n(λ). Nờ́u nguồn quang bức xạ phỏt ra ánh sáng đơn

sắc với duy nhất bước sóng λ0 thì khụng có sự lệch thời gian truyền dõ̃n giữa cỏc phõ̀n

của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vọ̃n tốc ν =

λ

n c

=const. Tuy nhiờn LED và Laser diode thường bức xạ ra nhiờ̀u bước sóng khỏc nhau gõy nờn hiợ̀n tượng tán sắc vật liợ̀u. Hỡnh 1.23 mụ tả ánh sáng bức xạ của LED và Laser diode.

λ ∆ λ ∆ λ Laser 1-2 nm LED 30-40 nm P( )/Pmax 1 0.5 λ

Hỡnh 1.23. Quan hợ̀ P(λ)/Pmax phụ thuộc vào λ

Độ dãn xung τvl bởi nguồn sáng có độ rụ̣ng phụ̉ xỏc định ∆λ với bước sóng

trung tõm λ0 là: vl τ = 2 2 0 ( ) . λ λ λ λ d n d c L ∆ (1.12)

Trong đú C là vọ̃n tốc ánh sáng trong chõn khụng.

Chỉ đỏng kờ̉ ở sợi đa mode, tán sắc mode là do cỏc thành phõ̀n sóng truyền theo cỏc mode khỏc nhau qua sợi với khoảng thời gian khỏc nhau dõ̃n đến dãn rộng xung.

Độ dãn xung đối với sợi MM-SI là:

mod

τ = (n1 n2)

c L

− (1.13) Độ dãn xung đối với sợi MM-GI là:

mod τ = c n L . 8 . 2 1∆ (1.14)

- Tán sắc đường truyền

Sự truyền dõ̃n cỏc mode trong sợi phụ thuộc vào tỉ lợ̀ d/λ. Cỏc mode truyền dõ̃n

với λ khỏc nhau gõy tán sắc. Khi d lớn dõ̃n đến tán sắc nhỏ. Khi d nhỏ một phõ̀n ánh sáng

còn được dõ̃n trờn vỏ sợi quang gõy tán sắc lớn. Loại tán sắc này có ảnh hưởng lớn đến sợi SM-SI.

- Tán sắc mặt cắt

Trong thực tờ́ khụng chỉ chiết suất thay đổi theo λ mà độ chờnh chiết suất vỏ - lõi cũng biờ́n đổi theo λ gõy tán sắc gọi là tán sắc mặt cắt. Độ dãn xung ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chờ́ tạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang.

* Suy hao sợi quang

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu. Trong quỏ trỡnh thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tõm tới suy hao trong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang.

- Suy hao trong sợi quang

Là suy hao do bản chất của sợi quang. Là tham số đúng vai trũ quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, xỏc định khoảng cỏch giữa phớa phỏt và phớa thu. Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tỏn xạ và suy hao do bức xạ. Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao α và được tớnh theo cụng thức sau:

α=  out  in P P L log 10 (1.15)

Trong đú L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là cụng suất quang đầu vào, Pout là cụng suất quang đầu ra, α được tớnh theo dB/km. Suy hao trong sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tỏn xạ Rayleigh.

- Suy hao do hấp thụ vật liệu

Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nờn bản chất suy hao của sợi quang. Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gõy như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

+ Hấp thụ cực tớm hay cũn gọi là hấp thụ điện tử

- Suy hao do tỏn xạ

Do tớnh khụng đồng nhất trong lừi sợi gõy ra mặc dự rất nhỏ. Đú là do cú những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tớnh khụng đồng nhất về cấu trỳc hoặc cỏc khiếm khuyết trong quỏ trỡnh chế tạo sợi quang. Ánh sỏng truyền trong sợi quang bị tỏn xạ ra cỏc hướng và gõy ra tỏn xạ Rayleigh. Tỏn xạ Rayleigh chỉ cú ý nghĩa khi bước súng ỏnh sỏng cựng cấp với kớch thước của cơ cấu tỏn xạ. Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước súng (λ4

).

Hỡnh 1.24 miờu tả cỏc dạng suy hao trong sợi quang theo bước súng đối với sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh pha GeO2. Từ đú ta xỏc định được ba vựng bước súng cú suy hao nhỏ gọi là ba vựng truyền dẫn.

Vựng 1: Suy hao chủ yếu do tỏn xạ, một phần do hấp thụ, cú bước súng trong dải

λ=0,8 ữ 0,9àm, α=2 ữ 3 dB/km. Được sử dụng trong cỏc mạng LAN, cỏc đường thuờ bao số dịch vụ băng rộng. Bước súng trung tõm là λ = 0,85àm.

Vựng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, cú bước súng trong dải λ=1,2ữ1,35àm,

α=0,3ữ0,5 dB/km. Được sử dụng trong cỏc đường trung kế. Bước súng trung tõm là

λ=1,3àm.

Vựng 3: Đõy là vựng cú suy hao thấp nhất với dải bước súng λ=1,5ữ1,7àm,

súng trung tõm là λ=1,55àm. Đõy là vựng bước súng được sử dụng chủ yếu trong cỏc hệ thống thụng tin quang. Su y ha o (d B /K m ) Bước sóng ( )àm Thực nghiệm Hấp thụ hồng ngoại Tán xạ Rayleigh Hấp thụ cực tím

Sự không hoàn hảo của sợi quang

Hỡnh 1.24. Đặc tớnh suy hao theo bước súng đối với cỏc dạng suy hao

- Suy hao do uốn cong sợi

Là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kỡ một sợi quang nào bị uốn cong theo một bỏn kớnh xỏc định thỡ sẽ phỏt xạ ỏnh sỏng ra ngoài vỏ sợi gõy nờn suy hao tớn hiệu. Cú hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mụ và uốn cong vi mụ. Hiện tượng suy hao do uốn cong cú thể thấy rừ nhất khi gúc tới lớn hơn gúc tới hạn tại cỏc vị trớ sợi bị uốn cong.

CHƯƠNG 2

CễNG NGHỆ GHẫP KấNH THEO BƯỚC SểNG WDM 2.1. Giới thiệu

Ngày nay, dịch vụ thụng tin tăng trưởng nhanh chúng. Để thớch ứng với sự tăng trưởng khụng ngừng của dung lượng truyền dẫn thụng tin và thoả món yờu cầu về tớnh linh hoạt của sự thay đổi mạng, đó xuất hiện cỏc cụng nghệ ghộp kờnh như cụng nghệ ghộp kờnh phõn chia theo tần số quang OFDM, cụng nghệ ghộp kờnh quang phõn chia theo thời gian OTDM, cụng nghệ ghộp kờnh theo bước súng WDM.

Hệ thống WDM dựa trờn cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước súng ỏnh sỏng khỏc nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước súng cựng một lỳc này khụng gõy nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước súng đại diện cho một kờnh quang trong sợi quang. Cụng nghệ WDM phỏt triển theo xu hướng mà sự riờng rẽ bước súng của kờnh cú thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9

m, điều này dẫn đến cỏc hệ thống ghộp kờnh thep bước súng mật độ cao (DWDM). Cỏc thành phần thiết bị trước kia chỉ cú khả năng xử lý từ 4 đến 16 kờnh, mỗi kờnh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5Gbit/s cho tớn hiệu mạng quang phõn cấp số đồng bộ (SDH/SONET: Sychronouns Digital Hierarchy/ Sychronouns Optical Network - cấp số đồng bộ/ mạng quang đồng bộ). Cỏc nhà cung cấp DWDM (Density Wavelength Division Multiplexer) đó sớm phỏt triển cỏc thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn cỏc kờnh quang. Cỏc hệ thống với hàng trăm kờnh giờ đõy đó sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trờn một sợi đơn. Cú hai hỡnh thức cấu thành hệ thống WDM đú là:

Truyền dẫn hai chiều trờn một sợi và truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi

Với nhu cầu về thụng tin và truyền dẫn thụng tin của con người, đũi hỏi băng thụng truyền dẫn của mạng thụng tin quang phải lớn để đỏp ứng yờu cầu truyền dẫn. Để làm được điều này thỡ cỏc phương phỏp ghộp kờnh đó được nghiờn cứu và đưa vào sử dụng.

2.2.1. Ghộp kờnh phõn chia theo thời gian

Trong kỹ thuật ghộp kờnh theo thời gian, tớn hiệu quang trờn một sợi cỏp được chia sẻ với nhiều kờnh thụng tin thụng qua việc phõn chia thời gian. Trong một khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tớn hiệu quang được điều chế lần lượt với tớn hiệu từ cỏc kờnh thụng tin tương ứng. Độ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thụng số thiết kế kỹ thuật khỏc nhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liờn kết. Mỗi kờnh truyền dẫn được ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là một kờnh TDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu được truyền từ nguồn tới đớch. Dữ liệu từ cỏc nguồn khỏc khụng được phộp truyền trong suốt thời gian này. Thiết bị ghộp kờnh ở phớa phỏt chốn cỏc gúi dữ liệu từ cỏc nguồn khỏc nhau vào sợi cỏp trong cỏc khe thời gian tương ứng. Thiết bị tỏch kờnh ở phớa thu sẽ nhận dạng cỏc khe thời gian, đưa dữ liệu dưới dạng cỏc dũng liờn tục ra cỏc kờnh quang riờng rẽ như ở đầu vào bộ ghộp kờnh ở phớa phỏtNguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghộp kờnh theo thời gian thường là cỏc laser phỏt xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bước súng làm việc thường trong vựng 1550 nm do cú suy hao nhỏ nhất và phự hợp với cỏc bộ khuyếch đại quang sợi sử dụng trong hệ thống. Sợi quang Tín hiệu Nguồn phát Chia quang Điều chế Điều chế Điều chế Phát xung nhịp Tách kênh KĐ quang Ghép quang KĐ quang

Hỡnh 2.1. Hệ thống ghộp kờnh phõn chia theo thời gian TDM

Lợi ớch của cụng nghệ TDM là tăng dung lượng truyền dẫn của một kờnh cỏp quang đơn lờn trờn 10 Gb/s. Cỏc hệ thống hoạt động ở tốc độ trờn đang dần dần thay thế cỏc hệ thống TDM 2,5 Gb/s. Với cỏc tốc độ nhỏ hơn 10 Gb/s, cỏc đặc tớnh chủ yếu của sợi quang ớt ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, cũn với cỏc hệ thống hoạt động ở tốc độ lớn hơn 10 Gb/s thỡ phải quan tõm đến những ảnh hưởng của cỏc đặc tớnh của sợi quang. Mặc dự cỏc hệ thống 40 Gb/s sẽ nhanh chúng được sử dụng rộng rói và cỏc nhà khoa học cũng đang nghiờn cứu để đạt đến tốc độ 100 Gb/s, nhưng việc tăng tốc độ hơn nữa là khụng dễ dàng. Đú là do cỏc hệ thống tốc độ cao đũi hỏi cụng nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền.

2.2.2. Mạng quang đồng bộ/phõn cấp số đồng bộ

SONET (Sychronous Optical Network: Mạng khụng đồng bộ) là một chuẩn của American National Standards Institute để truyền dữ liệu đồng bộ trờn mụi trường truyền là cỏp sợi quang. Tương đương với SONET về mặt quốc tế là SDH. Cựng nhau, chỳng đảm bảo cỏc chuẩn sao cho cỏc mạng số cú thể nối với nhau trờn bỡnh diện quốc tế và cỏc hệ thống truyền quy ước đang tồn tại cú thể nắm được lợi thế của mụi trường cỏp sợi quang.

SONET/SDH lấy cỏc luồng n bit, ghộp chỳng lại, điều chế quang tớn hiệu và sử dụng thiết bị phỏt quang để gửi nú ra ngoài với một tốc độ bit tương đương với: (tốc

độ bit vào) * n. Vỡ vậy lưu lượng đi đến bộ ghộp kờnh SONET từ bốn đầu vào với tốc

độ 2,5Gbps sẽ đi ra như một luồng đơn ở tốc độ 4*2,5 Gbps = 10 Gbps. Nguyờn tắc này được minh họa trong hỡnh 2.2

Hỡnh 2.2. Nguyờn tắc ghộp kờnh trong SONET

Đơn vị đầu tiờn được dựng trong ghộp kờnh cỏc cuộc gọi điện thoại là 64 kbps biểu thị cho một khe thời gian (Time Slot). Ghộp hai mươi bốn (ở Bắc Mỹ) hoặc ba mươi hai ở (Chõu Âu). Khe thời gian này sử dung ghộp kờnh TDM tạo thành một luồng tớn hiệu cú tốc độ bit cao hơn (1,544 Mbps hoặc 2,048 Mbps) để truyền cỏc đường T1 và E1 tương ứng .

SONET cung cấp băng thụng khổng lồ dựa trờn nhiều tốc độ từ STS – 1 ở 51,84 Mbps đến STS – 192/ STM – 64 ở 10Gbps. OC – 768 (40 Gbps) chưa được phổ biến. SONET/SDH là nền tảng của cỏc mạng MAN qua nhiều thập niờn như là một lớp chuyển vận cơ bản cho cả chuyển mạch TDM và một phần cỏc mạng dữ liệu.

SONET/SDH cú một số trở ngại. Như TDM, khỏi niệm về độ ưu tiờn và tắc nghẽn khụng tồn tại trong SONET và SDH. Ghộp kờnh phõn cấp số cũng cứng nhắc như vậy. Chẳng hạn như nấc tiếp theo của TDM 10 Gbps (STS – 192) là 40Gbps (STS – 768). Vỡ hệ phõn cấp số được tối ưu cho lưu lượng tiếng núi, nờn sẽ khụng hiệu quả khi mang lưu lượng dữ liệu với cỏc khung SONET. Hơn nữa việc lắp đặt SONET/SDH khỏ đắt tiền.

2.2.3. Gigabit Ethernet

Ethernet là nghi thức được dựng cho mạng nội bộ phổ biến nhất trờn thế giới

hiện nay. Ethernet cú tốc độ lờn đến 100 Mbps, mang lại hiệu quả về mặt kinh tế cho cỏc kết nối mỏy chủ và xương sống.

Cụng nghệ Ethernet 10 Gigabit được xõy dựng trờn nghi thức Ethernet, nhưng cú tốc độ nhanh gấp 10 lần Ethernet (1000 Mbps). Ethernet Gigabit được triển khai như một cụng nghệ xương sống cho cỏc mạng đụ thị. Đối với mạng diện rộng WAN, Ethernet 10 Gigabit cho phộp cỏc ISP (Internet Service Provider) và NSP (Network Service Provider) tạo ra cỏc liờn kết tốc độ rất cao với giỏ thành thấp từ cỏc bộ chuyển mạch và cỏc bộ định tuyến trong phạm vi cụng ty cho đến thiết bị quang gỏn trực tiếp vào SONET/SDH. Cụng nghệ Ethernet Gigabit hỗ trợ cả cỏp sợi quang đơn mode và đa mode. Tuy vậy, Cỏc khoảng cỏch được hỗ trợ tựy vào cỏc kiểu cỏp sợi quang và bước súng được thực thi trong ứng dụng. Tuy vậy, Ethernet Gigabit khụng mang lại sự đảm bảo về chất lượng dịch vụ hay khả năng chịu lỗi.

2.3. Nguyờn lý ghộp kờnh quang theo bước súng WDM2.3.1. Định nghĩa 2.3.1. Định nghĩa

Ghộp kờnh theo bước súng WDM (Wavelength Division Multiplexing ) là cụng

nghệ “ trong một sợi quang truyền dẫn nhiều tớn hiệu quang với nhiều bước súng khỏc nhau”. Ở đầu phỏt, nhiều tớn hiệu quang cú bước súng khỏc nhau được tổ hợp lại (ghộp kờnh) để truyền đi trờn một sợi quang. Ở đầu thu, tớn hiệu tổ hợp đú được phõn giải ra (tỏch kờnh), khụi phục lại tớn hiệu gốc rồi đưa vào cỏc đầu cuối khỏc nhau.

2.3.2. Nguyờn lý cơ bản của WDM

Do cỏc nguồn phỏt quang cú độ rộng phổ khỏ hẹp, cỏc hệ thống thụng tin cỏp

sợi quang thường chỉ sử dụng phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi quang. Để tận dụng băng thụng, người ta đó tiến hành ghộp cỏc luồng ỏnh sỏng cú bước súng khỏc nhau và truyền đi trờn một sợi quang. Về lý thuyết, cú thể truyền một dung lượng rất lớn trờn một sợi quang từ nhiều nguồn phỏt quang khỏc nhau hoạt động ở cỏc bước súng khỏc nhau. Ở phớa thu cú thể thu được cỏc tớn hiệu quang riờng biệt nhờ quỏ trỡnh