Đồ án Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

sáng có bƣớc sóng nằm trong vùng bƣớc sóng hoạt động của thông tin quang. Các yêu cầu đối với một nguồn quang là:  Có kích thƣớc nhỏ tƣơng ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang với hiệu suất cao.  Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tƣởng, nguồn quang phải tuyến tính.  Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang.  Phát ra ánh sáng có bƣớc sóng phù hợp với vùng bƣớc sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bƣớc sóng này. Ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải chỉ tồn tại ở một bƣớc sóng nhất định mà tại một khoảng bƣớc sóng. Đây chính là nguyên nhân của hiện tƣợng tán sắc sắc thể (CD - Chromatic Dispersion), làm giới hạn cự ly truyền. Do vậy, độ rộng phổ do nguồn quang phát ra càng hẹp càng tốt. Thông thƣờng Diot phát quang LED sẽ có độ rộng phổ khoảng 50-60 nm, lớn hơn Lazer (2-4 nm) rất nhiều nhƣng lại rẻ hơn. Cho nên tùy ứng dụng, thiết kế cụ thể mà ngƣời ta chọn sử dụng LED hay Lazer [1]. Trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn thì Lazer là lựa chọn tối ƣu. Đề tài trình bày cả lý thuyết lẫn mô phỏng nguồn quang sử dụng là Lazer, cụ thể hơn là loại Lazer hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Lasers). Lazer hồi tiếp phân bố DFB[4] Lazer DFB đƣợc ứng dụng và phát triển trong những năm 1980 [4]. Về cơ bản, Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tƣợng: (1) Hiện tƣợng phát xạ kích thích nhằm tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi xảy ra hiện Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 25 tƣợng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân (Hình 3.4 (c)). Các photon này đƣợc tạo ra có tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hƣớng và cùng phân cực). Nhƣ vậy, ánh sáng kết hợp đƣợc khuếch đại. (2) Hiện tƣợng cộng hƣởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong laser tạo ra sự chọn lọc tần số (hay bƣớc sóng) ánh sáng. Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số (hay bƣớc sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hƣởng thì mới có thể lan truyền và cộng hƣởng trong hốc cộng hƣởng đƣợc [4] tr.78. Hình 3. 3 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lƣợng (a) hấp thụ. (b) phát xạ tự phát. (c) phát xạ kích thích Cấu trúc của laser DFB đƣợc biểu diễn trên Hình 3.4. Quá trình cộng hƣởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB đƣợc thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sóng ánh sánh phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tích cực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử. Điều kiện để sự phản xạ và cộng hƣởng có thể xảy ra là bƣớc sóng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg [4] tr.100: . / . / (3. 2) Trong đó: m là bậc nhiễu xạ, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, nav là chiết suất t r ung b ình của cách tử. Các photon ánh sáng do hiện tƣợng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 26 tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử. Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lƣợng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lƣợng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser đƣợc phản xạ có bƣớc sóng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng có bƣớc sóng λB thỏa điều kiện Bragg. Vì vậy, DFB laser chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp. Với đặc điểm nhƣ vậy, laser DFB đã và đang đƣợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao. Hình 3. 4 Cấu trúc của Lazer DFB  Bộ điều chế quang (modulator) Bộ điều chế quang nhằm đƣa thông tin cần truyền lên sóng mang quang. Có hai kiểu điều chế quang thƣờng đƣợc sử dụng đó là điều chế trực tiếp DM (Direc Modulator) và sử dụng bộ điều chế ngoài (external modulator) [11]. Mỗi dạng điều chế đều có ƣu và nhƣợc điểm riêng. Đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ vừa phải (dƣới 10 Gb/s) thì kiểu điều chế trực tiếp đƣợc sử dụng. Trong kiểu điều chế này, tín hiệu điện đƣợc đƣa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Ở tốc độ cao (trên 10 Gb/s) kiểu điều chế này sẽ gây nên hiện tƣợng dịch tần số (frequency chirp) [11]. Để khắc phục nhƣợc điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì ngƣời ta dùng bộ điều chế ngoài thay vì dùng bộ điều chế trực tiếp đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao. Đề tài sẽ đi vào phân tích, mô phỏng bộ điều chế ngoài, cụ thể là bộ điều chế giao thoa Mach- Zehnder (Mach-Zehnder modulator). Cấu trúc bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder MZM Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 27 Cấu trúc chung nhất của bộ MZM đƣợc mô tả nhƣ Hình 3.5 [11]. Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sóng ánh sáng, và một bộ ghép tại ngõ ra. Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tƣợng giao thoa ánh sáng và hiện tƣợng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cƣờng độ dòng phân cực hay nói cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels [17] (là hiệu ứng mà ở đó chiết suất ánh sáng của môi trƣờng biến đổi theo điện trƣờng áp dụng lên môi trƣờng đó. Khi chiết suất ánh sáng thay đổi theo điện thế, pha của sóng truyền qua cũng bị thay đổi theo điện thế đó). Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sóng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp dụng và đƣợc cho bởi công thức [11]: (3. 3) Trong đó: là điện thế phân cực cho MZM. là điện thế phân cực để pha của nhánh tƣơng ứng bị dịch 1800 Nhƣ vậy, pha của sóng mang quang sẽ bị dịch đi một góc tùy thuộc vào điện thế phân cực áp vào các điện cực. Ngõ ra của bộ MZM là kết quả giao thoa của hai nhánh. MZM đƣợc ứng dụng phổ biến trong điều chế pha và điều chế biên độ. Có hai cách phân cực cho bộ MZM đó là phân cực đơn (single drive) và phân cực đôi (dual drive). Hình 3. 5 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator Hình 3.6 mô tả bộ MZM phân cực đơn. Trong kiểu phân cực này, chỉ có Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 28 một nhánh MZM đƣợc phân cực. Ngõ ra của MZM là sự kết hợp của hai nhánh, ta có [11]: ( ) (3. 4) Trong đó: là cƣờng độ ánh sáng ngõ vào, là cƣờng độ ánh sáng ngõ ra, là điện thế phân cực để pha nhánh đó dịch , là điện thế phân cực cho MZM. Hình 3. 6 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn [11] Ta thấy, khi , khi . Nhƣ vậy, tùy vào điện thế phân cực mà cƣờng độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đế (hay từ trạng thái ON đến OFF). Hình 3.7 mô tả bộ MZM phân cực đôi [11]. Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều đƣợc phân cực với điện thế đối xứng (V1(t)=-V2(t)). Hình 3. 7 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 29 Ngõ ra của bộ MZM phân cực đôi cũng là sự kết hợp của cả hai nhánh nhƣ trƣờng hợp phân cực đơn. ( ) (3. 5) Có thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng nhƣ OOK, BPSK, QPSK [11]…  Bộ ghép kênh chanel coupler Thành phần chính của bộ ghép kênh là một vi thấu kính (Microlen) [4] dùng để hội tụ ánh sáng sau khi đƣợc điều chế và sợi quang. Nhằm nâng cao hiệu suất đƣa ánh sáng vào sợi quang. 3.2.2 Bộ thu quang Bộ thu quang có chức năng nhận tín hiệu quang từ sợi quang, sau đó chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, xử lý và khôi phục dạng tín hiệu điện này. Nguyên lý hoạt động của bộ thu quang dựa trên hiện tƣợng quang điện [4] tr.133, và đƣợc chia làm hai loại. Loại thứ nhất dựa vào hiện tƣợng quang điện ngoài (các điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại bằng cách hấp thụ năng lƣợng từ dòng photon tới). Loại thứ hai hoạt động dựa vào hiệu ứng quang nội (là quá trình tạo ra các hạt mang điện tự do điện tử-lỗ trống từ các mối nối bán dẫn bằng việc hấp thụ năng lƣợng dòng photon tới), photodiode mối nối PN, photodiode PIN, photodiode thác lũ APD hoạt động dựa vào nguyên lý của loại thứ hai [1]. Hình 3. 8 Sơ đồ khối bộ thu quang Hình 3.8 [4] tr.18 mô tả sơ đồ khối cơ bản bộ thu quang. Về cơ bản, bộ thu quang Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 30 bao gồm ba thành phần chính. Trƣớc khi đi vào chi tiết bộ thu quang ta hãy xem xét các thông số cơ bản dƣới đây khi thiết kế, đánh giá chất lƣợng bộ thu quang.  Hiệu suất lƣợng tử [4] tr.134 Hiệu suất lƣợng tử là tỉ số giữa số điện tử đƣợc tạo ra trên số photon tới [1]: (3. 6) Trong đó: re tốc độ photon tới, rp tốc độ điện tử đƣợc tạo ra. Tổng quát thì < 1 vì không phải toàn bộ photon tới đều có thể tạo ra đƣợc cặp điện tử-lỗ trống.  Độ đáp ứng (R) [4] tr.134 Độ đáp ứng (Responsivity) R (A/W) đƣợc định nghĩa là tỉ số dòng điện Ip đƣợc sinh ra trên công suất photon P0 chiếu tới. Đây là thông số rất quan trọng: ( ) (3. 7)  Độ nhạy (Sensitivity) [5] Là mức công suất quang nhỏ nhất yêu cầu ở đầu thu sao cho đảm bảo đƣợc một mức chất lƣợng cho trƣớc (SNR hoặc BER). Ví dụ độ nhạy bộ thu quang là S=- 25 dB để đạt BER=10-9 thì có nghĩa là công suất quang đến đầu thu phải lớn hơn hoặc bằng -25 dB thì bộ thu mới có thể đảm bảo BER=10-9.  Nhiễu [4] Trong bộ thu quang, nhiễu thƣờng đƣợc thể hiện dƣới dạng dòng bao gồm các loại nhƣ nhiễu nhiệt, nhiễu lƣợng tử, nhiễu dòng tối vv…  Bộ ghép kênh (channel coupler) Cũng là một vi thấu kính dùng để hội tụ tín hiệu quang truyền từ sợi quang vào một photodiode [4][3]. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 31  Photo-detector Photo-detector là linh kiện để chuyển năng lƣợng quang thu đƣợc thành tín hiệu điện. Thông thƣờng một photodetector có thể là một photodiode mối nối PN, photodiode PIN, photodiode thác lũ APD…Trong thực tế, đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, yêu cầu độ nhạy cũng nhƣ độ chính xác cao thì photdiode thác lũ APD đƣợc sự dụng. Nhờ cơ chế “thác lũ” xảy ra trong photodiode APD nên so với photodiode PIN thì nó có độ nhạy lớn hơn từ 5 dB đến 15 dB [1], hiệu suất lƣợng tử (hiệu suất biến đổi quang-điện) của APD thƣờng cao hơn các loại photodiode khác nhiều lần, độ đáp ứng của photodiode APD cao hơn photodiode PIN vài trăm lần (0.5 – 0.7 A/W so với 20-80 A/W) [1] [4] tr.142. Tuy nhiên, photodiode APD thì nhiễu thƣờng cao hơn, độ ổn định kém hơn (phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và điện áp phân cực [1]), và điện áp phân cực cao hơn nhiều lần so với photodiode PIN.  Bộ giải điều chế (Demodulator) Bộ giải điều chế có chức năng chuyển dòng thu đƣợc từ photodiode thành tín hiệu có dạng giống nhƣ tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ điều chế ở bộ phát. Tùy vào dạng điều chế tín hiệu đƣợc truyền trên sợi quang mà bộ giải điều chế đƣợc thiết kế khác nhau. Ví dụ hệ thống sử dụng dạng điều chế cƣờng độ IM (Intensity Modulator) nhƣ NRZ-OOK thì theo sau photo-diode là một bộ khuếch đại điện, đối với điều chế pha nhƣ PSK thì phải chuyển về IM trƣớc khi đƣa vào photo-diode [3]. 3.2.3 Kênh truyền quang Kênh truyền quang là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống quang. Nó có vai trò truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Hầu hết các hệ thống quang mặt đất sử dụng sợi cáp quang làm kênh truyền quang bởi các đặc tính nổi trội của sợi quang nhƣ là suy hao thấp (0.2 dB/km), băng thông cực lớn, gọn nhẹ, độ bảo mật cao…Tuy nhiên, khi tín hiệu lan truyền trên cáp sợi quang thì chúng cũng bị tác động bởi các hiệu ứng truyền dẫn làm giảm chất lƣợng và hạn chế tốc độ truyền cũng nhƣ khoảng cách truyền tín hiệu trên sợi quang. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 32 Cáp sợi quang [4] tr.23 Hình 3. 9 Cáp sợi quang Hình 3. 10 (a) sợi đơn mode, (b) sợi đa mode SI, (c) sợi đa mode GI Cáp sợi quang cơ bản gồm hai lớp: lớp lõi (core) có chiết xuất là n1và lớp vỏ bọc (cladding) có chiết xuất n2. Ánh sáng truyền trong sợi quang dựa vào hiện tƣợng phản xạ toàn phần giữa mặt ngăn cách lớp lõi và lớp vỏ bọc do đó n1>n2 [4] tr.24. Cấu trúc sợi quang đƣợc minh họa ở Hình 3.10. Có nhiều cách phân loại cáp sợi quang, có thể phân loại dựa trên mode truyền (sợi đơn mode và sợi đa mode) cũng có thể phân loại dựa trên cấu tạo sợi quang (sợi chiết xuất phân bậc SI và sợi có chiết suất biến đổi GI). Hình 3.11 mô tả cách phân loại thứ nhất, trong đó sợi quang đƣợc chia làm hai loại: đa mode và đơn mode. Hình 3.12 mô tả cách phân loại thứ hai, trong đó sợi quang lại đƣợc phân loại dựa trên cấu tạo của nó: chiết xuất phân bậc SI và chiết xuất biến đổi GI [4] tr.24. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 33 Hình 3. 11 (a) sợi SI, (b) sợi GI 3.2.4 Bộ khuếch đại quang Đối với các hệ thống truyền dẫn với khoảng cách dài (long haul), tín hiệu quang sẽ bị suy yếu trong quá trình truyền dẫn, do đó cần phải tái tạo lại tín hiệu sau một khoảng cách nhất định nào đó, khi đó các bộ khuếch đại quang đƣợc sử dụng. Vào những ngày đầu tiên, bộ khuếch đại đƣợc thực hiện trong miền điện, tức là tín hiệu quang sẽ đƣợc chuyển thành tín hiệu điện sau đó tín hiệu điện đó đƣợc khuếch đại, cuối cùng tín hiệu điện lại đƣợc chuyển về lại tín hiệu quang và tiếp tục truyền trên sợi quang. Rõ ràng, việc chuyển đổi này là phức tạp và tốn kém, chƣa kể nhiễu tích lũy sau mỗi lần chuyển đổi [4] tr.227. Ngày nay, trong các hệ thống truyền dẫn quang, các bộ khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang đƣợc sử dụng đã phần nào khắc phục đƣợc những vấn đề tồn tại trên. Nguyên lý của bộ khuếch đại quang dựa trên hiện tƣợng phát xạ kích thích nhƣng không xảy ra cộng hƣởng trong quá trình khuếch đại (khác Lazer). Trong môi trƣờng tích cực của bộ khuếch đại thì cả 3 quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích xảy ra đồng thời (Hình 3.3). Tuy nhiên chỉ có quá trình phát xạ kích thích là tạo ra độ lợi khuếch đại, phát xạ tự phát đƣợc coi là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 34 khuếch đại quang. Nhiễu này đƣợc gọi là nhiễu phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise). Có nhiều loại khuếch đại quang, có thể tạm chia làm hai loại chính đó là khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier) [4] tr 226. Hiện nay, trong các hệ thống thông tin quang, ngƣời ta thƣờng sử dụng bộ khuếch đại sợi có pha tạp Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) thuộc loại khuếch đại quang sợi OFA. Sở dĩ bộ khuếch đại EDFA đƣợc sử dụng là do có nhiều ƣu điểm về các đặc tính kỹ thuật so với các bộ khuếch đại khác nhƣ băng thông rộng (20-70nm), độ lợi lớn (20-40dB), công suất ngõ ra lớn (có thể hơn 200 mW), và nhiễu thấp. Ngoài ra bộ khuếch đại EDFA có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao DWDM. Đề tài đi sâu vào phân tích bộ khuếch đại này. Cấu tạo chung của bộ khuếch đại quang đƣợc trình bày nhƣ trên Hình 3.12 (a). Hình 3. 12 (a) Cấu trúc chung bộ khuếch đại, (b) cấu trúc bộ EDFA Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA đƣợc minh họa trên Hình 3.12 (b) trong đó gồm các bộ cách ly quang (Isolator) ngăn không cho tín hiệu quang sau khi khuếch đại dội ngƣợc về nguồn phát, bộ ghép tín hiệu quang Coupler để đƣa ánh sáng từ nguồn Lazer bơm và tín hiệu quang cần khuếch đại vào trong sợi quang pha tạp Erbium, Lazer bơm cung cấp năng lƣợng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng có bƣớc sóng 980nm hoặc 1480nm và cuối cùng là sợi quang pha ion Erbium là nơi xảy ra quá trình khuếch đại của EDFA [4] [5] tr.78. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 35  Độ lợi: là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại. Nó đặc trƣng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại [4] tr.227: (3. 8) Hay: ( ) 0 1 , : công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại (mW).  Hệ số nhiễu (Noise Figure): tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu đƣợc Pout bao gồm cả công suất tín hiệu đƣợc khuếch đại và công suất nhiễu phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) [4]: (3. 9) Ảnh hƣởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang đƣợc biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR [4] tr.230: (3. 10) Trong đó: , là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại. Hệ số nhiễu của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt. Đối với EDFA hệ số nhiễu đƣợc cho bởi [4] tr. 231: ( ) (3. 11) Trong đó: = N2/(N2-N1) đƣợc gọi là hệ số phát xạ tự phát, N1, N2 là nồng độ ion Erbium ở mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích Hiện nay, hệ số nhiễu đạt đƣợc đối với bộ khuếch đại EDFA là khá nhỏ (3dB). Đây chính là lý do chính khiến nó đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn quang. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 36 3.3 CÁC HIỆU ỨNG TRUYỀN DẪN Nhƣ đã đề cập, tín hiệu truyền trên sợi quang bị tác động bởi các hiệu ứng truyền dẫn dẫn đến chất lƣợng của tín hiệu bị giảm, khoảng cách truyền vì thế cũng giảm theo. Có thể chia các hiệu ứng này làm hai loại lớn đó là hiệu ứng tuyến tính (bao gồm các hiệu ứng nhƣ suy hao, tán sắc..) và phi tuyến (bao gồm các hiệu ứng nhƣ tự điều pha SPM, điều chế pha chéo XPM, trộn bốn bƣớc sóng FWM và các hiện tƣợng tán xạ phi tuyến nhƣ tán xạ Raman SRS, tán xạ kích thích Brillouin SBS). Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hƣởng của các hiệu ứng này cũng khác nhau [1]. Cụ thể là đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lƣợng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao. Đối với các hệ thống cự ly tƣơng đối dài, tốc độ cao thì yếu tố chính cần quan tâm là suy hao và tán sắc. Còn đối với các hệ thống cự ly dài, tốc độ rất lớn thì ta cần quan tâm tất cả các yếu tố suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến [9] tr.17. 3.3.1 Các hiệu ứng tuyến tính  Suy hao Khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang, công suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang bị suy hao ( Hình 3.13) có liên hệ với công suất ngõ vào Pin theo quy luật hàm mũ sau [4] tr.55: (3. 12) Với là hệ số suy hao sợi quang có đơn vị là Nepers/km. Thông thƣờng sẽ đƣợc tính theo đơn vị là dB/km [4] tr.55: 0 1 0 1 ( ) , - (3. 13) Có nhiều nguyên nhân gây suy hao sợi quang, trong đó một số nguyên nhân chính nhƣ là do hấp thụ (bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi hay còn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi không tinh khiết nhƣ lẫn các tạp chất kim loại hoặc ion OH-), tán xạ tuyến tính (do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi có thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi) bao gồm tán xạ Reyleigh và tán xạ Mie… Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 37 Hình 3. 13 Tín hiệu bị suy hao sau khi qua sợi quang Hình 3. 14 Sự phụ thuộc của suy hao vào bƣớc sóng quang Suy hao sợi quang phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng truyền qua sợi quang đó. Hình 3.14 cho ta thấy mối quan hệ giữa bƣớc sóng và suy hao sợi quang. Ngày nay, các hệ thống thông tin quang thƣờng sử dụng bƣớc sóng ở hai cửa sổ quang chính đó là cửa sổ 1300 nm và 1550 nm. Nhìn vào Hình 3.14 ta cũng có thể thấy đƣợc rằng tại sao ngƣời ta lại sử dụng bƣớc sóng ở hai cửa sổ này. Đặc biệt ở cửa sổ quang 1550 nm, suy hao chỉ còn xấp xỉ 0.2 dB/km, và các ảnh hƣởng của hấp thụ, tán xạ là ít nhất tại cửa sổ quang này. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 38  Tán sắc Trong sợi quang, những ánh sáng có bƣớc sóng khác nhau (tần số khác nhau) và những mode truyền khác nhau thì cần thời gian khác nhau để truyền qua cùng một đoạn sợi quang có độ dài L [4] tr.38, hiện tƣợng này gọi là tán sắc. Nói chung, tán sắc gây nên sự giãn phổ của tín hiệu quang dẫn đến nhiễu ISI, tăng lỗi bit ở máy thu và làm giảm khoảng cách truyền dẫn. Hình 3.15 mô tả tín hiệu bị tán sắc sau khi truyền qua sợi quang. Tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu Dt (s) đƣợc tính [1]: √( ) (3. 14) Trong đó: là độ rộng xung ngõ vào và ngõ ra tƣơng ứng (s) Để đánh giá độ tán sắc trên mỗi km chiều dài sợi quang ứng với độ rộng phổ quang là 1 nm thì Dt thƣờng có đơn vị là ps/nm.km. Hình 3. 15 Tán sắc trong truyền dẫn quang Có nhiều loại tán sắc khác nhau nhƣ tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode, tán sắc sắc thể (bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng) xảy ra với tất cả các loại sợi quang, và tán sắc mode phân cực [1] [4] tr.44. Trong các loại tán sắc này thì tán sắc sắc thể là loại có ảnh hƣởng lớn nhất đến chất lƣợng tín hiệu [1]. Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thƣớc sợi, đặc biệt là đƣờng kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đƣờng đi khác nhau, có cự ly đƣờng truyền khác nhau và do đó thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau. Đề tài sử dụng sợi đơn mode chuẩn SMF để mô phỏng nên tán sắc đƣợc quan tâm là tán sắc sắc thể. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 39 Nhƣ đã đề cập, tán sắc sắc thể CD bao gồm tán sắc vật liệu (Material Dispersion) và tán sắc ống dẫn sóng (WaveguideDispersion) [4] tr.39. Sự chênh lệch giữa các vận tốc nhóm giữa các thành phần phổ khác nhau trong sợi gây nên tán sắc vật liệu. Còn tán sắc ống dẫn sóng thì do sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng giữa nhóm ánh sáng truyền trong lõi sợi (chiếm đa số khoảng 80% [1]) với nhóm ánh sáng truyền trong lớp vỏ (một phần nhỏ khoảng 20 % [1]) gây ra. Gọi thành phần phổ đặc trƣng của nguồn quang là với độ rộng phổ tƣơng ứng là , là độ rộng dải các bƣớc sóng của nguồn quang. Khi đó, độ giản xung của tín hiệu quang truyền qua sợi quang có độ dài L do CD đƣợc viết [4] tr.38 [5] tr.93: (3. 15) Với là tham số tán sắc có đơn vị là ps/km.nm. gọi là tham số tán sắc vận tốc nhóm (GVD). Tham số này nhằm xác định xung quang có thể giản ra bao nhiêu khi truyền qua sợi quang. Tán sắc sắc thể CD chính là tổng của tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng, đƣợc diễn tả [4] tr.40 [5] tr.93: . / (3. 16) Với là tán sắc ống dẫn sóng là tán sắc vật liệu Độ trải rộng xung do tán sắc ống dẫn sóng ( ) và tán sắc vật liệu ( ) là hàm theo bƣớc sóng nhƣ mô tả trên Hình 3.16 [4] tr.42. Tại bƣớc sóng tƣơng ứng với Dchr = 0 đƣợc gọi là tán sắc zero (zero dispersion). Giá trị tán sắc zero có thể thay đổi sao cho dịch tới càng gần cửa sổ quang đang sử dụng càng tốt. Ngƣời ta có thể thay đổi bằng cách thay đổi bán kính của lõi Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 40 tƣơng ứng để dịch chuyển tới gần 1550 nm. Sợi DSF chế tạo theo nguyên tắc này. Khi xem xét các loại tán sắc kể cả tán sắc mode thì tán sắc tổng cộng bao gồm tán sắc sắc thể và tán sắc mode [1]: √ (3. 17) Hình 3. 16 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bƣớc sóng 3.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có thể đƣợc chia làm hai loại. Một là các hiệu ứng do tán xạ phi tuyến (tán xạ kích thích Brillouin SBS và tán xạ kích thích Raman SRS) và loại còn lại là các hiệu ứng Kerr (bao gồm tự điều pha SPM, điều chế pha chéo XPM, trộn bốn bƣớc sóng FWM) [9] tr.19 do sự phụ thuộc chiết suất khúc xạ vào công suất phóng vào sợi quang. Các loại tán xạ kích thích gây ảnh hƣởng đến độ lợi hay độ suy hao của tín hiệu quang, còn các loại hiệu ứng Kerr gây ảnh hƣởng đến sự dịch pha của tín hiệu quang sau khi truyền qua sợi quang đó [9] tr.20. Sự khác nhau giữa hai loại này là các hiệu ứng do tán xạ kích thích gây ra thì cần một mức công suất ngƣỡng nhất định nào đó, khi công suất vào sợi quang lớn hơn mức công suất ngƣỡng này thì các hiệu ứng tán xạ kích thích mới gây ảnh hƣởng đến tín hiệu truyền. Còn các hiệu ứng Kerr không có ngƣỡng công suất nhƣ vậy [9] tr.21. Hình 3.17 là sự phân loại các hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang [5] tr.98. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 41 Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất phóng vào sợi quang. Có thể bỏ qua các hiệu ứng này đối với các hệ thống hoạt động với công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ vừa phải (khoảng dƣới 2.5 Gb/s). Tuy nhiên, với hệ thống có mức công suất hoạt động lớn, tốc độ bit cao thì việc xem xét các hiệu ứng phi tuyến tác động lên tín hiệu quang là quan trọng [9] tr 23. Hình 3. 17 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến  Tán xạ kích thíc