THƠNG TIN QUANG
Độ nhạy của máy thu quang học trong hệ thống thơng tin quang thực tế bị ảnh hưởng bởi một
số hiện tượng vật lý mà khi kết hợp cùng với tán sắc trong sợi quang, sẽ làm suy giảm SNR tại mạch quyết định. Những hiện tượng làm giảm độ nhạy của máy thu đĩ là: nhiễu mode, dãn xung do tán sắc và giao thoa giữa các ký tự, nhiễu phân chia mode, chirp tần số, hồi tiếp phản xạ. Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận xem chất lượng hệ thống bị ảnh hưởng như thế nào bởi tán sắc
trong sợi quang khi cĩ thêm các nguồn giảm trừ cơng suất do các hiện tượng trên. 5.3.1 Nhiễu mode
180
sợi quang đa mode tạo ra một mẫu đốm tại bộ tách quang. Sự phân bố cường độ khơng đều liên
quan tới mẫu đốm này sẽ vơ hại cho chính nĩ bởi vì chất lượng của máy thu được quyết định bởi cơng suất tổng cộng lấy trên tồn bộ vùng tách quang. Tuy nhiên, nếu mẫu đốm đĩ dao động theo thời gian, nĩ sẽ dẫn đến sự dao động trong cơng suất thu vì thế làm giảm SNR. Sự dao động như thế được xem như là nhiễu mode. Chúng luơn xảy ra trong sợi đa mode do các rối loạn cơ học như dao động và uống cong nhỏ. Hơn nữa, các mối hàn và connector hoạt động như các bộ lọc khơng gian. Bất kỳ sự thay đổi theo thời gian nào trong bộ lọc khơng gian được được chuyển thành các dao động đốm và sự tăng lên của nhiễu mode. Nhiễu mode bị ảnh hưởng mạnh bởi độ rộng phổ
nguồn quang ∆v kể bởi vì độ giao thoa mode chỉ xuất hiện chỉ nếu thời gian coherence (Tc ≈1/∆v) lớn hơn thời gian trễ giữa các mode ∆T được cho bởi phương trình 2.73. Đối với các máy phát sử dụng LED mà Δv đủ lớn (Δv ≈ 5THz) thì điều kiện này khơng đượcc thỏa mãn. Phần lớn các hệ thống thơng tin quang sử dụng sợi đa mode cũng sử dụng LED để tránh các vấn đề nhiễu mode.
Nhiễu mode trở nên nghiêm trọng khi các laser bán dẫn được sử dụng cùng với sợi đa mode. Hình 5.6 cho thấy sự giảm trừ cơng suất ứng với BER = 10-12 được tính cho hệ thống thơng tin
quang 1.3 μm tốc độ 140 Mb/s. Sợi chiết suất giảm dần cĩ đường kính lõi 50 μm và hỗ trợ 146 mode. Sự giảm trừ cơng suất phụ thuộc vào suy hao ghép chọn lựa mode xảy ra tại các mối hàn và connector. Nĩ cũng phụ thuộc phổ mode dọc của laser bán dẫn. Dễ thấy, sự giảm trừ cơng suất giảm khi số lượng mode dọc tăng thời gian coherence của ánh sáng phát ra giảm.
Nhiễu mode cũng cĩ thể xuất hiện trong các hệ thống đơn mode nếu cĩ các đoạn nhỏ sợi
quang giữa hai connector hay mối hàn trong khi quá trình sửa chửa hoặc bảo dưỡng thơng thường [2]. Một mode bậc cao cĩ thể được kích thích tại điểm gián đoạn sợi cáp xuất hiện tại mối hàn đầu tiên và sau đĩ được chuyển đổi trở lại mode cơ bản tại connector hay mối hàn thứ hai.
Hình 5-6: Sự giảm trừ cơng suất do nhiễu mode theo suy hao chọn lựa mode. Tham số M là tổng số mode dọc khi mà cơng suất của nĩ vượt quá 10% cơng suất đỉnh [2].
Bởi vì một mode bậc cao khơng thể truyền đi xa từ điểm kích thích, nên vấn đề này cĩ thể khắc phục bằng cách bảo đảm khoảng cách giữa hai connector hai mối hàn phải lớn hơn 2m. Nĩi chung, nhiễu mode khơng phải là một vấn đề đối với các hệ thống giao thơng tin quang sử dụng sợi đơn mode được thiết kế và bảo dưỡng hợp lý.
5.3.2 Dãn xung do tán sắc
Việc sử dụng sợi đơn mode trong hệ thống thơng tin quang giúp chúng ta tránh gần hết các vấn đề của tán sắc mode và nhiễu mode tương ứng. Tuy nhiên, tán sắc màu vẫn làm dãn xung và do đĩ làm giảm độ nhạy của máy thu. Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận sự giảm trừ cơng
suất liên quan tới sự suy giảm trong độ nhạy của máy thu.
Dãn xung do tán sắc ảnh hưởng tới chất lượng máy thu theo hai cách. Thứ nhất, một phần
năng lượng xung phân tán khỏi các khe bit và gây ra giao thoa giữa các ký tự (ISI). Trong thực tế, hệ thống được thiết kế để cực tiểu hĩa các ảnh hưởng của ISI [2]. Thứ hai, năng lượng xung trong các khe bit bị giảm khi các xung quang bị dãn ra. Sự suy giảm năng lượng như thế làm giảm SNR tại mạch quyết định. Bởi vì SNR cần được duy trì ổn định để duy trì chất lượng của hệ thống, máy thu yêu cầu cơng suất trung bình phải lớn hơn. Đây chính là nguồn gốc của sự giảm trừ cơng suất do giãn xung δd. Giả sử xung quang phát đi cĩ dạng Gausse, δd (tính theo dB) được tính bằng cơng thức [2]:
δd =10log10fb (5.14)
trong đĩ fb là hệ số dãn xung. Khi sự dãn xung chủ yếu là do độ rộng phổ của máy phát phát, thì fb
được cho bởi [2]:
Fb=б/б0 =[1+(DLбλ/б0)2]1/2 (5.15)
với σ0 là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của máy phát quang và бλ là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của nguồn quang được giả định là phân bố Gausse.
Các phương trình (5.14) và (5.15) cĩ thể được sử dụng để ước lượng sự giảm trừ cơng suất do tán sắc màu trong hệ thống thơng tin quang sử dụng sợi đơn mode cùng với laser đa mode hoặc LED. 5.3.3 Nhiễu phân chia mode ( Mode-Partition Noise MNP )
Trong chương 3 đã đề cập, các laser đa mode tạo ra nhiễu phân chia mode (MPN). Hiện tượng này xảy ra do sự tương tác giữa các cặp mode phân cực dọc. Cụ thể, các mode dọc khác nhau dao
động theo cách các mode riêng biệt tạo ra dao động về cường độ lớn mặc dù tổng cường độ là
khơng thay đổi. MPN là vơ hại khi khơng tán sắc trong sợi quang, bởi vì tất cả các mode vẫn được duy trì đồng bộ trong suốt quá trình truyền dẫn và tách sĩng. Trong thực tế, các chế độ khác nhau sẽ khơng đồng bộ khi chúng di chuyển nhẹ ở các tốc độ khác nhau bên trong sợi cáp do tán sắc vận tốc nhĩm. Do kết quả của sự tái đồng bộ hĩa này, cường độ bộ chứa tạo thêm sự dao động,và SNR ở mạch quyết định trở nên tồi tệ hơn khi khơng cĩ nhiễu chế độ từng phần . Một
cơng suất phạt cần phải cung cấp để cải thiện SNR đạt được cùng giá trị mà cần thiết để đạt được BER như yêu cầu. Ảnh hưởng của MPN đến quá trình hoạt động của hệ thống đã được nghiên cứu rộng rãi cho cả lade bán dẫn đa chế độ lẫn lase bán dẫn đơn mode.
5.3.4 Nhiễu phản xạ
182
hiệu năng của hệ thống. Thậm chí một lượng tương đối nhỏ của hiệu ứng cĩ thể ảnh hưởng đến
hoạt động của hệ thống laser bán dẫn và sẽ gây gia tăng nhiễu trong tín hiệu ở đầu phát. Thậm chí khi ta phân cách giữa bộ phận phát và sợi quang, hiệu ứng đa khúc xạ sẽ xảy ra mặt cắt và các mối nối, gây ra nhiễu nội và hạn chế q trình nhận tín hiệu. Phần này được viết để nĩi về hiệu ứng nhiễu gây nên do phản xạ ở đầu thu.
Hầu hết mọi hiện tượng phản xạ trong sợi quang đều cĩ nguồn gốc từ bề mặt thủy tinh và khơng khí, hệ số khúc xạ của các mơi trường này được tính theo cơng thức:
Rf = (nf – 1)2/(nf+1)2 trong đĩ nf là chiết suất của vật liệu làm nên sợi quang. Với silicat, Rf = 3.6% (-14.4 dB) nếu ta sử dụng nf =1.47. Giá trị này cĩ thể tăng lên 5.3% đối với sợi cĩ đáy trơn vì độ trơn cĩ thể tạo ra bề mặt mĩng hơn với chiết suất khoảng 1.6. Trong trường hợp đa phản xạ xảy ra giữa hai mặt cắt và mối nơi, hồi tiếp phản xạ cĩ thể tăng lên một cách đáng ngờ vì hai bề mặt phẳng hoạt động như một cái gương thuộc loại giao thoa Fabry-Perot. Khi hiện tượng cộng
hưởng xảy ra, sự phản xạ tăng lên đến 14% đối với bề mặt khơng trơn láng và trên 22% với bề mặt trơn láng. Rõ ràng, một phần nhỏ tín hiệu truyền cĩ thể được phản xạ trở lại trừ phi cần phải cân nhắc trong việc làm giảm hồi đáp quang. Một kỹ thuật phổ biến dùng để làm suy giảm hồi đáp phản xạ là sử dụng dầu hay gel cĩ chiết suất tuyệt đối gần với chiết suất tuyệt đối của thủy tinh – khơng khí. Thỉnh thoảng đỉnh của sợi quang được uốn cong hoặc cắt ở một gĩc để sự phản xạ ánh sáng lệch khỏi trục quang. Sử dụng cơng nghệ này cĩ thể làm hồi đáp phản xạ giảm cịn 0.1%.
Bán dẫn laser đặc biệt nhạy cảm với hồi tiếp quang [133], Cơng suất hoạt động của nĩ cĩ thể bị ảnh hưởng bởi hồi tiếp cỡ 80dB [126]. Yếu tố ảnh hưởng nghiêm trọng nhất trong việc phản xạ hồi đáp là bề rộng của đường truyền laser, nĩ cĩ thể thu hẹp hoặc mở rộng bởi các yếu tố được
sắp đặt trước, nĩ phụ thuộc vào độ xác của vị trí bề mặt, nguồn gốc của sự phản hồi tín hiệu [122]. Lí do gián tiếp cĩ thể là sự liên quan giữa độ nhạy và pha phản xạ của ánh sáng cĩ thể làm đảo lộn hịan tồn phase của tia laser mặc dù mức hồi đáp yếu. Những thay đổi của pha phản xạ bất lợi cho các hệ thống truyền thơng tin cĩ kết nối chặt chẽ với nhau. Hệ thống sĩng ánh thường bị ảnh hưởng của nhiễu nội hơn là nhiễu phase.