Đề tài Công nghệ truyền hình cáp

ng - Suy hao bëi c¸c yÕu tè néi t¹i: + Lâi sîi bÞ elip + Kh«ng t­¬ng thÝch vÒ chiÕt xuÊt + Kh«ng ®ång nhÊt vÒ ®­êng kÝnh tr­êng mode Th«ng th­êng suy hao nèi ghÐp kho¶ng 0.2dB vµ suy hao mèi nèi kho¶ng 0.05dB. 3.3.4 - §é nh¹y thu vµ quü c«ng suÊt Do suy hao sîi quang, c«ng suÊt ¸nh s¸ng sÏ bÞ suy gi¶m khi lan truyÒn vµ suy hao sîi sÏ h¹n chÕ cù ly liªn l¹c vµ tèc ®é bÝt. Giíi h¹n suy hao ®ã cã thÓ ®­îc thÊy râ th«ng qua kh¸i niÖm ®é nh¹y thu vµ quü c«ng suÊt. 1 - §é nh¹y thu Trong mçi hÖ thèng viÔn th«ng, mét c«ng suÊt thu tèi thiÓu cÇn thiÕt ph¶i cã ®Ó ®¹t ®­îc c¸c ®Æc tÝnh nhÊt ®Þnh, c«ng suÊt thu tèi thiÓu ®ã ®­îc gäi lµ ®é nh¹y thu. NÕu c«ng suÊt tÝn hiÖu thu ®­îc thÊp h¬n c«ng suÊt tèi thiÓu cÇn thiÕt th× hÖ thèng sÏ kh«ng tho¶ m·n c¸c chØ tiªu kü thuËt hoÆc thËm chÝ cã thÓ kh«ng lµm viÖc ®­îc. 2 – BER cña truyÒn dÉn sè BER = ò ¥ SNR e - dx = Q() » e - (3.9) Trong truyÒn dÉn sè, phÈm chÊt ®­îc ®¸nh gi¸ dùa trªn th«ng sè BER mµ nã lµ phÇn tr¨m c¸c bÝt lçi thu ®­îc. Mét nguyªn nh©n c¬ b¶n g©y ra c¸c bÝt lçi chÝnh lµ t¹p ©m. C«ng suÊt tÝn hiÖu cµng lín h¬n c«ng suÊt t¹p ©m th× BER cµng nhá. Tõ kÕt qu¶ c¸c nghiªn cøu, BER ®èi víi c¸c t¹p ©m tr¾ng ph©n bè Gauss (chÝnh lµ t¹p ©m nhiÖt) ®­îc tÝnh nh­ sau: Víi tØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m SNR >>1. NÕu BER yªu cÇu nhá h¬n 10-9 th× SNR sÏ ph¶i Ýt nhÊt lµ 36 lÇn tøc lµ 16dB. V× vËy, víi mét c«ng suÊt t¹p ©m tæng céng ®· cho cña hÖ thèng, ®é nh¹y thu sÏ ph¶i gÊp 36 lÇn c«ng suÊt t¹p ©m. 3 – Quü c«ng suÊt Quü c«ng suÊt ®­îc ®Þnh nghÜa lµ hiÖu sè gi÷a møc c«ng suÊt ph¸t vµ c«ng suÊt thu cÇn thiÕt vµ ®­îc tÝnh theo c«ng thøc: Bp = (3.10) HoÆc: BD[dB] = PTx[dBm] – PRxmin[dBm] (3.11) Víi: PTx[dBm]: lµ c«ng suÊt ph¸t PRxmin[dBm]: lµ c«ng suÊt thu tèi thiÓu cÇn thiÕt (®é nh¹y thu) Nh­ vËy, suy hao tæng céng trªn ®­êng truyÒn ph¶i thÊp h¬n quü c«ng suÊt. Trong sîi quang, suy hao ®­îc tÝnh theo dB/km. NÕu mét sîi quang cã ®é dµi L[km] vµ cã suy hao asîi[dB/km] th× suy hao tæng céng cña sîi lµ asîi.L[dB]. V× vËy ta cÇn cã: asîi.L + aghÐp nèi.N + Aloss £ Quü c«ng suÊt (3.12) Trong ®ã: asîi[dB/km]: lµ suy hao sîi aghÐp nèi[dB/mèi hµn]: lµ suy hao mçi ghÐp nèi N: lµ tæng sè ®iÓm ghÐp nèi trªn tuyÕn truyÒn dÉn Alos[dB]: lµ c¸c suy hao kh¸c Quü c«ng suÊt cã thÓ ®­îc c¶i thiÖn b»ng mét sè c¸ch, vÝ dô nh­: cã thÓ t¨ng PTx b»ng c¸ch t¨ng c«ng suÊt ra cña laser hoÆc gi¶m PRxmin b»ng c¸c bé t¸ch sãng quang d¹ng th¸c lò (Avalanche Photodetector). Quü c«ng suÊt cßn cã thÓ t¨ng lªn b»ng c¸ch sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i quang mµ chóng cã thÓ rÊt quan träng trong c¸c hÖ thèng th«ng tin xuyªn ®¹i d­¬ng bëi ë c¸c hÖ thèng nµy th× suy hao lµ yÕu tè v« cïng quan träng ¶nh h­ëng ®Õn hÖ thèng. 3.3.5 - C¸c giíi h¹n bëi suy hao Tõ biÓu thøc vÒ quü c«ng suÊt (3.12) ta thÊy cù ly truyÒn dÉn bÞ h¹n chÕ bëi: Lmax = {10lgPTx – 10lgPRxmin - Aloss} (3.13) Trong ®ã: asîi[dB/km]: lµ suy hao sîi PTx[dBm]: lµ c«ng suÊt ph¸t PRxmin[dBm]: lµ ®é nh¹y thu ®Ó ®¶m b¶o chÊt l­îng truyÒn dÉn nhÊt ®Þnh. Alos[dB]: lµ c¸c suy hao kh¸c NÕu c«ng suÊt ra PTx cña bé ph¸t vµ suy hao sîi quang asîi lµ cho tr­íc th× kho¶ng c¸ch liªn l¹c cã thÓ ®¹t ®­îc phô thuéc c¬ b¶n vµo PRxmin. VÝ dô: NÕu PTx = 0dBm, PRxmin = -45dBm, asîi = 0.2dB/km, N = 2 vµ c¸c suy hao kh¸c trªn hÖ thèng Aloss = 5dB th× ta cã: Quü c«ng suÊt = 45dB. Tõ ®ã ta tÝnh ®­îc kho¶ng c¸ch tèi ®a: Lmax = (45 – 5 -2)/0.2 = 190[km] 3.3.6 - TruyÒn lan ¸nh s¸ng trong sîi quang Ngoµi vÊn ®Ò suy hao, t¸n s¾c sîi (Dispersion) còng lµ mét yÕu tè h¹n chÕ kh¸c ®Õn viÖc truyÒn dÉn sãng ¸nh s¸ng. T¸n s¾c lµ mét hiÖn t­îng mµ c¸c photon (tøc lµ c¸c mode) cã tÇn sè kh¸c nhau truyÒn lan víi c¸c vËn tèc kh¸c nhau. Do vËy, mét xung ¸nh s¸ng sÏ trë nªn réng h¬n vµ chång lÊn lªn nhau khi nã truyÒn lan trªn sîi quang. Trong phÇn nµy sÏ ®i vµo c¬ së vËt lý cña viÖc truyÒn lan ¸nh s¸ng trong sîi quang, sau ®ã sÏ ®Ò cËp ®Õn c¸c d¹ng t¸n s¾c kh¸c nhau trong sîi vµ c¸c h¹n chÕ do t¸n s¾c. ViÖc truyÒn lan tÝn hiÖu trong sîi quang cã thÓ ®­îc m« t¶ b»ng ph­¬ng ph¸p quang h×nh hoÆc b»ng c¸c hµm Maxwell cã thÓ thÓ hiÖn mét c¸ch chÝnh x¸c, tuy nhiªn rÊt phøc t¹p. §Ó ®¬n gi¶n trong ®å ¸n nµy chñ yÕu xem xÐt b¶n chÊt vËt lý cña viÖc truyÒn sãng víi mét møc ®é to¸n häc ®¬n gi¶n nhÊt. 3.3.6.1 TruyÒn lan tÝn hiÖu trong sîi quang §Ó truyÒn ®­îc trong sîi quangth× tia s¸ng ph¶i tu©n theo ®Þnh luËt ph¶n x¹ toµn phÇn cña Snell. Trong sîi quang cã hai lo¹i tia cã thÓ truyÒn ®i trong ®ã lµ tia kinh tuyÕn (H×nh 3.11) vµ tia nghiªng (H×nh 3.12). Tia kinh tuyÕn lµ tia truyÒn däc theo sîi quang theo ®­êng zic z¾c vµ c¸c tia nµy c¾t ngang trôc cña lâi sîi sau mçi lÇn ph¶n x¹, cßn tia nghiªng lµ tia truyÒn däc theo sîi quang theo ®­êng xo¾n èc vµ ®­êng ®i cña c¸c tia nµy th­êng dµi h¬n c¸c ®­¬ng kinh tuyÕn do ®ã suy hao m¹nh h¬n. V× vËy, viÖc ®i vµo ph©n tÝch lo¹i tia nghiªng nµy lµ kh«ng cÇn thiÕt v× nã kh«ng ph¶n ¸nh vÒ c¸c tia lan truyÒn trong sîi. Nªn chØ xem xÐt c¸c tia kinh tuyÕn míi cã ý nghÜa trong môc ®Ých nµy. Tuy nhiªn, c¸c tia nghiªng còng gãp phÇn vµo viÖc kÕt luËn qu¸ tr×nh tiÕp nhËn c¸c tia s¸ng vµ suy hao tÝn hiÖu cña sîi quang. C¸c tia kinh tuyÕn ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 3.11 lµ xÐt cho lo¹i sîi cã chØ sè chiÕt xuÊt ph©n bËc. Víi gãc vµo cña tia s¸ng hîp víi lâi trôc mét gãc q0. Theo ®Þnh luËt Snell th× gãcfmin t¹o ra sù ph¶n x¹ toµn phÇn sÏ ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: sinfmin = (3.14) Trong ®ã: fmin lµ gãc tíi h¹n n1 lµ chiÕt xuÊt lâi n2 lµ chiÕt xuÊt vá Nh­ vËy, mäi tia s¸ng khi tiÕp xóc vµo ranh giíi lâi-vá víi gãc f < fmin sÏ bÞ khóc x¹ ra ngoµi vá vµ sÏ bÞ suy hao ë líp vá. §iÒu kiÖn cña ph­¬ng tr×nh 3.14 sÏ bÞ rµng buéc víi gãc vµo lín nhÊt q0max theo ph­¬ng tr×nh: n0sinq0max = n1sinqc = (3.15) Trong ®ã qc lµ gãc khóc x¹ tíi h¹n. Do vËy, c¸c tia cã gãc vµo q0 fmin cã c¸c vËn tèc theo trôc z lµ kh¸c nhau. Cô thÓ, vËn tèc theo trôc z ®­îc tÝnh bëi: vz = sinf (3.16) VËn tèc nµy phô thuéc vµo q1 do vËy g©y ra trÔ truyÒn lan kh¸c nhau, ®ã chÝnh lµ t¸n s¾c. Thø hai, lµ c¸c tia cã q1 cµng lín th× vËn tèc theo trôc z cµng lín vµ do ®ã cã vËn tèc gãc cµng nhá. Nh­ trªn h×nh thÓ hiÖn th× ta thÊy r»ng vËn tèc gãc cµng lín th× sù thÈm thÊu cña n¨ng l­îng ¸nh s¸ng vµo líp vá cµng lín. C¸c tia cã vËn tèc gãc lín t­¬ng øng víi c¸c mode truyÒn lan bËc cao. Khi vËn tèc gãc qu¸ lín, tøc lµ f < fmin th× tia s¸ng sÏ truyÒn lan vµo líp vá vµ kh«ng ph¶n x¹ trë l¹i lâi ®­îc. Ph­¬ng tr×nh (3.15) còng x¸c ®Þnh khÈu ®é sè NA (Numerical Aperture) vµ ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ sau: NA = n1sinq0max = = n1 (3.17) H×nh 3.11 Tia kinh tuyÕn trong sîi chiÕt xuÊt ph©n bËc Tia khóc x¹ Tia ph¶n x¹ Lâi Vá Vá n2 n1 n2 Trôc f q q0 n0 Víi D = lµ ®é chªnh lÖch chiÕt xuÊt t­¬ng ®èi gi÷a lâi vµ vá. KhÈu ®é sè NA lµ mét th«ng sè rÊt quan träng ®èi víi sîi quang v× nã thÓ hiÖn sù tiÕp nhËn ¸nh s¸ng vµ kh¶ n¨ng tËp trung c¸c tia s¸ng cña sîi, còng v× thÕ mµ cho phÐp chóng ta tÝnh to¸n ®­îc hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh ghÐp nguån ph¸t vµo sîi dÉn quang. Gi¸ trÞ cña khÈu ®é sè NA lu«n nhá h¬n mét ®¬n vÞ vµ n»m trong kho¶ng tõ 0.14 ¸ 0.5. §èi víi c¸c øng dông trong viÔn th«ng th× NA n»m trong kho¶ng 0.1 ¸ 0.2 t­¬ng øng víi c¸c gãc vµo tõ 5.70 ¸ 11.50. Do ®ã c¸c connector quang th­êng cã gãc nghiªng tiÕp xóc lµ 80. ý nghÜa cña khÈu ®é sè NA ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 3.11. H×nh 3.12 Tia nghiªng trong sîi chiÕt xuÊt ph©n bËc n1 n2 Trôc 3.3.6.2 C¸c mode truyÒn lan Ph­¬ng ph¸p quang h×nh trªn chØ cho thÊy mét c¸ch gÇn ®óng sù truyÒn lan ¸nh s¸ng trong thùc tÕ. §Ó nghiªn cøu chÝnh x¸c h¬n chóng ta ph¶i dïng c¸c hµm Maxwell. Tuy nhiªn nÕu chØ ®Ó hiÓu c¸c ®Æc tÝnh truyÒn lan trong sîi vµ t¸n s¾c cña sîi chóng ta cã thÓ sö dông c¸c ph­¬ng ph¸p to¸n häc kh«ng phøc t¹p l¾m. Víi ®iÒu kiÖn biªn t¹i giao diÖn lâi-vá (t­¬ng øng víi ®Þnh luËt Snell ë c«ng thøc (3.14) trong phÇn ph©n tÝch quang h×nh), chØ cã mét tËp x¸c ®Þnh c¸c hµm sãng tho¶ m·n ph­¬ng tr×nh Maxwell míi cã thÓ truyÒn lan trong sîi quang, mçi mét hµm sãng ®ã ®­îc gäi lµ mét mode truyÒn lan vµ ®­îc biÒu diÔn d­íi d¹ng: yi(r,f,z) = Ai(r,f)ej(wt - bziZ) (3.18) Trong ®ã: i lµ chØ sè cña mode truyÒn lan yi Ai(r,f): lµ ph©n bè tr­êng ngang bzi: lµ h»ng sè truyÒn lan theo trôc z BiÓu thøc (3.18) cho thÊy hµm sãng lµ hµm theo thêi gian vµ c¸c tham sè kh«ng gian r, f, z. HÖ to¹ ®é trô ®­îc dïng ë ®ay bëi sîi quang chÝnh lµ mét èng dÉn sãng trßn. Trong biÓu thøc (3.18), tham sè ej(wt - bziZ) biÓu thÞ viÖc truyÒn lan sãng däc theo trôc z cña sîi. H»ng sè truyÒn lan h­íng z: Tõ kh¸i niÖm c¸c mode truyÒn lan bzi tho¶ m·n biÓu thøc t¸n s¾c nh­ sau: b12 = = bzi2 + Ki2 (3.19) Víi b12 = lµ h»ng sè truyÒn lan cña mét sãng hµi ë tÇn sè w vµ trong m«i tr­êng ®iÖn m«i ®ång nhÊt cã chiÕt xuÊt n1. Ki lµ h»ng sè truyÒn lan theo ph­¬ng ngang cña mode truyÒn lan thø i. Tõ ®ã ta cã, mçi mode truyÒn lan cã mét cÆp Ki, bzi lµ sè thùc tho¶ m·n bÊt ®¼ng thøc sau: b12 - bzi2 = Ki2 > 0 (3.20) C¸c mode truyÒn lan bËc cµng cao (i cµng lín) th× Ki cµng lín vµ bzi cµng nhá. Khi Ki v­ît qu¸ b1 th× bzi trë thµnh sè ¶o vµ mode ®ã cã mét sù suy gi¶m hµm mò khi nã truyÒn lan. BiÓu thøc (3.20) lµ ®iÒu kiÖn truyÒn lan cho c¸c sãng bªn trong lâi sîi. Cã mét sù t­¬ng tù cho líp vá nh­ng víi ®iÒu kiÖn kh¸c: bzi2 - b22 > 0 (3.21) Víi b2 = §iÒu kiÖn nµy cã nghÜa lµ kh«ng cã truyÒn lan trªn líp vá, nãi c¸ch kh¸c lµ sãng trong líp vá bÞ suy hao. C¸c biÓu thøc (3.20) vµ (3.21) ®Òu yªu cÇu bzi n»m trong kho¶ng: < < 1 (3.22) §iÒu kiÖn (3.22) chÝnh lµ t­¬ng øng ®iÒu kiÖn ph¶n x¹ toµn phÇn trong phÇn ph©n tÝch quang h×nh. BiÓu thøc (3.17) cho thÊy khi n2 xÊp xØ n1 th× NA cµng nhá, do ®ã chØ cã rÊt Ýt mode lan truyÒn ®­îc. VËn tèc truyÒn lan theo trôc z: T­¬ng tù víi nhËn xÐt ®­îc nªu trong phÇn ph©n tÝch quang h×nh, vËn tèc cña tia s¸ng phô thuéc vµo gãc tíi f. VËn tèc theo trôc z cña mode lan truyÒn thø i lµ hµm cña h»ng sè truyÒn lan bzi cña nã vµ ®­îc tÝnh nh­ sau: vgi = (3.23) Víi vgi th­êng ®­îc gäi lµ vËn tèc nhãm vµ cho thÊy r»ng c«ng suÊt cña tÝn hiÖu quang lan truyÒn nhanh nh­ thÕ nµo. VËn tèc nhãm kh¸c víi vËn tèc pha vpi = w/bzi. VËn tèc pha vpi cho biÕt pha cña tÝn hiÖu quang thay ®æi nhanh nh­ thÕ nµo.MÆc dï ®Ó viÖc tÝnh to¸n chÝnh x¸c vËn tèc nhãm vgi cÇn ph¶i biÕt bzi lµ mét hµm cña w, biÓu thøc (3.20) cã thÓ ®­îc tÝnh xÊp xØ khi sù phô thuéc tÇn sè cña Ki lµ nhá, khi ®ã: » Bëi v× b1 = n1w/C = = (n1 + w) = = (3.24) Víi n1g lµ chØ sè khóc x¹ nhãm: n1g = n1 + w (3.25) Tõ kÕt qu¶ trªn, dïng phÐp rµng buéc ta cã: vgi = = ()-1 = ()-1 » ()-1 = = vg (3.26) So s¸nh (3.26) víi (3.16) ta thÊy tØ sè bzi/b1 lµ t­¬ng ®­¬ng víi sinq1 hoÆc tØ lÖ víi C/n1 trong biÓu thøc (3.10). Bëi mçi mode truyÒn lan cã bzi riªng nªn mçi mode cã trÔ truyÒn lan kh¸c nhau. §iÒu nµy kh¼ng ®Þnh ®iÒu ®· nhËn xÐt qu¸ tr×nh truyÒn lan trong phÇn ph©n tÝch quang h×nh r»ng c¸c tia tíi víi gãc tíi kh¸c nhau cã vËn tèc theo trôc z lµ kh¸c nhau. 3.3.7 - T¸n s¾c sîi quang Nh­ ®· nªu ë trªn, vËn tèc nhãm vgi trong biÓu thøc (3.26) lµ mét hµm cña tÇn sè vµ cña c¸c mode truyÒn lan. NÕu mét xung quang cã chøa c¸c thµnh phÇn tÇn sè kh¸c nhau vµ c¸c mode truyÒn lan kh¸c nhau th× c¸c trÔ truyÒn lan kh¸c nhau cña c¸c thµnh phÇn nµy sÏ lµm xung bÞ gi·n réng vµ chång lÊn lªn nhau ë cuèi sîi quang. Tæng qu¸t, cã ba lo¹i t¸n s¨c sîi nh­ sau: T¸n s¾c vËt liÖu (Material Dispersion). T¸n s¾c èng dÉn sãng (Waveguide Dispersion). T¸n s¾c mode (Modal Dispersion). Hai lo¹i t¸n s¾c ®Çu (t¸n s¾c vËt liÖu vµ t¸n s¾c èng dÉn sãng) cã thÓ quy cho sù phô thuéc tÇn sè cña vËn tèc truyÒn lan vµ gép chóng l¹i gäi chung lµ t¸n s¾c trong mode (intramode) hay cßn gäi lµ t¸n s¾c vËn tèc nhãm (Group Velocity Dispersion - GVD). Lo¹i thø ba (t¸n s¾c mode) ®­îc gäi lµ t¸n s¾c gi÷a c¸c mode (intermode) do sù phô thuéc cña c¸c vËn tèc truyÒn lan vµo c¸c mode truyÒn lan kh¸c nhau. Tõ c¸ch ph©n lo¹i nµy, sîi ®¬n mode chØ cã t¸n s¾c trong mode. 3.3.7.1 T¸n s¾c trong mode (Intramode Dispersion) T¸n s¾c trong mode cã thÓ hiÓu nh­ sau: bëi vËn tèc nhãm cña mét mode lµ phô thuéc tÇn sè nªn trÔ truyÒn lan ®¬n vÞ (tøc lµ nghÞch ®¶o cña vËn tèc nhãm) còng phô thuéc tÇn sè. Khai triÓn chuçi Taylor ®èi víi trÔ ®¬n vÞ t¹i b­íc sãng x¸c ®Þnh ta cã: tg = tg (l0) + (l - l0) + 0.5(l - l0)2 + … (3.27) Trong ®ã tg (l0) lµ trÔ truyÒn lan kho¶ng c¸ch ®¬n vÞ ë b­íc sãng trung t©m l0. Tõ khai triÓn trªn, t¸n s¾c trong mode ®­îc tÝnh bëi: Dintra = = () = () (3.28) Trong ®ã chØ sè i ®èi víi bzi ®­îc bá ®i cho ®¬n gi¶n. BiÓu thøc (3.27) cã thÓ tÝnh gÇn ®óng nh­ sau: tg = tg (l0) + (l - l0)Dintra + 0.5(l - l0)2 (3.29) NÕu chØ gi÷ l¹i hai to¸n h¹ng ®Çu, ®é réng xung t¨ng do t¸n s¾c b¶n th©n mode Dintra sÏ ®­îc tÝnh bëi: Dtg = DintraDl (3.30) Víi Dl lµ ®é réng phæ tÝn hiÖu. §Ó t×m Dintra ta dïng ®Þnh nghÜa ë (3.28) vµ phÐp rµng buéc ta cã: Dintra = () (3.31) Tõ (3.24) ta cã Dintra: Dintra = + () = Dmaterial + Dwaveguide (3.32) ë ®©y t¸n s¾c vËt liÖu: Dmaterial = » (-l) » (-l) (3.33) Vµ t¸n s¾c èng dÉn sãng: Dwaveguide = () (3.34) Tõ c¸c ®Þnh nghÜa trªn, l­u ý r»ng Dmaterial lµ tham sè kh«ng phô thuéc mode lan truyÒn mµ chØ phô thuéc vµo n1. T¸n s¾c vËt liÖu cña sîi quang Silic th«ng th­êng ®­îc coi lµ mét hµm cña b­íc sãng vµ ®­îc m« t¶ ë h×nh 3.12 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 0 10 20 -20 -10 B­íc sãng l (mm) Ps/(nm.km) H×nh 3.13 T¸n s¾c vËt liÖu trong sîi quang T¸n s¾c èng dÉn sãng th× ng­îc l¹i, nã phô thuéc vµo mode lan truyÒn thø i ®­îc x¸c ®Þnh bëi cÊu tróc èng dÉn sãng quang. Nãi mét c¸ch tæng qu¸t, viÖc tÝnh to¸n t¸n s¾c èng dÉn sãng lµ rÊt phøc t¹p. 3.3.7.2 T¸n s¾c mode T¸n s¾c mode lµ do sù trÔ truyÒn lan kh¸c nhau cña c¸c mode kh¸c nhau. Tõ (3.20) bzi lµ kh¸c nhau ®èi víi c¸c mode kh¸c nhau. Do vËy, vËn tèc nhãm t­¬ng øng vgi trong (3.23) còng kh¸c nhau. Cô thÓ, ta cã thÓ tÝnh t¸n s¾c mode nh­ sau: Dmode = - = tg.max - tg.min (3.35) Víi tg.max vµ tg.min lµ trÔ truyÒn lan nhãm ®¬n vÞ cùc ®¹i vµ cùc tiÓu. Víi sîi chiÕt xuÊt bËc (SI): cã thÓ tÝnh to¸n t¸n s¾c mode cña sîi SI b»ng ph­¬ng ph¸p quang h×nh. Theo c«ng thøc (3.16) ta cã: tg.max » = (3.36) VËy t¸n s¾c mode: Dmode = tg.max - tg.min » ( - 1) = D (3.37) KÕt qu¶ (3.37) cho thÊy r»ng t¸n s¾c mode trong sîi SI tØ lÖ thuËn víi ®é chªnh lÖch chiÕt xuÊt D. Do NA tØ lÖ thuËn víi nªn cã mét sù t­¬ng øng gi÷a hiÖu suÊt ghÐp nèi vµ t¸n s¾c. n(r) = n1(1 - 2D[r/a]a)1/2 Víi r <a (3.38) n1(1 - 2D)1/2 Víi r ³ a Víi sîi chiÕt xuÊt Gradient (GI): MÆt c¾t chØ sè chiÕt xuÊt cña sîi GI cã thÓ ®­îc biÓu thÞ tæng qu¸t bëi biÓu thøc sau: Trong ®ã a lµ tham sè ®­îc tèi ­u ho¸ sao cho cã thÓ ®¹t ®­îc t¸n s¾c mode cùc tiÓu. T¸n s¾c mode trong sîi GI rÊt khã x¸c ®Þnh ®­îc trong ph­¬ng ph¸p quang h×nh. Theo c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu th× khi: a = 2(1 - D) (3.39) th× t¸n s¾c mode lµ cùc tiÓu vµ ®­îc x¸c ®Þnh b»ng biÓu thøc: Dmode = (3.40) Khi ®ã t¸n s¾c mode trong sîi GI lµ nhá h¬n nhiÒu so víi sîi SI ®­îc tÝnh bëi (3.37) do yÕu tè D2 (v× D < 1 nªn D2 <<1). Tæng sè mode cã thÓ truyÒn lan ®­îc trong sîi GI ®­îc tÝnh nh­ sau: M = a2b12() (3.41) 3.3.7.3 T¸n s¾c tæng céng cña sîi Tõ t¸n s¾c trong mode vµ t¸n s¾c mode cã thÓ tÝnh ®­îc t¸n s¾c tæng céng cña sîi quang. Thay v× céng trùc tiÕp chóng, ng­êi ta dïng c«ng thøc tæng b×nh ph­¬ng nh­ sau (do t¸n s¾c cã tÝnh ngÉu nhiªn): D2total = D2intraDl2 + D2mode (3.42) Víi Dl lµ ®é réng phæ cña ¸nh s¸ng ®­îc tÝnh b»ng nm. Do mét sîi quang ®­îc thÓ hiÖn cho mét kªnh th«ng tin, t¹p ©m tæng cña sîi quang th­êng ®­îc dïng ®Ó ®Æc tr­ng cho b¨ng th«ng truyÒn dÉn: Bsîi = (3.43) BiÓu thøc (3.43) cho thÊy t¸n s¾c tæng vµ ®é dµi sîi quang cµng lín th× tèc ®é bÝt cã thÓ truyÒn cµng thÊp. 3.3.7.4 Sù h¹n chÕ do t¸n s¾c T­¬ng tù nh­ víi t¸n s¾c sîi, t¸n s¾c sîi lµm h¹n chÕ cù ly truyÒn cùc ®¹i ë mét tèc ®é bÝt nhÊt ®Þnh ®­îc gäi lµ giíi h¹n t¸n s¾c vµ cã thÓ ®­îc hiÓu nh­: Khi tÝn hiÖu ®­îc truyÒn ®i trªn sîi quang ®Õn ®Çu thu chóng trë nªn réng h¬n vµ chång lÊn lªn nhau, nÕu kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn qu¸ lín th× ®Õn mét lóc nµo ®ã ta kh«ng thÓ ph©n biÖt ®­îc c¸c xung vµ kh«ng thÓ t¸ch tÝn hiÖu cã Ých ra ®­îc (thÓ hiÖn trong h×nh 3.14). Sù can nhiÔu nµy trong truyÒn dÉn sè ®­îc gäi lµ can nhiÔu gi÷a c¸c bÝt vµ kÕt qu¶ lµ lµm t¨ng BER (thÓ hiÖn trong h×nh 3.15 lµ h×nh xung sè). C¸c xung t¸ch nhau ë t1 C¸c xung cßn ph©n biÖt ®­îc ë t2 Khã ph©n biÖt xung ë t3 Kh«ng ph©n biÖt ®­îc xung ë t4 Giao nhau D¹ng xung vµ biªn ®é ChiÒu dµi sîi H×nh 3.14 Sù gi·n xung vµ suy hao cña hai xung kÒ nhau khi chóng ®­îc truyÒn däc theo sîi Nãi chung BER kh«ng t¨ng ®¸ng kÓ trõ khi DT’ = T’ – T0 lµ qu¸ lín. Mét nguyªn t¾c c¬ b¶n lµ nÕu tho¶ m·n: DT’ = T’ – T0 = DtotalL £ = (3.44) th× BER kh«ng xuèng cÊp ®¸ng kÓ. Trong hÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang, sù gi·n xung kh«ng chØ g©y ra bëi t¸n s¾c sîi mµ cßn do mét yÕu tè kh¸c ®ã lµ ®é réng s­ên tr­íc nguån ph¸t quang vµ cña bé thu còng g©y ra gi·n xung. T­¬ng tù víi tæng b×nh ph­¬ng cña t¸n s¾c sîi tæng céng, ®é gi·n xung tæng céng lµ tæng b×nh ph­¬ng cña tÊt c¶ c¸c yÕu tè: DT’ = tt2 + tr2 + (DtotalL)2 (3.45) Víi tt vµ tr lµ ®é réng s­ên tr­íc cña m¸y ph¸t vµ m¸y thu. KÕt hîp (3.44) vµ (3.45) ta cã: tt2 + tr2 + (DtotalL)2 < ()2 (3.46) §©y chÝnh lµ biÓu thøc tæng qu¸t cho giíi h¹n t¸n s¾c. TÝn hiÖu ph¸t TÝn hiÖu thu H×nh 3.15 D¹ng c¸c xung ph¸t vµ thu ®­îc T0 T’ 3.4 - C¸c mèi hµn vµ c¸c bé kÕt nèi (Connector) trong m¹ng quang. Mét nh©n tè quan träng trong viÖc l¾p ®Æt hÖ thèng th«ng tin quang lµ sù kÕt nèi qua l¹i gi÷a c¸c thiÕt bÞ hoÆc gi÷a c¸c thµnh phÇn víi nhau. C¸c liªn kÕt ®ã x¶y ra t¹i nguån quang, thiÕt bÞ t¸ch quang hay c¸c ®iÓm trung chuyÓn trong ®­êng truyÒn khi cã hai sîi quang hoÆc c¸c sîi c¸p nèi víi nhau. ViÖc sö dông c¸c mèi hµn hay dïng c¸c bé kÕt nèi (connector) tuú thuéc vµo liªn kÕt ®ã lµ t¹m thêi hay l©u dµi. Liªn kÕt l©u dµi lµ c¸c ®iÓm nèi hiÕm khi thay ®æi nh­ nèi hai sîi quang, nèi gi÷a sîi quang vµ d©y nh¶y. Cßn liªn kÕt t¹m thêi lµ liªn kÕt gi÷a c¸c thiÕt bÞ cã thÓ thay ®æi ®­îc nh­: Gi÷a sîi quang vµ node quang ,sîi quang vµ hub, gi÷a sîi quang vµ c¸c bé chia,..Nãi chung, c¸c mèi hµn cã suy hao thÊp h¬n so víi c¸c connector nh­ng l¹i yªu cÇu thiÕt bÞ hµn ®¾t tiÒn vµ nhiÒu nh©n lùc h¬n connector. §èi víi sîi ®¬n mode, yªu cÇu ®é chÝnh x¸c rÊt cao t¹i ®iÓm kÕt nèi gi÷a c¸c sîi quang. C¸c nguyªn nh©n g©y nªn suy hao trong c¶ connector vµ mèi hµn cã thÓ chia lµm hai lo¹i c¬ b¶n: Suy hao bëi c¸c yÕu tè bªn ngoµi vµ suy hao bëi c¸c yÕu tè néi t¹i. Suy hao bëi c¸c yÕu tè bªn ngoµi nh­: Sù kh«ng ®ång t©m gi÷a hai lâi sîi, chÊt l­îng mÆt c¾t sîi vµ cã khe hë gi÷a hai ®Çu sîi. s d q H×nh 3.16 C¸c mèi hµn g©y suy hao gi÷a hai sîi quang (a) cã khe hë, (b) Trôc hai sîi bÞ lÖch, (c §Çu cuèi hai sîi t¹o gãc) (a) (b) (c) Cã 3 yÕu tè g©y suy hao bªn ngoµi trong mèi hµn quang c¬ b¶n sau (H×nh 3.16) + Cã khe hë gi÷a hai sîi quang + Trôc cña hai sîi bÞ lÖch + Trôc cña hai sîi t¹o gãc Trong tr­êng hîp cã khe hë th× trôc cña hai sîi quang trïng nhau nh­ng mÆt c¾t cña hai sîi c¸ch nhau mét kho¶ng s. Kho¶ng c¸ch nµy t¹o ra mét vïng kh«ng gian t¹o ra sù ph¶n x¹ vµ nÕu sù ph¶n x¹ nµy lín th× ng­êi ta gäi lµ ph¶n x¹ Fresnel vµ g©y ra suy hao. Cßn trong tr­êng hîp lÖch trôc lµ trôc cña hai sîi song song víi nhau nh­ng lÖch nhau mét kho¶ng d. Tr­êng hîp t¹o gãc lµ trôc cña hai sîi kh«ng song song víi nhau mµ t¹o víi nhau thµnh mét gãc hay mÆt c¾t gi÷a hai ®Çu cuèi sîi t¹o thµnh víi nhau mét gãc q nh­ trong h×nh 3.16. §Ó kh¾c phôc suy hao bëi c¸c yÕu tè bªn ngoµi th× ®Çu cuèi hai sîi quang ph¶i mÞn ,trôc cña hai sîi ph¶i trïng nhau vµ mÆt c¾t hai sîi ph¶i khÝt nhau. Suy hao bëi c¸c yÕu tè néi t¹i do c¸c nguyªn nh©n g©y ra nh­: §­êng kÝnh hai sîi kh«ng b»ng nhau, lâi sîi h×nh elip, C¶ hai lo¹i suy hao bªn trong vµ bªn ngoµi ®Òu ¶nh h­ëng ®Õn hiÖu suÊt ghÐp cña sîi quang, hiÖu suÊt gi÷a nguån vµ sîi quang. Trong sîi ®a mode, th× suy hao do bÎ gãc lµ lín nhÊt råi ®Õn suy hao do lÖch trôc vµ suy hao Ýt nhÊt lµ suy hao do cã khe hë. §èi víi sîi ®¬n mode th× suy hao do lÖch trôc nhiÒu h¬n so víi suy hao do cã khe hë vµ do bÎ gãc nh­ ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 3.16. V× trong sîi ®¬n mode chØ cã mét mode ®­îc truyÒn lan vµ nã truyÒn däc theo trôc cña sîi nªn ¸nh s¸ng ghÐp vµo sîi kh«ng ®ång t©m sÏ bÞ suy hao mét c¸ch nhanh chãng. Do ®ã, ®èi víi kÕt nèi suy hao thÊp (£ 0.5dB) th× ®Ó gi¶m suy hao do lÖch trôc ph¶i ®­îc ®iÒu chØnh chÝnh x¸c ®Õn mm (víi n lµ sè nguyªn) cßn ®èi víi sîi ®a mode th× ®iÒu chØnh chÝnh x¸c ®Õn mm. 0 0 0 0 10 20 30 40 4 3 2 1 1 2 3 0.5 1.0 1.5 2.0 §é lÖch d (mm) Gãc q (§é) Kho¶ng hë s (mm) Suy hao ghÐp (dB) LÖch trôc BÎ gãc Khe hë H×nh 3.17 Suy hao ghÐp trong sîi ®¬n mode ®èi víi nguån MDF vµ b­íc sãng 10mm trong c¸c tr­êng hîp: Khe hë, lÖch trôc vµ bÎ gãc 3.4.1 - Ph­¬ng ph¸p hµn c¸p Hµn b»ng c¸ch lµm nãng ch¶y sîi quang: Trong ph­¬ng ph¸p nµy viÖc ®Çu tiªn cÇn ph¶i lµm lµ gia c«ng bÒ mÆt lâi sîi n¬i cÇn lµm mÞn bÒ mÆt sîi vµ mÆt c¾t ph¶i vu«ng gãc víi trôc cña sîi. Sau ®ã hai ®Çu cuèi cña sîi ph¶i ®­îc ®Æt vµo c¸i gi¸ cã r·nh h×nh ch÷ V vµ chôm ®Çu víi nhau nh­ trong h×nh 3.18. TiÕp theo chóng ®­îc cè ®Þnh b»ng c¸c thiÕt bÞ ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng tay hoÆc b»ng bé vi xö lý. B­íc tiÕp theo t¹i ®iÓm tiÕp xóc ®­îc lµm nãng ch¶y b»ng ®Ìn hå quang hoÆc b»ng laser v× vËy ®Çu cuèi sîi quang bÞ ch¶y ra mét c¸ch nhanh chãng vµ liªn kÕt l¹i víi nhau. Kü thuËt nµy cã thÓ ®­îc sö dông cho c¸c sîi ®¬n mode vµ sîi ®a mode víi suy hao nhá h¬n 0.1dB. h¬n n÷a, c¸c sîi quang nãng ch¶y cã thÓ bao phñ gÇn nh­ lµ kÝch th­íc sîi quang ban ®Çu. HiÖn nay hÇu nh­ c¸c m¸y hµn quang ®Òu sö dông ph­¬ng ph¸p hµn b»ng c¸ch lµm nãng ch¶y sîi quang. C¸c sîi quang ®­îc ®­a vµo m¸y hµn vµ nã ®­îc ®iÒu chØnh hoµn toµn tù ®éng b»ng bé vi xö lý vµ hµn còng hoµn toµn tù ®éng. C¸c nh©n viªn kÐo c¸p chØ thùc hiÖn mét sè b­íc nh­ sau: §Çu tiªn dïng dao chuyªn dông c¾t c¸p. Sau ®ã tuèt vá b¶o vÖ ë ngoµi cïng, tiÕp theo lµ tuèt líp vá chØ ®Þnh mµu cña sîi quang vµ líp vá trong suèt. Röa s¹ch sîi quang b»ng cån (th­êng ®Ó ®Çu sîi c¸p tuèt vá kho¶ng 1 ¸ 1.5m) vµ c¾t b»ng ®Çu cuèi sîi. Sau khi xong c¸c kh©u chuÈn bÞ th× sîi quang ®­îc ®­a vµo m¸y hµn quang cã r·nh ch÷ V ®Ó cè ®Þnh c¸p. Sau khi nhÊn nót set th× m¸y sÏ tù ®éng ®iÒu chØnh vÞ trÝ t­¬ng ®èi cña hai sîi quang cÇn hµn vµ hai tia hå quang sÏ lµm nãng ch¶y sîi quang vµ chóng ®­îc liªn kÕt l¹i víi nhau mét c¸ch nhanh chãng. §iÖn cùc Sîi quang C¸c thanh cè ®Þnh c¸p H×nh 3.18 Ph­¬ng ph¸p hµn sîi quang nãng ch¶y R·nh ch÷ V 3.4.2 - C¸c Connector 3.4.2 - C¸c Connector H×nh 3.19 CÊu t¹o cña conector ThÊu kÝnh ThÊu kÝnh Sîi quang ra Keo dÝnh Sîi quang vµo Vá bäc cè ®Þnh Trong m¹ng truyÒn h×nh c¸p h÷u tuyÕn th­êng dïng hai lo¹i connector chÝnh lµ FC/APC (Angled Physical Contact) vµ SC/APC. FC/APC lµ lo¹i connector ®Çu trßn cã ren vÆn ®Ó cè ®Þnh ®Çu c¸p. Cßn SC/APC lµ lo¹i ®Çu vu«ng kh«ng cã ren mµ chØ cã khíp cè ®Þnh khi c¾m vµo. Tuy SC/APC æn ®Þnh h¬n FC/APC nh­ng l¹i cã suy hao lín h¬n. CÊu t¹o cña hai lo¹i nµy ®­îc thÓ hiÖn nh­ trong h×nh 3.19. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña hai lo¹i connector lµ bøc x¹ chïm tia ë sîi quang phÝa truyÒn vµ héi tô l¹i t¹i lâi cña sîi quang phÝa thu sau khi ®i qua hai thÊu kÝnh. Chøc n¨ng cña c¸c connector lµ kÕt nèi gi÷a c¸c thiÕt bÞ quang n¬i cã thÓ dÔ dµng thay ®æi vµ chuyÓn tuyÕn sau nµy. 3.5 – GhÐp c«ng suÊt quang ViÖc ghÐp c«ng suÊt ¸nh s¸ng tõ nguån quang vµo sîi quang ph¶i xÐt ®Õn khÈu ®é sè NA, kÝch cì sîi, c­êng ®é ph¸t x¹ vµ ph©n bè c«ng suÊt theo gãc cña nguån quang. L­îng c«ng suÊt quang ph¸t ra tõ nguån quang cã thÓ ghÐp ®­îc vµo sîi ®­îc ®Æc tr­ng bëi hiÖu suÊt ghÐp h: h = (3.47) Trong ®ã: PF: lµ c«ng suÊt ®­îc ghÐp vµo sîi quang PS: lµ c«ng suÊt ph¸t ra tõ nguån quang h phô thuéc vµo lo¹i sîi g¾n vµo nguån vµ vµo xö lý ghÐp (cã sö dông thÊu kÝnh ghÐp hoÆc c¸c biÖn ph¸p n¨ng cao hiÖu suÊt ghÐp hay kh«ng). H×nh 3.19 thÓ hiÖn gãc ph¸t x¹ tia s¸ng cña nguån quang vµo sîi quang vµ gãc nhËn ¸nh s¸ng (còng chÝnh lµ khÈu ®é sè NA) cña sîi quang. H×nh 3.20 Gãc ghÐp cña nguån quang vµo sîi quang Lâi Vá Vá n2 n1 n2 Nguån quang Gãc ph¸t cña nguån Gãc nhËn cña sîi quang Trong m¹ng truyÒn h×nh c¸p thùc tÕ th× viÖc ghÐp tÝn hiÖu tõ nguån quang vµo sîi hay ghÐp gi÷a c¸c sîi quang víi nhau cã thÓ dïng c¶ hai ph­¬ng ph¸p lµ dïng mét d©y nh¶y hay cßn gäi lµ d©y ®u«i lîn (pigtail) nã bao gåm mét ®o¹n c¸p quang ng¾n vµ mét connector vµ dïng mèi hµn trùc tiÕp. Dïng d©y nh¶y th× tiÖn lîi cho viÖc l¾p ®Æt, söa ch÷a vµ chuyÓn tuyÕn sau nµy nh­ng nã l¹i cã suy hao lín (suy hao tÝnh cho mét kÕt nèi hoµn chØnh tõ sîi ph¸t sang sîi thu lµ 0.8dB/kÕt nèi). Cßn hµn trùc tiÕp th× mèi hµn ®ã sÏ cè ®Þnh kh«ng thay ®æi, kh«ng söa ch÷a ®­îc nh­ng l¹i cã suy hao nhá h¬n (kho¶ng 0.05dB/mçi hµn). Ch­¬ng IV - C¸c thiÕt bÞ chÝnh trong m¹ng ®ång trôc 4.1 - C¸p ®ång trôc C¸p ®ång trôc ®­îc sö dông réng r·i cho viÖc ph©n phèi tÝn hiÖu c¸c tr­¬ng tr×nh truyÒn h×nh . H×nh 4.1 vÏ s¬ ®å cÊu tróc c¸p ®ång trôc sö dông trong CATV. Líp vá nhùa Vá bäc nh«m D©y dÉn trong ( §ång bäc nh«m) Líp bät nhùa H×nh 4.1 CÊu t¹o c¸p ®ång trôc PhÇn lâi cña d©y dÉn trong th­êng lµm b»ng ®ång víi ®iÖn