1. 4 Ưu nhược điểm của sợi quang nhựa POF
2.1. Tán sắc trong sợi quang POF
2.1.1. Khái niệm tán sắc
Tán sắc là hiện tượng các thành phần (có thể là mode sóng, bước sóng ánh sáng, hoặc các trạng thái phân cực của ánh sáng) của xung di chuyển trong sợi quang với vận tốc khác nhau gây nên sự dãn rộng xung ánh sáng và khiến các xung lân cận có thể bị chồng lấn lên nhau. Điều đó dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm và tỉ số chất lượng hệ thống giảm.
Do D là độ tán sắc tổng cộng, đơn vị là giây (s). Khi đó D được xác định bởi công thức 2 2
0 i
D= τ τ− , trong đó τ i, τ0 lần lượt là độ rộng tại điểm một nửa công suất cực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi quang (đơn vị là s). Độ tán sắc qua mỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào bề rộng phổ của nguồn quang thì lúc đó đơn vị được tính là ps/km.nm.
Hình 2.1: Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc
Các nghiên cứu khoa học đã cho thấy rằng, có nhiều loại tán sắc trong sợi quang, ví như tán sắc mode (xảy ra trong sợi đa mode), tán sắc vật liệu (xảy ra do sự chênh lệch vận tốc nhóm) hay tán sắc ống dẫn sóng, …
2.1.2. Tán sắc trong sợi quang POF
Có một tham số rất quan trọng khi đề cập đến tán sắc trong POF, đó là chiết suất của sợi quang POF. Trong sợi quang POF, chiết suất là một hàm của bước sóng λ và được tính theo biểu thức [2]:
Trong đó bộ các hê số k1, k2, k3, k4, k5, k6 cũng được suy ra từ phương trình Solmolier.
Vấn đề cần quan tâm nhất bây giờ là hệ số tán sắc D trong sợi quang POF. Các nghiên cứu gần đây chủ yếu chỉ quan tâm tới hai loại tán sắc xảy ra trong sợi quang POF là tán sắc do vật liệu và tán sắc mode. Người ta ký hiệu là DMD hệ số tán sắc mode, được xác định theo công thức [3] vàDMT là tán sắc vật liệu được xác định theo công thức [4]:
Và
Trong đó:
g là chỉ số mũ chiết suất. Đối với sợi quang POF thì g=2.7
S
σ là độ rộng phổ xung đầu vào. λ là bước sóng công tác.
L là khoảng cách truyền dẫn.
2.2. Suy hao trong sợi quang POF 2.2.1. Khái niệm suy hao
Suy hao được định nghĩa là tham số thể hiện sự suy giảm công suất ánh sáng trong sợi quang. Nếu phát một tín hiệu có công suất (W) vào sợi quang có chiều dài L (km) thì tại đầu ra ta thu được tín hiệu có công suất được tính theo công thức Euler [5]:
Trong đó a (lần) là đơn vị suy hao trên tuyến quang còn L là khoảng cách truyền dẫn (km).
Trong thực tế người ta không hay dùng tham số a để tính toán suy hao mà thường sử dụng tham số α. α được gọi là hệ số suy hao (dB/km) và được tính theo biểu thức [6]:
Mối quan hệ giữa a và α được miêu tả trong biểu thức[7]:
Những nghiên cứu khoa học đã chứng minh rằng, có nhiều nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang thông thường, đặc biệt có thể chú ý đến như suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ tuyến tính, suy hao do uốn cong và nhiều nguyên nhân khác như do sự không hoàn hảo về cấu trúc, do hàn nối hay do môi trường. Đối với sợi đơn mode tiêu chuẩn, có ba vùng cửa sổ suy hao, mà tại đó, suy hao có giá trị thấp là vùng 850 nm; vùng 1310 nm và vùng 1420 nm.
Đối với sợi quang POF, tất nhiên tham số quan trọng đầu tiên được nghiên cứu chính là hệ số suy hao α. Một thực tế cho thấy rằng, những nghiên cứu khoa học gần đây chỉ quan tâm đến hai nguyên nhân chính gây ra suy hao trong sợi quang POF là suy hao do hấp thụ và suy hao do tán xạ Rayleigh. Trong phạm vi chương này, chúng ta cũng chỉ tập trung nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của hai nguyên nhân được nêu ở trên khi đánh giá suy hao trong sợi POF – PMMA.
a. Suy hao do hấp thụ
Sợi quang chất dẻo, cũng như những loại sợi quang khác, hấp thụ ánh sáng trong vùng tia cực tím. Quá trình hấp thụ xảy ra do quá trình chuyển đổi mức năng lượng giữa các điện tử trong sợi quang. Các vùng tập trung sự chuyển đổi mức năng lượng của các điện tử tập trung nhiều trong dải bước sóng tia cực tím và chính chúng là nguyên nhân gây ra sự suy giảm công suất truyền dẫn quang. Tổng quát hóa, hệ số suy hao αE, được gây ra do quá trình hấp thụ trong sợi quang POF được cho bởi biểu thức [8]:
b. Suy hao do tán xạ Rayleigh
Có một nguyên nhân quan trọng khác, xảy ra do sự thay đổi vi mô về mật độ trong sợi, sự thăng giáng các thành phần do sợi chất dẻo được cấu tạo từ nhiều loại chất khác nhau, chưa kể đến các khuyết tật hoặc cấu trúc không đồng nhất trong khi sản xuất sợi quang, được gọi là suy hao do tán xạ Rayleigh. Một cách tổng quát, hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh, được ký hiệu là αR được cho bởi biểu thức [9]:
2.3.Ảnh hưởng của suy hao và tán sắc lên quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang POF
2.3.1. Ảnh hưởng của suy hao
Từ biểu thức [8] và [9] ta suy ra hệ số suy hao tổng của sợi quang POF được tính theo biểu thức [10]:
Hình 2.2: Sự phụ thuộc của hệ số suy hao vào bước sóng công tác
Hệ số suy hao giảm khi bước sóng tăng lên.
Tại vùng ánh sáng nhìn thấy, hệ số suy hao của sợi quang POF là rất lớn. Như vậy có thể khẳng định rằng, tại điều kiện bình thường thì sợi quang POF khó có thể truyền được ánh sáng nhìn thấy.
Tại vùng bước sóng công tác (0.8μm 1.8μm) thì ảnh hưởng của suy hao do hấp thụ điện tử là không đáng kể, giá trị của hệ số suy hao tổng được coi như gần bằng giá trị của hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh.
Cũng từ biểu thức [5], [7], [10] ta suy ra biểu thức [11] biểu diễn sự phụ thuộc của công suất đầu ra theo bước sóng công tác và khoảng cách truyền dẫn khi công suất đầu vào là không thay đổi:
Nhận xét thấy sợi quang POF chỉ truyền được khoảng cách ngắn và ngắn hơn rất nhiều so với sợi quang thủy tinh, vì vây mà cho đến thời điểm này, những ứng dụng của POF vẫn chỉ giới hạn trong phạm vi mạng trong nhà.
2.3.2. Ảnh hưởng của tán sắc
Biểu thức [2] cho chúng ta thấy mối quan hệ giữa chỉ số chiết suất với bước sóng. Ở đây bộ các số k1, k2, k3, k4, k5, k6 là các tham số Solmolier và ta có:
Với T là nhiệt độ môi trường và Tr là nhiệt độ phòng (270C)
Hình 2.3: Sự phụ thuộc của chiết suất vào T và λ
Từ hình vẽ ta có thể thấy được sự ảnh hưởng lớn của nhiệt độ lên chiết suất của sợi quang POF, đặc biệt là trong vùng từ 300C đến 700C, còn trước đó, chiết suất của sợi quang POF gần như không thay đổi.
Cũng từ phương trình [3], [4] ta suy ra hệ số tán sắc tổng lên sợi quang POF được cho bởi biểu thức [12]:
Thay vào biểu thức [1] ta suy ra biểu thức [13] tính độ dãn xung ánh sáng khi truyền trong sợi quang POF:
Xét xung đầu vào là xung Gauss có chu kỳ T =10−11sT =10−11sđược biểu diễn bằng biểu thức [14]:
Phương trình thể hiện xung ánh sáng sau khi đi qua sợi quang chịu tác động của suy hao và tán sắc được cho bởi biểu thức [15]:
Từ hình vẽ 2.4 phía dưới ta thấy :
Khi truyền tín hiệu qua sợi quang POF, tín hiệu sẽ đồng thời chịu ảnh hưởng của suy hao và tán sắc. Kết quả là, biên độ của tín hiệu giảm xuống, đồng thời độ rộng xung tín hiệu tăng lên.
Hình 2.4: Sự ảnh hưởng của suy hao và tán sắc lên xung ánh sáng
Mối quan hệ giữa hệ số tán sắc và băng thông 3dB được cho bởi biểu thức [16]:
Với điều kiện xung đầu ra có dạng phân bố Gauss.
2.4. Kết luận
Với việc truyền dẫn trong các loại sợi quang nói chung cũng như sợi quang POF nói riêng, vấn đề suy hao và tán sắc là những tham số rất quan trọng để đánh giá chất lượng truyền dẫn của sợi. Chính vì vậy, chương 2 này đã đi nghiên cứu và đánh giá những ảnh hưởng của 2 loại tham số này trong sợi quang POF.
Đối với tán sắc trong sợi POF, người ta chỉ quan tâm tới tán sắc do vật liệu và tán sắc mode, các sợi PMMA về lý thuyết sẽ có giá trị tán sắc lớn hơn sợi thủy tinh thông thường. Với giá trị suy hao của sợi, hệ số suy hao rất lớn tại vùng ánh sáng nhìn thấy được, chính vì vậy mà sợi quang POF chỉ truyền được ở khoảng cách ngắn và
ngắn hơn nhiều so với sợi thủy tinh, do đó mà tới thời điểm hiện tại, ứng dụng của nói vẫn chỉ được giới hạn trong phạm vi mạng trong nhà.
Tuy vậy, trong thời điểm hiện tại, các nhà khoa học đang không ngừng nghiên cứu để đưa ra những giải pháp giảm giá trị suy hao và tán sắc trong sợi quang POF, và chắc chắn trong tương lai chúng ta sẽ được nhìn thấy những ứng dụng mới của sợi quang POF không chỉ được giới hạn ở phạm vi ngắn mà nó có thể được truyền dẫn tới những khoảng cách xa hơn nữa với chất lượng truyền dẫn tốt hơn.
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG SỢI QUANG POF
Nhằm khắc phục những nhược điểm của sợi quang thủy tinh thông thường, sợi quang nhựa POF được đưa ra như một loại sợi quang mới với nhiều tính năng nổi bật. Khả năng truyền thông tin tốc độ cao, đảm bảo độ tin cậy luôn là điều được quan tâm hàng đầu. Chính vì vậy những kỹ thuật điều chế được sử dụng trong loại sợi quang này cũng là điều cần được nghiên cứu. Hiện nay, do sợi quang GI-POF được đưa ra làm giải pháp hữu hiệu bởi tính năng truyền dẫn tốc độ lên tới Gbit/s cho khoảng cách rất xa, chính vì vậy trong phần này, các kỹ thuật điều chế sợi quang POF chỉ tập trung vào nghiên cứu cho loại sợi quang chiết suất biển đồi GI-POF. Với các kỹ thuật điều chế chính như : điều chế OFDM, M-QAM kết hợp ghép 5 sóng mang con, DMT và truyền dẫn tín hiệu UWB trên sợi quang POF.
3.1. Điều chế OFDM trong sợi quang GI-POF
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là trường hợp đặc biệt của kỹ thuật FDM, sử dụng phương pháp điều chế kỹ thuật số đa sóng mang. Những dữ liệu đầu vào được truyền trên các sóng mang con trực giao với nhau. Những sóng mang con được điều chế bằng những kỹ thuật số thông thường như QAM, hay PSK với tốc độ symbol thấp để tốc độ dữ liệu có thể tương đương với các đơn sóng mang tại cùng một băng tần. Ưu điểm của OFDM đó là có thể sử dụng truyền tín hiệu trên những kênh có chất lượng xấu, đặc biệt là khắc phục hiện tượng đa đường. Ứng dụng kĩ thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống được fading chọn lọc tần số. OFDM là kỹ thuật cơ bản cho hệ thống không dây băng rộng. Với những đặc tính và ưu điểm nổi trội của mình OFDM ngày càng được sử dụng nhiều trên các công nghệ thế hệ mới.
Trong những năm gần đây, công nghệ truy nhập kết hợp quang và vô tuyến là những đề tài nghiên cứu thú vị, sử dụng truyền tín hiệu vô tuyến OFDM trên sợi ROF (Radio over fiber) và một số công nghệ truyền dẫn tín hiệu OFDM trên sợi quang khác cũng được phát triển rộng. Vì vậy OFDM ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong truyền thông quang học.
Trong phần này, giới thiệu truyền tải tín hiệu 16Gb/s OFDM trên sóng mang cực ngắn 24GHz với sợi GI-POF- 1310nm. Sơ đồ truyền dẫn tín hiệu OFDM trên sợi GI-POF minh họa trên hình 3.1.
DFB-LD: Bộ tạo nguồn quang (laser diode). IM: bộ điều chế cường độ (intensitymodulator). EA: Bộ khuếch đại.
Hình 3.1: Sơ đồ truyền dẫn OFDM trên sợi GI-POF
Sóng ánh sáng từ nguồn DFB-LD có bước sóng 1310nm và công suất 10dBm được điều chế tại bộ điều chế IM được điều khiển bởi tín hiệu OFDM. Tín hiệu 16Gb/s OFDM tạo ra từ máy phát OFDM và sau đó được chuyển lên thành 24GHz để có thể nhận được tín hiệu RF-OFDM qua bộ trộn điện. Băng thông OFDM là 8GHz, kích cỡ FFT là 256, 200 kênh truyền dữ liệu, 55 kênh tại tần số cao để không vượt quá tỉ lệ lấy mẫu và một kênh ở giữa phổ OFDM cho việc đảm bảo DC không thuộc băng tần gốc. Bộ lọc thông thấp LPF với băng tần 5GHz để loại bỏ các quang phổ cao. Sau đó, RF-pilot tạo ra bằng cách chèn thêm một offset DC nhỏ trước khi qua bộ trộn tương tự I/Q để chuyển tín hiệu OFDM băng gốc thành IF (intermediate frequency)- OFDM. Tại điểm a, IM được điều khiển bởi tín hiệu OFDM tạo dải quang biên độ kép. Độ chênh lệch và công suất của tín hiệu RF được điều chỉnh thận trọng để phù hợp với tỉ lệ công suất giữa sóng mang quang và tín hiệu biên đầu tiên. Sau khi qua bộ IM, tín hiệu OFDM được truyền vào 50m sợi GI-POF có công suất đầu vào và đầu ra là 5.5dBm và 2.5dBm, có suy hao 60dB/km và bước sóng sử dụng 1300nm. Một bộ thu PIN đặt tại bên thu với băng thông 25GHz và nhiều copler đầu vào. Trước khi qua bộ LPF, tín hiệu điện 24GHz LO được trộn để chuyển đổi xuống tín hiệu điện với băng tần cơ sở của nó. Tín hiệu chuyển đổi xuống được lấy mẫu với thời gian thực. Giá trị BER được đo vòng lại và giá trị sau khi truyền qua 50m GI-POF nhỏ hơn 10-3 . Giá trị này nhỏ
hơn so với giá trị lỗi cho phép FEC là 2×10-3.
Truyền dẫn tín hiệu 16Gb/s OFDM trên sợi GI-POF giảm công suất phát do OSNR (signal-to-noise- ratio) nhỏ. Vì vậy OFDM trên GI-POF là một kỹ thuật có thể giúp ta có một mạng truy nhập quang băng rộng để cung cấp băng thông cần thiết và kết nối linh hoạt cho người sử dụng internet trong tương lai.
Điều chế biên độ cầu phương QAM kết hợp với ghép sóng mang con có thể được sử dụng truyền đa kênh trong dải thông của sợi quang đa mode MMF, để có thể tích hợp nhiều dịch vụ khác nhau trên cùng một sợi MMF.
Trong đồ án này, giới thiệu kỹ thuật ghép 5 sóng mang con kết hợp với tín hiệu 16-QAM và 64-QAM và truyền trên 100m sợi GI-POF với đường kính lõi 50µm. Tốc độ symbol trên mỗi kênh sóng mang con là 10Mbaud, khoảng cách các kênh là 20Mhz. Tốc độ bít tổng của 16-QAM và 64-QAM lần lượt là 200Mb/s và 300Mb/s. Dải thông sử dụng từ 1,96-6,04 Ghz. Tỉ lệ lỗi bít BER là dưới 10-9 cho mỗi kênh sóng mang con. Tổng dung lượng của hệ thống có thể đạt được 12.3Gb/s nếu sử dụng nhiều kênh sóng mang hơn để chiếm toàn bộ dải tần, và khi đó dung lượng cũng tăng do sử dụng nhiều symbol tốc độ cao hơn tại mỗi kênh. Các tần số của 5 sóng mang con thay đổi từ 2Mhz đến 6Mhz. Tỉ lệ lỗi bit BER nhỏ hơn 10-9 cho mỗi kênh.
Hình 3.2: Sơ đồ truyền tín hiệu QAM
Tín hiệu M-QAM được điều chế ngoài, 5 sóng mang con ghép vào tín hiệu M- QAM với khoảng cách bằng nhau. Đầu tiên thành phần đồng pha I và vuông pha Q được tạo ra riêng biệt từ máy phát dạng sóng ngẫu nhiên AWG có băng tần 100Mhz .