Đồ án Phương pháp thiết kế mạng truyền hình cáp hữu tuyến

c sóng 2.8/(n + 1) mm, ví dụ như ở 1.4mm, 0.93mm và 0.7mm (với n = 1,2 và 3) như thể hiện ở hình 3.10. Các đỉnh hấp thụ khác như là đỉnh ở 1.24mm là do tác động giữa liên kết OH và SiO2. Suy hao tổng Tán xạ Rayleigh Hấp thụ cực tím Hấp thụ hồng ngoại OH 850nm 1.cửa sổ 1300nm 2.cửa sổ 1550nm 3.cửa sổ 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 0 1 2 3 4 5 ion OH Bước sóng l (mm) Suy hao (dB/km) Hình 3.10 Suy hao tổng của sợi quang 2 – Suy hao do tán sắc Có 4 loại suy hao tán sắc trong sợi quang là Rayleigh, Mie, Brillouin và Raman mà trong đó quan trọng nhất là suy hao do tán sắc Rayleigh. Suy hao do tán sắc Rayleigh tỉ lệ thuận với 1/l4 và được tính như sau: aR = CR[dB/km] (3.8) ở đây, CR được gọi là hệ số tán sắc Rayleigh. Giá trị thực tế đo được thể hiện ở hình 3.10 và nằm trong khoảng từ 0.8 á 1.0 (dB/km)/(mm)2 và là một hàm của chênh lệch chiết xuất giữav lõi với vỏ, đường kính lõi và kiểu của vật liệu. Nói một cách tổng quát, chênh lệch chiết xuất giữa lõi và vỏ càng lớn thì suy hao do tán sắc Rayleigh càng lớn. Suy hao tổng bao gồm suy hao vật liệu và suy hao do tán sắc Rayleigh được thể hiện như ở hình 3.10 cho thấy có hai cửa sổ thấp ở 1.3mm và 1.55mm. Do vậy hầu hết các nguồn quang thường hoạt động ở các bước sóng đó để có suy hao là nhỏ nhất. Các tán sắc Rayleigh và Mie là các tán sắc tuyến tính, trong đó công suất một mode của từng loại thiết bị biến thành mode bức xạ bởi tính không đồng nhất của chỉ số chiết xuất (Rayleigh) hoặc tính không đồng nhất của bề mặt dẫn sóng (Mie). Các tán cắc Brillouin và Raman là các tán sắc không tuyến tính , trong đó công suất một mode của từng loại bị biến thành một mode có tần số khác. Tán sắc Brillouin có thể coi như một sự điều chế sóng mang ánh sáng bởi sự dao động phân tử nhiệt, tần số của ánh sáng bị điều chế sẽ bị dịch lên hoặc dịch xuống so với tần số sóng mang vốn có. Tán sắc Raman giống như tán sắc Brillouin. Thực tế, cả hai tán sắc Brillouin và Raman cần công suất lớn, thông thường 100mW với Brillouin và 1W với Raman. Vì thế chúng không đáng kể khi công suất được truyền chỉ cỡ vài mW. 3 – Suy hao uốn cong Tín hiệu trong sợi quang còn chịu suy hao bức xạ tại các điểm uốn cong bởi các mode vi phân được tạo ra. Trong thực tế, suy hao uốn cong không đáng kể trừ khi bán kính uốn cong sợi quá nhỏ, do vậy thường bỏ qua suy hao uốn cong này. Tuy nhiên khi tuyến truyền dẫn quang dài và có nhiều điểm uốn cong thì suy hao do uốn cong có thể đáng kể. Khi đó cần sử dụng các sợi có đường kính trường mode nhỏ hơn để giảm suy hao uốn cong. 4 – Suy hao ghép nối và mối hàn Tín hiệu quang còn bị suy hao tại điểm kết nối giữa hai sợi bằng bộ ghép nối hoặc mối hàn. Suy hao này gây ra bởi nhiều nguyên nhân sau đây: - Suy hao bởi các yếu tố bên ngoài: + Không đồng tâm giữa hai lõi sợi + Mặt cắt sợi bị nghiêng + Có khe hở giữa hai đầu sợi được nối với nhau + Bề mặt đầu sợi không phẳng - Suy hao bởi các yếu tố nội tại: + Lõi sợi bị elip + Không tương thích về chiết xuất + Không đồng nhất về đường kính trường mode Thông thường suy hao nối ghép khoảng 0.2dB và suy hao mối nối khoảng 0.05dB. 3.3.4 - Độ nhạy thu và quỹ công suất Do suy hao sợi quang, công suất ánh sáng sẽ bị suy giảm khi lan truyền và suy hao sợi sẽ hạn chế cự ly liên lạc và tốc độ bít. Giới hạn suy hao đó có thể được thấy rõ thông qua khái niệm độ nhạy thu và quỹ công suất. 1 - Độ nhạy thu Trong mỗi hệ thống viễn thông, một công suất thu tối thiểu cần thiết phải có để đạt được các đặc tính nhất định, công suất thu tối thiểu đó được gọi là độ nhạy thu. Nếu công suất tín hiệu thu được thấp hơn công suất tối thiểu cần thiết thì hệ thống sẽ không thoả mãn các chỉ tiêu kỹ thuật hoặc thậm chí có thể không làm việc được. 2 – BER của truyền dẫn số BER = ũ Ơ SNR e - dx = Q() ằ e - (3.9) Trong truyền dẫn số, phẩm chất được đánh giá dựa trên thông số BER mà nó là phần trăm các bít lỗi thu được. Một nguyên nhân cơ bản gây ra các bít lỗi chính là tạp âm. Công suất tín hiệu càng lớn hơn công suất tạp âm thì BER càng nhỏ. Từ kết quả các nghiên cứu, BER đối với các tạp âm trắng phân bố Gauss (chính là tạp âm nhiệt) được tính như sau: Với tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR >>1. Nếu BER yêu cầu nhỏ hơn 10-9 thì SNR sẽ phải ít nhất là 36 lần tức là 16dB. Vì vậy, với một công suất tạp âm tổng cộng đã cho của hệ thống, độ nhạy thu sẽ phải gấp 36 lần công suất tạp âm. 3 – Quỹ công suất Quỹ công suất được định nghĩa là hiệu số giữa mức công suất phát và công suất thu cần thiết và được tính theo công thức: Bp = (3.10) Hoặc: BD[dB] = PTx[dBm] – PRxmin[dBm] (3.11) Với: PTx[dBm]: là công suất phát PRxmin[dBm]: là công suất thu tối thiểu cần thiết (độ nhạy thu) Như vậy, suy hao tổng cộng trên đường truyền phải thấp hơn quỹ công suất. Trong sợi quang, suy hao được tính theo dB/km. Nếu một sợi quang có độ dài L[km] và có suy hao asợi[dB/km] thì suy hao tổng cộng của sợi là asợi.L[dB]. Vì vậy ta cần có: asợi.L + aghép nối.N + Aloss Ê Quỹ công suất (3.12) Trong đó: asợi[dB/km]: là suy hao sợi aghép nối[dB/mối hàn]: là suy hao mỗi ghép nối N: là tổng số điểm ghép nối trên tuyến truyền dẫn Alos[dB]: là các suy hao khác Quỹ công suất có thể được cải thiện bằng một số cách, ví dụ như: có thể tăng PTx bằng cách tăng công suất ra của laser hoặc giảm PRxmin bằng các bộ tách sóng quang dạng thác lũ (Avalanche Photodetector). Quỹ công suất còn có thể tăng lên bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang mà chúng có thể rất quan trọng trong các hệ thống thông tin xuyên đại dương bởi ở các hệ thống này thì suy hao là yếu tố vô cùng quan trọng ảnh hưởng đến hệ thống. 3.3.5 - Các giới hạn bởi suy hao Từ biểu thức về quỹ công suất (3.12) ta thấy cự ly truyền dẫn bị hạn chế bởi: Lmax = {10lgPTx – 10lgPRxmin - Aloss} (3.13) Trong đó: asợi[dB/km]: là suy hao sợi PTx[dBm]: là công suất phát PRxmin[dBm]: là độ nhạy thu để đảm bảo chất lượng truyền dẫn nhất định. Alos[dB]: là các suy hao khác Nếu công suất ra PTx của bộ phát và suy hao sợi quang asợi là cho trước thì khoảng cách liên lạc có thể đạt được phụ thuộc cơ bản vào PRxmin. Ví dụ: Nếu PTx = 0dBm, PRxmin = -45dBm, asợi = 0.2dB/km, N = 2 và các suy hao khác trên hệ thống Aloss = 5dB thì ta có: Quỹ công suất = 45dB. Từ đó ta tính được khoảng cách tối đa: Lmax = (45 – 5 -2)/0.2 = 190[km] 3.3.6 - Truyền lan ánh sáng trong sợi quang Ngoài vấn đề suy hao, tán sắc sợi (Dispersion) cũng là một yếu tố hạn chế khác đến việc truyền dẫn sóng ánh sáng. Tán sắc là một hiện tượng mà các photon (tức là các mode) có tần số khác nhau truyền lan với các vận tốc khác nhau. Do vậy, một xung ánh sáng sẽ trở nên rộng hơn và chồng lấn lên nhau khi nó truyền lan trên sợi quang. Trong phần này sẽ đi vào cơ sở vật lý của việc truyền lan ánh sáng trong sợi quang, sau đó sẽ đề cập đến các dạng tán sắc khác nhau trong sợi và các hạn chế do tán sắc. Việc truyền lan tín hiệu trong sợi quang có thể được mô tả bằng phương pháp quang hình hoặc bằng các hàm Maxwell có thể thể hiện một cách chính xác, tuy nhiên rất phức tạp. Để đơn giản trong đồ án này chủ yếu xem xét bản chất vật lý của việc truyền sóng với một mức độ toán học đơn giản nhất. 3.3.6.1 – Truyền lan tín hiệu trong sợi quang Để truyền được trong sợi quangthì tia sáng phải tuân theo định luật phản xạ toàn phần của Snell. Trong sợi quang có hai loại tia có thể truyền đi trong đó là tia kinh tuyến (Hình 3.11) và tia nghiêng (Hình 3.12). Tia kinh tuyến là tia truyền dọc theo sợi quang theo đường zic zắc và các tia này cắt ngang trục của lõi sợi sau mỗi lần phản xạ, còn tia nghiêng là tia truyền dọc theo sợi quang theo đường xoắn ốc và đường đi của các tia này thường dài hơn các đương kinh tuyến do đó suy hao mạnh hơn. Vì vậy, việc đi vào phân tích loại tia nghiêng này là không cần thiết vì nó không phản ánh về các tia lan truyền trong sợi. Nên chỉ xem xét các tia kinh tuyến mới có ý nghĩa trong mục đích này. Tuy nhiên, các tia nghiêng cũng góp phần vào việc kết luận quá trình tiếp nhận các tia sáng và suy hao tín hiệu của sợi quang. Các tia kinh tuyến được thể hiện trong hình 3.11 là xét cho loại sợi có chỉ số chiết xuất phân bậc. Với góc vào của tia sáng hợp với lõi trục một góc q0. Theo định luật Snell thì gócfmin tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ được xác định như sau: sinfmin = (3.14) Trong đó: fmin là góc tới hạn n1 là chiết xuất lõi n2 là chiết xuất vỏ Như vậy, mọi tia sáng khi tiếp xúc vào ranh giới lõi-vỏ với góc f < fmin sẽ bị khúc xạ ra ngoài vỏ và sẽ bị suy hao ở lớp vỏ. Điều kiện của phương trình 3.14 sẽ bị ràng buộc với góc vào lớn nhất q0max theo phương trình: n0sinq0max = n1sinqc = (3.15) Trong đó qc là góc khúc xạ tới hạn. Do vậy, các tia có góc vào q0 fmin có các vận tốc theo trục z là khác nhau. Cụ thể, vận tốc theo trục z được tính bởi: vz = sinf (3.16) Vận tốc này phụ thuộc vào q1 do vậy gây ra trễ truyền lan khác nhau, đó chính là tán sắc. Thứ hai, là các tia có q1 càng lớn thì vận tốc theo trục z càng lớn và do đó có vận tốc góc càng nhỏ. Như trên hình thể hiện thì ta thấy rằng vận tốc góc càng lớn thì sự thẩm thấu của năng lượng ánh sáng vào lớp vỏ càng lớn. Các tia có vận tốc góc lớn tương ứng với các mode truyền lan bậc cao. Khi vận tốc góc quá lớn, tức là f < fmin thì tia sáng sẽ truyền lan vào lớp vỏ và không phản xạ trở lại lõi được. Phương trình (3.15) cũng xác định khẩu độ số NA (Numerical Aperture) và được định nghĩa như sau: NA = n1sinq0max = = n1 (3.17) Hình 3.11 Tia kinh tuyến trong sợi chiết xuất phân bậc Tia khúc xạ Tia phản xạ Lõi Vỏ Vỏ n2 n1 n2 Trục f q q0 n0 Với D = là độ chênh lệch chiết xuất tương đối giữa lõi và vỏ. Khẩu độ số NA là một thông số rất quan trọng đối với sợi quang vì nó thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung các tia sáng của sợi, cũng vì thế mà cho phép chúng ta tính toán được hiệu quả của quá trình ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang. Giá trị của khẩu độ số NA luôn nhỏ hơn một đơn vị và nằm trong khoảng từ 0.14 á 0.5. Đối với các ứng dụng trong viễn thông thì NA nằm trong khoảng 0.1 á 0.2 tương ứng với các góc vào từ 5.70 á 11.50. Do đó các connector quang thường có góc nghiêng tiếp xúc là 80. ý nghĩa của khẩu độ số NA được thể hiện trong hình 3.11. Hình 3.12 Tia nghiêng trong sợi chiết xuất phân bậc n1 n2 Trục 3.3.6.2 – Các mode truyền lan Phương pháp quang hình trên chỉ cho thấy một cách gần đúng sự truyền lan ánh sáng trong thực tế. Để nghiên cứu chính xác hơn chúng ta phải dùng các hàm Maxwell. Tuy nhiên nếu chỉ để hiểu các đặc tính truyền lan trong sợi và tán sắc của sợi chúng ta có thể sử dụng các phương pháp toán học không phức tạp lắm. Với điều kiện biên tại giao diện lõi-vỏ (tương ứng với định luật Snell ở công thức (3.14) trong phần phân tích quang hình), chỉ có một tập xác định các hàm sóng thoả mãn phương trình Maxwell mới có thể truyền lan trong sợi quang, mỗi một hàm sóng đó được gọi là một mode truyền lan và được biều diễn dưới dạng: yi(r,f,z) = Ai(r,f)ej(wt - bziZ) (3.18) Trong đó: i là chỉ số của mode truyền lan yi Ai(r,f): là phân bố trường ngang bzi: là hằng số truyền lan theo trục z Biểu thức (3.18) cho thấy hàm sóng là hàm theo thời gian và các tham số không gian r, f, z. Hệ toạ độ trụ được dùng ở đay bởi sợi quang chính là một ống dẫn sóng tròn. Trong biểu thức (3.18), tham số ej(wt - bziZ) biểu thị việc truyền lan sóng dọc theo trục z của sợi. Hằng số truyền lan hướng z: Từ khái niệm các mode truyền lan bzi thoả mãn biểu thức tán sắc như sau: b12 = = bzi2 + Ki2 (3.19) Với b12 = là hằng số truyền lan của một sóng hài ở tần số w và trong môi trường điện môi đồng nhất có chiết xuất n1. Ki là hằng số truyền lan theo phương ngang của mode truyền lan thứ i. Từ đó ta có, mỗi mode truyền lan có một cặp Ki, bzi là số thực thoả mãn bất đẳng thức sau: b12 - bzi2 = Ki2 > 0 (3.20) Các mode truyền lan bậc càng cao (i càng lớn) thì Ki càng lớn và bzi càng nhỏ. Khi Ki vượt quá b1 thì bzi trở thành số ảo và mode đó có một sự suy giảm hàm mũ khi nó truyền lan. Biểu thức (3.20) là điều kiện truyền lan cho các sóng bên trong lõi sợi. Có một sự tương tự cho lớp vỏ nhưng với điều kiện khác: bzi2 - b22 > 0 (3.21) Với b2 = Điều kiện này có nghĩa là không có truyền lan trên lớp vỏ, nói cách khác là sóng trong lớp vỏ bị suy hao. Các biểu thức (3.20) và (3.21) đều yêu cầu bzi nằm trong khoảng: < < 1 (3.22) Điều kiện (3.22) chính là tương ứng điều kiện phản xạ toàn phần trong phần phân tích quang hình. Biểu thức (3.17) cho thấy khi n2 xấp xỉ n1 thì NA càng nhỏ, do đó chỉ có rất ít mode lan truyền được. Vận tốc truyền lan theo trục z: Tương tự với nhận xét được nêu trong phần phân tích quang hình, vận tốc của tia sáng phụ thuộc vào góc tới f. Vận tốc theo trục z của mode lan truyền thứ i là hàm của hằng số truyền lan bzi của nó và được tính như sau: vgi = (3.23) Với vgi thường được gọi là vận tốc nhóm và cho thấy rằng công suất của tín hiệu quang lan truyền nhanh như thế nào. Vận tốc nhóm khác với vận tốc pha vpi = w/bzi. Vận tốc pha vpi cho biết pha của tín hiệu quang thay đổi nhanh như thế nào.Mặc dù để việc tính toán chính xác vận tốc nhóm vgi cần phải biết bzi là một hàm của w, biểu thức (3.20) có thể được tính xấp xỉ khi sự phụ thuộc tần số của Ki là nhỏ, khi đó: ằ Bởi vì b1 = n1w/C = = (n1 + w) = = (3.24) Với n1g là chỉ số khúc xạ nhóm: n1g = n1 + w (3.25) Từ kết quả trên, dùng phép ràng buộc ta có: vgi = = ()-1 = ()-1 ằ ()-1 = = vg (3.26) So sánh (3.26) với (3.16) ta thấy tỉ số bzi/b1 là tương đương với sinq1 hoặc tỉ lệ với C/n1 trong biểu thức (3.10). Bởi mỗi mode truyền lan có bzi riêng nên mỗi mode có trễ truyền lan khác nhau. Điều này khẳng định điều đã nhận xét quá trình truyền lan trong phần phân tích quang hình rằng các tia tới với góc tới khác nhau có vận tốc theo trục z là khác nhau. 3.3.7 - Tán sắc sợi quang Như đã nêu ở trên, vận tốc nhóm vgi trong biểu thức (3.26) là một hàm của tần số và của các mode truyền lan. Nếu một xung quang có chứa các thành phần tần số khác nhau và các mode truyền lan khác nhau thì các trễ truyền lan khác nhau của các thành phần này sẽ làm xung bị giãn rộng và chồng lấn lên nhau ở cuối sợi quang. Tổng quát, có ba loại tán săc sợi như sau: Tán sắc vật liệu (Material Dispersion). Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion). Tán sắc mode (Modal Dispersion). Hai loại tán sắc đầu (tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng) có thể quy cho sự phụ thuộc tần số của vận tốc truyền lan và gộp chúng lại gọi chung là tán sắc trong mode (intramode) hay còn gọi là tán sắc vận tốc nhóm (Group Velocity Dispersion - GVD). Loại thứ ba (tán sắc mode) được gọi là tán sắc giữa các mode (intermode) do sự phụ thuộc của các vận tốc truyền lan vào các mode truyền lan khác nhau. Từ cách phân loại này, sợi đơn mode chỉ có tán sắc trong mode. 3.3.7.1 – Tán sắc trong mode (Intramode Dispersion) Tán sắc trong mode có thể hiểu như sau: bởi vận tốc nhóm của một mode là phụ thuộc tần số nên trễ truyền lan đơn vị (tức là nghịch đảo của vận tốc nhóm) cũng phụ thuộc tần số. Khai triển chuỗi Taylor đối với trễ đơn vị tại bước sóng xác định ta có: tg = tg (l0) + (l - l0) + 0.5(l - l0)2 + … (3.27) Trong đó tg (l0) là trễ truyền lan khoảng cách đơn vị ở bước sóng trung tâm l0. Từ khai triển trên, tán sắc trong mode được tính bởi: Dintra = = () = () (3.28) Trong đó chỉ số i đối với bzi được bỏ đi cho đơn giản. Biểu thức (3.27) có thể tính gần đúng như sau: tg = tg (l0) + (l - l0)Dintra + 0.5(l - l0)2 (3.29) Nếu chỉ giữ lại hai toán hạng đầu, độ rộng xung tăng do tán sắc bản thân mode Dintra sẽ được tính bởi: Dtg = DintraDl (3.30) Với Dl là độ rộng phổ tín hiệu. Để tìm Dintra ta dùng định nghĩa ở (3.28) và phép ràng buộc ta có: Dintra = () (3.31) Từ (3.24) ta có Dintra: Dintra = + () = Dmaterial + Dwaveguide (3.32) ở đây tán sắc vật liệu: Dmaterial = ằ (-l) ằ (-l) (3.33) Và tán sắc ống dẫn sóng: Dwaveguide = () (3.34) Từ các định nghĩa trên, lưu ý rằng Dmaterial là tham số không phụ thuộc mode lan truyền mà chỉ phụ thuộc vào n1. Tán sắc vật liệu của sợi quang Silic thông thường được coi là một hàm của bước sóng và được mô tả ở hình 3.12 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 0 10 20 -20 -10 Bước sóng l (mm) Ps/(nm.km) Hình 3.13 Tán sắc vật liệu trong sợi quang Tán sắc ống dẫn sóng thì ngược lại, nó phụ thuộc vào mode lan truyền thứ i được xác định bởi cấu trúc ống dẫn sóng quang. Nói một cách tổng quát, việc tính toán tán sắc ống dẫn sóng là rất phức tạp. 3.3.7.2 – Tán sắc mode Tán sắc mode là do sự trễ truyền lan khác nhau của các mode khác nhau. Từ (3.20) bzi là khác nhau đối với các mode khác nhau. Do vậy, vận tốc nhóm tương ứng vgi trong (3.23) cũng khác nhau. Cụ thể, ta có thể tính tán sắc mode như sau: Dmode = - = tg.max - tg.min (3.35) Với tg.max và tg.min là trễ truyền lan nhóm đơn vị cực đại và cực tiểu. Với sợi chiết xuất bậc (SI): có thể tính toán tán sắc mode của sợi SI bằng phương pháp quang hình. Theo công thức (3.16) ta có: tg.max ằ = (3.36) Vậy tán sắc mode: Dmode = tg.max - tg.min ằ ( - 1) = D (3.37) Kết quả (3.37) cho thấy rằng tán sắc mode trong sợi SI tỉ lệ thuận với độ chênh lệch chiết xuất D. Do NA tỉ lệ thuận với nên có một sự tương ứng giữa hiệu suất ghép nối và tán sắc. n(r) = n1(1 - 2D[r/a]a)1/2 Với r <a (3.38) n1(1 - 2D)1/2 Với r ³ a Với sợi chiết xuất Gradient (GI): Mặt cắt chỉ số chiết xuất của sợi GI có thể được biểu thị tổng quát bởi biểu thức sau: Trong đó a là tham số được tối ưu hoá sao cho có thể đạt được tán sắc mode cực tiểu. Tán sắc mode trong sợi GI rất khó xác định được trong phương pháp quang hình. Theo các kết quả nghiên cứu thì khi: a = 2(1 - D) (3.39) thì tán sắc mode là cực tiểu và được xác định bằng biểu thức: Dmode = (3.40) Khi đó tán sắc mode trong sợi GI là nhỏ hơn nhiều so với sợi SI được tính bởi (3.37) do yếu tố D2 (vì D < 1 nên D2 <<1). Tổng số mode có thể truyền lan được trong sợi GI được tính như sau: M = a2b12() (3.41) 3.3.7.3 – Tán sắc tổng cộng của sợi Từ tán sắc trong mode và tán sắc mode có thể tính được tán sắc tổng cộng của sợi quang. Thay vì cộng trực tiếp chúng, người ta dùng công thức tổng bình phương như sau (do tán sắc có tính ngẫu nhiên): D2total = D2intraDl2 + D2mode (3.42) Với Dl là độ rộng phổ của ánh sáng được tính bằng nm. Do một sợi quang được thể hiện cho một kênh thông tin, tạp âm tổng của sợi quang thường được dùng để đặc trưng cho băng thông truyền dẫn: Bsợi = (3.43) Biểu thức (3.43) cho thấy tán sắc tổng và độ dài sợi quang càng lớn thì tốc độ bít có thể truyền càng thấp. 3.3.7.4 – Sự hạn chế do tán sắc Tương tự như với tán sắc sợi, tán sắc sợi làm hạn chế cự ly truyền cực đại ở một tốc độ bít nhất định được gọi là giới hạn tán sắc và có thể được hiểu như: Khi tín hiệu được truyền đi trên sợi quang đến đầu thu chúng trở nên rộng hơn và chồng lấn lên nhau, nếu khoảng cách truyền dẫn quá lớn thì đến một lúc nào đó ta không thể phân biệt được các xung và không thể tách tín hiệu có ích ra được (thể hiện trong hình 3.14). Sự can nhiễu này trong truyền dẫn số được gọi là can nhiễu giữa các bít và kết quả là làm tăng BER (thể hiện trong hình 3.15 là hình xung số). Các xung tách nhau ở t1 Các xung còn phân biệt được ở t2 Khó phân biệt xung ở t3 Không phân biệt được xung ở t4 Giao nhau Dạng xung và biên độ Chiều dài sợi Hình 3.14 Sự giãn xung và suy hao của hai xung kề nhau khi chúng được truyền dọc theo sợi Nói chung BER không tăng đáng kể trừ khi DT’ = T’ – T0 là quá lớn. Một nguyên tắc cơ bản là nếu thoả mãn: DT’ = T’ – T0 = DtotalL Ê = (3.44) thì BER không xuống cấp đáng kể. Trong hệ thống thông tin cáp sợi quang, sự giãn xung không chỉ gây ra bởi tán sắc sợi mà còn do một yếu tố khác đó là độ rộng sườn trước nguồn phát quang và của bộ thu cũng gây ra giãn xung. Tương tự với tổng bình phương của tán sắc sợi tổng cộng, độ giãn xung tổng cộng là tổng bình phương của tất cả các yếu tố: DT’ = tt2 + tr2 + (DtotalL)2 (3.45) Với tt và tr là độ rộng sườn trước của máy phát và máy thu. Kết hợp (3.44) và (3.45) ta có: tt2 + tr2 + (DtotalL)2 < ()2 (3.46) Đây chính là biểu thức tổng quát cho giới hạn tán sắc. Tín hiệu phát Tín hiệu thu Hình 3.15 Dạng các xung phát và thu được T0 T’ 3.4 - Các mối hàn và các bộ kết nối (Connector) trong mạng quang. Một nhân tố quan trọng trong việc lắp đặt hệ thống thông tin quang là sự kết nối qua lại giữa các thiết bị hoặc giữa các thành phần với nhau. Các liên kết đó xảy ra tại nguồn quang, thiết bị tách quang hay các điểm trung chuyển trong đường truyền khi có hai sợi quang hoặc các sợi cáp nối với nhau. Việc sử dụng các mối hàn hay dùng các bộ kết nối (connector) tuỳ thuộc vào liên kết đó là tạm thời hay lâu dài. Liên kết lâu dài là các điểm nối hiếm khi thay đổi như nối hai sợi quang, nối giữa sợi quang và dây nhảy. Còn liên kết tạm thời là liên kết giữa các thiết bị có thể thay đổi được như: Giữa sợi quang và node quang ,sợi quang và hub, giữa sợi quang và các bộ chia,…..Nói chung, các mối hàn có suy hao thấp hơn so với các connector nhưng lại yêu cầu thiết bị hàn đắt tiền và nhiều nhân lực hơn connector. Đối với sợi đơn mode, yêu cầu độ chính xác rất cao tại điểm kết nối giữa các sợi quang. Các nguyên nhân gây nên suy hao trong cả connector và mối hàn có thể chia làm hai loại cơ bản: Suy hao bởi các yếu tố bên ngoài và suy hao bởi các yếu tố nội tại. Suy hao bởi các yếu tố bên ngoài như: Sự không đồng tâm giữa hai lõi sợi, chất lượng mặt cắt sợi và có khe hở giữa hai đầu sợi. s d q Hình 3.16 Các mối hàn gây suy hao giữa hai sợi quang (a) có khe hở, (b) Trục hai sợi bị lệch, (c Đầu cuối hai sợi tạo góc) (a) (b) (c) Có 3 yếu tố gây suy hao bên ngoài trong mối hàn quang cơ bản sau (Hình 3.16) + Có khe hở giữa hai sợi quang + Trục của hai sợi bị lệch + Trục của hai sợi tạo góc Trong trường hợp có khe hở thì trục của hai sợi quang trùng nhau nhưng mặt cắt của hai sợi cách nhau một khoảng s. Khoảng cách này tạo ra một vùng không gian tạo ra sự phản xạ và nếu sự phản xạ này lớn thì người ta gọi là phản xạ Fresnel và gây ra suy hao. Còn trong trường hợp lệch trục là trục của hai sợi song song với nhau nhưng lệch nhau một khoảng d. Trường hợp tạo góc là trục của hai sợi không song song với nhau mà tạo với nhau thành một góc hay mặt cắt giữa hai đầu cuối sợi tạo thành với nhau một góc q như trong hình 3.16. Để khắc phục suy hao bởi các yếu tố bên ngoài thì đầu cuối hai sợi quang phải mịn ,trục của hai sợi phải trùng nhau và mặt cắt hai sợi phải khít nhau. Suy hao bởi các yếu tố nội tại do các nguyên nhân gây ra như: Đường kính hai sợi không bằng nhau, lõi sợi hình elip,… Cả hai loại suy hao bên trong và bên ngoài đều ảnh hưởng đến hiệu suất ghép của sợi quang, hiệu suất giữa nguồn và sợi quang. Trong sợi đa mode, thì suy hao do bẻ góc là lớn nhất rồi đến suy hao do lệch trục và suy hao ít nhất là suy hao do có khe hở. Đối với sợi đơn mode thì suy hao do lệch trục nhiều hơn so với suy hao do có khe hở và do bẻ góc như được thể hiện trong hình 3.16. Vì trong sợi đơn mode chỉ có một mode được truyền lan và nó truyền dọc theo trục của sợi nên ánh sáng ghép vào sợi không đồng tâm sẽ bị suy hao một cách nhanh chóng. Do đó, đối với kết nối suy hao thấp (Ê 0.5dB) thì để giảm suy hao do lệch trục phải được điều chỉnh chính xác đến mm (với n là số nguyên) còn đối với sợi đa mode thì điều chỉnh chính xác đến mm. 0 0 0 0 10 20 30 40 4 3 2 1 1 2 3 0.5 1.0 1.5 2.0 Độ lệch d (mm) Góc q (Độ) Khoảng hở s (mm) Suy hao ghép (dB) Lệch trục Bẻ góc Khe hở Hình 3.17 Suy hao ghép trong sợi đơn mode đối với nguồn MDF và bước sóng 10mm trong các trường hợp: Khe hở, lệch trục và bẻ góc 3.4.1 - Phương pháp hàn cáp Hàn bằng cách làm nóng chảy sợi quang: Trong phương pháp này việc đầu tiên cần phải làm là gia công bề mặt lõi sợi nơi cần làm mịn bề mặt sợi và mặt cắt phải vuông góc với trục của sợi. Sau đó hai đầu cuối của sợi phải được đặt vào cái giá có rãnh hình chữ V và chụm đầu với nhau như trong hình 3.18. Tiếp theo chúng được cố định bằng các thiết bị được điều khiển bằng tay hoặc bằng bộ vi xử lý. Bước tiếp theo tại điểm tiếp xúc được làm nóng chảy bằng đèn hồ quang hoặc bằng laser vì vậy đầu cuối sợi quang bị chảy ra một cách nhanh chóng và liên kết lại với nhau. Kỹ thuật này có thể được sử dụng cho các sợi đơn mode và sợi đa mode với suy hao nhỏ hơn 0.1dB. hơn nữa, các sợi quang nóng chảy có thể bao phủ gần như là kích thước sợi quang ban đầu. Hiện nay hầu như các máy hàn quang đều sử dụng phương pháp hàn bằng cách làm nóng chảy sợi quang. Các sợi quang được đưa vào máy hàn và nó được điều chỉnh hoàn toàn tự động bằng bộ vi xử lý và hàn cũng hoàn toàn tự động. Các nhân viên kéo cáp chỉ thực hiện một số bước như sau: Đầu tiên dùng dao chuyên dụng cắt cáp. Sau đó tuốt vỏ bảo vệ ở ngoài cùng, tiếp theo là tuốt lớp vỏ chỉ định màu của sợi quang và lớp vỏ trong suốt. Rửa sạch sợi quang bằng cồn (thường để đầu sợi cáp tuốt vỏ khoảng 1 á 1.5m) và cắt bằng đầu cuối sợi. Sau khi xong các khâu chuẩn bị thì sợi quang được đưa vào máy hàn quang có rãnh chữ V để cố định cáp. Sau khi nhấn nút set