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:

Nmod = 12 .V2

(2.9)

* 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

t22 − 21 (2.10)

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 2.21. 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 2.21. 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:

τvl = 2 2 0 ( ) . λ λ λ λ d n d c L ∆ (2.11)

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

- Tán sắc mode

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: τmod= (n1 n2)

c

L − (2.12) Độ dãn xung đối với sợi MM - GI là: τmod =

c n L . 8 . 2 1∆ (2.13)

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 (2.14) 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 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 2.22. 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 0,9 àm, 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 = 0,85 àm.

Vựng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, cú bước súng trong dải λ = 1,2 ữ 1,35àm, α = 0,3 ữ 0,5 dB/km. Được sử dụng trong cỏc đường trung kế. Bước súng trung tõm là λ = 1,3 àm.

Vựng 3: Đõy là vựng cú suy hao thấp nhất với dải bước súng λ=1,5ữ1,7àm, α=0,15ữ0,25dB/km. Được sử dụng trong cỏc mạng lừi cú tốc độ truyền dẫn lớn. Bước 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 2.22. 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.

2.4. Kết luận chương

Tỏc giả đó giải quyết được những đặc tớnh kỹ thuật của sợi quang và cỏp quang. Để ứng dụng quang trong hệ thống thụng tin thỡ sợi quang phải được bọc thành cỏp. Với cỏc mụi trường khỏc nhau thỡ cấu trỳc của cỏp quang cũng khỏc nhau để phự hợp với nhu cầu thưc tế. Tuy nhiờn, để đảm bảo chất lượng tốt của hệ thống thỡ cỏc thiết bị phỏt quang cũng như cỏc thiết bị thu quang cũng gúp một phần rất quan trọng

Việc xem xột cỏc đặc tớnh kỹ thuật của thiết bị thu quang là một yếu tố rất quan trọng. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào cỏc thiết bị thu quang mà ở đõy ta xột chủ yếu đến LD. Nếu một sợi quang chỉ truyền tớn hiệu trong một sợi dẫn quang thỡ hệ thống khụng đỏp ứng được nhu cầu trao đổi thụng tin ngày càng cao vỡ thế cỏc phương phỏp ghộp kờnh quang ra đời

Chương III

NGUYấN Lí GHẫP KấNH VÀ TRUYỀN DẪN QUANG 3.1. 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 2,5 Gbit/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.

3.2. Kỹ thuật ghộp kờnh phõn chia theo thời gian OTDM

Trong những năm gần đõy, cụng nghệ thụng tin quang đó đạt được những thành tựu rất lớn trong đú phải kể đển kỹ thuật ghộp kờnh quang, nú thực hiện việc ghộp cỏc tớn hiệu ỏnh sỏng để truyền trờn sợi dẫn quang và việc ghộp kờnh sẽ khụng cú một quỏ trỡnh biến đổi về điện nào. Mục tiờu của việc ghộp kờnh cũng nhằm tăng dung lượng kờnh truyền dẫn và tạo ra cỏc tuyến thụng tin quang cú dung lượng cao. Khi tốc độ đạt tới một mức độ nào đú thỡ người ta thấy hạn chế của cỏc mạch điện tử trong việc nõng cao tốc độ truyền dẫn, và bản thõn cỏc mạch điện tử khụng đảm bảo được đỏp ứng xung tớn hiệu cực kỳ hẹp cựng với nú là chi phớ cao. Để khắc phục tỡnh trạng trờn thỡ kỹ thuật ghộp kờnh quang đó ra đời và cú nhiều phương phỏp ghộp kờnh khỏc nhau nhưng phương phỏp ghộp kờnh quang phõn chia theo thời gian (OTDM - Optical Time Division Multiplexing) là ưu việt hơn cả và được sử dụng phổ biến trờn toàn thế giới. Đối với OTDM, kỹ thuật ghộp kờnh ở đõy cú liờn quan đến luồng tớn hiệu ghộp, dạng mó và tốc độ đường truyền.

Như ta đó biết, cỏc hệ thống thụng tin quang thớch hợp với cụng nghệ truyền dẫn SDH. Kỹ thuật SDH sẽ ghộp cỏc kờnh để tạo ra cỏc luồng tớn hiệu quang, cũn OTDM sẽ thực hiện việc ghộp cỏc luồng quang này để tạo ra cỏc tuyến truyền dẫn cú dung lượng cao.

3.2.1. Nguyờn lý ghộp kờnh OTDM

Trong hệ thống thụng tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM thỡ chuỗi xung hẹp được phỏt ra từ nguồn phỏt thớch hợp. Cỏc tớn hiệu này được đưa vào khuếch đại nhằm nõng mức tớn hiệu đủ lớn để đỏp ứng được yờu cầu. Sau

điều chế ngoài với tớn hiệu nhỏnh cú tốc độ B Gbit/s. Để thực hiện ghộp cỏc tớn hiệu quang này với nhau, cỏc tớn hiệu nhỏnh phải được đưa qua cỏc bộ trễ quang. Tuỳ theo vị trớ của từng kờnh theo thời gian trong khung mà cỏc bộ trễ này sẽ thực hiện trễ để dịch cỏc khe thời gian quang một cỏch tương ứng. Thời gian trễ là một chu kỳ của tớn hiệu clock và như vậy tớn hiệu sau khi được ghộp sẽ cú tớn hiệu là B Gbit/s. Bờn phớa thu, thiết bị tỏch kờnh sẽ tỏch kờnh và khụi phục xung clock khi đú sẽ đưa ra được từng kờnh quang riờng biệt tương ứng với cỏc kờnh quang ở đầu vào của bộ ghộp phớa phỏt.

Sơ đồ khối dưới đõy mụ tả hoạt động của hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật OTDM.

Cỏc hệ thống ghộp kờnh OTDM thường hoạt động ở vựng bước súng 1550nm, tại bước súng này cú suy hao quang nhỏ và lại phự hợp với bộ khuếch đại quang sợi cú mặt trong hệ thống. Cỏc bộ khuếch đại quang sợi cú chức năng duy trỡ quỹ cụng suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ S/N ở phớa thu quang.

3.2.2 Phỏt tớn hiệu trong hệ thống OTDM

Hỡnh 3.1: Sơ đồ tuyến thụng tin quang dựng kỹ thuật OTDM ghộp 4 kờnh quang

Sợi quang Tớn hệu Nguồn phát Chia quang Điều chế Điều chế Điều chế Phát xung nhịp Tác h kênh KĐ quang Ghép quang Trễ quang qquaquang Điều chế KĐ quang

Hệ thống thụng tin quang sử dụng kỹ thuật ghộp kờnh OTDM ỏp dụng hai kỹ thuật phỏt tớn hiệu chủ yếu sau:

- Tạo luồng số liệu quang số RZ thụng qua việc sử lý quang luồng NRZ - Dựa vào việc điều chế ngoài của cỏc xung quang.

Trong kỹ thuật tạo luồng số liệu quang số RZ thụng qua việc sử lý quang luồng NRZ, từ luồng NRZ ta thực hiện biến đổi chỳng để đưa về dạng tớn hiệu RZ bằng cỏch cho luồng tớn hiệu NRZ qua phần tử xử lý quang cú cỏc đặc tớnh chuyển đổi phự hợp. Quỏ trỡnh biển đổi ỏnh sỏng liờn tục (CW) thành cỏc xung dựa vào bộ khuếch đại điện - quang. Đầu vào CW là luồng tớn hiệu quang NRZ và thường thỡ mỗi luồng NRZ yờu cầy một phần tử xử lý quang riờng. Nhưng với cỏc hệ thống tiờn tiến hơn sẽ cho phộp đồng thời thực hiện cả biến đổi và xen quang NRZ thành NZ nhờ một thiết bị chuyển mạch tớch cực điện - quang 2 x 2. Vỡ vậy, chựm tớn hiệu ban đầu NRZ tốc độ B Gbit/s sẽ được lấy mẫu nhờ bộ điều chế Mach - Zehnder, bộ điều chế này được điều khiển với một súng hỡnh sin với tần số B GHz và được làm bằng biờn độ cho đến giỏ trị điện ỏp chuyển mạch. Tớn hiệu quang số này sẽ được biến đổi thành dạng RZ ở tốc độ B Gbit/s với độ rộng xung bằng một nửa chu kỳ bit và việc này nhằm mục đớch tạo ra một khoảng để xen vào một luồng tớn hiệu dạng RZ thứ hai. Việc xen kờnh thứ hai được thực hiện nhờ bộ ghộp.

Cụng nghệ nguồn phỏt quang trong ghộp kờnh cũng được lưu ý, đú là Cỏc Laser cú thể phỏt xung rất hẹp ở tốc độ cao và đầu ra của nguồn là cỏc bộ chia quang thụ động, cỏc bộ điều chế ngoài và tiếp đú là cỏc bộ trễ thời gian, cỏc bộ tỏi hợp vẫn sử dụng couple. Cỏc sản phẩm của phớa phỏt OTDM được phỏt hầu như dựa vào cỏc cụng nghệ tổ hợp mạch lai ghộp và điều này đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp hành nghiờn cứu.

Đối với hệ thống sử dụng kỹ thuật OTDM, khi lựa chọn tuyến quang cho hệ thống ta cần quan tõm đến tỷ lệ “đỏnh điểm - khoảng trống” và nú tuỳ thuộc vào mức độ ghộp kờnh đặt ra. Trong hệ thống OTDM 4 kờnh, tỷ lệ “đỏnh điểm - khoảng trống” lớn hơn đối với nguồn phỏt xung quanh. Khi tuyến truyền dẫn rất xa thỡ tỷ lệ này sẽ yờu cầu cao hơn. Cỏc nguồn phỏt xung