Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang

vào sợi quang thì laser có đặc điểm về suy hao tốt hơn ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập trung nguồn sáng . Ngoài ra loại sợi SM và GI cũng có những đặc điểm khác nhau về suy hao ghép nối bởi vì chúng có những đường kính lõi khác nhau. Trong ghép nối sợi quang và linh kiện thu quang thì các loại sợi có NA lớn , loại sợi GI có suy hao lớn hơn loại sợi SM vì chùm sáng của loại sợi này bị trải rộng ra. Tuy nhiên sự khác nhau về suy hao do nguyên nhân chùm sáng nở rộng thì nhỏ hơn nhiều so với suy hao ghép nối bản thân nó. Suy hao do các thông số khác nhau: Mặc dù công tác chuẩn bị tốt, nhưng có sự khác biệt về thông số sẽ gây suy hao lớn cho mối hàn. Các thông số của sợi ảnh hưởng đến mới hàn là : Đường kính sợi ( đường kính lõi , đường kính trường mode) Độ méo êlip. Khẩu độ số NA ( hay góc mở đầu sợi ) NA = sin qmax = n1 Suy hao mối hàn còn phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai đầu sợi (hình 2.19 ) , bao gồm: Lệch trục : trục của hai sợi không song song với nhau. Lệch tâm : tâm của hai mặt cắt đầu sợi không trùng nhau. Khe hở : đầu hai sợi không khít nhau. a(dB) 1,2 1 0,.8 f/qmax 0,6 0,4 x/d d f 0,2 x 0 S/d 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 độ lệch tương đối S Hình 2.19. Suy hao do vị trí tương đối giữa hai đầu sợi. 2.2.3.Đặc tuyến suy hao: a(dB/Km) cửa sổ thứ nhất sợi được chế tạo những năm 70 100 50 20 10 sợi chế tạo những năm80 5 cửa sổ thứ ba 2 cửa sổ thứ hai 1 0,5 0,2 0,1 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 l(nm) Hình 2.20. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode. Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo từng chủng loại sợi nhưng tất cả đều thể hiện được đặc tuyến suy hao chung như đã phân tích . Một đặc tuyến điển hình như hình vẽ trên đây: Cần lưu ý rằng, trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp, gọi là ba cửa suy hao . * Cửa sổ thứ nhất có bước sóng 850nm: Được xem là bước sóng có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu. Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 – 3 dB/Km. Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấp nhất. * Cửa sổ thứ hai có bước sóng 1300nm: Suy hao ở bước sóng này tương đối thấp khoãng từ 0,4 – 0,5 dB/Km. đặc biệt, ở bước sóng này có độ tán sác thấp nên được sử dụng rộng rãi. * Cửa sổ thứ 3 có bước sóng 1550nm: Cho đến nay suy hao ở bước sóng này là thấp nhất, dưới 0,2 dB/Km.Trong những sợi quang bình thường, độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm . Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ 3 sẽ có hai điểm lợi : suy hao thấp , và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550nmsẽ được sử dụng rộng dãi trong tương lai, nhất là các tuyến cáp quang thả biển. 2.3 . TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG : 2.3.1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán sắc. Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ suất hiện hiện tượng giãn xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp , các xung lân cận đè lên nhau, và khi đó, ta không thể phân biệt các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh.Hiện tượng giãn xung hay còn gọi là hiện tượng tán xạ. P p AS AE 0 0 tS tE t Hình 2.21. ảnh hưởng của tán xạ lên tía hiệu số và analong ( S chỉ tín hiệu phát , E chỉ tín hiệu thu ) Nguyên nhân chính của hiện tượng tán xạ là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian khác nhau của các tia ánh sáng phát đi đồng thời . Tán xạ ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng truyền dẫn, cụ thể : * Khi truyền tía hiệu digital trong miền thời gian nó gây ra giãn rộng các xung ánh sáng . * Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm nhỏ ( tới giá trị AE trên (hình 2.21) và có hiện tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn . 2.3.2.Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn bit. Ở đây xem xét trường hợp điển hình khi truyền dẫn tín hiệu digital . Một cách đúng, coi xung phát có độ rộng ts và xung thu có độ rộng tE có dạng quy luật phân bố Gauss ( xung hình chuông ). Độ rộng xung tính ở mức biên độ bằng một nữa biên độ lớn nhất ( hình 2.22 ). Khi thu về xung bị giãn rộng do tán xạ, với độ giãn rộng ( thời gian ) là t được tính theo công thức : t = ( 2.13 ) Trường hợp xung phát rất hẹp , ts << tE thì có thể coi gần đúng t » tE. Độ dãn xung t theo ( 2.13 ) có thể mức độ tán xạ tín hệu do sợi gây ra , và nó có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền bit. Trường hợp công thức ánh sáng thay đổi theo quy luật hình sin, sợi quang được coi gần đúng như bộ lọc thấp với hàm truyền đạt Gauss. Hàm truyền đạt biên độ là: H ( ¦ ) = = e –3,5.t 2. ¦2 ( 2.14 ). Với P~ ( f ) là cộ suất xuay chiều ở tần số f. Đồ thị hàm truyền đạt biên độ ( 2.14 ) được miêu tả như ( hình 2.22 ) . Các xung ánh sáng theo phân bố Gauss truyền đưa qua sợi quang thì biên độ giảm theo quy luật : P = P max . ( 2.15 ) Xét đặc tính truyền dẫn của sợi nhờ hình vẽ ( 2.22 ). Khi biên độ của hàm H ( f ) giảm còn một nữa biên độ lớn nhất ( tương ứng giảm 3dB ), người ta nhận được tần số fB ( ở mức 3dB ), và định nghĩa độ rộng băng truyền dẫn B=fB ( từ f = 0 đến f = fB ). Thay giá trị ½ H (f)½ = 0,5 vào( 2.14 )nhận được B: H(f) B = = ( 2.16 ) 1 1 H(f)= P(t) 0 B fB f Hình 2.22. Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang. Trong thực tiễn nếu có nhiều hiện tượng tán xạ cùng tác động gây méo xung thẻ hiện qua các giá trị dãn xung thành phần t1 ,t2 ..., thì có tán xạ tổng cộng thể hiện là tổng : t2 = t12 + t22 +.. Nếu tương ứng với t1 , t2 .. có giá trị B1 ,,B2 .. thì độ rộng băng truyền dẫn của sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượng tán xạ khác nhau là B vì theo công thức : Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang là tốc độ bit có thể truyền dẫn lớn nhất C ( bit/s ). Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu vào của máy thu bị dãn rộng , nhưng hai xung kề nhau còn đủ phân biệt được khi độ dãn xung t còn nhỏ hơn độ rộng xung ts của xung phát đi, từ đố tốc độ bit là : C = = 2,27 .B » 2B Như vậy độ dãn xung t, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C có quan hệ ảnh hưởng nhau . Để truyền được 2bit/s theo công thức C » 2B cần có độ rộng băng tần khoảng 1 Hz. Trên thực tế để truyền được 2bit/s cần có độ rộng băng tần khoảng 1,6 Hz. Do đó trên thực tế có thể nói tốc độ bit lớn của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn. Muốn có sợi có độ băng tần truyền dẫn và tốc độ bit lớn thì phải giảm nhỏ ảnh hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung t bé nhất . 2.3.3.các loại tán sắc : a). Tán xạ vật liệu : Vì chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi thay đổi theo bước sóng của tín hiệu lan truyền , tức là n = n ( l ). Nếu nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng l0 thì không có hiện tượng lệch về thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xung ánh sáng vì chúng lan truyền theo cùng vận tốc. vf = c /n (l0) = const. ( vf = Vận tốc pha của sóng ánh sáng ) Vì độ dãn xung t ( tán xạ ) gây nên méo xung truyền dẫn , nên nó vừa hạn chế cự ly truyền vừa hạn chế băng truyền dẫn , nên để đánh giá năng lực truyền dẫn của các loại sợi quang có tán xạ, người ta đưa ra đại lượng đặc trưng là tích số độ rộng băng truyền và cự ly truyền dẫn BL B = B.L = . ( 2.17 ) Với t là độ giãn xung khi truyền qua độ dài 1 km. Rõ ràng độ dãn xung trên một kilomet thể hiện năng lực truyền dẫn của sợi trên ( hình 2.23 ) cho thấy sự phụ thuộc của D vào bước sóng của hai loại vật liệu là thuỷ tinh thạch anh ( SiO2 ) thuần và thuỷ tinh thạch anh có pha hoạt chất GeO2. D 100 SiO2 SiO2 + 15Mo1%GeO2 50 0 -50 800 1000 1200 1300 1400 1600 l (nm) Hình 2.23. Hệ số tán xạ vật liệu của các loại vật liệu . Theo (hình 2.23). người ta thấy ở bên cạnh bước sóng 1,3 mm thì thuỷ tinh thạch anh có giá trị D = 0. Hay có thể nói vùng bước sóng 1,3 mm thì không có tán xạ vật liệu. và ở bước sóng 1,3mm thì thuỷ tinh thạch anh cũng có tiêu hao rất bé. Do đó mà cửa sổ truyền dẫn thứ hai quanh bước sóng 1,3 mm thường được chọn cho các hệ thống truyền dẫn đường dài với dung lượng lớn. Và ở vùng này không có tán xạ vật liệu, không sợ ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn chỉ cần chú ý đến suy hao tín hiệu , do vậy , nếu có diode phát quang có công suất phát đủ lớn thì ta có thể sử dụng thay cho các diode laser hiện nay khá đắt tiền. Người ta cũng tính được độ dãn bước sóng tương đối Dl/l của ánh sáng lan truyền bằng : (2.18) Ở đây l , và bước sóng trung tâm và tần số của ánh sáng , Dls, B là độ rộng phổ của nguồn quang và độ rộng của tần điều chế . Vì vậy dù trong trường hợp lý tưởng, khi mà độ rộng phổ của nguồn quang bằng 0, độ rộng tương của bước sóng điều chế phải được chú ý tới . HAI TRƯỜNG HỢP CỦA TÁN XẠ VẬT LIỆU : *Khi độ rộng phổ Dls của nguồn sáng là lớn : Laser làm việc theo chiều mode dọc và các loại diode LED khi dùng làm nguồn Sáng thì sẽ có độ rộng nguồn DlS lớn. Điều này dẫn đến DlS /Dl >> B/f ®DlS » Dl và do đó trể nhóm Dtn sẽ được quết định chủ yếu bởi DlS . phương trình liên hệ độ rộng băng tần B và ½Dtn ½: B = ( 2.19 ) Với A là một hằng số liên hệ giữa độ rộng trễ nhóm băng thông. áp dụng công thức trên ( 2.18 ) , ( 2.19 ) và DlS » Dl ta có : BL = A= const (2.20) * Khi độ rộng phổ nguồn DlS nhỏ : Khi ta có một laser bán dẫn chỉ phát ra một laser đơn ngang và một laser đơn dọc , thì DlS có thể nhỏ hơn 0,01nm. Vì vậy : Nếu băng tần điều chế cở khoãng vài GHz thì ta có DlS / l << B/f. Nếu độ rộng băng tần B liên hệ với ½Dtn ½ bởi B = A / ½Dtn ½ với A là hằng số thì áp dụng công thức ( 2.19 ), ( 2.20) trên ta thu được : B ( 2.21 ) Như vậy đối với sợi đơn mode thì băng tần B chỉ giảm tỷ lệ với căn bậc 2 của L. ở bước sóng 850nm độ tán sắc vật liệu khoãng 90 ¸ 120ps/nm. Km. Nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ Dl = 50nm thì độ nới rộng xung khi truyền qua mỗi Km là : Dmax =M x Dl Dmax = 100 ps/nm . Km x 50ns / Km Còn nếu nguồn quang là laser diode có Dl = 3nm thì độ nới rộng xung chỉ khoãng 0,3 ns / Km. ở bước sóng 1300nm tán sắc do vật liệu bằng dẫn sóng ngưng ngược dấu nên tán sắc sắc thể bằng không. Do đó bước sóng 1300nm thường được chọn cho các đường truyền tốc độ cao. ở bước sóng 1500nmđộ tán sắc do vật liệu khoãng 20 ps /nm . Km. b). Tán sắc dẫn sóng : Sự phân bố của trường và hằng số lan truyền của các mode phụ nthuộc vào tỷ số của đường kính ruột 2a và bước sóng công tác l ( tỷ số 2a/l ). Khi đường kính ruột 2a của một loại sợi không đổi, các mode lan truyền với bước sóng l. lúc này gọi là một hàm của đặc tính hình học của sợi quang. như thế xung bị thu dãn rộng phụ thuộc vào bước sóng. Đối với sợi đa mode do đường kính ruột lớn nên ảnh hưởng do tán xạ này rất nhỏ . Còn sợi đơn mode có đường kính ruột khá nhỏ nên tán sắc này có ảnh hưởng đáng kể. Điều đáng nói là do sợi có đường kính ruột quá nhỏ nên khi truyền dẫn có một luồng ánh sáng lọt ra vỏ, mà vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ – ruột, có chiết suất thay đổi, nếu sinh ra trể nhóm. với sợi đa mode chiết suất bậc thì trị số tán xạ này có sẵn và không đổi nữa . XEM TRỊ SỐ DƯỚI ĐÂY: Dtg » với : b = 1 - (2.23) Trong sợi đơn mode có 0,2 < V < 2,4, hệ số d2 ( Vd ) / d V2 khoảng 0,1-0,2.Đối với tán xạ dẫn sóng ở xung quanh bước sóng 0,85mm ( cửa sổ truyền dẫn thứ nhất ) ta có vận tốc nhóm tỷ lệ với độ dài bước sóng, giống như tán xạ vật liệu, do đó hai tán xạ này đều dương( cùng làm giản rộng xung ánh sáng ). Nhưng độ lớn của tán xạ dẫn sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vật liệu . ở bước sóng 1,25mm thì tán xạ dẫn sóng có độ lớn đáng kể so với tán xạ vật liệu . Tới bước sóng 1,27mm chúng sẽ có dấu khác nhau và sẽ làm suy giảm lẫn nhau tới không. c)Tán xạ mode: Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode . Các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch thời gian, sinh ra méo xung ( dãn xung ). Dạng xung ở đầu vào máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố chính ; * Thành phần công suất từ nguồn quang được ghép với sợi quang . * Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi quang . Để có thể hiểu hiện tượng một cách đơn giản, người ta sử dụng phương pháp tia, coi mỗi mode truyền dẫn được đặc trưng nhờ một tia sáng. Sợi quang đựoc coi là lý tuởng, không gây ra hiện tượng trộn các mode với nhau và coi chiết suất của sợi quang không phụ thuộc vào bước sóng . Trong sợi SI , các tia sáng ứng với mỗi mode chạy theo các đường kính dzích dzắc với độ dài khác nhau , trong đó tia song song với trục quang có độ dài ngắn nhất . vì chiết suất n1 của thuỷ tinh chế tạo ruột không đổi , nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phần như nhau. vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền của các tia là khác nhau. các tia đến đầu cuối sợi không cùng một lúc, mà có sự chênh lệch thời gian, gây ra dãn xung . Thời gian lệch giữa các tia sáng nhanh nhất và chậm nhất được tính như sau ( hình 2.24 ). Lớp bọc 1 Lỏi sợi 2 L Hình 2.24. So sánh tia dài nhất và tia ngắn nhất trong sợi SI. Tia 1 : Tia dài nhất , có độ dài : d1 = L Tia 2 : Tia ngắn nhất , Có độ dài : d2 = L. Thời gian truyền của tia 1 : t1 = ( v = C/n1: vận tốc ánh sáng trong lõi) Mà : cos q1 = sinqc = Nên : cos t1 = d1 = Thời gian truyền của tia2: t2 = Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền là : Dt = t1 – t2 = (2.23) Trong đó: : Độ chiết suất tương đối Thời gian chênh loch trên mỗi Km sợi cũng chính là độ dãn xung do tán xạ mode. Dmod = (2.24) Tổng quát độ tán xạ mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết xuất của sợi đa mode thông qua số mủ g trong biểu thức hàm chiết xuất : n(r) = {n1 với 0 £ r £ a {n2 = n1(1-D) » n1(1-2D) với r ³ a (2.25) Sự phụ thuộc của d mod vào số mũ g cũng được biểu diễn theo hàm trên . Qua đó ta thấy dmod đạt cực tiểu khi g ~ 2 và d mod tăng khá nhanh khi g có giá trị khác 2 về hai phía. Đây là một trong những yêu cầu nghiêm ngặt trong quá trình chế tạo sợi GI. ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN XẠ MODE ĐẾN BĂNG TRUYỀN DẪN CÁP SỢI QUANG. Gỉa thiết rằng không xẫy ra trộn mode, thời gian trể nhóm Dt trong một sợi đa mode do sự khác nhau giữa vận tốc nhóm của mode cơ bản và mode có số mode N lớn nhất được bởi : Dt = L (2.26) Với vgO ,vgN là vận tốc nhóm của mode cơ bản ,và mode N,L là chiều dài sợi quang. Độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi tuơng ứng với trể nhóm này được định nghĩa bằng : B = (2.27) Với A là hằng số liên hệ giữa B và Dt, phụ thuộc vào đặc điểm của phía thu. Từ hai công thức ( 2.26 ), ( 2.27 ) trên ta có tích số BL : BL = ( 2.28) Đối với sợi grandient có phân số chiết suất thay đổi theo a , với giả thiết tất cả các mode truyền dẫn ( 0®N ) có cùng công suất , tích số BL được tính bởi : BL = Với: N là số mode (2.29) Áp dụng cho tán xạ mode trong sợi chiết suất bậc. Đặt a = ¥ và Nm thì độ trễ nhóm Dtm giữa hai mode xa nhau nhất sẽ là n1 D L /c . do đó băng thông B = A /Dtm được cho bởi : BL = A (2.30) Trong trường hợp sợi grandient thuỷ tinh Silic, khi thay giá trị a = 3 là giá trị tương ứng với tán xạ đa mode thấp nhất , tích số : BL = 3A ( 2.31) So sánh hai tích số BL trên ta có thể thấy rằng băng thông của sợi grandient lớn hơn băng thông của sợi chiết suất bậc là 2/D d.) Tán xạ mặt cắt: Trong quá trình nghiên cứu , khi giả thiết chiết suất biến thiên theo bước sóng , người ta đều chia độ lệch chiết suất tương đối không phụ thuộc vào chiết suất l . Thế nhưng xem xét kỹ thì thấy rằng chiết suất n1 và n2 của ruột và vỏ biến thiên theo bước sóng không cùng một mức độ như nhau , nên gia trị cũng thay đổi theo bước sóng, gây nên hiện tượng tán xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt và đặc trưng qua tham số tán xạ P: P = (2.32) Trong đó n ( 0 ) là chiết suất ở tâm ruột và ng là chiết suất nhóm. Do tác động của tham số P, thì đường cong tán xạ mode bị dịch chuyển đi dọc theo trục tham số g , để có đỉnh đạt cực tiểu tại giá trị g = gopt. Từ ảnh hưởng phụ thêm của tán xạ mặt cắt, người ta thấy rằng mỗi sợi quang có độ rộng băng truyền lớn nhất tại một bước sóng cụ thể . ở mỗi vùng truyền dẫn tham số mặt cắt gopt khác nhau, do vậy cũng có chiết suất tối ưu khác nhau. vì vậy, mỗi loại sợi quang đa mode được chế tạo sẽ được tối ưu cho một vùng bước sóng công tác. Không có một loại sợi nào cho phép đặt độ rộng băng tần truyền dẫn lớn cả hai vùng cửa sổ, chẳng hạn ở 0,84mm và 1,2mm. e). Tán sắc tổng cộng: Như đã biết rằng tán sắc tổng cộng của sợi đơn mode gồm các tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng là chủ yếu. Tán sắc D được diễn dãi bằng : D (l) = (2.33) Và được tính bằng ps/ ( nm. Km). Độ dãn tổng s của một xung quang trên sợi dài L được chọn bởi : s = D ( l ) . Lsl ( 2.34 ) Với sl là độ dãn bước sóng của nguồn phát . TÁN XẠ TỔNG CỘNG TÁN XẠ MODE TÁN XẠ ĐƠN SẮC TÁN SẮC DẪN SÓNG TÁN SẮC VẬT LIỆU Sợi đơn mode Sợi đa mode Hình 2.25. Các loại tán sắc trong sợi quang. Để đo tán sắc , thì phải xác định được trễ xung trên dãi bước sóng rộng . Tại điểm có tán sắc bằng không thì trễ xung sẽ tới giá trị nhỏ nhất . để tính toán tán sắc gần 1300nm, EIA đã khuyến nghị một phương trình Sellmeier loại 3 số hạng dưới dạng sau cho trường hợp xung trễ: t = A + Bl2 + Cl2 ( 2.35 ) Đối với tán sắc bằng không tại 1540nm , phương trình Sellmeier loại năm số hạng được khuyến nghị có dạng : t = A + Bl4 + Cl2 +Dl-2 +El-4 ( 2.36 ) Chỉ xét phương trình loại ba số hạng, ta có đạo hàm của đường cong tương ứng ; = 2B l - 2 C l-3 ( 2.37 ) Đối với bước sóng l0 có tán sắc bằng không. Đặt S0 là tốc độ của D (l) tại l0: D (l) = (2.38) Với So tính bằng ps/ ( nm2. Km ). Khi đo một tập hợp các loại sợi quang, ta sẽ có giá trị l0 trong dãi từ l0 tới l0max. Các giá trị tiêu biểu của S0 Là 0,091 ps/( nm2.Km ) đối với sợi đơn mode tiêu chuẩn , và giữa 0,07 ps/(nm2 .Km ) đối với sợi tán sắc dịch chuyển khuyến nghị G.652 của CCITT đã xác định tán sắc lớn nhất là 3,4ps/(nm . Km) trong vùng bước sóng 1285nm đến 1330nm. Ps/nm.Km 20 10 tán sắc vật liệu tán sắc tôngr cộng 0 10 -20 tán sắc dẫn sóng 1200 1300 1400 1500 l ( nm ) Hình 2.26. Tán sắc tổng cộng của sợi đơn mode. Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức : Dt= (2.39) Với Dchr = Dmat +Dwg (2.40) Trong đó : Dt : Độ tán sắc tổng cộng ( nếu là sợi đa mode ) Dmod : Độ tán sắc mode ( chỉ có trong sợi đa mode ) Dchr : Độ tán sắc sắc thể Dmat : Độ tán sắc vật liệu Dwg : Độ tán sắc dẫn sóng Tính độ tán sắc của tuyến : Dt = ( 2.41 ) Trong đó : Dt : Tán sắc tổng cộng Dmod: Tán sắc mode được tính theo công thức: Dmod (ns ) = ( 2.42 ) BL : dãi thông giới hạn bởi tán sắc mode. L : Cự ly giới hạn bởi quỷ công suất Dchr : Tán sắc sắc thể Dchr = Dmat + Dwg , Dwg << Dmat Dchr » Dmat = dmat x Dl x L (ns )( ns) ( ns/nm .Km ) ( nm ) ( Km ) (2.43) Dmat: tán sắc vật liệu của tuyến Dwg : tán sắc ống dẫn sóng dmat : tán sắc vật liệu đơn vị Dl : độ rộng phổ nguồn quang TÍNH ĐỘ TÁN SẮC TỐI ĐA CHO PHÉP : Độ tán sắc tối đa cho phép phụ thuộc tốc độ thực tế của chuỗi xung trên đường dây quang nên phụ thuộc vào cấp ghép kênh và loại mã đường dây được sử dụng. Độ tán sắc tối đa tính theo công thức : Dmax ( ns ) = (2.44) B: Tốc độ bit thực trên đường dây quang . Br: Tốc độ bit x hệ số tăng bit của mã đường dây . SO SÁNH ĐỘ TÁN SẮC CỦA TUYẾN VỚI ĐỘ TÁN SẮC TỐI ĐA : Nếu Dr £ Dmat : dãi thông không bị giới hạn Nếu Dt > Dmat : dãi thông bị giới hạn . Trường hợp sau phải giảm cự ly của đoạn tiếp vận sao cho: Dt = Dmat Sợi đơn mode chỉ có tán sắc thể nên DT =Dchr » dmat x Dl x L ( 2.45 Do độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ, đặc biệt khi dùng ở bước sóng 1300nm , nên dãi thông của đơn mode rất rộng. trong nhiều trường hợp người ta không cần tính đến bước hai đối với sợi đơn mode. f. Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt: * Sợi dịch tán sắc : Trong những tuyến cáp quang đường dài bước sóng 1550nm được ưa chuộng hơn nhằm giảm số trạm tiếp vận vì độ suy hao ở bước sóng này chỉ vào khoãng phân nữa so với mức độ suy hao ở bước sóng 1300nm. Nhưng lại gặp một trở ngại là độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn . Để giải toả này người ta có thể đi theo hai hướng : - Giảm bề rộng phổ của nguồn quang để giảm Dmat = dmat x Dl Hướng này có liên quan đến công nghệ chế tạo laser băng hẹp hay còn gọi là laser đơn tần ( Single frequency Laser ) Dịch điểm có tán sắc bằng không đến bước sóng 1550nm. lúc đó ở bước sóng 1550nm sợi quang vừa có thể suy hao thấp vừa có tán xạ nhỏ Để có sợi dịch tán sắc, dạng phân bố chiết suất của sợi như (hình 2.27). Lúc đó tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng triệt tiêu nhau ở bước sóng 1550nm. Đường biến thiên tán sắc của sợi dịch tán sắc như (hình 2.27). * Sợi san bằng tán sắc :Dung lượng của sợi quang có thể nới rộng ra bằng cách dùng hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang Kỹ thuật này được gọi là ghép kênh theo bước sóng (Wavelength Divíion Multiplexing ) để thực hiện tốt kỹ thuật này cần một loại sợi quang có độ tán sắc nhỏ trong một khoãng bước sóng chứ không chỉ một bước sóng. Sợi như vậy gọi là sợi san bằng tán sắc. Dạng phân bố chiết suất của nó và sự biến thiên tán sắc theo bứoc sóng như trên (hình 2.28). Do sự phức tạp của nó, sợi san bằng tán sắc mới chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm. S/nm.Km 8 sợi bình thường dùng ở 1310nm 4 sợi tắn sắc dùng ở 1550nm 0 -4 -8 1200 1300 1400 1500 1600 1700 (nm) Hình 2.28. Tán sắc sắc thể của các loại sợi quang. 2.3.4. ảnh hưởng của sự trộn mode trong sợi quang: Khi không có hiện tượng trộn mode thì giá trị tán xạ ( độ dãn xung ) tăng tuyến tính với chiều dài sợi, nên vừa hạn chế băng tần truyền dẫn , vừa hạn chế cự ly truyền dẫn . Trên thực tế không phải sợi luôn luôn thẳng một cách lý tưởng , cũng như không phải lúc nào cũng dạng hình trụ, mà thường có những chổ uốn cong nhỏ hoặc tiết diện sợi hình elíp, còn xuất hiện những chổ không đồng nhất khác. Do vậy đường đi của các tia sáng bị thay đổi chút ít , hoặc có đôi chổ không thoả mãn phản xạ toàn phần, góc phản xạ khác với góc tới .. (Trên hình 2.29 ) 1 2 Hình 2.29. Các tia sáng đi qua sợi quang uốn cong. 2.3.5.Sự trộn mode vừa có vừa tác dụng vừa gây hại được cụ thể như sau: Chỉ sau khi đi một đoạn nào đó, thì mới có sự phân bố năng lượng cho các mode, gọi là trạng thái cân bằng mode, và sau đó thì không thay đổi nữa. Độ dài ban đầu này được gọi là đoạn ghép, có giá trị vào khoãng vài trăm m đến vài Km( ký hiệu là Lk) tuỳ theo sợi. Trong quá trình trộn mode, người ta thấy rằng hầu như các mode bậc cao hơn dễ bị ảnh hưởng nhiều và rất dễ vượt ra khỏi ruột sợi, nên các mode bậc cao chỉ còn một phần năng lượng nhỏ. Các mode bậc cao ứng với các tia dzich dăzc hơn, chính chúng gây ra độ lệch thời gian lớn hơn so với các tia dọc trục, vì thế khi chúng đi ra khỏi ruột sợi thì độ giãn xung cũng giảm bớt đi. Như thế trên một sợi quang dài người ta thấy rằng ban đầu thì tán xạ mode tăng tuyến tính với độ dài sợi nhưng khi đi hết đoạn ghép Lk thì tăng chậm. lại, tỷ lệ với căn bậc hai của độ dài L. Khi L nhỏ thì tán xạ mode là: t(L) » t’.L (2.46) Khi L lớn thì tán xạ mode được tính gần đúng bằng: (2.47) Độ dài đoạn ghép Lk đặc trưng cho sự trộn mode của sợi. Ngoài ra sự trộn mode có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn của sợi. Nếu sợi không có trộn mode thì độ rộng băng truyền dẫn giảm tuyến tính theo độ dài sợi L của sợi. Khi có trộn mode thì độ rộng băng truyền dẫn giảm không theo tuyến tính nữa, mà với mức độ ít hơn. Nói một cách gần đúng, có thể nói rằng ban đầu độ rộng băng truyền dẫn ( do ảnh riêng của tán xạ mode) giảm theo 1/L và sau đó giảm theo giá trị: 1/ Khi quang sát thực tế, ta thấy rằng có thể biểu thị quan hệ của độ rộng băng truyền dẫn bị hạn chế bởi tán xạ theo công thức: Bm=Bm (2.48) Với Bm là độ rộng băng truyền dẫn trên đoạn 1 kilômet. Gía trị độ dàI đoạn ghép Lk và độ rộng băng Bm cần phải đo trong thực tế, hoặc tính trước. Thế nhưng người ta chưa xác định chính xác được, do đó 2 đại lượng này cần xác định theo kinh nghiệm cho loại cáp quang mình sử dụng. Bm(MHz) 1000 100 2 1 10 9 10 100 L(Km) Hình 2.30. Quan hệ giữa Bm và độ dài L. Đường 1: Giảm tuyến tính theo lý thuyết. Đường 2: Thực tế giảm ít dốc hơn. 2.4 CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC : Trên lý thuyết , đường bao lỏi và lớp bọc trên tiết diện của sợi quang là những hình tròn, đồng tâm. thực tế thì các đường bao trên có thể bị méo và lệch tâm trong một phạm vi nhất định ( hình 2.31). Các thông số hình học của sợi mode tiêu chuẩn như sau: Đường kính lõi: d = Đường kính lớp bọc : D = Độ méo lõi : Độ méo lớp bọc : Độ lọc tâm : Các thông số hình học của sợi đa mode tiêu chuẩn 50/125mm: d = 50 ± 3mm D = 125±3mm e £ 3% E £ 2/5% c £ 3% d0 0 dmax Dmin X dmin D0 Dmax Hình 3.31. Dạng hình học của sợi quang. 2.5 YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI CÁP SỢI QUANG: Sợi quang muốn đưa vào sử dụng được cần phải được bọc thành cáp . sợi quang là thành phần chính của lỏi cáp có chức năng truyền dẫn tín