Đồ án nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quangdulieu.tailieuhoctap.vn/books/luan-van-de-tai/luan-van-de-tai-cd-dh/file_goc_779404.pdf · tán sắc trong

ĐỒ ÁN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG

SỢI QUANG

SVTT : NGUYỄN VĂN ĐỨC

Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 1

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, hệ thống thông tin quang đã chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn

quan trọng trên mạng lƣới viễn thông. Mọi ngƣời đều thừa nhận rằng phƣơng thức

truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn

thông ngày càng phong phú, hiện đại của nhân loại. Các hệ thống thông tin quang có

những yêu điểm nổi trội hơn hẳn các hệ thống trƣớc đó về băng tần rộng, cự ly thông

tin…. Điều ấy đã gây sức hấp dẫn mạnh mẽ lên các nhà khai thác tuyến truyền dẫn.

Song, trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa và tiến đến năm 2020 Việt

Nam trở thành một nƣớc công nghiệp, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc ngày càng

tăng cao, và không chỉ dừng lại trong phạm vi lãnh thổ quốc gia mà còn vƣơn xa ra thế

giới. Chính vì lẽ đó mà hệ thống thông tin quang cũng phải có một sự phát triển nhanh

chóng, trong việc tăng cự ly truyền dẫn , tăng băng thông…. Tăng khoảng cách đồng

nghĩa với việc băng thông càng hẹp, và trong khi đó, các hệ thống thông tin quang hiện

nay, nhất là các hệ thống tốc độ bit cao, phần lớn hoạt động ở vùng bƣớc sóng 1550 nm

nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang pha tạp erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền

dẫn. Tuy vậy, một vấn đề gặp phải đối với hệ thống là tán sắc. Tán sắc gây ảnh hƣởng

rất lớn tới hệ thống nhƣ làm méo tín hiệu, giao thoa giữa các kí tự ( ISI-intersymbol

interference), làm xuống cấp chất lƣợng truyền dẫn và hậu quả thậm trí không chấp

nhận đƣợc. Nhìn chung hậu quả của tán sắc tới năng lực truyền dẫn, chất lƣợng hệ

thống là rất phức tạp, điều này gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thông thông tin

quang tốc độ cao, cự ly xa. Vì vậy, việc xác định ảnh hƣởng của tán sắc một cách định

lƣợng là vô cùng quan trọng, cần thiết để trên cơ sở đó có thể xác định việc bù tán sắc

sợi. Để tìm hiểu vấn đề này em đã thực hiên đề tài “Nghiên cứu các phƣơng pháp đo

tán sắc trong sợi quang”.

Nội dung của đề tài gồm 3 chƣơng.

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG.

Trong chƣơng này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang, nội

dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lƣợc về thông tin quang.

CHƢƠNG 2: SỢI QUANG



Chƣơng 2 ta đi vào tìm hiểu về các nguyên lý cơ bản của sự lan truyền ánh

sáng trong sợi quang, bắt đầu từ mô hình quang hình học đơn giản tới mô hình lý

thuyết sóng chung dựa vào phƣơng trình Maxwell. Sau đó chúng ta phần còn lại của

chƣơng này để tìm hiểu các cơ sở tán sắc màu và các hiện tƣợng phi tuyến trong sợi

quang

CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG.

Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu ta sẽ tìm hiểu về ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ

thống thông tin sợi quang, và một số biện pháp để đo chúng.

* * *



MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1

DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. 6

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG .................. 8

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. .................. 8

1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH. ....................... 10

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang. ................................................ 10

1.2.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của hệ thống thông tin sợi quang. ............................. 13

1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN. ......................................................... 14

1.3.1 Ứng dụng trong Viễn thông. ......................................................................... 14

1.3.2 Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp. ................................................................ 15

CHƢƠNG 2 SỢI QUANG ....................................................................................... 18

2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG. ................................................... 18

2.1.1 Sóng điện từ. ................................................................................................. 18

2.1.2 Quang hình. ................................................................................................... 20

2.1.2.1 Chiết suất khúc xạ (Refractive index). ................................................... 20

2.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần và định luật Snell. ....................... 21

2.1.1 Lƣợng tử. ....................................................................................................... 23

2.2 MÔ TẢ QUANG HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG

SỢI QUANG. ............................................................................................................. 24

2.2.1 Cấu tạo cơ bản sợi quang. ............................................................................. 24

2.2.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang. Khẩu độ số NA (Numerical

Aperture).................................................................................................................. 25

2.2.3 Phân loại sợi quang. ...................................................................................... 28

2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG....................................... 32

2.3.1 Hệ phƣơng trình Maxwell. ............................................................................ 32

2.3.2 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho sự lan truyền của sóng điện từ (EM)

trong môi trƣờng suy hao. ....................................................................................... 36

2.3.3 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho sự lan truyền của sóng điện từ trong ống

dẫn sóng chữ nhật. ................................................................................................... 38



2.3.4 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho sợi quang. ................................................. 42

2.3.5 Hiểu thêm về mode. ...................................................................................... 43

2.3.5.1 Mode tự nhiên (mode thực hay chính xác). ........................................... 43

2.3.5.2 Ba loại mode: dẫn, bức xạ và rò. ............................................................ 44

2.3.5.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm. ................................................................ 44

2.3.5.5 Đƣờng kính trƣờng mode (MFD). ......................................................... 48

2.3.5.6 Chiết suất hiệu dụng. .............................................................................. 49

2.4 CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG. ...................................... 49

2.4.1 Suy hao. ......................................................................................................... 50

2.4.1.1 Tổng quan. .............................................................................................. 50

2.4.1.2 Suy hao do hấp thụ. ................................................................................ 51

2.4.1.3 Suy hao do tán xạ tuyến tính. ................................................................. 53

2.4.1.4 Suy hao do uốn cong. ............................................................................. 55

2.4.1.5 Suy hao và dải thông. ............................................................................. 56

2.4.2 Các hiệu ứng phi tuyến.................................................................................. 57

2.4.3 Tán sắc. .......................................................................................................... 59

2.4.3.1 Tổng quan. .............................................................................................. 59

2.4.3.2 Tán sắc mode.......................................................................................... 60

2.4.3.3 Tán sắc vật liệu....................................................................................... 63

2.4.3.4 Tán sắc ống dẫn sóng. ............................................................................ 65

2.4.3.5 Tán sắc phân cực mode. ......................................................................... 67

2.4.3.6 Mối quan hệ giữa tán sắc và dải thông. .................................................. 68

CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG ..... 70

3.1 ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. ..... 70

3.1.1 Dãn xung do tán sắc. ..................................................................................... 70

3.1.2 Ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang. ................................... 71

3.1.2.1 Phƣơng trình truyền dẫn cơ bản. ............................................................ 71

3.1.2.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) ................................................... 73

3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC VÀ DẢI THÔNG SỢI QUANG. .......... 80

3.2.1 Phƣơng pháp đo đáp ứng xung. ..................................................................... 81

3.2.2 Phƣơng pháp đo trong miền tần số. ............................................................... 84



3.2.3 Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang. .......................................................... 88

3.2.4 Sai số trong đo đặc. ....................................................................................... 89

3.2.5 Giới thiệu về máy phân tích quang phổ. ....................................................... 90

3.2.6 Yêu cầu kĩ thật trƣớc khi đo. ......................................................................... 92

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 96

* * *



DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình một hệ thống thông tin quang

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hƣớng

Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản của một trạm nặp quang

Hình 1.5 Thành phần chính của một tuyến truyền dẫn quang cự ly xa

Hình 1.6 Kết nối các tổng đài bằng sợi quang

Hình 1.7 Mạng truyền hình cáp

Hình 2.1 Sóng điện từ, hình tĩnh

Hình 2.2 Phổ sóng điện từ

Hình 2.3 Hiện tƣợng phản xạ và khúc xạ ánh sang

Hình 2.4 Ánh sáng đi từ môi trƣờng chiết suất nhỏ sang môi trƣờng chiết suất lớn

Hình 2.5 Hiện tƣợng phản xạ toàn phần

Hình 2.6 Sơ đồ mức năng lƣợng

Hình 2.7 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

Hình 2.8 Cấu tạo của sợi quang

Hình 2.9 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Hình 2.10 Khẩu độ số sợi quang

Hình 2.11 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

Hình 2.12 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

Hình 2.13 Các thông số của sơi đa mode

Hình 2.14 Các thông số của sợi đơn mode

Hình 2.15 Sóng điện từ ngang TEM

Hình 2.16 Sóng điện từ ngang phẳng tắt dần

Hình 2.17 Ống dẫn sóng hình chữ nhật

Hình 2.18 Sự thay đổi các thành phần trƣờng của mode TE10

Hình 2.19 Các đƣờng sức sóng TE10 trong ống dẫn sóng

Hình 2.20 Các đƣờng sức của bốn mode tự nhiên bậc thấp nhất trong sợi SI

Hình 2.21 Đồ thì cƣờng độ và hình mãu sáu mode LP

Hình 2.22 Ví dụ kết hợp các mode HE21+ TE01 và HE21 + TM01 thành các mode

LP11



Hình 2.23 Sự tập chung công suất nhƣ là hàm của tần số chuẩn hóa V

Hình 2.24 Sự phân bố năng lƣợng trƣờng trong sợi quang

Hình 2.25 Suy hao trong sợi quang

Hình 2.26 Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại

Hình 2.27 Sự hấp thụ của ion (với nồng độ )

Hình 2.28 Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại

Hình 2.29 Suy hao bên trong sợi quang

Hình 2.30 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính cong

Hình 2.31 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng

Hình 2.32 Tán sắc mode trong sợi đa mode SI

Hình 2.33 Độ trải rộng xung mode trong sợi đa mode GI có theo g

Hình 2.34 Sự phụ thuộc của hệ số tán sắc theo bƣớc sóng

Hình 2.35 Tán sắc ống dẫn sóng

Hình 2.36 Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng trong

sợi quang

Hình 2.37 Hiện tƣợng tán sắc ánh sáng qua lăng kính

Hình 2.38 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị tán sắc

Hình 2.39 Minh họa tán sắc phân cực mode

Hình 3.1 Nguyên lý phép đo đáp ứng xung.

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung.

Hình 3.3 Nguyên lý phƣơng pháp đo quét tần số.

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống đo quét tần số.

Hình 3.5 Các thành phần chính trong máy phân tích phổ

Hình 3.5 Lọc trung tần

* * *



CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

GIỚI THIỆU

Kỹ thuật thông tin quang ngày càng sử dụng rộng rãi trong viễn thông,

truyền số liệu, truyền hình cáp…. Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời

và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang,

các ƣu điểm và nhƣợc điểm của cáp sợi quang, và các lĩnh vực ứng dụng công nghệ

thông tin sợi quang.

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.

Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự phát triển loài

ngƣời khi con ngƣời trƣớc đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu (Hand signal).

Liên lạc bằng cách ra dấu cũng là một dạng của thông tin quang: bởi vì không thể ra

dấu trong bóng tối. Ban ngày, mặt trời là nguồn ánh sáng cho hệ thống này (hệ thống

"Hand signal"). Thông tin đƣợc mang từ ngƣời gởi đến ngƣời nhận dựa vào sự bức xạ

mặt trời. Mắt là thiết bị thu thông điệp này, và bộ não xử lý thông điệp này. Thông

tin truyền theo kiểu này rất chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, và lỗi rất lớn.

Một hệ thống quang sau đó, có thể có đƣờng truyền dài hơn, là tín hiệu khói

(Smoke signal). Thông điệp đƣợc gởi đi bằng cách thay đổi dạng khói phát ra từ

lửa. Mẫu khói này một lần nữa đƣợc mang đến phía thu bằng ánh sáng mặt trời. Hệ

thống này đòi hỏi một phƣơng pháp mã hóa phải đƣợc đặt ra, mà ngƣời gởi và ngƣời

thu thông điệp phải đƣợc học nó. Điều này có thể có thể so sánh với hệ thống mã

xung (pulse codes) sử dụng trong hệ thống số (digital system) hiện đại.

Trải qua một thời gian dài từ khi con ngƣời sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa

để làm thông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã qua những bƣớc phát

triển và hoàn thiện có thể tóm tắt bằng những mốc chính sau đây:

- Năm 1775: Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để ra hiệu quân đội Anh từ

Boston sắp kéo tới.

- Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sƣ ngƣời Pháp, đã xây dựng một hệ thống

điện báo quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các

đèn báo hiệu trên đó. Thời đó tin tức đƣợc truyền với tín hiệu này vƣợt chặng đƣờng



200 Km trong vòng 15 phút.

- Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên ngƣời Anh, đã thực hiện thành

công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi trƣờng

điện môi trong suốt.

- Năm 1870: cũng John Tyndall đã chứng minh đƣợc rằng ánh sáng có thể dẫn

đƣợc theo một vòi nƣớc uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần.

- Năm 1880: Alexander Graham Bell, ngƣời Mỹ, đã phát minh ra một hệ

thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone. Ông ta đã sử dụng ánh sáng

mặt trời từ một gƣơng phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi. Ở

máy thu, ánh sáng mặt trời đã đƣợc điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó sẽ

biến đổi thông điệp thành dòng điện. Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này.

Hệ thống photophone chƣa bao giờ đạt đƣợc thành công trên thƣơng mại, mặc dù nó

đã làm việc tốt hơn, do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lƣợng đƣờng truyền.

- Năm 1934: Norman R.French, kỹ sƣ ngƣời Mỹ, nhận đƣợc bằng sáng chế về

hệ thống thông tin quang. Phƣơng tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh.

- Vào những năm 1950: Brian O'Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã

phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên trong (ánh sáng lan

truyền trong lớp này) và lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài lớp lõi,

nhằm nhốt ánh sáng ở lõi. Sợi này sau đó đƣợc các nhà khoa học trên phát triển

thành Fibrescope uốn cong (một loại kính soi bằng sợi quang), một thiết bị có khả

năng truyền một hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi. Tính uốn cong của fiberscope cho

phép ta quan sát một vùng mà ta không thể xem một cách bình thƣờng đƣợc. Đến

nay, hệ thống fiberscope vẫn còn đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành y

dùng để soi bên trong cơ thể con ngƣời.

- Vào năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép tăng

cƣờng và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi.

- Năm 1960: Theodor H.Maiman đƣa laser vào hoạt động thành công, làm tăng

dung lƣợng hệ thống thông tin quang rất cao.

- Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm

Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh

rằng nếu thủy tinh đƣợc chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong thủy

tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ đƣợc giảm tối thiểu. Và họ cho rằng nếu sợi quang



Hình 1.1 Cấu hình một hệ thống thông tin quang

đƣợc chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km.

- Năm 1967: suy hao sợi quang đƣợc báo cáo là: 1000 dB/Km.

- Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy

hao dB/Km ở bƣớc sóng: = 633nm.

- Năm 1972: loại sợi GI đƣợc chế tạo với suy hao dB/Km.

- Năm 1983: sợi SM (Single Mode) đƣợc sản xuất ở Mỹ.

- Năm 1988: Công ty NEC thiết lập một mạng đƣờng dài mới có tốc độ 10

Gbit/s trên chiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc và Laser hồi tếp phân bố.

- Hiện nay, sợi quang có suy hao: 0,2 dB/Km ở bƣớc sóng 1550 nm, và có những

loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều.

1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH.

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang.

Hình 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang. Nói chung

tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối, số liệu hoặc fax đƣợc đƣa đến

bộ E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau đó gởi vào cáp quang. Khi truyền qua sợi

quang, công suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra. Khi

truyền tới đầu bên kia sợi quang, tín hiệu này đƣợc đƣa vào bộ O/E để tạo lại tín hiệu

điện, khôi phục lại nguyên dạng nhƣ ban đầu mà máy điện thoại, số liệu và Fax đã gởi

đi.

Nhƣ vậy, cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang có thể đƣợc mô

tả đơn giản nhƣ hình1.2: Bộ phát quang, Bộ thu quang, Môi trƣờng truyền dẫn là cáp

sợi quang.



Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

- Bộ phát quang: Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín

hiệu quang và đƣa và đƣa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu.

Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Trong hệ thống thông tin

quang các nguồn quang đƣợc sử dụng là điode pháp quang (LED) và laser bán dẫn

(Laser Diode _ LD). Chúng có nhiều ƣu điểm nhƣ: Kích thƣớc nhỏ, hiệu suất

chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bƣớc sóng phát quang thích hợp với sợi

quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao.

- Bộ thu quang: Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính

và kênh phục hồi. Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu đƣợc từ phía

phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể. Trong phần này thƣờng sử

dụng các photodiode PIN hoặc APD. Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang

là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu đƣợc ở một tốc độ

truyền dẫn số nào đó ứng với tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép.

- Môi trƣờng truyền dẫn là cáp sợi quang: phƣơng tiện để truyền tín hiệu.

Trên hình 1.2 chỉ mới minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo một

hƣớng. Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hƣớng.

Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng



Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản một trạm nặp quang

Nhƣ vậy, để thực hiện truyền dẫn giữa hai điểm cần có hai sợi quang. Nếu cự

ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có một hoặc nhiều trạm lặp (Repeater). Cấu

trúc đơn giản của một trạm lặp (cho một hƣớng truyền dẫn) đƣợc minh họa ở hình 1.4.

- Khối O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽ đƣợc

thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện nhƣ ở đầu phát. Đó là chức năng của khối

O/E ở bộ thu quang. Các linh kiện hiện nay đƣợc sử dụng để làm chức năng này là

PIN và APD, và chúng thƣờng đƣợc gọi là linh kiện tách sóng quang (photo-detector).

- Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần

(do sợi quang có độ suy hao). Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có

thể không đến đƣợc đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp đầu thu

không nhận biết đƣợc, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp (hay còn gọi là trạm tiếp

vận). Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo

chúng trở lại thành tín hiệu điện. Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín

hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang. Và cuối

cùng đƣa tín hiệu quang này lên đƣờng truyền để truyền tiếp đến đầu thu. Nhƣ vậy,

tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều ở dạng quang, và trong trạm lặp có cả

khối O/E và E/O.

- Khối E/O: bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đƣa đến, biến tín hiệu

điện đó thành tín hiệu quang, và đƣa tín hiệu quang này lên đƣờng truyền (sợi

quang). Đó là chức năng chính của khối E/O ở bộ phát quang. Thƣờng ngƣời ta gọi

khối E/O là nguồn quang. Hiện nay linh kiện đƣợc sử dụng làm nguồn quang là LED

và LASER.

Và ta có thành phần chính của một tuyến truyền dẫn quang đƣợc thể hiện nhƣ



Thu

quang

Sửa

dạng

Phát

quang

Tín hiệu quang Tín hiệu quang

KĐ

Hình 1.5 Thành phần chính của một tuyến truyền dẫn sợi quang cư ly xa

sơ đồ hình 1.5.

1.2.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của hệ thống thông tin sợi quang.

a. Ƣu điểm.

- Suy hao thấp. Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn. Nếu so

sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách lớn nhất đối với cáp đồng đƣợc

khuyến cáo là 100 m, thì đối với cáp quang khoảng cách đó là 2000 m. Một nhƣợc

điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của tín hiệu. Điều này có

nghĩa là tốc độ dữ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất và giảm khoảng cách lan

truyền thực tế. Đối với cáp quang thì suy hao không thay đổi theo tần số của tín hệu.

- Dải thông rộng. Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống

truyền dẫn số tốc độ cao. Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên đến hàng THz.

- Trọng lƣợng nhẹ. Trọng lƣợng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng. Một

cáp quang có 2 sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp Category 5 có 4 đôi. Cáp quang

có trọng lƣợng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn.

- Kích thƣớc nhỏ. Cáp sợi quang có kích thƣớc nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế

mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp.

- Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp.

- Tính an toàn. Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện.

- Tính bảo mật. Sợi quang rất khó trích tín hiệu. Vì nó không bức xạ năng

lƣợng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phƣơng tiện

điện thông thƣờng nhƣ sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích lấy

thông tin ở dạng tín hiệu quang.

- Tính linh hoạt. Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các

dạng thông tin số liệu, thoại và video.



b) Nhƣợc điểm.

- Vấn đề biến đổi Điện-Quang. Trƣớc khi đƣa một tín hiệu thông tin điện vào

sợi quang, tín hiệu điện đó phải đƣợc biến đổi thành sóng ánh sáng.

- Dòn, dễ gẫy. Sợi quang sử dụng trong viễn thông đƣợc chế tạo từ thủy tinh nên

dòn và dễ gẫy. Hơn nữa kích thƣớc sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn.

Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng.

- Vấn đề sửa chữa. Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật

viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp.

- Vấn đề an toàn lao động. Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ

kín để tránh đâm vào tay, vì không có phƣơng tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy

tinh trong cơ thể. Ngoài ra, không đƣợc nhìn trực diện đầu sợi quang hay các khớp

nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt. Ánh

sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt ngƣời

không cảm nhận đƣợc nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lƣợng này, và sẽ

gây nguy hại cho mắt.

1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN.

1.3.1 Ứng dụng trong Viễn thông.

Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền

dẫn quang - truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều

nƣớc trên thế giới. Do có nhiều ƣu điểm hơn hẳn các hình thức thông tin khác về

dung lƣợng kênh, kinh tế... mà thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền

tín hiệu ở các tuyến đƣờng trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dƣơng. Công

nghệ ngày nay đã tạo ra kỹ thuật thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu

hƣớng hiện đại và kinh tế nhất.

Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ điều này đã làm đơn

giản việc tăng đƣợc chiều dài toàn tuyến thông tin quang. Thêm vào đó khi công

nghệ thông tin quang kết hợp và khuếch đại quang ra đời làm tăng chiều dài đoạn

lên gấp đôi hoặc gấp n lần. Nhƣ vậy chất lƣợng tín hiệu thu trên hệ thống này sẽ

đƣợc cải thiện một cách đáng kể.

Ở nƣớc ta, thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng.

Các tuyến cáp quang đƣợc hình thành, đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội - Hồ



Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc. Trong tƣơng lai

mạng cáp quang sẽ đƣợc xây dựng rộng khắp. Tuyến đƣờng trục cáp quang sẽ đƣợc

rẽ nhánh tới các tỉnh, thành phố, quận, huyện và xây dựng tuyến cáp quang nội hạt.

Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:

- Mạng đƣờng trục xuyên quốc gia.

- Mạng riêng của các công ty đƣờng sắt, điện lực, ...

- Đƣờng trung kế

- Đƣờng cáp thả biển liên quốc gia

- Đƣờng truyền số liệu, mạng LAN

- Mạng truyền hình.

- Trong tƣơng lai sợi quang có thể đƣợc sử dụng trong mạng thuê bao.

1.3.2 Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp.

- Truyền số liệu.

Dƣới đây minh họa một vài ứng dụng sử dụng cáp sợi quang. Cáp sợi quang

hiện nay đƣợc sử dụng cho rất nhiều ứng dụng khác nhau. Chẳng hạn, nhiều công ty

điện thoại đang sử dụng các tuyến cáp quang để truyền thông giữa các tổng đài, qua

các thành phố, qua các nƣớc khác nhau và qua những tuyến dài trên biển (xem

hình1.6). Hiện nay ở một số nƣớc đã có kế hoạch mở rộng cáp quang đến các hộ gia

đình để cung cấp các dịch vụ videophone chất lƣợng cao.

Hình 1.6 Kết nối các tổng đài bằng sợi quang



- Truyền hình cáp.

Các công ty truyền hình cáp đang triển khai các đƣờng cáp quang để truyền

tải những tín hiệu chất lƣợng cao từ trung tâm đến các vị trí trung chuyển phân bố

xung quanh các thành phố (hình 1.7). Sợi quang nâng cao đƣợc chất lƣợng của các

tín hiệu truyền hình và làm tăng số kênh khả dụng. Trong tƣơng lai cáp quang có thể

nối trực tiếp đến các hộ gia đình cung cấp nhiều dịch vụ mới cho ngƣời sử dụng.

Những dịch vụ dựa trên cáp quang nhƣ truyền hình tƣơng tác, giao dịch ngân hàng

tại gia, hay làm việc từ một hệ thống văn phòng tại gia đã đƣợc đƣa vào kế hoạch sử

dụng trong tƣơng lai. Sợi quang là phƣơng tiện lý tƣởng cho truyền số liệu tốc độ

cao. Tín hiệu không bị méo bởi nhiễu từ môi trƣờng xung quanh. Tính cách điện

của sợi quang tạo ra một giao tiếp an toàn giữa các máy tính, các thiết bị đầu cuối,

và các trạm làm việc. Rất nhiều trung tâm máy tính đang sử dụng cáp sợi quang để

cung cấp các đƣờng truyền số liệu tốc độ cao ở các mạng LAN.

NÓI CHUNG

Với đặc tính suy hao thấp, băng thông rộng, kích thƣớc nhỏ, nhẹ, không bị

can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp làm cho sợi quang đƣợc sử dụng trong

nhiều lĩnh vực nhƣ lĩnh vực viễn thông: viễn thông đƣờng dài, viễn thông quốc tế sử

dụng cáp quang vƣợt đại dƣơng, mạng trung kế, mạng nội hạt thuê bao; lĩnh vực

công nghiệp: đƣờng truyền tín hiệu điều khiển tự động trong hệ thống tự động, công

Hình 1.7 Mạng truyền hình cáp



nghiệp dệt; lĩnh vực y học; lĩnh vực quân sự. Sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu

dƣới dạng ánh sáng nên các nguồn tín hiệu điện đƣợc chuyển thành ánh sáng bằng

cách sử dụng LED hoặc LASER. Quá trình này đƣợc xử lý và diễn ra ở đầu phát, và

đƣợc gọi là bộ phát quang. Tín hiệu quang này đƣợc ghép vào sợi và truyền đến bộ

thu quang. Sau khi đến đầu thu, các tín hiệu này đƣợc chuyển trở lại thành tín hiệu

điện thông qua linh kiện PIN hoặc APD. Mặc dù sợi quang có suy hao thấp nhƣng

tín hiệu vẫn bị suy yếu, do đó đôi lúc trên hệ thống cũng cần bộ lặp quang, còn gọi

trạm tiếp vận.

Với tiềm năng về băng thông nên hệ thống truyền dẫn sợi quang đã và đang

phát triển trong hệ thống truyền dẫn số đƣờng dài, tốc độ cao từ hàng trăm Mega

bit/s đến hàng Tera bit/s nhờ sử dụng công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng quang

WDM.

* * *



CHƢƠNG 2 SỢI QUANG

GIỚI THIỆU

Sợi quang là một môi trƣờng thông tin đặc biệt có thể so sánh với các môi

trƣờng khác nhƣ cáp đồng hoặc không gian tự do. Một sợi quang cung cấp một môi

trƣờng truyền dẫn suy hao thấp trên một dải tần số rộng lớn ít nhất là 2.5 THz, hay

cao hơn với các loại sợi quang đặc biệt, dải thông của nó rộng hơn dải thông của

cáp đồng hay bất cứ môi trƣờng truyền dẫn nào. Dải thông này có thể truyền hàng

trăm triệu cuộc gọi đồng thời, hoặc hàng chục triệu trang web trong một giây. Ðặc

tính suy hao thấp cho phép truyền tín hiệu ở khoảng cách dài với tốc độ cao trƣớc

khi chúng đƣợc khuếch đại. Với hai đặc tính suy hao thấp và dải thông cao nên hệ

thống thông tin sợi quang đã đƣợc sử dụng rộng rãi ngày nay.

Khi hệ thống truyền dẫn phát triển ở khoảng cách xa hơn và tốc độ bit cao

hơn, độ tán sắc trở thành một hệ số giới hạn quan trọng. Tán sắc là hiện tƣợng các

thành phần khác nhau của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau trong sợi. Ðặc

biệt, tán sắc màu là hiện tƣợng các thành phần tần số (hoặc bƣớc sóng) của tín hiệu di

chuyển với vận tốc khác nhau. Nói chung, tán sắc dẫn đến việc xung bị trải rộng ra

và vì vậy đáp ứng xung của các bit gần nhau giao thoa với nhau. Trong hệ thống

thông tin, điều này dẫn đến sự chồng xung của các bit gần nhau. Hiện tƣợng này

đƣợc gọi là giao thoa giữa các kí tự gần nhau (InterSymbol Interference - ISI). Khi

một hệ thống phát triển lên một số lƣợng lớn bƣớc sóng, khoảng cách và tốc độ bit

cao hơn, các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang bắt đầu xảy ra. Nhƣ chúng ta sẽ

thấy, có sự tƣơng tác phức tạp của các hiệu ứng phi tuyến với tán sắc màu.

Chúng ta bắt đầu chƣơng này bằng cách thảo luận các nguyên lý cơ bản của sự

lan truyền ánh sáng trong sợi quang, bắt đầu từ mô hình quang hình học đơn giản tới

mô hình lý thuyết sóng chung dựa vào phƣơng trình Maxwell. Sau đó chúng ta phần

còn lại của chƣơng này để tìm hiểu các cơ sở tán sắc màu và các hiện tƣợng phi tuyến

trong sợi quang.

2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG.

2.1.1 Sóng điện từ.



Trong môi trƣờng không gian tự do, ánh sáng là sóng điện từ ngang (TEM ).

Khái niệm ngang (transverse) có nghĩa là cả hai véc tơ - điện trƣờng E và từ trƣờng

H vuông góc với phƣơng truyền, trục z trong hình 2.1.

- Tần số: Ký hiệu: f . Đơn vị: Hz (Hertz), hay cps (cycle per second).

- Bƣớc sóng: Ký hiệu: . Đơn vị: m (m, nm). Ký hiệu: . Đơn vị: m (m, nm).

- Giữa tần số và bƣớc sóng có mối quan hệ sau:

hay f =

(2.1)

Với c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s.

- Khoảng cách tần số (f) và khoảng cách bƣớc sóng () Lấy đạo hàm (2.1) theo

tần số trung tâm 0, ta thu đƣợc mối quan hệ giữa khoảng cách tần số và khoảng cách bƣớc

sóng:

(2.2)

- Phổ sóng điện từ.

Hình 2.1 Sóng điện từ hình tĩnh

a) Theo thời gian b) theo không gian



Vùng ánh sáng nhìn thấy đƣợc: chiếm dải phổ từ 380 nm đến 780 nm.

Vùng hồng ngoại: chia làm 3 phần: Vùng hồng ngoại gần: 780 nm ÷ 1400 nm.

Vùng hồng ngoại giữa: 1,4 m ÷ 6 m. Vùng hồng ngoại xa: 6 m ÷ 1 mm.

Ánh sáng dùng trong thông tin quang: 800 nm (1600nm (nhƣ vậy nằm trong

vùng hồng ngoại gần và một phần vùng hồng ngoại giữa).

Ba bƣớc sóng ánh sáng thông dụng dùng trong các hệ thống thông tin quang

đƣợc gọi là 3 cửa sổ quang: Cửa sổ 1: 1 = 850 nm. Cửa sổ 2: 2 = 1300 nm.Cửa sổ 3: 3

= 1550 nm. Cửa sổ 4: 4 = 1625 nm.

2.1.2 Quang hình.

2.1.2.1 Chiết suất khúc xạ (Refractive index).

Ánh sáng có thể xem nhƣ là một chùm tia sáng. Các tia sáng lan truyền trong

các môi trƣờng khác nhau với vận tốc khác nhau. Có thể xem các môi trƣờng khác

nhau cản trở sự lan truyền canh sáng bằng các lực khác nhau. Điều này đƣợc đặc trƣng

bằng chiết suất khúc xạ của môi trƣờng.

Chiết suất của một môi trƣờng trong suốt (n) đƣợc xác định bởi tỉ số giữa

vận tốc ánh sáng lan truyền trong chân không với vận tốc của ánh sánh lan truyền

trong môi trƣờng ấy:

Hình 2.2 Phổ sóng điện từ



(2.3)

Với:

n: chiết suất của môi trƣờng, không có đơn vị.

v: vận tốc ánhsáng trong môi trƣờng, (m/s).

c: vận tốc ánh sáng trong chân không, (m/s).

Chiết suất của một vài môi trƣờng thông dụng:

Không khí: n = 1,00029 1,0.

Nƣớc: n = 4/31,33.

Thủy tinh: n = 1,48.

Vì v c nên n 1.

2.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần và định luật Snell.

Ánh sáng truyền thẳng trong môi trƣờng đồng nhất, bị phản xạ và khúc xạ tại

biên ngăn cách hai môi trƣờng đồng nhất khác nhau. Nhƣ vậy, ba đặc điểm cơ bản của

ánh sáng là: Truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ.

Tổng quát, khi một tia sáng tới mặt ngăn cách giữa hai môi trƣờng, tia sáng

này bị tách ra làm hai phần: một phần dội lại môi trƣờng đầu (hiện tƣợng phản xạ),

một phần truyền tiếp qua môi trƣờng hai. Tia truyền tiếp bị lệch hƣớng truyền so

với tia ban đầu (hiện tƣợng khúc xạ). Ðiều này đƣợc minh họa ở hình 2.3.

- Định luật phản xạ ánh sáng đƣợc phát biểu nhƣ sau:

Hình 2.3 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng



Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới. Góc phản xạ bằng góc tới (1' = 1).

- Ðịnh luật khúc xạ ánh sáng:

Góc khúc xạ và góc tới liên hệ nhau theo công thức Snell:

n1sin1 = n2sin2 (2.4)

- Phản xạ toàn phần:

Xét hai trƣờng hợp sau:

a) n1 < n2:

Từ phƣơng trình (2.5) kết hợp n1 < n2 suy ra 1 > 2 (xem hình 2.4).

Nhƣ vậy, khi ánh sáng đi từ môi trƣờng có chiết suất nhỏ sang môi trƣờng có

chiết suất lớn hơn, tia khúc xạ lệch về phía gần pháp tuyến hay lệch xa mặt ngăn cách

giữa hai môi trƣờng 1 và 2.

b) n1> n2:

Từ phƣơng trình (2.4) kết hợp với n1> n2 suy ra 1 < 2 (xem hình 2.5 (a)).

Nhƣ vậy, khi ánh sáng đi từ môi trƣờng có chiết suất lớn sang môi trƣờng có

chiết suất nhỏ hơn tia khúc xạ lệch về phía xa pháp tuyến hay lệch gần về phía mặt

ngăn cách giữa hai môi trƣờng 1 và 2. Cho nên khi tăng góc tới 1 = c < 90 thì 2 = 90

(hình 2.5 (b)). Và khi 1 > c thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trƣờng 1, và đƣợc gọi là

hiện tƣợng phản xạ hoàn toàn (total reflection). c đƣợc gọi là góc giới hạn (critical angle).

Từ phƣơng trình (2.4) suy ra:

(2.5)

Hình 2.4 Ánh sáng đi từ môi trường chiết suất nhỏ sang môi trường

chiết suất lớn



2.1.1 Lƣợng tử.

- Mỗi nguyên tử chỉ có thể chiếm một số mức năng lƣợng rời rạc. Điều này đƣợc

diễn tả bằng sơ đồ mức năng lƣợng nhƣ trên hình 2.6.

- Nguyên tử có khuynh hƣớng tồn tại ở mức năng lƣợng thấp nhất

- Ðể kích thích nguyên tử nhảy lên mức năng lƣợng cao hơn, chúng phải đƣợc

cung cấp một năng lƣợng bên ngoài. Quá trình này gọi là "bơm".

- Khi nguyên tử nhảy lên mức năng lƣợng cao hơn, nó hấp thụ một lƣợng năng

lƣợng từ bên ngoài. Lƣợng này đúng bằng độ chênh lệch về năng lƣợng giữa hai

mức cao và thấp xảy ra việc nhảy này.

- Khi nguyên tử rơi từ mức năng lƣợng cao xuống một mức năng lƣợng thấp

hơn, nó bức xạ ra một lƣợng tử năng lƣợng điện từ gọi là photon (Điều này chỉ đúng

đối với chuyển tiếp có bức xạ ).

Hình 2.5 Hiện tượng phản xạ toàn phần

a) Còn tia khúc xạ b) Xuất hiện tia phản xạ ( tia3)

Hình 2.6 Sơ đồ mức năng lượng



- Photon là hạt cơ bản di chuyển với vận tốc ánh sáng c, và mang một lƣợng tử

năng lƣợng:

hay

(eV) (2.6)

trong đó h là hằng số Planck (6.6261x10-34 J.s) và f là tần số của photon.

- Ánh sáng là dòng photon. Màu sắc của nó đƣợc xác định bởi tần số photon f,

đó cũng là bƣớc sóng, , bởi vì f = c, trong đó c là vận tốc của ánh sáng trong chân không.

- Năng lƣợng của photon, EP, bằng khe (độ chênh lệch) năng lƣợng giữa mức

bức xạ cao và mức năng năng lƣợng thấp, tần số photon (bƣớc sóng) đƣợc xác định

qua mức năng lƣợng của vật chất đƣợc sử dụng.

- Các mức năng lƣợng đã tồn tại tự nhiên; vì vậy chúng ta có thể đạt các màu

ánh sáng khác nhau bằng cách sử dụng các mức năng lƣợng cùng vật liệu hoặc dùng

các vật liệu khác nhau.

- Photon đƣợc hấp thụ bởi vật liệu mà các khe năng lƣợng của chúng đúng

bằng năng lƣợng photon. Ðể làm cho môi trƣờng trong suốt, chúng ta phải lựa chọn

hoặc các photon khác, tức là ánh sáng màu sắc khác, hoặc môi trƣờng khác.

2.2 MÔ TẢ QUANG HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG

TRONG SỢI QUANG.

2.2.1 Cấu tạo cơ bản sợi quang.

Ứng dụng hiện tƣợng phản xạ toàn phần, sợi quang đƣợc chế tạo cơ bản gồm

có hai lớp: Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đƣờng kính d = 2a, làm bằng

thủy tinh có chiết suất n1, đƣợc gọi là lõi (core) sợi. Lớp thứ hai cũng có dạng hình

trụ bao quanh lõi nên đƣợc gọi là lớp bọc (cladding), có đƣờng kính D = 2b, làm

bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1.

Sợi quang giống nhƣ một dây dẫn hình trụ trong suốt có tác dụng truyền dẫn

ánh sáng. Sợi quang có ba lớp, lớp trong cùng là lõi sợi hình trụ đƣợc làm bằng vật

liệu thủy tinh có chiết suất . Bao quanh lõi là lớp vỏ để phản xạ ánh sáng. Lớp vỏ

hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất . Ánh sáng truyền từ đầu này đến

đầu kia sợi quang bằng cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi-lớp bọc,

và đƣợc định hƣớng trong lõi.



Thêm vào đó, các sợi quang thƣờng có thêm một lớp vỏ để bảo vệ. Lớp vỏ có

thể là thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do

điều kiện bên ngoài, sợi quang còn đƣợc đặt thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệ sợi

quang (lớp phủ). Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, gia

cƣờng thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị lƣợn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt. Lớp

vỏ này đƣợc gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp.

2.2.2 Truyền dẫn ánh áng n ợi quang. Khẩu độ số NA (Numerical

Aperture).

Nhƣ đã nói ở trên, ánh sáng truyền trong sợi quang theo ba định luật: định luật

truyền thẳng, định luật khúc xạ, và định luật phản xạ. Để tìm hiểu về sự truyền dẫn

ánh sáng trong sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản của ánh sáng là định luật

khúc xạ và phản xạ ánh sáng. Khúc xạ ánh sáng là hiện tƣợng tia sáng bị đổi hƣớng

khi truyền qua mặt phân cách của hai môi trƣờng có chiết suất khác nhau. Phản xạ là

hiện tƣợng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trƣờng ban đầu khi gặp bề mặt phản

xạ. Ta xét một ví dụ nhƣ sau:

Hình 2.7 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

Hình 2.8 Cấu tạo của cáp sợi quang



Một tia sáng truyền từ môi trƣờng thứ nhất có chiết suất n1 sang môi trƣờng

thứ hai có chiết suất n2 trong đó n

1 > n

2 Tia sáng tới mặt phân cách của hai môi

trƣờng một phần bị phản xạ, một phần bị khúc xạ theo các góc và các tia nhƣ hình

trên.Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ bằng góc tới: =.

Mặt khác tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1.sin = n

2.sin . Do

n1> n

2 nên < . Nếu tăng góc tới thì góc khúc xạ tang theo tới một giá trị nào đó mà góc

tới = thì góc khúc xạ = 900. Khi đó tia khúc xạ song song với mặt mặt phân cách hai

môi trƣờng. Lúc này là giá trị tới hạn của góc tới (gọi là góc tới hạn). Lúc này không

còn tia khúc xạ nữa. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng phản xạ toàn phần.

Góc tới hạn :

hay

(2.7)

Điều kiện xảy ra hiện tƣợng phản xạ toàn phần là:

- Ánh sáng truyền từ môi trƣờng chiết quang hơn (có chiết suất lớn) sang môi

trƣờng kém chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn).Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc

tới hạn.

- Hiện tƣợng phản xạ toàn phần đƣợc ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng trong sợi

quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin đƣợc truyền đi

từ đầu này tới đầu kia.

Ứng dụng hiện tƣợng phản xạ toàn phần nhƣ trên, sợi quang đƣợc chế tạo

gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiết suất n

2,

với n1

> n2. Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trên

mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ. Do đó ánh sáng có thể truyền đƣợc trong sợi dọc

Hình 2.9 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang



Hình 2.10 Khẩu độ số sợi quang

theo cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn. Góc tới hạn giữa

lõi và vỏ sợi quang là , do đó góc tiếp nhận ánh sáng tới hạn sẽ thỏa mãn điều kiện:

= = =

= √ = √

=√

= NA (2.8)

Do đó chiết suất không khí là =1 nên NA= sin =√

. NA đƣợc gọi là

độ mở số của sợi quang, io là góc tiếp nhận ánh sáng cực đại, nó sẽ tạo thành một hình

nón, trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi quang với góc i > nằm ngoài

hình nó sẽ không truyền trong sợi quang mà đi ra ngoài vỏ sợi quang. Nhƣ vậy, chỉ các tia

sáng nào nằm trong hình nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên

tiếp giữa lõi và lớp vỏ, khi đó tia sáng đi theo đƣờng dích dắc. Nếu gọi ∆ là độ lệch

chiết suất tƣơng đối giữa lõi và lớp vỏ thì: =



1n

CV

n2 n1

n

n2

n2

n1 > n2

Hình 2.11 Sư truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

(2.9)

Trên thực tế: nên:

NA = √ = .√

= .√ . (2.10)

Ví dụ 1: Một sợi quang SI có: n1 = 1,50 n2 = 1,485. Khẩu độ số của sợi quang này

NA=0.22 Từ đây suy ra góc tiếp nhận ánh sáng 2max = 2.12 = 2.4.

2.2.3 Phân loại sợi quang.

Có nhiều loại sợi quang, nó đƣợc phân loại theo nhiều cách khác nhau. Dƣới

đây là hai cách phân loại chính.

- Phân loại theo chỉ số chiết suất.

Theo sự biến đổi chỉ số chiết suất sợi quang phân thành hai loại:

Sợi có chiết suất nhảy bậc SI (step index): là loại sợi có chiết suất biến đổi từ

lõi ra đến vỏ theo những bậc thẳng xác định.

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc

khác nhau một cách rõ rệt nhƣ hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phóng

vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đƣờng khác nhau. Các tia sáng

truyền trong lõi với cùng vận tốc:

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đƣờng truyền khác nhau nên thời gian

truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tƣợng

khi đƣa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận đƣợc một xung ánh sáng rộng

hơn ở cuối sợi. Đây là hiên tƣợng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể

truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài đƣợc. Nhƣợc điểm này có thể khắc phục

đƣợc trong loại sợi có chiết suất giảm dần.



n(r)

n1 n2

n2

n2

Hình 2.12 Sư truyền ánh sáng trong sợi GI

Sợi có chiết suất biến đổi đều GI (Grade index): Là sợi có chiết suất biến đổi

giảm dần từ vỏ vào lõi.

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi

một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Đƣờng truyền của

các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhƣng vận tốc truyền cũng thay đổi

theo. Các tia truyền xa trục có đƣờng truyền dài hơn nhƣng lại có vận tốc truyền lớn

hơn và ngƣợc lại, các tia truyền gần trục có đƣờng truyền ngắn hơn nhƣng lại có

vận tốc truyền nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đƣờng truyền ngắn nhất vì chiết

suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đƣờng

parabol thì đƣờng đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các

tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.

- Các dạng chiết suất khác

Hai dạng chiết suất SI và GI đƣợc dùng phổ biến, ngoài ra còn có một số

dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt:

Dạng giảm chiết suất lớp bọc:

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm

nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm

đảm bảo độ chênh lệch chiết suất nhƣng có chiết suất lõi n1 không cao.

Dạng dịch độ tán sắc:



50 m 50 m

125 m 125 m

n1

n2 n2

n1

a) Sợi SI b) Sợi GI

Hình 2.13 Các thông số của sơi đa mode

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bƣớc sóng gần 1300nm.

Ngƣời ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bƣớc sóng 1550nm bằng cách

dùng sợi quang có dạng chiết suất nhƣ hình vẽ ở trên.

- Dạng san bằng tán sắc:

Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bƣớc sóng.

Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng ngƣời ta dùng sợi quang

có dạng chiết suất nhƣ hình vẽ:

Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ đƣợc nghiên cứu trong phòng

thí nghiệm chứ chƣa đƣa ra thực tế.

- Phân loại theo phƣơng pháp truyền sóng.

Theo phƣơng pháp truyền sóng thì sợi quang đƣợc chia thành hai loại chính là

sợi đơn mode SM (single mode) và sợi đa mode MM (multi mode). Sợi đơn mode là

sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó. Sợi đa mode là sợi cho phép nhiều mode

truyền trong nó. Các sợi đơn mode đều là những sợi có đƣờng kính rất nhỏ vì điều

kiện đơn mode của sợi quang là sợi phải có đƣờng kính nhỏ hơn một giá trị xác

định (tƣơng ứng với bƣớc sóng cắt), nếu bƣớc sóng truyền vào nhỏ hơn đƣờng kính

thì không còn là sợi đơn mode.

- Sợi đa mode (MM: Multi Mode).



125 m

n1

n2

9 m

Hình 2.14 Các thông số của sợi đơn mode

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m) là: Đƣờng kính lõi: d

= 2a = 50m; Đƣờng kính lớp bọc: D = 2b = 125m; Độ chênh lệch chiết suất: =

0,01 = 1%; Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46. Sợi đa mode có thể có chiết suất

nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần.

- Sợi đơn mode (SM: Single Mode )

Khi giảm kích thƣớc lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền đƣợc

trong sợi thì sợi đƣợc gọi là đơn mode. Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ

tán sắc do nhiều đƣờng truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết

suất nhảy bậc.

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là: Đƣờng kính lõi: d = 2a = 9m

10m; Đƣờng kính lớp bọc: D = 2b = 125m; Độ lệch chiết suất: = 0,003 =

0,3%; Chiết suất lõi: n1 = 1,46.

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bƣớc sóng = 1300 nm độ

tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0). Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng.

Song vì kích thƣớc lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thƣớc của các linh

kiện quang cũng phải tƣơng đƣơng và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ

chính xác rất cao. Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng đƣợc do đó sợi đơn

mode đang đƣợc sử dụng rất phổ biến.



2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG.

2.3.1 Hệ phƣơng ình Maxwell.

Sợi quang là một ống dẫn sóng hình trụ trong đó ánh sáng lan truyền trên cở

sở của lý thuyết mode. Các mode là các lời giải của các phƣơng trình Maxwell cho

các điều kiện biên cụ thể. Các phƣơng trình Maxwell xác định mối liên hệ giữa hai

thành phần của ánh sáng là trƣờng điện E và trƣờng từ H. Lý thuyết lan truyền sóng

điện từ là phƣơng pháp tốt nhất để mô tả sự lan truyền của xung ánh sáng lan truyền

trong sợi quang. Để hiểu đƣợc phƣơng pháp này, chúng ta cần giải phƣơng trình

Maxwell cho ống dẫn sóng hình trụ.

Lý thuyết của Maxwell dựa trên một tập bốn phƣơng trình, đó là các phƣơng

trình Maxwell. Tập phƣơng trình này, đƣợc viết dƣới dạng vi phân là [2]:

∇ .D= (2.11 )

∇ .B= 0 (2.12)

∇xE

(2.13)

∇xH= J +

(2.14)

Trong đó, ý nghĩa của các thuật ngữ nhƣ sau:

Toán tử del ∇ đƣợc định nghĩa:

∇=

+

+

(2.15)

Trong đó:

- : Mật độ điện tích khối [c/m3]

- E: Cƣờng độ điện trƣờng [V/m]

- D: Vectơ cảm ứng điện [c/m2].

- H: Cƣờng độ từ trƣờng [A/m].

- J: Vectơ mật độ dòng điện mặt [A/m2].

- B: Vectơ cảm ứng từ [H/m].

- Ta có B= µH với µ là độ từ thẩm

Véc tơ cảm ứng điện từ D đƣợc định nghĩa với hệ thức:



D =0E + P ( 2.16)

Với:

0 là hằng số điện [F/m].

P là vectơ phân cực điện

Đối với môi trƣờng tuyến tính, đẳng hƣớng hoặc cƣờng độ điện trƣờng không quá lớn

ta có:

D = E ( 2.17)

Với:

là độ thẩm điện của môi trƣờng [F/m]. 0 chính là độ thẩm điện trong chân không.

Ta có 0 = 8.854x10-12 F/m.

Tƣơng tự đối với môi trƣờng tuyến tính, đẳng hƣớng hoặc cƣờng độ trƣờng từ không

quá lớn ta có:

B = µH (2.23)

Với :

µ là độ thẩm từ của môi trƣờng [H/m].

Độ thẩm từ trong chân không đƣợc gọi là hằng số từ 0.0 = 4x10-7 H/m.

Theo định luật Ohm, J liên hệ với E bởi hệ thức:

J = E (2.24)

Với:

là độ dẫn điện của môi trƣờng, đo bằng [A/V.m].

Phƣơng trình (2.17) gọi là định luật Gauss đối với trƣờng điện. Định luật này

phát biểu nhƣ sau: "Thông lƣợng của vectơ cảm ứng điện giữa qua mặt kín bất kỳ

bằng tổng các điện tích ảo phân bổ trong thể tích bao bởi mặt kín đó ". Divergence

(toán tử del) của trƣờng điện bằng mật độ điện tích khối của nguồn.

Phƣơng trình (2.18) gọi là định luật Gauss đối với trƣờng từ. Định luật này

phát biểu nhƣ sau: "Thông lƣợng của vectơ cảm ứng từ gởi qua mặt kín mặt kín tùy



ý luôn luôn bằng không ". Điều này chứng tỏ: trƣờng vectơ cảm ứng từ B không có

nguồn. Trong tự nhiên không tồn tại các từ tích là nguồn của trƣờng từ, giống nhƣ các

điện tích là nguồn của trƣờng điện.

Phƣơng trình (2.19) gọi là định luật cảm ứng điện từ Faraday. Phƣơng trình

này cho thấy: Sức điện động cảm ứng có giá trị bằng và ngƣợc dấu với tốc độ biến

thiên từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi vòng dây. Điều này chứng tỏ: trƣờng từ

biến đổi theo thời gian sinh ra trƣờng điện xoáy phân bố trong không gian. Chính

mối liên hệ này dẫn tới quá trình lan truyền trƣờng điện từ trong không gian tạo nên

sóng điện từ.

Phƣơng trình (2.20) gọi là định luật lƣu số Ampere. Định luật này khẳng định:

lƣu số của vectơ cƣờng độ trƣờng từ theo đƣờng kín tùy ý bằng tổng đại số cƣờng độ

các dòng điện chảy qua diện tích bao bởi đƣờng kín đó. Điều này chứng tỏ: sự biến

đổi của trƣờng điện theo thời gian làm xuất hiện trƣờng từ phân bố trong không gian,

trƣờng này có tính xoáy. Chính mối liên hệ giữa trƣờng điện biến đổi theo thời gian

và trƣờng từ phân bố trong không gian dẫn tới quá trình truyền trƣờng điện từ biến

thiên trong không gian.

Đối với môi trƣờng có độ dẫn điện không nhƣ sợi quang thì các phƣơng trình

Maxwell đƣợc viết lại nhƣ sau:

∇ .D= (2.25)

∇ .B= 0 (2.26)

∇xE

(2.27)

∇xH=

(2.28)

Thay thế D và B từ các phƣơng trình (2.22) và (2.23) là lấy curl các phƣơng

trình (2.27) và (2.28) ta có:

∇x(∇xE )=

(2.29)

∇x(∇xH)=

(2.30)

Áp dụng định lý định lý divergence cho các phƣơng trình (2.25) và (2.26) với tính



đồng nhất vectơ:

∇x(∇xY )=∇x(∇.Y ) ∇ 2

(Y )

Ta thu đƣợc các phƣơng trình sóng không tán sắc:

∇

(2.31)

∇x(∇xH)=

(2.32)

Với ∇2 là toán tử Laplace. Đối với hệ tọa độ vuông góc Cartersian và trụ, các

phƣơng trình sóng nói trên chứa các các thành phần của vectơ trƣờng, mỗi thành

phần thỏa mãn phƣơng trình sóng vô hƣớng:

∇

(2.33)

Với biểu diễn thành phần trƣờng điện E hoặc trƣờng từ H và vp là vận tốc pha (vận tốc lan

truyền của điểm song có pha cố định) trong môi trƣờng điện môi. Vận tốc pha đƣợc

tính nhƣ sau:

=

⁄=

⁄ (2.34)

Với r, r là độ thẩm từ và độ thẩm điện tỷ đối của môi trƣờng trƣờng điện môi và 0, 0 là

hằng số từ và hằng số điện của không gian tự do.

Do đó vận tốc ánh sáng trong chân không sẽ là:

∇ = ∇

+

∇

+

∇

+ ∇

(2.35)

C =

⁄ (2.36)

Trong trƣờng hợp ống dẫn sóng phẳng, đƣợc biễu diễn bằng hệ tọa độ vuông

góc Cartersian (x,y,z) hay sợi quang hình trụ, đƣợc biễu diễn bằng hệ tọa độ trụ

(r,,z) , biến đổi Laplace có dạng:

∇ = ∇

+ ∇

+ ∇

(2.37)

Tƣơng ứng, lời giải cơ bản cho phƣơng trình sóng này là sóng sin, dạng quan trọng

nhất của nó là sóng phẳng đồng dạng:



= 0 expj(t - k.r) (2.38)

Với là tần số góc, t là thời gian, k là vectơ lan truyền cho biết hƣớng lan truyền và tốc độ thay

đổi pha theo khỏang cách, còn r là tọa độ của điểm quan sát. Nếu là bƣớc sóng

quang trong chân không, thì biên độ của vectơ lan truyền hay hằng số lan truyền pha

trong chân không k (với k =⎜k⎪) sẽ đƣợc cho bởi:

(2.39)

Cần phải lƣu ý rằng trong trƣờng hợp này k còn đƣợc xem nhƣ là chỉ số sóng

của không gian tự do.

2.3.2 Phƣơng ình óng đặc ƣng cho ự lan truyền của óng điện từ (EM)

ong môi ƣờng suy hao.

Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát sự lan của điện từ ngang (TEM) phẳng

trong môi trƣờng có suy hao. Trƣớc khi đi vào khảo sát chi tiết, ta nhắc lại khái niệm

về sóng TEM phẳng Sóng TEM phẳng Hình 2.16 minh họa sóng TEM.

- Thuật ngữ phẳng có nghĩa là các sóng đƣợc phân cực trong cùng một mặt

phẳng. Trên hình 2.15 trƣờng điện E đƣợc phân cực trong mặt phẳng x-z vì vậy E

thay đổi biên độ nhƣng không thay đổi định hƣớng: nó không bao giờ rời khỏi mặt

phẳng x-z. Tƣơng tự trƣờng từ luôn luôn nằm trong nằm trong mặt phẳng y-z.

Chúng ta nói E đƣợc phân cực x và H có phân cực y.

- Thuật ngữ ngang có nghĩa là các vectơ E và H đều vuông góc với hƣớng

lan truyền; tức là trục z trên hình 2.15.

Hình 2.15 Sóng điện từ ngang TEM



- Nhƣ vậy, sóng TEM có dạng nhƣ sau [2]:

(2.40)

Theo [2] trong trƣờng hợp sóng TEM lan truyền trong môi trƣờng có suy hao lời

giải phƣơng trình Maxwell cho trƣờng điện trong có dạng:

= (2.41)

Với E là biên độ của trƣờng điện, là hằng số suy hao, =/v là hằng số lan truyền pha, v:

vận tốc lan truyền của ánh sang trong môi trƣờng.

Lấy phần thực của (2.41), ta thu đƣợc:

= (2.42)

Tƣơng tự thành phần từ đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

= (2.43)

Các kết quả trên có thể phân tích nhƣ sau: trƣờng EM lan truyền trong môi

trƣờng có dạng sóng tắt dần. Hình 2.16

Hình 2.16 Sóng điện từ tắt dần



2.3.3 Phƣơng ình óng đặc ƣng cho ự lan truyền của óng điện từ trong

ống dẫn sóng chữ nhật.

Chúng ta đã xem xét sự lan truyền của trƣờng EM trong môi trƣờng không bị

giới hạn. Trên thực tế sợi quang tập trung và dẫn ánh sáng đi trong lõi. Để hiểu đƣợc

sợi quang hoạt động nhƣ thế nào, chúng ta cần tìm hiểu cách thức ống dẫn sóng dẫn

sóng EM nhƣ thế nào. Do đó trong phần này chúng ta sẽ xem xét ngắn gọn ví dụ cổ

điển về lý thuyết ống dẫn sóng, ống dẫn sóng hình chữ nhật. Ống dẫn sóng hình chữ

nhật có các thành ống làm từ các vật dẫn lý tƣởng (độ dẫn điện ), bên trong đƣợc

làm đầy bằng chất điện môi lý tƣởng (độ dẫn điện bằng không). Hình 2.17 cho thấy một ống

dẫn sóng chữ nhật có chiều rộng là a và chiều cao là b. Độ dày của thành ống có thể

bỏ qua.

Đối với ống dẫn sóng hình chữ nhật, phƣơng trình sóng có dạng [2]:

∇ 2

E + h2E = 0 (2.44)

Với h = 2 + k2. Ở đây = + j là hằng số lan truyền trong môi trƣờng không bị giới hạn;

còn k là chỉ số sóng đƣợc định nghĩa trong công thức (2.36).

Mode Tổng quát, trƣờng điện từ trong ống dẫn sóng là tổng của hai trƣờng độc lập

[2]:

- Trƣờng điện ngang hay sóng điện ngang TE (còn gọi là sóng từ): có thành

phần dọc Ez = 0, Hz 0.

- Trƣờng từ ngang hay sóng từ ngang TM (còn gọi là sóng điện): có thành

Hình 2.17 Ống dẫn sóng dình chữ nhật



phần dọc Ez 0, Hz = 0.

Lời giải cho phƣơng trình (2.44) cho các giá trị rời rạt của h đƣợc gọi là giá trị đặc

trƣng:

(

)

(

)

(2.45)

Với l, m là các số nguyên, a và b là chiều rộng và chiều cao của ống dẫn sóng.

Lời giải cho phƣơng trình (2.44) cho trƣờng điện ngang có dạng:

H x (x, y) =

(l / b)H 0sin(lx/ b)cos(my/a)

H y (x, y) =

(m /a)H 0cos(lx / b)sin(my /a)

H z (x, y) =

(m /a)H 0cos(my / a)

E x (x, y) = (j /h 2)(m /a)H 0cos(lx/b)sin( my/a) (2.46)

E y (x, y) = (j/h 2)(l/b) H 0sin(lx/b)cos(my/a)

E z (x, y) = 0

Và tƣơng tự cho sóng từ ngang TM.

Phân tích công thức (2.43), chúng ta sẽ thấy ý nghĩa của các số nguyên l và

m. Chúng là số lƣợng nữa chu kỳ mà sóng EM thực hiện qua ống dẫn sóng. Ví dụ,

sóng điện ngang TE10 (l = 1 và m = 0) có một nửa chu kỳ dọc theo trục y và không có

nữa chu kỳ nàodọc theo trục x nhƣ đƣợc minh họa trên hình (2.18) và (2.29).

Từ công thức (2.46) và các hình (2.18) và (2.19) có thể rút ra hai kết luận quan

trọng sau:

- Trƣờng EM lan truyền dọc theo ống dẫn sóng có các dạng trƣờng ổn định.

Các dạng trƣờng này gọi là mode. Đây là một cách giải thích khác về mode mà chúng

ta đã định nghĩa trong phần 2.2.3.4 nhƣ sau: một mode sóng là một trạng thái truyền

ổn định của ánh sáng trong sợi quang.

- Không phải tất cả các sóng điều hòa đều có thể tồn tại trong ống dẫn sóng.

Điều kiện để tồn tại một sóng điều hòa là một nửa bƣớc sóng của nó phải phù hợp với



bội số lần chiều rộng và chiều cao củaống dẫn sóng. Điều kiện này đƣợc gọi là điều

kiện công hƣởng, nó xác định số lƣợng sóng có thể lan truyền trong ống dẫn sóng.

Hình 2.18 Sư thay đổi các thành phần trường của mode TE10

Hình 2.19 Các đường sức sóng TE10 trong ống dẫn sóng



Điều kiện ngƣỡng:

Chúng ta điều biết rằng ống dẫn sóng hình chữ nhật không thể truyền dòng điện

xoay chiều nhƣng lại có thể truyềnánh sáng. Vậy thì sự khác biệt giữa dòng điện

xoay chiều và ánh sáng là gì?. Cả hai điều là bức xạ điện từ nhƣng chúng khác nhau

về tần số. Rõ ràng, một ống dẫn sóng chỉ có thể hỗ trợ bức xạ tần số cao. Nhƣ vậy có

một tần số mà nhỏ hơn nó thỉ ống dẫn sóng sẽ không hỗ trợ đƣợc. Tần số này gọi là tần

số cắt.

- Từ công thức (2.45) các định nghĩa h2= (2+ k2) với = + j

=

√

Ta thu đƣợc:

√(

)

(

)

(2.47)

Rõ ràng khi tần số của trƣờng EM thấp, là số thực ( = ) do đó trƣờng EM tắt

dần. Khi tần số trƣờng EM cao, là thuần ảo ( = j) và do đó trƣờng EM tồn tại trong dạng

lan truyền sóng điều hòa không suy hao.

Từ ghi nhận trên, chúng ta có thể xác định tần số cắt fc bằng cách đặt trong

công thức (2.47) bằng không. Ta thu đƣợc:

fc(Hz )

=

√√(

)

(

)

(2.48)

Để định nghĩa bƣớc sóng cắt, chúng ta cần phân biệt ba trƣờng hợp sau:

- Trƣờng hợp 1: bƣớc sóng trong môi trƣờng không bị giới hạn = v/f với v là

vận tốc ánh sáng trong môi trƣờng không bị giới hạn. Trong môi trƣờng chân không

= c/f.

- Trƣờng hợp 2: bƣớc sóng trong ống dẫn sóng g = 2/ với là hằng số lan

truyền pha). Nếu biễu diễn theo , f và fc, ta thu đƣợc: g = /[ 1- (f / fc) ]1/2.

- Trƣờng hợp 3: tần số cắt (tới hạn) đƣợc định nghĩa nhƣ sau:



√(

) (

) ( 2.49)

2.3.4 Phƣơng ình óng đặc ƣng cho ợi quang.

Đối với ống dẫn sóng hình trụ đồng nhất trong điều kiện độ dẫn hƣớng yếu,

phƣơng trình sóng vô hƣớng (2.37) có thể viết lại nhƣ sau:

+

+

+ (

(2.50)

Với là trƣờng (E hoặc H), n1 là chiết suất của lõi sợi quang, k là hằng số lan truyền của ánh

sáng trong chân không, và r và là các tọa độ trụ. Các hằng số lan truyền của các mode

dẫn nằm trong dãi :

n2k < < n1k (2.51)

Với n2 là chiết suất của lớp bọc.

Lời giải cho phƣơng trình sóng trên có dạng :

= ,

- (2.52)

Với là thành phần trƣờng điện ngang (chiếm ƣu thế).

Đƣa lời giải trong (2.52) vào phƣơng trình (2.50), ta thu đƣợc:

+

+ (

)E = 0 (2.53)

Đối với sợi quang chiết suất bậc có chiết suất lõi là cố định, phƣơng trình

(2.53) là phƣơng trình vi phân Bessel và các lời giải là các hàm hình trụ. Trƣờng

điện do đó đƣợc biễu diễn bằng [1]:

E (r) = GJ 1 (UR) Khi R < 1 (core)

= GJ 1(U)

Khi R > 1 (cladding)

Với G là hệ số biên độ, J1 là hàm Bessel, và R=r/a là tọa độ bán kính đƣợc chuẩn

hóa, a là bán kính lõi sợi quang; U và W là các giá trị đặc trƣng cho lõi và lớp bọc và

đƣợc định nghĩa nhƣ sau [1]:

U =

⁄ (2.54)



W = ⁄ (2.55)

Tổng các bình phƣơng của U và W xác định một đại lƣợng rất quan trọng [1]:

thƣờng đƣợc gọi là tần số đƣợc chuẩn hóa V:

V =

= ka ⁄ (2.56)

Sử dụng công thức (2.55) và (2.56) ta sẽ thu đƣợc công thức tần số đƣợc chuẩn hóa V.

2.3.5 Hiểu thêm về mode.

2.3.5.1 Mode tự nhiên (mode thực hay chính xác).

Nhƣ đã xem xét trong các phần (2.3.4) và (2.3.5), trƣờng EM lan truyền

trong một cấu trúc dẫn ánh sáng không phải liên tục mà ở dạng một tập các kiểu

trƣờng rời rạc gọi là mode tự nhiên.

Các mode tự nhiên này (còn có thể gọi là mode thực hay chính xác) có thể

hoàn toàn là các sóng ngang (TE hay TM) hoặc dọc (tức là, theo hƣớng lan truyền)

(các mode ghép HE và EH). Lƣu ý chúng ta thƣờng dùng hai chỉ số dƣới. Ví dụ nhƣ

TElm là mode điện ngang với l là giá trị bậc mode và m là hạng mode hay chỉ số

mode xuyên tâm. Mode điện ngang, TE0m, có thành phần từ dọc, còn mode từ

ngang TM0m có thành phần điện dọc. Các mode lai, Hlm và Elm, có cả hai trƣờng

điện và từ dọc. Do đó EH0m và HE0m không tồn tại vì l không thể bằng không đối

với những mode này. Hình 2.20 là hình các đƣờng sức của các mode bậc thấp.

Hình 2.20 Các đường sức của bốn mode tư nhiên bậc thấp nhất trong sợi SI



2.3.5.2 Ba loại mode: dẫn, bức xạ và rò.

Những mode mà chúng ta mô tả đến đây là những mode dẫn. Thuật ngữ dẫn

cho thấy các mode này đƣợc dẫn bởi sợi quang, có nghĩa là chúng đƣợc phản xạ toàn

phần bên trong sợi quang. Nhƣ đã thảo luận trong phần 2.2.2 không phải tất cả ánh

sáng đƣa vào sợi quang đều đƣợc phản xạ tòan phần bên trong. Phân tích lý thuyết cho

thấy sợi quang hình thành các mode không quan tâm đến điều kiện phản xạ bên

trong. Nói một cách khác, nếu trƣờng EM bên trong sợi quang hình thành các kiểu ổn

định, một sợi quang sẽ hỗ trợ một loại bức xạ. Một nhóm mode sẽ chịu phải xạ toàn

phần bên trong và các mode này sẽ bị gom vào trong lõi sợi quang. Đó chính là các

mode dẫn. Một nhóm các mode khác không bị phản xạ toàn phần bên trong và sẽ

lan truyền bên ngòai lõi sợi quang. Đó chính là các mode bức xạ. Về mặt lý thuyết,

các lời giải cho các phƣơng trình ống dẫn sóng mô tả sự lan truyền của trƣờng EM

trong sợi quang bao gồm cả các mode dẫn và mode bức xạ. Các mode bức xạ, ngƣợc

với các mode dẫnm không có yêu cầu 2xk và do đó là liên tục. Về ý nghĩa vật lý, các

mode bức xạ xuất phát từ nguồn quang đƣợc đƣa vào sợi quang tại góc tới nhỏ hơn

góc tới hạn. Chúng lan truyền một phần trong lõi và một phần truyền (khúc xạ)

trong lớp bọc. Những mode lan truyền trong lớp bọc sẽ gặp giao tiếp lớp bọc-lớp

phủ và sẽ phản xạ ngƣợc lại vào lớp bọc và có thể truyền ngƣợc lại lớp lõi, ở đó

chúng sẽ ghép với các mode dẫn bậc cao hơn. Kết quả là suy hao công suất càng lớn

cho các mode lõi.

Loại mode thứ ba gọi là mode rò. Những mode này không phải là một phần

của các lời giải của hệ phƣơng trình Maxwll áp dụng cho ống dẫn sóng. Những

mode này thõa điều kiện 2xk nhƣng không phản xạ tòan phần. Hậu quả là, biên độ của

chúng thay đổi khi chúng lan truyền dọc theo sợi quang. Lọai trƣờng này không hình

thành các mode có kiểu ổn định. Chúng ta vẫn xem xét các mode này bởi vì mặc dù

không ổn định theo không gian nhƣng chúng ổ định về mặt thời gian. Phần lớn các

mode này biến mất nhanh chóng sau khi bị kích thích, nhƣng một vài mode này có

thể lan truyền trên một khỏang cách xa.

2.3.5.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm.

Trong tất cả sóng điện từ, có những điểm có pha không đổi; tức là (t - z) =



const. Ðối với sóng phẳng, những điểm pha không đổi này tạo nên một bề mặt đƣợc gọi

là mặt sóng. Ðối với sóng ánh sáng đơn sắc lan truyền dọc theo ống dẫn sóng theo

phƣơng z (trục ống dẫn sóng), những pha không đổi này di chuyển với vận tốc pha:

(2.57)

Tuy nhiên, thực tế không thể tạo ra một sóng ánh sáng hoàn toàn đơn sắc và

năng lƣợng ánh sáng tổng quát là tổng các thành phần có các tần số khác nhau. Do đó

tình trạng tồn tại là một nhóm các sóng có tần số gần giống nhau lan truyền sao cho

dạng cuối cùng có dạng bó sóng. Bó sóng này không lan truyền ở vận tốc pha của các

sóng thành phần mà lan truyền ở vận tốc nhóm:

(2.58)

Một điều quan trọng cần đƣợc nhấn mạnh đó là tín hiệu thông tin và công suất

lan truyền tại vận tốc chứ không phải tại vân tốc pha. Cũng cần phải nhớ rằng vận tốc

nhóm là vận tốc mà công suất ánh sáng lan truyền dọc theo sợi quang trong một mode

xác định.

Hình 2.21 Ví dụ về kết hợp các mode HE21+TE01 và HE21+TM01thành mode LP



Câu hỏi đặt ra là tại sao sợi quang chỉ hỗ trợ các kiểu trƣờng rời rạc mà chúng ta

gọi là các mode phân cực tuyến tính (LP). Nguyên nhân vật lý là sự lan của sóng

trong sợi quang phải thõa mãn các điều kiện biên. Giả sử sóng thỏa mãn các yêu cầu

này khi lần đầu tiên đụng giao tiếp lõi - lớp bọc. Để thỏa mãn các yêu cầu ở các lần

sau, sóng phải lặp lại chính nó khi lại một lần nữa đụng biên lõi - lớp bọc. Nói một

cách khác, pha của sóng (t-z), với z là hƣớng lan truyền, phải bằng 2k, với k là một số

nguyên, tại cùng một khoảng cách trên hai đƣờng zigzag. Các sóng EM tỏa mãn điều kiện

này sẽ có một kiểu ổn định hay mode. Các sóng EM không thỏa mãn điều kiện này

sẽ không thể xuất hiện. Đó là lý do tại sau sợi quang các sóng Em - các mode - có

các kiểu ổn định và không hỗ trợ các mode khác.

2.3.5.4 Sự tập trung công suất và điều kiện ngƣỡng.

Nhƣ đã xem xét trong phần 2.3.3, điều kiện ngƣỡng xác định mode cao nhất

mà sợi quang có thể hỗ trợ. Thuật ngữ hỗ trợ ngụ ý rằng công suất của mode này

đƣợc tập trung trong lõi sợi quang. Hình 2.25 minh họa điều này.

Hình 2.22 Đồ thị cường độ và hình vẽ sáu mode LP



Không phải mode sóng nào cũng truyền đƣợc trong sợi quang. Mỗi mode

LPnm có một tần số cắt tƣơng ứng, ký hiệu là Vcn. Chỉ khi tần số chuẩn hóa V của sợi

quang lớn hơn tần số cắt Vcn thì mode thứ n đó mới truyền đƣợc trong sợi quang.

Một vài trị số Vcn bậc thấp: Vc1=2,405Vc2=3,832Vc3=5,18Vc4 = 5,520 Vc5=6,380.

Nhắc lại công thức (2.9):

.a.NA (2.60)

Nhƣ vậy V phụ thuộc vào bƣớc sóng. Do đó, ứng với V = Vcn sẽ có = cn.

cn đƣợc gọi là bƣớc sóng cắt. Bƣớc sóng c1 là một thông số quang trọng. Ðó là bƣớc sóng

ngắn nhất sợi làm việc trong vùng đơn mode

Thật vậy, sợi quang là đơn mode khi V < Vc1 = 2,405 hay

.a.NA <

.a.NA

Suy ra: >c1.

Nói nhƣ vậy có nghĩa là sợi đơn mode có vùng bƣớc sóng truyền dẫn đơn

mode, song có vùng bƣớc sóng truyền dẫn đa mode.

Hình 2.23 Sư tập trung công suất như là hàm số của tần số chuẩn hóa V



Ví dụ: Một sợi đơn mode có các thông số: d=2a=9 m, D = 2b = 125 m, = 0,002, n1 =

1,46. Nếu làm việc ở bƣớc sóng 1300nm thì V 2. Bƣớc sóng cắt của sợi này là: c =

1,018 m. Ðiều này có nghĩa: nếu truyền ánh sáng có bƣớc sóng lớn hơn 1,018m thì

sợi quang làm việc ở chế độ đơn mode. Ngƣợc lại, nếu truyền ánh sáng có bƣớc sóng

nhỏ hơn 1,018m thì sợi quang làm việc ở chế độ đa mode mặc dù đây là sợi đơn

mode.

Thực tế, bƣớc sóng cắt phụ thuộc vào chiều dài, độ uốn cong của sợi. Sợi càng

dài, bán kính uốn cong càng nhỏ thì bƣớc sóng cắt càng nhỏ, và ngƣợc lại, Công thức

xác định bƣớc sóng cắt khi biết dạng phân bố chiết suất:

Ðối với sợi SI, Vc = 2,405; đối với sợi GI, Vc = 3,518.

2.3.5.5 Đƣờng kính trƣờng mode (MFD).

Ðƣờng kính trƣờng mode là một thông số quang trọng của sợi đơn mode.Đối

với sợi quang SI và GI, trƣờng trong sợi quang đơn mode có xấp xỉ dạng phân bố

Gaussian [1]. Hình 2.24 cho thấy sự phân bố năng lƣợng trƣờng sợi quang theo tọa

độ bán kính và theo bƣớc sóng. Năng lƣợng trƣờng phân bố theo hàm mũ trên tiết

diện ngang của sợi quang. Ðƣờng kính trƣờng mode là tại đó biên độ trƣờng giảm e lần

(e = 2,718).

Hình 2.24 Sư phân bố năng lượng trong sợi quang



Ðƣờng kính trƣờng mode phụ thuộc vào bƣớc sóng. Bƣớc sóng càng lớn

trƣờng mode càng tăng. Ðối với sợi đơn mode SI, đƣờng kính trƣờng mode (p)

thƣờng lớn hơn đƣờng kính lõi của sợi quang, và đƣợc tính theo công thức gần đúng

[1]:

(2.61)

Hoặc:

(2.62)

Ví dụ:

Sợi đơn mode có: d = 9m; c = 1,22m.

Nếu hoạt động ở bƣớc sóng 1,3m thì 2p = 10,37m.

Nếu hoạt động ở bƣớc sóng 1,55m thì 2p = 12,36m.

2.3.5.6 Chiết suất hiệu dụng.

Nhƣ chúng ta đã biết chiết suất của một môi trƣờng là tỉ số giữa vận tốc ánh

sáng lan truyền trong chân không với vận tốc của ánh sánh lan truyền trong môi

trƣờng ấy; tức là n= c/v. Chiết suất hiệu dụng là tỉ số giữa vận tốc trong chân không

với vận tốc lan truyền hay vận tốc dẫn (vguide) [2].

(2.63)

Với vguide = / theo định nghĩa. Kết hợp với công thức (2.39), suy ra

⁄

(2.64)

Cần lƣu ý rằng chiết suất hiệu dụng là khác nhau đối với các mode khác nhau [2].

2.4 CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG.

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hƣởng đến khả năng của các hệ thống

thông tin quang, bao gồm: Suy hao, Tán sắc, Hiện tƣợng phi tuyến xảy ra trong sợi

quang. Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hƣởng của các yếu

tố này cũng khác nhau. Ví dụ: Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lƣợng thấp thì

yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao. Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tƣơng



đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc. Ðối với các hệ thống

cự ly dài và dung lƣợng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các

hiệu ứng phi tuyến.

2.4.1 Suy hao.

2.4.1.1 Tổng quan.

Suy hao trên sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ

thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Ảnh hƣởng của

nó có thể đƣợc tính nhƣ sau: công suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang có chiều dài L

có liên hệ với công suất ngõ vào Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ

tƣơng tự nhƣ tín hiệu điện. Sự thay đổi công suất quang trung bình truyền trong sợi

tuân theo định luật Beer. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

(2.65)

với là suy hao sợi quang.

Thƣờng suy hao đƣợc tính theo đơn vị là db/km, vì vậy suy hao dB/km có nghĩa là tỉ

số giữa Pout trên Pin đối với L = 1 km thỏa mãn:

10 (

) hoặc

Thƣờng thì suy hao sợi đƣợc gán giá trị dƣơng do đó tổng quát hệ số suy hao

đƣợc xác định bằng công thức (2.65) nhƣ sau:

(dB/km) =

(

)

Các nguyên nhân chính gây ra suy hao là: do hấp thụ, do tán xạ tuyến tính và

do uốn cong.

Hình 2.25 Suy hao sợi quang



2.4.1.2 Suy hao do hấp thụ.

Bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi, còn gọi là tự hấp thụ, và

hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi không tinh khiết.

- Hấp thụ ngoài: Do sự có mặt của các ion tạp chất.

Sự hấp thụ của các chất kim loại: Các tạp chất trong thuỷ tinh là một trong

những nguồn hấp thụ ánh sáng. Các tạp chất thƣờng gặp là Sắt (Fe), Đồng (Cu),

Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).v.v.. Mức độ hấp thụ của tạp

chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bƣớc sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có

sợi quang có độ suy hao dƣới 1dB/Km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng

độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9

).

Sự hấp thụ của OH: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũng tạo ra

một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bƣớc sóng gần

950nm, 1240nm, 1400nm. Nhƣ vậy độ ẩm cũng là một trong nhƣng nguyên nhân

gây suy hao của sợi quang. Trong quá trình chế tạo nồng độ của các ion OH trong

lõi sợi đƣợc giữ ở mức dƣới một phần tỷ (10-9

) để giảm độ hấp thụ của nó. Đỉnh hấp

thụ chính (cộng hƣởng dao động) tại 2,7 m và các đỉnh hấp thụ điều hoà và tổ hợp

của chúng với thuỷ tinh tại 1.39, 1.24, 0.95 m.

Hình 2.26 Độ hấp thụ của tạp chất kim loại



- Hấp thụ thuần: do hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi.

Hấp thụ cực tím ( < 0,4 m).Các photon kích thích điện tử trong dải hoá trị

và kích thích lên mức năng lƣợng cao hơn (Cộng hƣởng hay chuyển tiếp điện tử).

Hấp thụ hồng ngoại ( > 7 m). Do tƣơng tác giữa các liên kết dao động và

trƣờng của tín hiệu quang (Cộng hƣởng dao động).Do bản chất vô định hình của

thuỷ tinh các cộng hƣởng này ở dạng các dải hấp thụ có đuôi dài mở rộng vào vùng

nhìn thấy.Hấp thụ thuần trong dải 0.8-1.6 m < 0,1dB/km.

Sự hấp thụ bằng tia cực tím và hồng ngoại: Ngay cả khi sợi quang đƣợc chế tạp

từ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thủy tinh tinh

khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo

Hình 2.27 Suy hao hấp thụ của ion 𝑶𝑯 (với nồng độ 𝟏𝟎 𝟔)

Hình 2.28 Suy hao hấp thụ vùng cưc tím và hồng ngoại



bƣớc sóng nhƣ hình. Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh

hƣớng sử dụng các bƣớc sóng dài trong thông tin quang.

2.4.1.3 Suy hao do tán xạ tuyến tính.

Tán xạ tuyến tính trong sợi quang là 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. Ngoài ra, do thuỷ tinh đƣợc tạo ra từ các

loại oxit nhƣ: SiO2, GeO2, P2O5 nên có thể xảy ra sự thay đổi thành phần giữa

chúng. Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất, tạo ra tán xạ. Tán xạ tuyến tính

làm cho năng lƣợng quang từ một mốt lan truyền đƣợc truyền tuyến tính (tỉ lệ thuận

với công suất mốt) sang một mốt khác. Quá trình này làm suy hao công suất quang

đƣợc truyền đi vì công suất đƣợc truyền sang một mốt rò hay mốt bức xạ (leaky or

radiation mode) là những mốt không tiếp tục lan truyền trong lõi sợi quang mà bức

xạ ra khỏi sợi. Tán xạ tuyến tính sẽ không làm thay đổi tần số tán xạ. Tán xạ tuyến

tính thƣờng đƣợc phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie.

- Tán xạ Rayleigh: xảy ra do sự không đồng nhất có kích thƣớc nhỏ hơn bƣớc sóng

(khoảng 1/10) trong sợi quang làm cho tia sáng bị tỏa ra nhiều hƣớng.

Hệ số tán xạ Rayleigh đƣợc tín nhƣ sau:

(2.66)

Trong đó:

R: hệ số tán xạ Rayleigh,

: Bƣớc sóng quang đƣợc tính bằng mét (m),

n: Chiết suất môi trƣờng,

p: Hệ số quang đàn hồi trung bình,

c: Độ nén đẳng nhiệt (đơn vị là (m2/N) tại nhiệt độ TF ( đơn vị là K) quy định

(fictive temperature).

K: Hằng số Boltzman.

Hệ số tán xạ Rayleigh liên hệ với hệ số suy hao truyền dẫn (transmission loss factor)



nhƣ sau:

L = exp (2.67)

Với L là độ dài sợi quang (đo bằng mét).

Hệ số suy hao truyền dẫn trên một kilometre sẽ là L km đƣợc tính từ công thứ (2.3)

với L=1000 (mét).

Do đó hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh sẽ là:

(

) (

) (2.68)

Suy hao do tán xạ Rayleigh đƣợc minh họa trên hình 2.26 (đƣờng tán xạ

Rayleigh).

- Tán xạ Mie: xảy ra do sự không đồng nhất có kích thƣớc nhỏ tƣơng đƣơng

với bƣớc sóng (lớn 1/10) lan truyền trong sợi quang và chủ yếu là trong hƣớng tới

(hƣớng lan truyền). Tán xạ này có thể giảm đến mức không đáng kể bằng các biện

pháp giảm tính không đồng nhất nhƣ: loại bỏ tạp chất trong quá trình sản xuất thủy

tinh, điều khiển chặt chẽ quá trình kéo và bọc sợi quang, tăng độ lệch chiết suất tƣơng

đối.

Hình 2.29 cho thấy có 3 dải bƣớc sóng (cửa sổ) có suy hao thấp có thể sử

dụng cho thông tin quang là 0.8µm, 1.3µm và 1.55µm tƣơng ứng với các suy hao cơ

Hình 2.29 Suy hao bên trong sợi quang



bản là 2.5, 0.4 và 0.25 dB/km (trong hệ thống thông tin quang đặc trƣng, một tín hiệu

có thể bị suy hao khoảng 20-30 dB trƣớc khi cần đƣợc khuếch đại hoặc tái tạo. Với

suy hao 0.25 dB/Km, tƣơng ứng có thể truyền một qua một đoạn dài khoảng 80 -

120Km).

2.4.1.4 Suy hao do uốn cong.

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu). Khi bất

kỳ một sợi dẫn quang nào bị uốn cong theo một đƣờng cong có bán kính xác định

thì sẽ có hiện tƣợng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và gây ra suy hao. Có

2 loại suy hao do uốn cong sợi:

+ Uốn cong vĩ mô

+ Uốn cong vi mô

Uốn cong vĩ mô: Là uốn công có bán kính uốn cong lớn tƣơng đƣơng hoặc

lớn hơn đƣờng kính sợi.

- Khi bán kính R giảm dần thì suy hao tăng theo hàm mũ.

- Ở sợi đa mode: Số lƣợng mode truyền dẫn trong sợi bị uốn cong nhỏ hơn sợi

thẳng. Số lƣợng mode hiệu dụng:

(2.69)

(2.70)

Uốn cong vi mô: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên. Khi sợi quang

bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Suy

hao này xuất hiện do tia sáng bị lếch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một

cách chính xác hơn, sự phân bố trƣờng bị xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong

và dẫn tới sự phát xạ năng lƣợng ra khỏi sợi. Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với

những chỗ vi uốn cong nhất là về phía bƣớc sóng dài. Uốn cong: khi sợi bị uốn cong,

góc tới của tia sáng tại chỗ bị uốn cong sẽ nhỏ hơn góc tới hạn nên một phần tia sáng

bị khúc xạ ra ngoài lớp vỏ và bị suy hao. Bán kính uốn cong càng nhỏ đi thì suy hao

càng tăng.

3/2

22

32

2

21

kRnR

aNNeff



- Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực nén không đều

lên bề mặt.

- Để giảm suy hao vì uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme.

- Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4

2.4.1.5 Suy hao và dải thông.

Dải thông có thể đƣợc xác định bằng hoặc f. Chúng liên hệ với nhau bởi

phƣơng trình:

(2.71)

Phƣơng trình này có thể rút ra từ quan hệ f = c/. Xét các bƣớc sóng 1.3 và 1.5 µm,

đây là các bƣớc sóng cơ bản của hệ thống thông tin quang ngày nay, dải thông hữu

ích có thể đƣợc tính dựa trên suy hao dB trên km trong hệ số 2, đƣợc xấp xỉ 80 nm ở

bƣớc sóng 1.3 µm và 180 nm ở bƣớc sóng 1.55 µm. Trong tần số quang, dải thông

này lên đến khoảng 35000 GHz. Ðây là một dải thông rất lớn, trong khi đó tốc độ bit

cần cho các ứng dụng ngày nay không vƣợt quá vài chục Mbps.

Dải thông hiệu dụng của sợi quang trong hầu hết các mạng đƣờng dài ngày nay

bị giới hạn bởi dải thông bộ khuếch đại EDFA (Erbium Dope Fiber Amplifier). Dựa

vào khả năng sẵn có của bộ khuếch đại, suy hao ở bƣớc sóng = 1.55 µm đƣợc chia

làm ba vùng nhƣ hình 2.31. Vùng ở giữa từ 1530-1565nm là dải C nơi mà hệ thống WDM

đã hoạt động sử dụng bộ khuếch đại EDFA thông thƣờng (Conventional). Dải từ

Hình 2.30 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính cong R



1565-1625 nm, chứa các bƣớc sóng dài hơn trong dải C, đƣợc gọi là dải L và đƣợc

sử dụng trong các hệ thống WDM dung lƣợng cao ngày nay sử dụng bộ khuếch đại

GSEDA (Gain-Shifred ErbiumDoped Amplifier). Dải dƣới 1530 nm, gồm những

bƣớc sóng ngắn hơn dải C, đƣợc gọi là dải S. Bộ khuếch đại quang sợi Raman

(Fiber-Raman Amplifier) đƣợc sử dụng để khuếch đại dải này.

2.4.2 Các hiệu ứng phi tuyến.

Hiệu ứng quang đƣợc gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào

cƣờng độ ánh sáng (công suất). Các hiện tƣợng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ

thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit

lên đến 2.5 Gbps. Tuy nhiên, ở tốc độ bit cao hơn nhƣ 10 Gbps và cao hơn và/hay ở

mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng.

Trong các hệ thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở nên quan trọng thậm chí

ở công suất và tốc độ bit vừa phải.

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm hai loại. Loại thứ nhất phát sinh do

tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong

môi trƣờng silica- một trong nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là

tán xạ Rayleigh. Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ do kích thích Brillouin

(SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS).

Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cƣờng độ điện trƣờng

hoạt động, tỉ lệ với bình phƣơng biên độ điện trƣờng. Các hiệu ứng phi tuyến quan

trọng trong loại này là hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu

ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross- Phase Modulation) và hiệu ứng trộn bốn

bƣớc sóng (FWM - Four-Wave Mixing). Loại hiệu ứng này đƣợc gọi là hiệu ứng

Kerr.

Trong các hiệu ứng tán xạ phi tuyến, năng lƣợng từ một sóng ánh sáng đƣợc

chuyển sang một sóng ánh sáng khác có bƣớc sóng dài hơn (hoặc năng lƣợng thấp

hơn). Năng lƣợng mất đi bị hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các phonon (loại

phonon liên quan đến sự khác nhau giữa SBS và SRS). Sóng thứ hai đƣợc gọi là

sóng Stokes. Sóng thứ nhất có thể gọi là sóng bơm(Pump) gây ra sự khuếch đại

sóng Stokes. Khi sóng bơm truyền trong sợi quang, nó bị mất năng lƣợng và sóng

Stokes nhận thêm năng lƣợng. Trong trƣờng hợp SBS, sóng bơm là sóng tín hiệu và



sóng Stokes là sóng không mong muốn đƣợc tạo ra do quá trình tán xạ. Trong trƣờng

hợp SRS, sóng bơm là sóng có năng lƣợng cao và sóng Stokes là sóng tín hiệu đƣợc

khuếch đại từ sóng bơm.

Nói chung, các hiệu ứng tán xạ đƣợc đặc trƣng bởi hệ số độ lợi g, đƣợc đo

bằng m/w (meters per watt) và độ rộng phổ f (đối với độ lợi tƣơng ứng) và công suất

ngƣỡng Pth của ánh sáng tới - mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ là 3 dB, tức

là một nửa công suất trên toàn bộ độ dài sợi quang. Hệ số độ lợi là một đại lƣợng chỉ

cƣờng độ của hiệu ứng phi tuyến.

Trong trƣờng hợp tự điều pha SPM, các xung truyền bị hiện tƣợng chirp (tần

số xung truyền đi thay đổi theo thời gian). Ðiều này làm cho hệ số chirp (chirped

factor) trở nên đáng kể ở các mức năng lƣợng cao. Sự có mặt của hiện tƣợng chirp

làm cho hiệu ứng giãn xung do tán sắc màu tăng lên. Do vậy, chirp xảy ra do SPM

(SPM induced chirp) có thể gây tăng độ giãn xung do tán sắc màu trong hệ thống.

Ðối với các hệ thống tốc độ bit cao, chirp do SPM có thể làm tăng một cách đáng kể

độ giãn xung do tán sắc màu thậm chí ở các mức công suất vừa phải. Ảnh hƣởng

của SPM không chỉ phụ thuộc vào dấu tham số GVD (Group Velocity Dispersion)

mà còn phụ thuộc vào chiều dài của hệ thống.

Trong hệ thống WDM đa kênh, chirp xảy ra trong một kênh phụ thuộc vào

sự thay đổi chiết suất theo cƣờng độ của các kênh khác. Hiệu ứng này đƣợc gọi là

hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross-Phase Modulation). Khi xem xét hiện

tƣợng chirp trong một kênh do sự thay đổi chiết suất theo cƣờng độ của chính kênh

đó, ta gọi là hiệu ứng này SPM. Trong các hệ thống WDM, một hiệu ứng quan trọng

khác đó là hiệu ứng trộn bốn bƣớc sóng. Nếu hệ thống WDM bao gồm các tần số

f1, f2, , fn, hiệu ứng trộn bốn bƣớc sóng sinh ra các tín hiệu tại các tần số nhƣ là 2fi - fj,

và fi + fj - fk. Các tín hiệu mới này gây ra xuyên kênh (crosstalk) với các tín hiệu có

sẵn hệ thống. Xuyên kênh này ảnh hƣởng đặc biệt nghiêm trọng khi khoảng cách

giữa các kênh hẹp. Việc giảm tán sắc màu làm tăng xuyên kênh gây ra bởi hiệu ứng

trộn bốn bƣớc sóng. Vì vậy, hệ thống sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc chịu

ảnh hƣởng của hiệu ứng trộn bốn bƣớc sóng nhiều hơn là hệ thống sử dụng sợi đơn

mốt. Tuy nhiên hiện tƣợng này có thể loại bỏ nếu duy trì một ít tán sắc màu trong sợi

quang .



Nhìn chung các ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến giảm đi khi sử dụng

sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn.

2.4.3 Tán sắc.

2.4.3.1 Tổng quan.

Trong một sợi quang, những tần số ánh sáng khác nhau và những mốt khác

nhau cần thời gian khác nhau để truyền một đoạn từ A đến B. Hiện tƣợng này gọi là

tán sắc và gây ra nhiều ảnh hƣởng khác nhau. Nói chung, tán sắc dẫn đến sự giãn

xung trong truyền dẫn quang, gây ra giao thoa giữa các ký tự, tăng lỗi bit ở máy thu

và dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn.

Ðộ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu là Dt, đƣợc xác định:

= √ (2.72)

Trong đó:

i, o: độ rộng xung vào và xung ra, đơn vị là giây [s].

Dt: đơn vị là giây [s].

Thƣờng ngƣời ta chỉ quan tâm đến độ trải rộng xung trên một Km, và có

đơn vị là [ns/Km], hoặc [ps/Km].

Ngoài ra có đơn vị [ps/nm.Km] để đánh giá độ tán sắc chất liệu trên mỗi Km

chiều dài sợi ứng với độ rộng phổ quang là 1ns.

Có hai loại:

- Tán sắc mode: chỉ xảy ra ở sợi đa mode.

- Tán sắc màu: xảy ra ở tất cả các loại sợi quang. Tán sắc sắc thể bao gồm:

Tán sắc vật liệu;

Hình 2.31 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng



Tán sắc ống dẫn sóng.

Bên cạnh đó, trong sợi đơn mode phải xét tới tán sắc mode phân cực. Đây là loại tán

sắc vô vùng quan trọng trong hệ thống thông tin tốc độ cao.

2.4.3.2 Tán sắc mode.

Nguyên nhân: Khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng lƣợng ánh sáng

phân thành nhiều mode. Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời

gian lan truyền của chúng trong sợi khác nhau. Chính sự khác nhau về thời gian lan

truyền của các mode gây ra tán sắc mode.

Xác định độ tán sắc mode của sợi đa mode SI:

Trong sợi đa mode SI mọi tia sáng đi với cùng một vận tốc:

Để xác định độ tán sắc mode trong sợi đa mode SI ta xác định độ chênh lệch

thời gian lan truyền giữa hai mode ngắn nhất và dài nhất trong sợi quang chiều dài L

đó là tia 1 và tia 2. (Hình vẽ 2.34)

Tia 1 (tia ngắn nhất) đi trùng với trục của sợi quang.

Tia 2 (tia dài nhất) là tia ứng với góc tới bằng góc tới hạn c.

- Tia 1:

Ðộ dài lan truyền: d1 = L

Thời gian lan truyền:

⁄

- Tia 2:

Hình 2.32 Tán sắc mode trong sợi SI



Ðộ dài lan truyền:

Thời gian lan truyền:

⁄

⁄

Áp dụng định luật khúc xạ tại điểm A, ta có:

Thay vào, suy ra:

Do đó thời gian chênh lệch giữa hai tia này là:

Độ chênh lệch này chính là tán sắc mode:

(khi << 1) (2.73)

Với

(khi << 1)

Có thể tính độ tán sắc mode theo khẩu độ số. Ta có: NA= √ .

Suy ra:

(2.74)

Do đó:

(2.75)

Hai biểu thức gần đúng (2.73) và (2.74) thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá độ trải

rộng xung cực đại do tán sắc mode gây ra trong sợi đa mode SI có chiều dài L Km.

Ðộ trải rộng xung cực đại trên mỗi Km sợi đƣợc xác định bởi:

(2.76)

Hoặc:

(2.77)



Một đại lƣợng hữu ích nữa đƣợc quan tâm đến trong tán sắc mode đó là độ trải rộng

xung hiệu dụng mode(SI). Quan hệ giữa và :

(

)

(2.78)

Thay (2.74) vào (2.77) suy ra:

√

√ (2.79)

Phƣơng trình (2.78) cho phép xác định đáp ứng xung hiệu dụng của sợi đa mode

chiết suất nhảy bậc. Sự khác nhau giữa Tmode (SI) và mode(SI):

- Khi tính Tmode (SI), giá trị Tmode (SI) là giá trị trải rộng xung lớn nhất mà tín

hiệu ngõ ra không chồng lấn lên nhau. Khi này tốc độ bit cực đại có thể đạt đƣợc là:

(Bps) (2.80)

- Có một cách đánh giá khác về tốc độ bit cực đại của một kênh quang. Ta

xem xung ngõ ra có dạng phân bố Gauss có độ rộng hiệu dụng là mode(SI). Cách

phân tích này cho phép tồn tại một lƣợng chồng lấn xung nào đó của tín hiệu ngõ ra

nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc tỉ số SNR ở đầu thu. Khi này tốc độ bit cực đại xấp xỉ:

(Bps) (2.81)

Giá trị tán sắc trên thực tế của một sợi đa mode là trên 200ps/km.

Tán sắc mode của sợi GI đƣợc cải tiến đến 1000 lần. Tuy nhiên thực tế chỉ có thể

đạt đƣợc khoảng 100 lần, do khó điều khiển trên toàn sợi có cùng một dạng phân bố.

Hình 2.33 Độ trải rộng xung mode của sợi quang đa mode GI có =1% theo g



2.4.3.3 Tán sắc vật liệu.

Nguyên nhân: Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu: do sự chênh lệch các vận

tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi. Nó xảy ra khi vận tốc pha của

một sóng phẳng lan truyền trong môi trƣờng điện môi biến đổi không tuyến tính với

bƣớc sóng, và một vật liệu đƣợc gọi là tồn tại tán sắc chất liệu khi đạo hàm bậc hai

của chiết suất theo bƣớc sóng khác không (d2n/d2 0). Ðộ trải rộng xung do tán sắc

vật liệu có thể thu đƣợc bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang.

Vận tốc pha và vận tốc nhóm:

Trong tất cả sóng điện từ, có những điểm có pha không đổi. Ðối với sóng

phẳng, những điểm pha không đổi này tạo nên một bề mặt đƣợc gọi là mặt sóng. Ðối

với sóng ánh sáng đơn sắc lan truyền dọc theo ống dẫn sóng theo phƣơng z (trục ống

dẫn sóng), những pha không đổi này di chuyển với vận tốc pha:

(2.82)

Tuy nhiên, thực tế không thể tạo ra một sóng ánh sáng hoàn toàn đơn sắc và

năng lƣợng ánh sáng tổng quát là tổng các thành phần có các tần số khác nhau. Do đó

tình trạng tồn tại là một nhóm các sóng có tần số gần giống nhau lan truyền sao cho

dạng cuối cùng có dạng bó sóng. Bó sóng này không lan truyền ở vận tốc pha của các

sóng thành phần mà lan truyền ở vận tốc nhóm:

(2.83)

Nếu lan truyền trong một môi trƣờng vô hạn có chiết suất n1 thì hằng số lan

truyền có thể đƣợc viết nhƣ sau:

(2.84)

Từ (2.84) suy ra:

=

=

(2.85)



Tƣơng tự, từ (2.85) suy ra vận tốc nhóm:

=

(2.86)

Thế từ (2.86) vào (2.88) và lƣu ý:

Ta có:

(

)

(

) =

(2.87)

Vớ i :

(2.88)

gọi là chiết suất nhóm.

Thời gian trễ nhóm (group delay):

Thời gian lan truyền (thời gian trễ nhóm) của một xung ánh sáng lan

truyền dọc theo một đơn vị chiều dài sợi quang:

(2.89)

Đối với nguồn quang có độ rộng phổ hiệu dụng và có bƣớc sóng trung

bình độ trải rộng xung hiệu dụng do tán sắc có thể xác định bằng khai triển Taylor theo :

*

+

Bỏ các thành phần bậc cao suy ra:

(2.90)

Với:

[

]

*

+

Suy ra độ trải rộng xung ánh sáng trên một đơn vị chiều dài là:

|

| (2.91)



Đặt:

M đƣợc gọi là hệ số tán sắc chất liệu, có đơn vị là: ps/nm.km

Vậy tán sắc vật liệu có thể đƣợc viết lại nhƣ sau:

| | (2.92)

Hệ số tán sắc chất liệu là một đại lƣợng phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và

bƣớc sóng lan truyền trong sợi quang. Dƣới đây là đồ thì biểu thị sự phụ thuộc của

M vào bƣớc sóng của sợi silicat.

Ý nghĩa vật lý của M: tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của

mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi Km sợi.

2.4.3.4 Tán sắc ống dẫn sóng.

Ðối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc sắc thể, ngoài tán sắc vật liệu ta

còn phải xét đến tán sắc ống dẫn sóng. Khi ánh sáng đƣợc ghép vào sợi quang để

truyền đi, một phần chính truyền trong phần lõi sợi, phần nhỏ truyền trong phần lớp

vỏ với những vận tốc khác nhau do chiết suất trong phần lõi và vỏ của sợi quang

khác nhau, minh họa trên hình 2.36. Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán

Hình 2.34 Sư phụ thuộc của hệ số tán sắc vào bước sóng



sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống dẫn sóng Dwg() cũng là một hàm theo bƣớc sóng nhƣ

trên hình 2.36.

Tán sắc tổng cộng:

√

| | (2.93)

Có thể thấy rõ ý nghĩa vật lý của tán sắc màu khi so sánh sự lan truyền anh

sáng qua một lăng kính nhƣ minh họa trên hình 2.38 với sự lan truyền của ánh sáng

trong sợi quang nhƣ trên hình 2.38.

Hình 2.35 Tán sắc ống dẫn sóng

Hình 2.36 Tán sắc màu bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng



2.4.3.5 Tán sắc phân cực mode.

Mặc dù ta gọi sợi quang là đơn mốt nhƣng trên thực tế nó luôn truyền 2

mode sóng đƣợc gọi chung cùng một tên. Các mode này là các sóng điện từ đƣợc

phân cực tuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông góc với

nhau. Nếu chiết suất của sợi quang là không nhƣ nhau trên phƣơng truyền của hai

mốt trên, hiện tƣợng tán sắc phân cực mốt xảy ra. Minh họa trên hình 2.39. Sự khác

nhau giữa các chỉ số chiết suất gọi là khúc xạ kép hay lƣỡng chiết sợi (Birefringence).

Hình 2.37 Hiện tượng tán sắc ánh sáng

Hình 2.38 Ánh sáng bị tán sắc trong sợi quang

Hình 2.39 Minh họa tán sắc mode phân cưc



Trên thực tế, hằng số lan truyền của mỗi phân cực thay đổi theo chiều dài sợi

quang cho nên thời gian trễ trên mỗi đoạn sợi quang là ngẫu nhiên và có xu hƣớng

khử lẫn nhau. Do đó tán sắc phân cực mốt tỉ lệ tuyến tính với căn bậc 2 chiều dài sợi

quang:

√ (2.94)

2.4.3.6 Mối quan hệ giữa tán sắc và dải thông.

Mối quan hệ giữa dải thông với tốc độ bit Hai mã thƣờng dùng trong hệ thống

thông tin là mã trở về không (RZ) và mã không trở về không.

Gọi B và BT lần lƣợt là dải thông và tốc độ của tín hiệu. Ta có [2]:

Ðối với mã NRZ:

(2.95)

Đối với mã RZ: B = BT (2.96)

Mối quan hệ giữa tán sắc và dải thông

Theo công thức (2.79) và (2.80) ta có thể tính đƣợc tốc độ bit cực đại có thể đạt

đƣợc.Tùy theo loại mã đƣờng truyền theo các công thức (2.95) và (2.96) ta có thể suy

ra dải thông B.

Ðộ trải rộng xung quyết định khả năng mang thông tin của sợi quang, mà độ

trải rộng xung tỉ lệ tuyến tính với chiều dài sợi quang, tức dải thông tỉ lệ nghịch với

khoảng cách thông tin. Ðiều này dẫn đến một thông số hữu ích hơn đối với việc đánh

giá khả năng mang thông tin của sợi quang, đó là tích dải thông với chiều dài, ký hiệu

là BL hay BxL. Ðơn vị đo: [MHz.Km].

Ta có công thức liên hệ giữa B và BL:

B = BL. (2.97)



Với: L là chiều dài sợi quang; là hằng số có giá trị 0,51, phụ thuộc vào chiều dài L.

Thƣờng = 0,60,8. Vì độ tán sắc phụ thuộc bƣớc sóng nên dải thông cũng phụ thuộc

bƣớc sóng.

NÓI CHUNG

Hiểu đƣợc sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang không những giúp

chúng ta thấy rõ những ƣu điểm nổi bậc của việc sử dụng cáp quang làm môi trƣờng

truyền dẫn mà còn giúp chúng ta nắm bắt đƣợc các vấn đề cần phải giải quyết khi thiết

kế hệ thống thông tin quang tốc độ cao.

Chúng ta đã bắt đầu chƣơng này bằng việc tìm hiểu ánh sáng lan truyền nhƣ

thế nào trong các sợi quang, và các khái niệm ban đầu về mode, sợi đa mode và đơn

mode. Bằng các sử dụng lý thuyết quang hình học đơn giản (phần 2.2) chúng ta đã

tìm ra đƣợc điều kiện để ánh sáng có thể lan truyền đƣợc trong sợi quang thông qua

khái niệm về khẩu độ số (NA).

Ánh sáng là sóng điện từ do đó để có cái nhìn todiện về sự lan truyền của ánh

sáng trong sợi quang, chúng ta cần phải ứng dụng và giải hệ phƣơng trình Maxwell

cho ống dẫn sóng hình trụ với điều kiện dẫn yếu (tức là cho sợi quang). Các lời giải

của hệ phƣơng trình Maxwell chình là các mode sóng lan truyền trong sợi quang.

Việc giải phƣơng trình Maxwell (phần 2.3) đạ cho chúng ta thấy rõ thêm bản chất

vật lý của mode là gì; vì sao ánh sáng lan truyền trong sợi quang dƣới dạng một tập

rời rạt; và quan trọng hơn nữa là các điều kiện để hình thành các mode này thông

qua các khái niệm về tần số đƣợc chuẩn hóa và bƣớc sóng cắt. Chúng ta ứng dụng các

điều kiện này để chế tạo các sợi quang đơn mode đƣợc sử dụng rộng rãi trên mạng

viễn thông hiện nay.

Ánh sáng lan truyền trong sợi quang sẽ bị suy, tán sắc và chịu ảnh hƣởng của

các hiệu ứng phi tuyến. Trong phần 2.4 chúng ta đã khảo sát chi tiết bản chất vật lý

của hiện tƣơng suy hao và tán sắt. Chúng ta đã hiểu rõ tán sắc làm hạn chế dải thông

truyền dẫn nhƣ thế nào và nguyên nhân thúc đẩy việc sử dụng sợi quang đơn mode.

Chúng ta cũng đã thấy mặc dù tán sắc là yếu tố quan trọng nhất giới hạn chất lƣợng

của hệ thống ở tốc độ 2.5 Gbps và thấp hơn nữa, các hiệu ứng phi tuyến trở nên quan



trọng ở tốc độ bit cao hơn và các hệ thống đa kênh WDM.

* * *

CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI

QUANG

GIỚI THIỆU

Hiện tƣợng tán sắc trong sợi quang và cơ chế của nó đã đƣợc đề cập trong

chƣơng 2. Tán sắc trong sợi quang có thể đƣợc chia làm hai loại chính là tán sắc

mode và tán sắc sắc thể. Tán sắc là do khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng

lƣợng ánh sáng phân thành nhiều mode. Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm

khác nhau nên thời gian lan truyền của chúng trong sợi khác nhau. Cho nên, tán sắc

mode là loại tán sắc chủ yếu trong sợi đa mode. Tán sắc sắc thể có nguyên nhân chủ

yếu là do các thành phần tần số khác nhau trong mỗi mode lan truyền có tốc độ khác

nhau. Do đó đây là loại tán sắc chủ yếu trong sợi đơn mode. Cả hai loại tán sắc đều

gây ra dãn xung và biến đổi dạng sóng của tín hiệu trong hệ thống thông tin quang.

Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu ta sẽ tìm hiểu về ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ

thống thông tin sợi quang, và một số biện pháp để đo chúng.

3.1 ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG.

3.1.1 Dãn xung do tán sắc.

Dãn xung do tán sắc ảnh hƣởng tới chất lƣợng máy thu theo hai cách. Thứ

nhất, một phần năng lƣợng xung phân tán khỏi các khe bit và gây ra giao thoa giữa

các ký tự (ISI). Sự giao thoa vƣợt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang không

còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu. Trong

trƣờng hợp này, tán sắc đã làm giới hạn năng lực truyền dẫn. Thứ hai, năng lƣợng

xung trong các khe bit bị giảm khi các xung quang bị dãn ra. Sự suy giảm năng lƣợng

nhƣ thế làm giảm SNR tại mạch quyết định. Bởi vì SNR cần đƣợc duy trì ổn định để



duy trì chất lƣợng của hệ thống, máy thu yêu cầu công suất trung bình phải lớn hơn.

Đây chính là nguồn gốc của sự giảm trừ công suất do giãn xung d. Giả sử xung quang

phát đi có dạng Gausse, d (tính theo dB) đƣợc tính bằng công thức:

d=10log10fb (3.1)

trong đó fb là hệ số dãn xung. Khi sự dãn xung chủ yếu là do độ rộng phổ của máy

phát phát, thì fb đƣợc cho bởi:

Fb=б/б0= [1+ (DLб/б0)2]1/2 (3.2)

Với 0 là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của máy phát quang và б là độ rộng phổ hiệu dụng

(rms) của nguồn quang đƣợc giả định là phân bố Gausse. Các phƣơng trình (3.1) và

(3.2) có thể đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng sự giảm trừ công suất do tán sắc màu trong hệ

thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode cùng với laser đa mode hoặc LED.

3.1.2 Ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang.

3.1.2.1 Phƣơng trình truyền dẫn cơ bản.

Quá trình phân tích các mode trong sợi quang đã chỉ ra rằng mỗi một thành

phần tần số của trƣờng quang truyền trong sợi quang có thể đƣợc viết dƣới dạng sau

ziByxFxrE exp,0~

,~,~

(3.3)

ở đây x~ là vectơ phân cực, B~

(0,) là biên độ ban đầu, và là hằng số lan truyền,

F(x,y) là phân bố trƣờng của mode sợi cơ bản mà thƣờng có thể làm xấp xỉ bằng

phân bố Gaussian. Nhìn chung, F(x,y) cũng phụ thuộc vào nhƣng sự phụ thuộc

này có thể không cần đề cập đến đối với các xung có độ rộng phổ << 0 một

điều kiện nhìn chung là thỏa mãn với thực tế. Ở đây 0 là tần số đƣợc đặt ở giữa

phổ xung, và đƣợc gọi là tần số trung tâm hay tần số mang. Các thành phần phổ

khác sẽ truyền bên trong sợi theo quan hệ đơn giản sau.

ziBzB exp,0~

,~

(3.4)

Biên độ trong miền thời gian có thể thu nhận bằng phép biến đổi Fourier ngƣợc

và đƣợc viết nhƣ sau:



dtiztzB

exp,

2

1, (3.5)

Biên độ phổ ban đầu B(0,) là dạng biến đổi Fourier của biên độ đầu vào

B(0,t).

Dãn xung xuất phát từ tính phụ thuộc tần số của . Đối với các xung đơn sắc

<< 0, nó cho phép triển khai () ở dạng chuỗi Taylor xung quanh tần số

mang 0 và vẫn giữ các số hạng tới bậc ba, nghĩa là:

33

2

2106

1

2

1

cn (3.6)

ở đây = - 0 và m = (dm/d

m) = 0 . Từ biểu thức 3.2 1 = 1/ vg, ở

đây vg là tốc độ nhóm. Tham số vận tốc nhóm 2 có liên quan tới tham số tắc sắc D

bằng biểu thức 3.7, còn 3 có quan hệ với đƣờng bao S bởi biểu thức 3.15 và sử

dụng một tham số A(z, t) gọi là biên độ biến đổi chậm của đƣờng bao xung với

quan hệ sau:

tzitzAtzB 00exp,, ( 3.7)

Biên độ A(z, t) đƣợc xác định nhƣ sau

tiz

iz

iziAdtzA

3

3

2

2162

exp,0~

2

1,

( 3.8)

ở đây ,0~A = G(0, - 0) là biến đổi Fourier của A(0,t)

Bằng việc tính toán A/z và lƣu ý rằng đƣợc thay thế bởi i(A/t) trong

miền thời gian, thì biểu thức 3.7 có thể đƣợc viết là:

06

1

2 3

3

32

2

21

t

A

t

Ai

t

A

z

A (3.9)

Đây là phƣơng trình truyền dẫn cơ bản mà nó chi phối sự tiến triển của xung

bên trong sợi đơn mode. Khi không có tán sắc (2 = 3 = 0), xung quang sẽ đƣợc

truyền đi mà không thay đổi dạng của nó nghĩa là A(z, t) = A(0,t - 1z). Thực hiện

biến đổi dịch chuyển đối với xung và đƣa ra các trục tọa độ mới:

ztt 1 và z’=z



Thì phƣơng trình 2.36 có thể viết nhƣ sau:

06

1

2 3

3

32

2

2

t

A

t

Ai

z

A

(3.10)

3.1.2.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp)

Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét hiện tƣợng chirp xảy ra đối với các xung

quang trong thông tin quang. Khi áp dụng phƣơng trình 3.10 ở trên, ta hãy phân tích

sự lan truyền của các xung Gaussian đầu vào trong sợi quang bằng cách thiết lập

biên độ ban đầu nhƣ sau:

2

0

02

1exp,0

T

tiCAtA

(3.11)

Trong đó A0 là biên độ đỉnh. Tham số T0 biểu thị là một nửa độ rộng tại điểm

cƣờng độ 1/e. Nó có mối liên hệ với độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWHM

(full width at half maximum) của xung bởi biểu thức sau:

00 665,12ln2 TTTFWHM (3.12)

Tham số C sẽ tạo nên sự lệch tần số tuyến tính tác động vào xung. Xung đƣợc

gọi là bị chirp nếu nhƣ tần số mang của nó thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi tần

số có liên quan đến pha và đƣợc viết nhƣ sau:

tT

C

tt

02

(3.13)

Ở đây là pha của A(0,t). Sự dịch tần số theo thời gian đƣợc gọi là chirp.

Nhìn chung đây là một vấn đề quan trọng vì các laze bán dẫn thƣờng phát ra các

xung bị chirp một cách đáng kể. Phổ Fourier của xung chirp bị dãn nhiều hơn so với

phổ của xung không bị chirp. Điều này có thể nhận ra bằng việc tiến hành biến đổi

Fourier biểu thức 3.11 để có:

iC

T

iC

TAA

12exp

1

2,0

~2

0

22/1

2

00

(3.14)

Nửa độ rộng phổ tại điểm cƣờng độ 1/e đƣợc cho là:



0

2

0

1

T

C (3.15)

Khi không có chirp tần số (C = 0), thì độ rộng phổ thỏa mãn quan hệ 0T0=1.

Một xung nhƣ vậy sẽ có phổ hẹp nhất và đƣợc gọi là biên độ giới hạn. Từ biểu thức

3.15 ta thấy có độ rộng phổ đƣợc tăng bởi hệ số (1 + C2)

1/2 khi có chirp xuất hiện.

Phƣơng trình truyền dẫn xung 3.10 có thể đƣợc giải dễ dàng trong miền Fourier.

Lời giải của nó có dạng nhƣ sau:

dtiz

iz

iAtzA 33

2

262

exp,0~

2

1, (3.16)

Trong đó ,0~A đƣợc cho từ biểu thức 3.14 đối với xung Gaussian đầu vào.

Trƣớc hết chúng ta hãy xem xét trƣờng hợp mà bƣớc sóng mang ở xa bƣớc sóng có

tán sắc bằng không để sao cho có sự tham gia của số hạng 3 là không đáng kể.

Việc tích phân biểu thức 3.16 có thể đƣợc thực hiện bằng giải tích toán học, và sẽ

thu đƣợc kết quả là:

iCziT

tiC

iCziT

TAtzA

12

1exp

]1[,

2

2

0

2

2/1

2

2

0

00

(3.17)

Biểu thức 3.17 chỉ ra rằng các xung Gaussian duy trì dạng Gaussian trong quá

trình lan truyền. Độ rộng xung thay đổi theo z nhƣ sau:

2/12

2

0

2

2

2

0

2

0

1 1

T

z

T

C

T

T z

(3.18)

Ở đây T1 là một nửa độ rộng đƣợc xác định tƣơng tƣ nhƣ T0. Đƣờng cong biểu

diễn hệ số dãn T1/T0 là một hàm số của cự ly truyền dẫn z/ LD, trong đó LD đƣợc gọi

là độ dài tán sắc và đƣợc viết là:

2

2

0

TLD (3.19)

Xung không bị chirp (C = 0) sẽ dãn một lƣợng [1 + (z/LD)2]1/2

và độ rộng của

nó tăng theo hệ số 21/2

tại z = LD.

Mặt khác, các xung bị chirp có thể dãn hoặc bị nén tùy thuộc vào 2 và C có



cùng dấu hay không. Khi 2 và C cùng dấu, xung Gaussian bị chirp sẽ dãn một cách

đều đặn với mức độ nhanh hơn xung không bị chirp. Khi 2 và C khác dấu, độ rộng

xung sẽ giảm và trở nên nhỏ nhất tại cự ly:

DLC

Cz

2min1

(3.20)

Giá trị nhỏ nhất phụ thuộc vào tham số chirp nhƣ sau:48

2

0min

1

1 C

TT

(3.21)

Việc làm xung bị chirp hẹp lại một cách hợp lý có thể tạo nên đặc tính tiên tiến

rất có lợi khi chúng ta thiết kế các hệ thống thông tin quang. Điều này đã đƣợc

nghiên cứu trong tài liệu.

Biểu thức 3.20 có thể bao quát gồm cả tán sắc bậc cao hơn là 3 trong biểu thức

3.21. Tích phân này vẫn có thể biểu diễn ở dạng khép kín dƣới dạng hàm Airy. Tuy

nhiên xung Gaussian đầu vào không duy trì Gaussian trong khi truyền và tạo ra đuôi

dài có dạng dao động. Những xung nhƣ vậy không thể đƣợc đặc trƣng đúng bởi

FWHM của chúng. Giá trị đúng của độ rộng xung là độ rộng RMS của xung đƣợc

xác định nhƣ sau

22 tt

(3.22)

ở đây các dấu móc nhọn ký hiệu giá trị trung bình có liên quan đến cƣờng độ,

có nghĩa là:

dttzA

dttzAtt

m

m

2

2

,

,

(3.23)

Hệ số dãn đƣợc xác định là /0, ở đây 0 là độ rộng RMS của xung Gaussian

đầu vào(với 0 = T0/21/2

) và đƣợc viết nhƣ sau:

2/1

2

2

0

32

2

2

0

2

2

0

2

0 42

11

221

LC

LLC

(3.25)

Việc phân tích ở trên giả thiết rằng nguồn phát quang đƣợc dùng để phát các



xung gần nhƣ đơn sắc để sao cho độ rộng phổ của nó thỏa mãn L<< 0 (với

sóng liên tục hay hoạt động ở chế độ CW), trong đó 0 đƣợc cho từ biểu thức

3.43. Điều kiện này thƣờng không thỏa mãn trong thực tế. Để tính cho độ rộng phổ

nguồn phát, ngƣời ta coi trƣờng quang nhƣ là một quá trình ngẫu nhiên và nghiên

cứu các đặc tính kết hợp của nguồn thông qua chức năng tƣơng tác qua lại. Tính

trung bình trong biểu thức 3.25 sẽ bao gồm cả tính trung bình trên bản chất thống

kê của nguồn. Đối với phổ Gaussian có độ rộng phổ RMS là thì có thể thu đƣợc

hệ số dãn nhƣ sau:

2/1

2

3

0

322

2

2

0

22

2

2

0

2

0 42

11

2.1

21

LVC

LV

LC

(3.26)

Ở đây V đƣợc xác định là V = 20. Biểu thức 3.26 thể hiện dạng diễn giải

cho sự dãn do tán sắc của xung Gaussian đầu vào dƣới các điều kiện chung hoàn

toàn. Sự dãn xung sẽ dẫn đến làm giới hạn tốc độ bit của các hệ thống thông tin

quang mà ta sẽ xem xét trong phần sau đây.

- Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn.

Tán sắc đã làm hạn chế đặc tính hệ thống và trƣớc hết cần thấy rằng ảnh hƣởng

đáng cân nhắc nhất là làm hạn chế tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Sự giới hạn đặt

lên tốc độ bit do tán sắc có thể phụ thuộc hoàn toàn khác với đặt trên độ rộng phổ

nguồn phát. Vì thế ta có thể thảo luận vấn đề này theo hai trƣờng hợp tách biệt sau

đây.

Trƣờng hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ lớn.

Trong trƣờng hợp hệ thống sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ lớn thì ở biểu

thức 3.26 sẽ ứng với V>>1. Trƣớc hết ta hãy xem xét hệ thống thông tin quang

hoạt động ở bƣớc sóng chệch khỏi bƣớc sóng có tán sắc bằng không nhằm để số

hạng 3 có thể đƣợc bỏ qua. Các ảnh hƣởng của lệch tần số là không đáng kể đối

với các nguồn có độ rộng phổ lớn. Thay C = 0 vào biểu thức 3.26 ta sẽ có:

2

0

2

0

2

0

11

DLL

(3.27)



ở đây là độ rộng phổ RMS của nguồn. Độ rộng xung đầu ra sẽ đƣợc viết nhƣ

sau:

22

0 D

(3.28)

Trong đó D DL là độ dãn do tán sắc gây ra.

Với diễn giải này, chúng ta có thể liên hệ với tốc độ bit bằng cách sử dụng

quy định rằng xung bị dãn nên nằm ở bên trong khe bit (khe thời gian) đã định, Tb =

1/B, trong đó B là tốc độ bit Rb. Một quy định chung thƣờng đƣợc sử dụng là

Tb/4. Đối với các xung Gaussian thì có ít nhất 90% năng lƣợng xung nằm trong khe

bit. Tốc độ bit giới hạn đƣợc cho là 4B 1. Trong phạm vi D >> 0, D =

DL, và điều kiện trở thành nhƣ sau:

4/1DBL

(3.29)

Đối với hệ thống thông tin quang hoạt động chính xác tại bƣớc sóng có tán sắc

bằng không 2 = 0 trong biểu thức 3.26. Ta thiết lập C = 0 nhƣ trƣớc đây và cho V

>> 1, thì biểu thức 3.26 có thể xác định xấp xỉ nhƣ sau:

0

22

0

2

3

0 2

11

2

11

SL

(3.30)

Nhƣ vậy, độ rộng xung đầu ra đƣợc viết nhƣ sau:

22

0

222

02

D

SL

(3.31)

ở đây bây giờ có thể viết:

2

2

LS

D

(3.32)

Cũng nhƣ trƣớc đây, ta có thể liên hệ với tốc độ bit giới hạn bởi điều kiện

4B 1. Khi D >> 0, giới hạn về tốc độ bit đƣợc viết nhƣ sau:

8

12SBL

(3.33)

Trƣờng hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ.



Trƣờng hợp này tƣơng ứng với V << 1 trong biểu thức 3.26. Nhƣ trƣớc đây,

nếu chúng ta bỏ qua số hạng 3 và cho C = 0, thì biểu thức 3.26 có thể xấp xỉ bằng:

22

0

2

0

22

02

D

L

(3.34)

So sánh với biểu thức 3.31 sẽ thấy xuất hiện sự khác nhau chủ yếu giữa hai

trƣờng hợp. Đối với phổ nguồn phát hẹp, dãn xung do tán sắc gây ra sẽ phụ thuộc

vào độ rộng ban đầu 0, trái lại nó không phụ thuộc vào 0 khi độ rộng phổ của

nguồn phát là lớn. Trong thực tế, có thể giảm nhỏ tối thiểu bằng cách chọn giá trị

tối ƣu của 0. Giá trị tối ƣu của đƣợc tìm thấy xảy ra đối với 0= D=(L/2)1/2

.

Giới hạn tốc độ bit có thể nhận đƣợc khi sử dụng 4B 1 và dẫn tới điều kiện sau:

2

1

4B L (3.35)

Sự khác nhau chính từ biểu thức 3.33 là B tỷ lệ với L-1/2

chứ không phải L-1

.

Đối với hệ thống thông tin quang hoạt động ở bƣớc sóng rất gần với bƣớc sóng có

tán sắc bằng không, 2 0 trong biểu thức 3.26. Sử dụng V << 1 và C = 0, độ rộng

xung lúc này đƣợc cho là:

22

0

2

2

0

32

042

1D

L

(3.36)

Tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp của biểu thức 2.57, có thể tối thiểu đƣợc bằng

cách tối ƣu độ xungđầu vào 0. Giá trị nhỏ nhất của 0 đƣợc tìm thấy xảy ra đối

với 0 = (L/4)1/3

và đƣợc cho nhƣ sau:

3/1

3

2/1

42

3

L

(3.37)

Giới hạn tốc độ bit sẽ đƣợc thu bằng cách áp dụng điều kiện 4B 1, hoặc là:

324,03/1

3 LB (3.38)

Các ảnh hƣởng tán xạ hầu hết đƣợc bỏ qua trong trƣờng hợp này. Đối với giá trị

tiêu biểu 3 = 0,1 ps3/km, tốc độ bit có thể lớn tới 150 Gbít/s với L = 100km. Nó chỉ



giảm tới 70Gbít/s ngay cả khi L tăng 10 lần do sự phụ thuộc của tốc độ bit vào cự ly

L-1/3

. Rõ ràng rằng đặc tính của các hệ thống thông tin quang có thể đƣợc cải thiện

đáng kể khi hoạt động ở bƣớc sóng gần bƣớc sóng có tán sắc bằng không của sợi

quang và sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ tƣơng đối hẹp.

- Tán sắc giới hạn cự ly truyền dẫn.

Trong phần trên, chúng ta đã xem xét tới ảnh hƣởng của tán sắc làm hạn chế

năng lực của truyền dẫn của hệ thống. Qua đó có thể thấy rằng ảnh hƣởng của tán

sắc vận tốc nhóm GVD có thể đƣợc giảm nhỏ tối thiểu bằng việc sử dụng các nguồn

phát laze bán dẫn có độ rộng phổ hẹp và có bƣớc sóng gần với bƣớc sóng có tán sắc

bằng không ZD của sợi quang. Tuy nhiên, vấn đề này không phải lúc nào cũng thực

hiện đƣợc trong thực tế, và việc tạo ra các laze có bƣớc sóng ZD là không dễ dàng.

Trong các hệ thống thông tin quang thế hệ thứ ba có bƣớc sóng tại vùng 1550 nnm

sử dụng loại nguồn phát laze DFB đây là các hệ thống đang đƣợc khai thác phổ biến

trên thế giới. Tham số tán sắc sợi D của hệ thống này vào khoảng 17 ps/km .nm và

đã hạn chế đáng kể đặc tính hệ thống khi mà tốc độ bit vƣợt quá 2.5 Gbít/s. Đối với

các hệ thống điều chế trực tiếp laze DFB thì cự ly truyền dẫn L bị giới hạn bằng

biểu thức sau:

1

4L

B D (3.39)

Ở đây B là tốc độ bit truyền dẫn của hệ thống, là độ rộng phổ RMS có giá trị

tiêu biểu vào khoảng 0,15 nm do có sự giãn phổ sinh ra từ chirp tần số. Nếu nhƣ giá

trị tham số tán sắc D = 17 ps/km .nm thì cự ly truyền dẫn tối đa chỉ có thể đạt đƣợc

L 39 km cho tốc độ bit 2.5 Gbít/s, và trong thực tế thì khoảng lặp cũng là nhƣ vậy.

Khi độ rộng vào khoảng 0,1 nm thì cự ly đƣợc cải thiện khoảng 62 km, và nếu

cự ly là cố định cho các khoảng cách trên thực tế giữa hai điểm nhƣ vậy thì ta không

thể nâng cấp tốc độ cao hơn 2.5 Gbít/s.

Năng lực hệ thống có thể đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng điều chế ngoài, và

trong trƣờng hợp này có thể tránh đƣợc sự giãn phổ do chirp tần số gây ra. Kỹ thuật

điều chế ngoài hiện nay đã đƣợc thƣơng mại trên thực tế, các thiết bị phát quang đã

có cấu trúc tổ hợp cả laze DFB và bộ điều chế ngoài thành một thiết bị đơn khối.



Cự ly truyền dẫn khi đó phụ thuộc vào tham số vận tốc nhóm 2 và đƣợc giới hạn

nhƣ sau:

2

2

1

16L

B (3.40)

Nếu nhƣ tham số 2 có giá trị tiêu biểu bằng -20 ps2/km .nm tại bƣớc sóng gần

1550 nm thì cự ly lớn nhất vào khoảng 500 km tại tốc độ bit 2.5 Gbít/s. Mặc dù cự

ly truyền dẫn đã đƣợc cải thiện đáng kể so với trƣờng hợp điều chế trực tiếp laze

DFB, nhƣng sự hạn chế hệ thống do tán sắc gây ra vẫn là mối quan tâm khi hệ

thống có sử dụng khuếch đại đƣờng truyền LA. Hơn thế nữa, khi mà tốc độ bit tăng

cao hơn, chẳng hạn tới 10 Gbít/s đơn kênh thì cự ly truyền dẫn do GVD gây ra chỉ

còn khoảng 30 km. Với khoảng lặp ngắn nhƣ vậy thì có sử dụng bộ khuếch đại

quang cũng không giải quyết đƣợc vấn đề gì. Bằng chứng ở đây cho thấy rằng giá

trị GVD của sợi đơn mode khá lớn đã giới hạn nghiêm trọng chất lƣợng của hệ

thống 1,55 m đƣợc thiết kế cho các mạng thông tin quang tốc độ 10 Gbít/s trở lên.

3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC VÀ DẢI THÔNG SỢI

QUANG.

Các ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống truyền dẫn sợi quang đƣợc xác định

bằng việc thực hiện các phép đo thử đáp ứng xung trong miền thời gian hoặc hàm

truyền đạt công suất trong miền tần số.

Mối quan hệ theo thời gian giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra sợi

quang nhƣ sau:

(3.41)

Trong đó:

: Công suất đầu ra của sợi quang.

: Công suất đầu vào của sợi quang.

: Đáp ứng xung.

Gọi: , , H lần lƣợt là các biến đổi Fourier của công suất đầu

ra của sợi quang , công suất đầu vào của sợi quang , đáp ứng xung .



Thì ta có biểu thức sau:

(3.42)

Trong đó hàm truyền là biến đổi Fourier của đáp ứng xung, h(t) là hàm

tích chập với công suất ở đầu vào sẽ cho công suất đầu ra của sợi. là tỷ số giữa

công suất quang điều chế sin ở đầu ra và công suất điều chế hình sin ở đầu vào của

sợi. Nếu chúng ta đo đƣợc đáp ứng xung thì sẽ có thể tính đƣợc hàm truyền và

ngƣợc lại.

3.2.1 Phƣơng pháp đo đáp ứng xung.

Phƣơng pháp này để đo độ dãn xung khi phóng vào sợi một xung ánh sáng

hẹp và đo xung ở ngõ ra. Nguyên lý của phƣơng pháp này đƣợc trình bày ở

hình(3.1).

Ở sơ đồ này, ta có một xung ngắn từ bộ phát xung laser đƣợc đƣa vào sợi

(vài trăm ps) và đƣợc tách ra bằng một photodiode tốc độ cao, rồi đƣa tín hiệu hiển

thị trên bộ chỉ báo dao động lấy mẫu. Sau đó dạng xung này đƣợc đƣa vào máy tính

và vẽ ra giấy. Để khắc phục ảnh hƣởng của thiết bị đo ta sử dụng thêm một phép đo

khác, sử dụng một sợi quang tham khảo dài vài mét.

Đáp ứng xung đƣợc đặc trƣng bởi giá trị trung bình bình phƣơng độ rộng

xung .

Hình 3.1 Nguyên lý đo đáp ứng xung.



∫

(3.43)

Trong đó:

∫

(3.44)

: Là độ trễ xung.

∫

(3.45)

Nếu xung đƣợc gần đúng cho dƣới dạng phân bố luật Gauss thì đáp ứng xung có

thể đƣợc xác định từ độ rộng xung và độ rộng xung .

(3.46)

Độ tán xạ T cũng có thể đƣợc xác định từ độ rộng xung vào và xung ra:

√

(3.47)

Với:

L là chiều dài sợi quang.

Gọi hàm mô tả dạng xung đầu vào là và đáp ứng xung của sợi đo và thiết bị

đo là h(t) và h’(t).

Khi đó ta có mô tả của dạng xung đầu ra:

(3.48)

Đối với sợi chuẩn ( ta có:

(3.49)

: Là công suất xung ra của sợi tham khảo, ở biểu thức (3.48) không có mặt

đáp ứng xung của đoạn sợi chuẩn vì nó ảnh hƣởng đến công suất ra rất bé nên có

thể bỏ qua.

Biến đổi Fourier của biểu thức (3.48) và (3.49) ta có:



(3.50)

(3.51)

Nhƣ vậy ta có:

(3.52)

Sơ đồ đo.

Nhƣ vậy hàm truyền đạt của sợi quang có thể đƣợc hiểu nhƣ tỉ số biến

đổi Fourier của dạng xung đo ở đoạn sợi cần đo dài với dạng xung đo ở dạng sợi

chuẩn ngắn.

Từ hàm chuyển đổi ta có độ rộng băng B có thể đƣợc xác định về

lƣợng là bẳng tần số thấp nhất mà tại đó biên độ của hàm chuyển đổi giảm một phần

nhất định (khoảng ½) của giá trị tần số chuẩn.

Ở sơ đồ này, một bộ tạo xung laser phát ra các xung ngắn, qua bộ tách luồng

nó đƣợc chia làm 2 Luồng. Một luồng qua vi thấu kính hội tụ, qua bộ trôn mode và

đƣợc ghép vào sợi quang cần đo. Một luồng qua thấu kính tới Camera thu hình,

Camera này đƣợc nối với màn hình quan sát, màn hình này sẽ giúp ta quan sát đƣợc

điều kiện bơm năng lƣợng quang vào trong sợi.

Các xung ra từ đầu sợi đo đƣợc tách bằng 1 photodiode tốc độ cao và đƣợc

hiển thị trên màn hình của thiết bị chỉ báo dao động. Ở trong sơ đồ, bộ trễ dung để

tạo tín hiệu đóng mở bộ chỉ báo thời gian tại thời điểm thích hợp. Dạng xung đƣợc

đƣa đến máy tính và ghi vào băng từ, phép đo đƣợc lặp lại với sợi tham khảo ngắn.

Máy tính sẽ xử lý kết quả và cho biết độ tán xạ nhƣ theo các công thức.

Nếu dạng xung vào và ra của sợi quang gần giống với dạng Gauss, thì độ

rộng băng của sợi tại giá trị suy giảm 3dB công suất quang thu đƣợc tính bằng:

hay

(3.53)

Với [B] = Ghz, [ ] = ns, [T] = ns.



Tuy nhiên giá trị của B trên đây là giá trị gần đúng, để đo kết quả chính xác

hơn ta phải tính chuyển đổi Fourier của các xung vào và ra, để từ đó tính đƣợc B tại

giá trị biên độ giảm 3dB so với giá trị biên độ ở tần số 0.

Trong khi đo để ấn định độ chính xác của máy đo thì chuỗi xung phát phải có

độ rộng phù hợp với đáp ứng xung dự tính của sợi quang. Nếu độ rộng băng của sợi

lớn, xung đo phải hẹp hơn nhiều so với đáp ứng xung của sợi và ngƣợc lại.

3.2.2 Phƣơng pháp đo ong miền tần số.

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung

Hình 3.3 Nguyên lý của phương pháp quét tần số



Hàm truyền đạt của một sợi quang có thể đƣợc đo trực tiếp trong miền tần

số. Nguyên lý của phƣơng pháp quét tần số đƣợc trình bày nhƣ hình 3.3.

Nguồn quang có thể là Laser hoặc LED đƣợc điều chế bằng một tín hiệu

hình sin từ bộ tạo sóng quét. Tín hiệu quang đƣợc bơm vào sợi đo và tín hiệu ra

đƣợc thu bằng một diode có thể là PIN hoặc APD, diode đƣợc nối với bộ phân tích

phổ, tần số tín hiệu từ bộ tạo sóng quét cũng đƣợc nối trực tiếp vào bộ phân tích

phổ.

(3.54)

(3.55)

Trong đó:

: Hàm truyền đạt của máy đo.

: Hàm truyền đạt khi đo sợi dài.

: Hàm truyền đạt khi đo sợi đo ngắn.

: Hàm truyền đạt của sợi cần đo.

Lấy (3.54) chia cho (3.55) ta đƣợc:

(3.56)

Hàm truyền đạt có thể đƣợc viết dƣới dạng:

H(w) = | | (3.57)

Trong đó:

| | Là đáp ứng biên độ và là đáp ứng pha.

Nhƣ vậy, hàm truyền đạt của sợi quang có thể đƣợc đo trong cả miền thời

gian và tần số bằng phƣơng pháp dãn xung và phƣơng phƣơng pháp quét tần số.

Tùy vào mức độ trang bị của máy đo mà ngƣời ta chọn phƣơng pháp đo thích hợp.



Kỹ thuật đo trong miền thời gian đòi hỏi phải có phƣơng tiện để tạo và tách

các xung hẹp. Một máy tính cũng phải cần đến để tính toán các biến đổi Fourier.

Mặt khác đáp ứng pha là hoàn toàn tự động.

Kĩ thuật đo trong miền tần số thì việc tính toán đơn giản hơn vì hàm truyền

đạt có thể sử dụng bằng cách chỉ thực hiện các phƣơng pháp chia hoặc phép trừ nếu

đơn vị là dB. Trái lại việc khó khăn ở đây là phải có bộ tạo tín hiệu hoạt động ở dải

tần lên đến hàng Ghz.

Khi ta đã đo độ rộng băng của sợi quang ta cần phải nhớ rằng nó bao gồm cả 2 loại:

độ méo mode và độ tán sắc. Độ rộng tổng có thể đƣợc biểu diễn bằng biểu thức sau:

√

(3.58)

Trong đó:

: Độ rộng tổng đo đƣợc.

: Độ rộng méo mode.

: Độ rộng băng tán sắc.

: Hệ số tán sắc (méo sắc) (ps/nm.km)

: Độ rộng đƣờng gốc.

L: độ dài của đoạn (km).

Nếu cần, độ rộng mode có thể thu đƣợc nhƣ sau: nếu nhƣ cả hai

đáp ứng băng cơ bản sợi mode và phổ của nguồn đều coi là dạng Gauss thì có

thể tìm đƣợc từ phƣơng trình (3.58) vì độ rộng băng của sợi thu đƣợc đã biết và

độ rộng băng cũng có thể tính đƣợc.

Sơ đồ đo.



Đây là sơ đồ hệ thống đo đƣợc xây dựng bởi phòng thí nghiệm truyền dẫn

bƣu điện Phần Lan. Nguồn quang là một diode laser CW GOANA hoạt động ở

bƣớc sóng 857 nm (hay có thể là một laser khác hoạt động ở bƣớc sóng 1320 nm).

Vì hàm chuyển đổi của sợi quang phụ thuộc mạnh vào điều kiện bơm. Bởi vậy khả

năng tái tạo lại của phép đo là có chất lƣợng rất kém. Để tăng chất lƣợng phép đo,

ngƣời ta sử dụng bộ ngẫu nhiên mode. Thƣờng ngƣời ta ghép nó vào đoạn sợi đuôi

của laser và có thể dụng các loại sợi SI hoặc GI. Độ dài của sợi đa thƣờng là 2m.

Để đo độ rộng băng ta cần quan tâm tới đáp ứng biên độ của hàm chuyển đổi

chứ không cần quan tâm tới đáp ứng pha của nó. Do vậy ta có thể dung bộ phân tích

phổ để đo đáp ứng biên độ của sợi. Bộ phân tích phỏ đƣợc sử dụng ở đây là bộ phân

tích phổ kiểu HP – 8568A, với dải tần 100Hz đến 1500 MHz, trong hệ thống nó

đƣợc nối với bộ quét và đồng chỉnh cùng với bộ quét. Bộ quét có dải tần từ 0,5 –

1500 MHz.

Máy tính đƣợc dùng ở đây là HP – 85 để điều khiển bộ phân tích phổ laser

đƣợc điều chế bằng tín hiệu hình sin lấy từ bộ phát đồng chỉnh, tín hiệu quang sau

Hình 3.4 Sơ đồ khối của hệ thống đo quét tần số



khi đƣợc điều chế sẽ đƣợc bơm vào sợi quang cần đo. Bộ phát tín hiệu quét đồng

chỉnh, dải tần chọn lọc và bộ phận phân tích phổ sẽ đo mức tín hiệu.

Đáp ứng biên độ của sợi đo có đƣợc là nhờ chia kết quả đo với sợi đo cho kết

quả đo với sợi chuẩn.

Độ rộng băng của sợi đo đƣợc xác định là tần số thấp nhất mà tại đó biên độ

của đáp ứng biên độ cảu sợi suy giảm 3 dB. Kết quả đo của cả hai phép đo đều đƣợc

ghi lại trên máy tính và vẽ ra đáp ứng biên độ và độ rộng băng của sợi đó.

Trong thực tế ta có một khó khăn là máy phân tích phổ không thể nối đồng

chỉnh với bộ tạo sóng quét vì chúng ở hai đầu khác nhau của hai đoạn bằng bộ tạo

sóng quét HP 6820 A với dải tần từ 10 – 1300 MHz. Bộ tạo sóng này dung ở chế độ

chạy tự do với độ phân tích lớn, toàn bộ đáp ứng biên độ sẽ có đƣợc sau 5 – 8 phút

lƣu trữ.

Phạm vi dải tần của hệ thống đo này có thể hoạt động từ 10 – 1200 MHZ với

cả hai miền bƣớc sóng là 850 nm – 1300 nm. Với hệ thống này có thể đo đƣợc các

loại sợi có suy hao khoảng 20 – 25 dB. Một trở ngại chủ yếu của phép đo không

đồng chỉnh là nó làm tăng thời gian đo và quan hệ dải thông sẽ thấp, do đó yêu cầu

của bộ lọc trung tần IF trong máy phân tích phổ là phải có dải rộng nhằm hạn chế

hai nhƣợc điểm trên.

3.2.3 Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang.

Bằng các phƣơng pháp trên ta có thể tính đƣợc độ rộng băng của các sợi

riêng lẻ. Trong thực tế khi đo tại hiện trƣờng, ta phải đo các tuyến cáp gồm nhiều

sợi riêng lẻ hàn nối với nhau. Nếu biết tất cả các hàm chuyển đổi của các sợi ta

không thể tính hàm chuyển đổi của tuyến một cách đơn giản là nhân tất cả chúng

với nhau đƣợc. Vì kết quả này liên quan nhiều đến hiện tƣợng phát sinh khi hàn nối

cáp, mà ảnh hƣởng chủ yếu là do hiện tƣợng đảo mode.

Ta có sự phụ thuộc của băng B vào độ dài của sợi có thể có trong biểu thức sau:

(3.59)

Trong đó:



B: Độ rộng băng tần của sợi dài L km (MHz).

: Tích số độ rộng băng và độ dài hay chính là độ rộng băng của sợi dài

1 km (MHz.km).

L: Độ dài sợi (km).

: hệ số ghép nối độ rộng băng.

Giá trị tiêu biểu của ở phạm vi 0.5 – 1 phụ thuộc vào hiện tƣợng đảo

mode tại các mối hàn, vào tham số mặt cắt , bƣớc sóng của độ rộng băng lớn nhất.

Cũng có thể có các giá trị nhỏ hơn giới hạn trên, nói chung với sợi GI

ngắn và với sợi GI dài.

Độ rộng băng tổng của một phần sợi cơ bản có thể có đƣợc từ công thức sau:

(∑ )

(3.60)

Ở đây:

: Độ rộng băng tổng.

: Độ rộng băng thức i trong phần sợi.

: Hệ số ghép nối độ rộng băng.

: Thƣờng nằm trong khoảng 0,5 – 1 và đƣợc các nhà cung cấp ghi trên

sợi.

3.2.4 Sai số ong đo đặc.

Nhìn chung, trong đo đặc, hai nguyên nhân chính dẫn tới sai số đó là: sai số

do máy đo, sai số do phƣơng pháp đo.

a) Sai ố do máy đo.

Đặc điểm chung của các loại máy đo quang phổ:

- Trong phân tích quang phổ ngƣời ta các hệ thống thiết bị chia thành 3 khối

chức năng sau: hệ thống chiếu sáng, hệ thống tán sắc, và hệ thống ghi phổ.



Hệ thống chiếu sáng bao gồm: nguồn kích thích và hệ thống tụ quang để

chiếu sáng vào khe máy quang phổ.

Hệ thống tán sắc gồm có: khe quang phổ,hai hệ thống vật kính chuẩn trực và

buồng ảnh,và chủ yếu là phần tử tán sắc.

Hệ thống nhận – ghi phổ đƣợc đặt đúng vào mặt tiêu cự của máy. Trong các

máy nhìn bằng mắt thì ở mặt tiêu cự ngƣời ta đặt thị kính. Với các máy quang phổ

chụp ảnh ngƣời ta đặt kính ảnh còn với các máy quang phổ điện ngƣời ta đặt khe ra

có lắp tế bào quang điện hoặc nhãn quang điện và cấu trúc ghi phổ cần thiết.

Nguyên nhân gây sai số do dụng cụ:

• Do thay đổi công suất của nguồn.

• Các đặc tính của detector nhiễu điện

• Các vị trí cuvet

• Ngoài ra luôn luôn xuất hiện sai số chủ quan của ngƣời đo máy có liên quan

đến việc tính các chỉ số theo thang mật độ quang hay độ truyền quang . Nguồn sai

số này thƣờng là từ 0,2 – 1%.

b) Sai ố do phƣơng pháp đo.

Loại sai số này chủ yếu là do ngƣời thực hiện đo chƣa nắm vũng các thao tác,

các bƣớc tiến hành từ đó dẫn tới sai số.

3.2.5 Giới thiệu về máy phân tích quang phổ.

Hình 3.5 Các thành phần chính trong máy phân tích phổ



- Bộ lọc trung tần (IF Filter): Bộ lọc IF là 1 bộ lọc thông dải, lựa chọn thành

phần tín hiệu mong muốn sau bộ mixer và loại bỏ các thành phần khác.

Hình 3.5 Lọc trung tần

RBW điều chỉnh băng thông của bộ lọc trung tần, do đó điều chỉnh độ phân

giải của máy phân tích phổ.

- Bộ lọc thông thấp (Low pass filter (Preselector): Loại bỏ tín hiệu tần số cao,

tín hiệu không mong muốn vào bộ mixer.

- Detector – Bộ nhận dạng đƣờng bao: Các máy phân tích phổ hiện đại sử

dụng công nghệ số ( ADC ) để xử lý tín hiệu do đó loại máy này có thêm nhiều chế

độ tách đƣờng bao :

Gồm có: 1 diode, 1 điện trở và 1 bộ lọc thông thấp

Có tác dụng biến đổi tín hiệu qua bộ lọc IF thành tín hiệu hiển thị hình

ảnh.

Diode có tác dụng chỉ cho thành phần 1 chiều đi qua.

Cần chú ý đặt RBW đủ nhỏ để tách đƣợc 2 tín hiệu gần nhau.

Độ phân giải của bộ lọc trung tần IF quyết định độ thay đổi max của bộ

tách đƣờng bao.

- Bộ lọc video: Có tác dụng làm giảm nền nhiễu, làm mƣợt tín hiệu hiển thị

trên màn hình

Là 1 bộ lọc thông thấp nằm ở phía sau bộ lọc IF, quyết đinh băng thông

của tín hiệu video sẽ đƣợc lƣợng tử hoá và hiển thị mức biên độ.



Băng thông nhỏ hơn của VBW so với IF sẽ làm cho bộ lọc video ko theo

kịp sự biến đổi nhanh của tín hiệu lối ra IF, cắt bỏ và làm mƣợt tín hiệu hiển thị.

Khi giảm VBW, biên độ peak-to-peak của nền nhiễu giảm đi, sự giảm đi

này là 1 hàm của tỉ số VBW:RBW

Ở chế độ tách sóng positive peak, khi: VBW>RBW peak-to-peak nền

nhiễu gần nhƣ ko đổ ivà VBW<RBW peak-to-peak nền nhiễu giảm đi nhƣng không

đáng kể (bởi vì ở chế độ tách sóng này, máy chọn hiển thị mẫu có mức biên độ cao

nhất)

Ở chế độ tách sóng Average, VBW không làm thay đổi mức peak-to-

peak hiển thị nền nhiễu.

- Preamplifier: NF cho ta biết công suất nhiễu qua máy thu sẽ bị khuyếch đại

thêm bao nhiêu. Một máy thu có chất lƣợng tốt fải có NF thấp. Và khuyếch đại cả

tín hiệu nhiễu làm cho nền nhiễu hiển thị cao hơn mức nhiễu lối vào.

3.2.6 Yêu cầu kĩ hậ ƣớc khi đo.

Để đảm bảo cho quá trình chất lƣợng trƣớc khi đo thì tối thiểu hải đáp ứng

các yêu cầu sau:

- Các thiết bị dung để đo phải đảm bảo có đủ chức năng để cho kết quả đo

chính xác và trung thực.

- Các dụng cụ đo cần thiết nhƣ các đầu nối thiết bị, các dây đo, và đặc biệt là

bộ nối quang cần phải đƣợc làm sạch trƣớc khi đo.

- Các thiết bị đo phải sử dụng cho quy trình đo nghiệm thu tuyến thông tin

quang phải đƣợc qua kiểm chuẩn hoặc đƣợc cơ quan có thẩm quyền cấp ngành cho

phép.

- Trƣớc khi tiến hành đo thử phải kiểm tra lại thiết bị đo, nếu có vấn đề nghi

ngờ thì không đƣợc phép sử dụng thiết bị đo đó.

- Phải đảm bảo các điều kiện đo trƣớc khi tiến hành đo cần kiểm tra các điều

kiện về môi trƣờng nơi nắp đặt các thiết bị, các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, không

đƣợc vƣợt quá mức giới hạn cho phép của các thiết bị sử dụng.

- Ngƣời tham gia đo trực tiếp cần phải nắm đƣợc các quy tác đo, phải nắm

đƣợc quy trình đo, thao tác thành thạo các thiết bị đo và có khả năng vận hành và

khai thác tốt các hệ thống.



- Ngƣời đo phải thực hiện đúng quy định về đo thử quy trình, đảm bảo an toàn

khi đo cả thiết bị và ngƣời.

* * *



KẾT LUẬN

Đồ án đã trình bày sự ảnh hƣởng của tán sắc lên hệ thống thông tin quang,

đƣa ra một số phƣơng pháp đo lƣờng tán sắc trong sợi quang. Với nhƣng kết quả,

ƣớc lƣợng về tán sắc trong sợi quang sẽ giúp cho ta có thể dễ dàng đánh giá đƣợc

chất lƣợng của hệ thống thông tin quang, đánh giá đƣợc mức độ ảnh hƣởng của tán

sắc tới hệ thống thông tin quang, chất lƣợng của sợi quang khi vừa đƣợc chế tạo ….

Đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn nhƣ

G.652 thì ảnh hƣởng của tán sắc là rất lớn và đặc biệt là tác động của tán sắc mode

phân cực. Vì thế việc xác định một cách định lƣợng giá trị của loại tán sắc này là rất

quan trọng và đòi hỏi nhƣng phƣơng pháp đo chuyên biệt.

* * *



LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Chu Công Cẩn – giáo viên của Đại

học Giao Thông Vận Tải, là ngƣời trực tiếp giảng dạy và hƣớng dẫn tôi môn học

thông tin quang và làm đồ án tốt nghiệp này. Đồ án này là kết quả của quá trình học

tập suốt 4 năm liên tục. Do đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể tất cả các

thầy, cô (cả giáo viên của trƣờng Giao Thông Vận Tải, và các thầy, cô trong bộ môn

và khoa điện-điện tử….) – những ngƣời đã tham gia vào quá trình giảng dạy và

trang bị cho tôi những kiến thức để tôi có thể hoàn thiện đƣợc đồ án tốt nghiệp này.

Tiếp đến là lời cảm ơn tới ngƣời thân, bạn bè đã động viên tôi trong suốt thời gian

làm đồ án cũng nhƣ thời gian học tập. Họ là những ngƣời luôn cho tôi những góp ý

về nội dung cũng nhƣ giúp tôi thu thập những tài liệu cần thiết phục vụ cho đồ án

tốt nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Nguyễn Văn Đức

* * *



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Ths. Chu Công Cẩn, 2007, “Bài giảng cơ sở thông tin sợi quang”, đại học

giao thông vận tải.

2. TS. Lê Quốc Cƣờng “Kĩ thuật thông tin quang”, học viên công nghệ bƣu

chính viễn thông.

3. Vũ Văn San, Đinh Thị Thu Phong “ xác định ảnh hƣởng của tán sắc trong hệ

thống thông tin quang tốc độ cao”

4. John M.Senior, Myousif Jamro(2009); “optical fiber communications

principles and practice”, GTU 3rd

Sem electronics & communication

Engineering books.

5. Rongqing Hui and Maurice O'Sullivan (2009); “fiber optical measurement

techniques”, Technology & Engineering.

6. Nguồn internet.

* * *

Documents

Đồ án nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quangdulieu.tailieuhoctap.vn/books/luan-van-de-tai/luan-van-de-tai-cd-dh/file_goc_779404.pdf · tán sắc trong