i

TP ON BU CHNH VIN THNG VIT NAM

HC VIN CNG NGH BU CHNH VIN THNG

BI GING

C S K THUT THNG TIN QUANG

Nhm bin son: TS. Nguyn c Nhn

ThS. Trn Thy Bnh

ThS. Ng Thu Trang

ThS. L Thanh Thy

H NI 12-2013

PTIT

ii

LI M U

T khi ra i cho n nay thng tin quang tr thnh h thng truyn dn

trng yu trn mng li vin thng. Trc y, nhc n h thng truyn dn quang

th chng ta thng ngh ngay n cc h thng truyn dn vi tc rt cao, dung

lng ln ng vai tr nh cc mng ng trc ca vin thng. Nhng gi y,

thng tin quang cn c pht trin nhanh chng c cp mng truy nhp. C th

thy rng p ng nhu cu truyn ti do s bng n thng tin, h thng vin thng

cn phi pht trin c v qui m v cu trc mng.

Mng truyn dn da trn h thng truyn thng si quang l xng sng ca

mng vin thng. Do vy xy dng c cc h thng thng tin quang chng ta cn

tm hiu y v n. Nhm cung cp cho sinh vin nhng kin thc v cc phn t

c bn cu thnh h thng thng tin si quang, cc tham s v nguyn l vn hnh h

thng, nhm tc gi chng ti vit cun bi ging K thut thng tin si quang

nh l mt knh ti liu tham kho b ch cho mn hc. Ti liu gm 5 chng vi

cc ni dung c bn nh sau:

Chng 1: Chng ti trnh by tng quan v k thut thng tin si quang, lch s pht trin, s khi h thng thng tin si quang v mt s khi nim c

bn lin quan n k thut thng tin quang

Chng 2: Gii thiu v cu trc ca cc loi si quang, qu trnh lan truyn nh sng trong si quang theo quan im quang hnh v sng in t. Cc c

tnh truyn dn c bn ca si quang cng c trnh by. Ngoi ra, chng ti

gii thiu v cu trc c bn cp si quang v mt s vn khi kt ni cp.

Chng 3: B pht quang l mt phn t quan trng trong h thng thng tin si quang. Trong chng ny, chng ti gii thiu cu trc v cc c tnh

quan trng ca cc ngun pht quang bn dn c s dng ch yu trong h

thng thng tin si quang l LED v laser. Cc vn c bn trong thit k b

pht quang iu bin cng s dng LED v laser cng c trnh by.

Chng 4: Cu trc b thu tn hiu quang v cc phn t chuyn i quang - in quan trng l PIN v APD c trnh by c th. Cc vn c bn v

nhiu v thit k b thu quang cng c phn tch v nh gi.

Chng 5: Gii thiu v cc vn c bn trong thit k h thng thng tin quang bao gm h thng thng tin quang s v h thng thng tin quang tng

t. Ngoi cc vn khi thit k h thng n knh, mt s khi nim v

nguyn l ca h thng a knh cng c gii thiu.

PTIT

iii

Chng ti hy vng rng cun bi ging s l ti liu tham kho hu ch cho

sinh vin chuyn ngnh vin thng v nhng ngi quan tm. Vi mt khi lng ln

kin thc nhng nhm tc gi cng c gng cht lc gii thiu ti bn c trong

mt s lng trang sch nht nh gip bn c nm bt nhng vn c bn nht

ca k thut thng tin si quang. Chng ti rt mong nhn c kin ng gp ca

cc qu thy c, cc bn sinh vin v nhng ngi quan tm hon thin hn cun

ti liu ny.

PTIT

iv

MC LC

DANH SCH THUT NG VIT TT vii

Chng 1 Tng quan h thng thng tin quang 1

1.1 Lch s pht trin thng tin quang 1

1.2 Mt s khi nim c bn trong thng tin quang 6

1.2.1 Bng tn ph quang 6

1.2.2 Ghp knh 9

1.2.3 n v cng sut 10

1.3 M hnh tng qut h thng thng tin quang 11

1.3.1 S khi tng qut h thng thng tin quang 11

1.3.2 Cc thnh phn c bn ca h thng thng tin quang si 12

1.3.3 c im h thng thng tin si quang 14

1.4 Cc tiu chuncho h thng thng tin quang 15

Chng 2 Si quang 17

2.1 Cu to v phn loi si quang 17

2.1.1 Cu to si quang 17

2.1.2 Phn loi si quang 17

2.2 Truyn sng nh sng trong si quang 20

2.2.1 M t theo quang hnh hc 20

2.2.2 L thuyt truyn sng 23

2.3 Suy hao trong si quang 36

2.3.1 H s suy hao si quang 36

2.3.2 Nguyn nhn gy suy hao 37

2.4 Tn sc trong si quang 44

2.4.1 Khi nim v phn loi tn sc 44

2.4.2 Tn sc mode 45

2.4.3 Tn sc vn tc nhm 47

2.4.4 Tn sc bc cao 54

2.4.5 Tn sc mode phn cc 54

2.5 Cc gii hn truyn dn gy ra bi tn sc 57

2.5.1 Phng trnh truyn dn c bn 57

2.5.2 Truyn xung Gauss c chirp 58

2.5.3 Gii hn v tc bit 62

2.5.4 rng bng tn si quang 65

2.6 Cc hiu ng quang phi tuyn 67

2.6.1 Ngun gc hiu ng quang phi tuyn 67

2.6.2 Hiu ng tn x kch thch 68

2.6.3 Hiu ng iu ch pha phi tuyn 72

2.6.4 Trn bn sng 74

2.7 Cp si quang 75

PTIT

v

2.7.1 Ch to si quang 75

2.7.2 Cp si quang 77

2.7.3 Hn v kt ni si quang 80

Chng 3 B pht quang 85

3.1 Mt s vn c bn trong vt l quang bn dn 85

3.1.1 Qu trnh pht x v hp th 85

3.1.2 Cc vt liu bn dn 89

3.1.3 Tip gip p-n 95

3.1.4 Ti hp khng bc x 97

3.2 Ngun LED 99

3.2.1 Cu to v phn loi ngun LED 100

3.2.2 c tnh ca LED 104

3.3 Laser laser bn dn (LD) 110

3.3.1 Cu to c bn ca ngun laser bn dn 110

3.3.2 c tnh ca LD 116

3.3.3 Cc ngun LD n mode 119

3.4 iu bin ngun quang 123

3.5 Mt s vn trong thit k b pht quang 124

3.5.1 Ghp ni ngun - si quang 124

3.5.2 Mch kch thch ngun quang 125

3.5.3 n nh ngun quang 129

Chng 4 B thu quang 130

4.1 MT S KHI NIM C BN 130

4.1.1 p ng ca b thu 130

4.1.2 Hiu sut lng t 131

4.1.3 rng bng tn ngun thu 132

4.1.3.a Thi gian p ng 132

4.2 CC LOI DIODE THU QUANG 135

4.2.1 Diode thu quang p-i-n 135

4.2.2 Diode thu quang thc APD 137

4.2.2.1 Cu to, nguyn l hot ng 137

4.3 MT S VN TRONG THIT K B THU 144

4.3.1 Phn trc (Front end) ca b thu quang 144

4.3.2 Knh tuyn tnh 146

4.3.3 Mch quyt nh 146

4.3.4 Mt s kiu mch tin khuch i ca b thu quang 147

4.3.4.a Cc mch tin khuch i FET tr khng cao 148

4.3.4.b Cc b khuch i tranzisto lng cc tr khng cao 150

4.3.4.c B khuch i h dn ngc 152

4.3.4.d B thu quang c mch tch hp 154

4.4 NHIU TRONG B THU QUANG 156

PTIT

vi

4.4.1 Cc c ch nhiu 156

4.4.1.a Nhiu n 156

4.4.1.b Nhiu nhit 157

4.4.2 B thu p-i-n 158

4.4.3 B thu s dng APD 159

4.5 Hiu nng b thu quang 161

4.5.1 Xc sut li 161

4.5.2 nhy thu 165

4.5.3 Gii hn lng t ca b thu quang 168

4.6 K thut thu coherent 169

4.6.1 Khi nim c bn 170

4.6.2 K thut thu homodyne 171

4.6.3 K thut thu heterodyne 172

4.6.4 T s tn hiu trn nhiu 172

Chng 5 H thng thng tin quang si 174

5.1 Cu trc h thng thng tin quang 174

5.1.1 Tuyn im im 174

5.1.2 H thng thng tin quang s 175

5.1.3 H thng thng tin quang tng t 179

5.2 C s thit k h thng 183

5.2.1 H thng b gii hn bi suy hao 185

5.2.2 H thng b gii hn bi tn sc 185

5.2.3 Qu cng sut quang 187

5.2.4 Qu thi gian ln 188

5.3 B cng sut 190

5.3.1 B cng sut do nhiu mode 190

5.3.2 B cng sut do nhiu phn mode 192

5.3.3 B cng sut do tn sc 194

5.3.4 B cng sut do chirping 195

5.3.5 B cng sut do nhiu phn x 198

5.4 H thng a knh 201

5.4.1 H thng thng tin quang WDM 201

5.4.2 H thng thng tin quang OTDM 203

5.4.3 H thng thng tin quang SCM 204

5.4.4 H thng ghp knh theo m (CDM) 205

PTIT

vii

DANH SCH THUT NG VIT TT

Thut ng ting Anh Thut ng ting Vit

A

APD Avalanche Photodiode Diode tch sng quang

thc

AR Antireflection Coating V chng phn x

ASE Amplified Spontanous Emission Bc x t pht c

khuch i

B

BA Booster Amplifier B khuch i cng sut

BER Bit Error Rate T s li bit

BH Burried Heterostructure Cu trc d th chon

C

CW Continous Wave Sng lin tc

D

DBR Distributed Bragg Reflector Phn x phn b Bragg

DCF Dispersion Compensation Fiber Si b tn sc

DFB Distributed Feedback Phn hi phn b

DR Dynamic Range Di ng

DR Distributed Reflector B phn x phn b

DWDM Dense WDM WDM mt cao

E

ELED Edge emitting LED LED pht x cnh

F

FET Field Effect Transistor Transistor hiu ng trng

FPA Fabry Perot Amplifier B khuch i Fabry

Perot

FPLD Fabry Perot Laser Diode Laser diode c khoang

cng hng Fabry Perot

FWHM Full Width at Half Maximum rng ton phn ti na

ln nht

FWM Four Wave Mixing Trn bn sng

G

GI Graded Index Ch sGradien

GVD Group Velocity Dispersion Tn sc vn tc nhm

I

PTIT

viii

IM Intensity Modulation iu ch cng

IM DD Intensity Modulation Direct

Detection

iu ch cng - Tch

sng trc tip

ISI Intersymbol Interference Nhiu gia cc k t

L

LA Line Amplifier Khuch i ng truyn

LD Laser diode Diode laser

LED Light Emitting Diode Diode pht quang

M

MCVD Modified Chemical Vapor Deposition Ngng ng hi ha cht

bin i

MESFET Metal Semiconductor Field Effect

Transistor

Transistor trng bn dn

kim loi

MFD Mode Field Diameter ng knh trng mode

MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect

Transistor

Transistor trng oxit Silic

kim loi

MQW Multiple Quantum Well Ging lng t

MZ Mach Zehnder B iu ch Mach

Zehnder

N

NA Numerical Aperture Khu s

NF Noise Figure Hnh nh nhiu

NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyn

O

OA Optical Amplifier B khuch i quang

P

PA Pre-Amplifier B tin khuch i

PMD Polarization Mode Dispersion Tn sc mode phn cc

PIN Positive Intrinsic Negative Cu trc PIN

R

RIN Relative Intensity Noise Nhiu cng tng i

RMS Root Mean Square Cn trung bnh bnh

phng

RZ Return Zero Tr v 0

S

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tn x Brillouin kch thch

PTIT

ix

SE Spontaneous Emission Pht x t pht

SLED Surface emitting LED LED pht x cnh

SI Step Index Ch s chit sut phn bc

SMF Single Mode Fiber Si quang n mode

SNR Signal to Noise Ratio T s tn hiu trn nhiu

SPM Self Phase Modulation T iu ch pha

W

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghp knh theo bc sng

PTIT

1

Chng 1 Tng quan h thng thng tin

quang

1.1Lch s pht trin thng tin quang

Hnh 1-1 S tng trng v tch tc -khong cch BL trong khong thi gian 1850 n 2000. Mi du trn en nh du s xut hin ca mt cng ngh mi.

Thng tin quang l k thut truyn thng tin bng nh sng v t xa xa con

ngi s dng phng thc ny bo tin cho nhau khong cch xa. Tuy

nhin s pht trin cc h thng thng tin lin lc trc 1980 u da trn c ch

truyn dn in v tri qua qu trnh pht trin t in bo, in thoi cho n cp

ng, viba s. Theo thi gian nhng thay i v mt k thut cng ngh to ra s

tng trng nhanh v nng lc truyn dn thng tin. Nng lc ca mt h thng

thng tin c nh gi qua tch tc bit v khong cch (B.L), trong B l tc

bit v L l khong cch truyn dn gia thit b lp. Vic ra i cc h thng

truyn dn quang s tng mnh v nng lc truyn dn m ra thi k mi cho h

thng mng vin thng. Nhng pht trinca thng tin quang c c bt ngun t

nhng n lc nghin cu tin phong v ngun quang laser bn dn t trc nm

PTIT

2

1960 v ch to si quang thy tinh c suy hao nh nhng nm 1960-70. Trong

ni bt phi k n nhng nghin cu t ph ca GS. Charles K. Kao, ngi

ot gii Nobel vt l nm 2009 cho cng trnh ch to si quang dng cho thng

tin quang.

Giai on nghin cu cc h thng thng tin si quang bt u khong

nm 1975. Hnh 1-2 cho thy s tng dung lng h thng thng tin quang c

thc hin t sau 1980 qua mt s giai on pht trin. Cc sn phm h thng

thng mi thng i sau giai on nghin cu v pht trin mt khong vi nm.

Qu trnh pht trin mnh m ca h thng c thc hin trn 25 nm t 1975 n

nm 2000 c th c phn thnh mt s th h r rt. Hnh 1-3 cho thy s tng v

tch BL theo thi gian c xc nh qua cc th nghim c tin hnh khc nhau.

ng thng tng ng vi s tng gp i v tch BL mi nm. Mi th h, BL

tng mnh thi k u sau bt u bo ha khi cng ngh t c chn ca

n. Mi th h mi em li s thay i c bn gip ci thin tt hn hiu nng ca

h thng.

Hnh 1-2 S tng trng v dung lng ca cc h thng thng tin quang c thc hin sau nm 1980. Cc ng chm ch ra s tng trng theo dng gn hm m v tc bit

c hai h thng nghin cu v h thng thng mi.

Th h u tin ca cc h thng si quang hot ng gn 0,8 m v s dng

cc ngun laser bn dn GaAs. Cc h thng ny c thng mi ha nm 1980

hot ng ti tc 45 Mb/s v cho php khong cch lp ch khong 10 km. Tuy

l th h thng tin quang u tin nhng hiu nng ca h thng cao hn nhiu

so vi cc h thng truyn dn cp ng truyn thng thi .

PTIT

3

Hnh 1-3 S tng v tch BL trong giai on 1975 n 2000 qua mt s th h h thng thng tin quang. Cc k hiu khc nhau m t cho cc th h k tip nhau.

Khong cch lp c th c tng ln ng k khi h thng si quang hot

ng ti vng bc sng gn 1,3 m m suy hao ca si nh hn 1 dB/km.

Thm na cc si quang lc c c tnh tn sc nh nht trong vng bc sng

ny. Do c nhiu n lc trong vic pht trin cc laser v cc linh kin thu

bn dn InGaAsP hot ng gn 1,3 m. Th h cc h thng thng tin si quang

th hai tr nn sn sang vo u thp k 1980, nhng tc bt ca cc h thng

ban u b gii hn di 100 Mb/s v tn sc trong cc si a mode. Gii hn ny

c khc phc bng cch s dng si n mode v si ny sm a vo s dng

trong cc h thng thng mi ha giai on . Vo nm 1987, cc h thng thng

tin si quang th hai hot ng ti tc ln ti 1,7 Gb/s vi khong cch lp

khong 50 km sn c cung cp cho thng mi.

Khong cch lp ca cc h thng si quang th h th hai b gii hn bi

suy hao si quang ti bc sng hot ng 1,3 m (in hnh 0,5 dB/km). Cc suy

hao ca cc si quang nh nht gn 1,55 m. Mt mc suy hao c 0,2 dB/km

thc hin c trong vng ph ny. Tuy nhin vic a vo cc h thng si quang

th h th ba hot ng ti 1,55 m b chm li ng k bi tn sc ln ca si

quang gn 1,55 m. Cc laser bn dn InGaAsP thng thng khng th s dng

c v s tri rng xung quang xy ra nh l kt qu ca s dao ng ng thi

ca mt vi mode pht x dc t laser. Vn tn sc c th c khc phc hoc

bng cc si dch tn sc c thit k c tn sc nh nht ti vng 1,55 m hoc

bng gii hn ph laser ch c mt mode dc pht x n. C hai tip cn ny

c thc hin trong sut thp k 1980. Vo nm 1985, cc thc nghim ti phng

PTIT

4

th nghim cho thy kh nng truyn dn thng tin ti tc ln ti 4 Gb/s trn

khong cch ln hn 100 km. Cc h thng thng tin si quang th h th ba hot

ng ti 2,5 Gb/s sn c cho vic thng mi ha vo nm 1990. Cc h thn

nh vy cng c th hot ng tc ln ti 10 Gb/s. Hiu nng tt nht ca h

thng c thc hin bng vic s dng cc si dch tn sc kt hp vi cc ngun

laser n mode.

Nhc im ca h thng 1,55 m th h th ba l tn hiu phi c ti

sinh tun hon nh s dng cc b lp in khong cch in hnh c 60 70 km.

Khong cch b lp c th c tng thm nh s dng ch thu kt hp

homodyne hoc heterodyne v ci thin c nhy b thu. Cc h thng nh vy

c gi l cc h thng thng tin quang kt hp (coherent). Cc h thng coherent

cng c pht trin trong nhng nm 1980 v nhng li ch tim tng ca

chng c chng minh trong nhiu th nghim. Tuy nhin vic thng mi ha

cc h thng ny b tr hon do s ra i ca cc b khuych i quang si vo

nm 1989.

Th h th t ca cc h thng si quang s dng khuych i quang tng

khong cch gia cc b lp v ghp knh theo bc sng (WDM) tng dung

lng truyn dn. Nh thy r trong hnh 1-3 trc v sau 1992, s ra i k thut

WDM to ra mt cuc cch mng v dung lng truyn dn v cho php cc h

thng si quang hot ng ti tc 10 Tb/s vo nm 2001.Trong hu ht cc h

thng WDM, cc tn hao ca si quang c b tun hon nh s dng cc b

khuych i quang si pha tp erbium (EDFA) cch nhau c 60 80 km. Cc b

khuych i quang nh vy c pht trin sau nm 1985 v c cung cp

thng mi nm 1990. Nh vic s dng cc b khuych i quang si m cc h

thng truyn dn cp bin ton quang gia cc lc a tr nn kh thi. T sau nm

1996 nhiu h thng truyn dn quang bin khong cch hn chc ngn km ti tc

Gb/s c trin khai rng ri trn ton th gii.

PTIT

5

Hnh 1-4 S h thng mng cp quang bin ti khu vc chu

H thng thng tin si quang th h th nm c quan tm bi s m rng

di bc sng m mt h thng WDM c th hot ng ng thi. Ca s bc

sng quen thuc c gi l bng tn C bao trm di bc sng 1,53 1,57 m. N

s c m rng c hai pha bc sng ngn v bc sng di hnh thnh cc

bng tn S v L tng ng. K thut khuych i Raman c th khuych i tn

hiu c 3 bng tn bc sng m cc b khuyeechs i EDFA khng thc hin

c. Thm na, mt loi si quang mi c gi l si kh c pht trin

suy hao ca si l nh trn ton b vng bc sng tri rng t 1,3 n 1,65 m.

Vic s dng cc si quang nh vy v cc ch khuyeechs i mi c th cho

php cc h thng si quang hot ng vi hng ngn knh WDM. Tiu im ca

h thng th h th nm hin ti l tng hiu sut ph ca cc h thng WDM.

tng l s dng cc nh dng iu ch tin tin trong thng tin c m ha

s dng c bin v pha ca sng mang quang. Mc d cc nh dng nh vy

c pht trin v s dng thng dng trong cc h thng v tuyn, nhng vic s

dng trong cc h thng si quang ch c ch n nhiu sau nm 2001. Nh s

dng cc nh dng iu ch tin tin cho php h thng tng hiu sut ph b

gii hn di 0,8 b/s/Hz trong h thng th h th t tng ln > 8 b/s/Hz. Trong mt

th nghim nm 2010, mt k lc mi c thit lp truyn dn 64 Tb/s trn

khong cch 320 km bng vic s dng 640 knh WDM trn c hai bng tn C v L

PTIT

6

vi khong cch knh 12,5 GHz. Mi knh cha 2 tn hiu 107 Gb/s c ghp

phn cc vi dng iu ch s dng l iu ch bin cu phng (QAM).

H thng thng tin quang si tri qua hn 30 nm pht trin vi nhiu k

thut cng ngh t n chin mui. Thng tin quang si hin nay tr thnh

cng ngh xy dng c s h tng truyn ti cho hu ht cc cp mng thng tin

t mng ng trc quc t cho n cc mng truy nhp.

1.2Mt s khi nim c bn trong thng tin quang

1.2.1Bng tn ph quang

Tt c cc h thng vin thng u s dng cc dng nng lng in t

pht tn hiu. Ph bc x in t (EM) c cho thy trong hnh 1-4. Nng lng

in t l s t hp ca in trng v t trng, v bao gm in nng, cc sng

v tuyn, vi ba, nh sng hng ngoi, nhn thy, t ngoi, tia X v tia gamma. Mi

loi s chim mt phn ph sng in t. Bn cht c bn ca tt c cc bc x

trong ph sng in t l cc sng in t lan truyn ti tc nh sng c = 3x108

m/s trong chn khng. Tc ca sng lan truyn trong mt vt liu l nh hn tc

c trong chn khng bi mt h s chit sut n:

=

(1.1)

Hnh 1-5 Ph bc x sng in t

Cc tnh cht vt l ca cc sng in t c th c xc nh qua mt s cc

i lng nh di mt chu k ca sng, nng lng cha trong sng hoc tn s

PTIT

7

dao ng ca sng. Khc vi truyn dn tn hiu in thng s dng tn s ch

cc bng tn hot ng ca tn hiu, th thng tin quang li thng s dng bc

sng ch cc vng ph hot ng. Cc i lng ny lin h vi nhau qua mt s

phng trnh n gin. Trc ht, tc nh sng trong chn khng c bng bc

sng l nhn vi tn s n:

= ln (1.2)

trong tn s n c o theo Hz. Tip theo, quan h gia nng lng ca mt

photon (ht nh sng) v tn s (hoc bc sng) ca n c xc nh qua nh

lut Planck:

= n (1.3)

trong tham s h = 6,63x10-34 J-s = 4,14 eV-s l hng s Planck. Theo bc sng

(c o theo m), nng lng theo n v electron volt c xc nh:

() =,

l() (1.4)

Cc h thng thng tin c th c phn bit qua cc vng ph sng in t

s dng. Hnh 1-5 cho thy cc vng ph c th cho cc h thng thng tin v tuyn

v quang si. i vi cc h thng thng tin v tuyn cc bng tn s dng tri

rng t bng tn cao HF ti VHF v ti UHF vi cc tn s sng mang c bc 107,

108 v 109 Hz tng ng. V mt l thuyt, vic tn s sng mang hot ng ti

vng tn s cao cho php tng bng tn truyn dn kh dng v kt qu cho php

tng dung lng truyn dn thng tin. i vi thng tin quang, cc vng bng tn

quang c tn s ln hn nhiu bc so vi tn s v tuyn, do vy cc h thng si

quang cho thy kh nng truyn dn mt dung lng thng tin v cng ln qua h

thng.

Vng ph quang tri di t khong 5 nm trong vng cc tm n 1 mm trong

vng hng ngoi xa. gia cc vng gii hn ny l vng ph nhn thy t 400 n

700 nm. Thng tin quang si s dng bng tn ph hng ngoi gn t 770 n 1675

nm. Cc h thng thng tin quang hin ny hu ht s dng vng bc sng di

v t chc lin minh vin thng quc t ITU ch nh su bng tn ph s dng

cho thng tin si quang trong phm vi 1260 n 1675 nm. Cc ch nh bng tn

bc sng di ny xut pht t c tnh suy hao ca si quang v c tnh ca b

khuych i EDFA. Vng bng tn 770 n 910 nm c s dng cho cc h thng

si quang a mode bc sng ngn. Mi vng ph u i hi cc thnh phn linh

PTIT

8

kin ph hp hot ng v cc c tnh khc nhau ca cc thnh phn ny s dn

n hiu nng cng nh ng dng ca cc h thng tng ng l khc nhau.

Hnh 1-6 Cc vng ph sng in t s dng cho thng tin quang si v thng tin v tuyn.

Hnh 1-7 K hiu cc bng tn ph bc sng di do ITU-T quy nh

PTIT

9

1.2.2Ghp knh

Ghp knh l k thut kt hp nhiu knh tn hiu khc nhau truyn ng

thi qua h thng truyn dn nhm s dng hiu qu dung lng truyn dn ca h

thng. i vi h thng thng tin si quang c dung lng truyn dn ln th chc

nng ghp knh lun i km vi h thng ny. Cc k thut ghp knh thng c

s dng bao gm ghp knh theo thi gian (TDM) v ghp knh theo tn s (FDM).

Trong trng hp TDM cc bit d liu ca cc knh khc nhau c ghp

xen trong min thi gian to thnh lung bit tng, hay ni cch khc mi knh s

c gn vo nhng khe thi gian xc nh truyn ng thi qua h thng cng

vi cc knh khc. K thut TDM c s dng cho cc tn hiu s trong cc mng

vin thng v hnh thnh cc phn cp s khc nhau trong qu trnh pht trin.

Trong thi gian u pht trin cc h thng truyn dn s, phn cp s cn ng b

(PDH) c hnh thnh xc nh cc mc v s lng knh thoi c ghp. Phn

cp PDH nh cho thy trong hnh 1-6 c s khc bit gia cc khu vc v c s

dng cho c h thng thng tin quang si v v tuyn. S thiu mt tiu chun

thng nht v phn cp s trong cng nghip vin thng i hi s ra i mt

tiu chun phn cp s mi gi l mng quang ng b (SONET) v sau gi l

phn cp s ng b SDH. Bng cho

Hnh 1-8 Phn cp s cn ng b PDH

Bng 1-1 Bng tc truyn dn theo phn cp s ng b SONET/SDH

PTIT

10

Trong trng hp FDM, cc knh c ghp trong min tn s trong mi

knh c mang bi mt sng mang ring bit. Cc tn s sng mang cch nhau

mt khong tn ln hn rng bng tn ca knh trnh s chng ph. FDM c

th c s dng cho c tn hiu tng t v tn hiu s v thng hay c s

dng trong cc h thng qung b. Trong cc h thng vin thng, chc nng ghp

knh thng c thc hin trong min in trc khi chuyn i thnh tn hiu

quang. Trng hp FDM thc hin hon ton trong min quang c xem l ghp

knh phn chia theo bc sng WDM.

1.2.3n v cng sut

Cng sut l mt i lng quan trng trong h thng si quang c trng

cho cng ca tn hiu quang trn h thng. i lng cng sut c th c o

trn hai kiu thang o:

- Thang o tuyn tnh vi n v W hoc mW

- Thang o logarithm vi n v dBm

Trong k thut h thng thang o logarithm thng hay c s dng v n

em li mt s u im bao gm cho php biu din di rng gi tr mc cng sut

hay ni cch khc d dng biu din cc mc tn hiu khc bit nhau nhiu bc

ln. Thm na vic tnh ton cc i lng theo thang o logarithm cng c n

gin ha bng cc php tnh cng hoc tr thay cho cc php tnh nhn chia t l

trong thang o tuyn tnh.

Quan h gia mc cng sut theo thang logarithm v mc cng sut theo

thang tuyn tnh c xc nh qua biu thc sau:

( ) = 10 ( )

(1.5)

n v dBm biu th mc cng sut P nh l mt t l logarithm ca P so vi 1 mW.

Mc tham chiu 1 mW c chn n gin v cc gi tr in hnh mc cng sut

pht nm trong di ny (ch m trong dBm bao hm mc tham chiu l 1 mW). Nh

vy dBm c coi l thang o decibel cho mc gi tr cng sut tuyt i v mt

PTIT

11

quy tc quan trng l 0 dBm = 1 mW. Do , cc gi tr cng sut dng theo dBm

l ln hn 1 mW v cc gi tr m theo dBm l nh hn 1 mW. Bng cho mt s v

d mc cng sut quang theo hai n v o tng ng.

Bng 1-2 Bng v d chuyn i mc cng sut gia n v tuyn tnh v dBm

1.3M hnh tng qut h thng thng tin quang

1.3.1S khi tng qut h thng thng tin quang

Hnh 1-9 cho thy s khi tng qut ca mt h thng thng tin quang.

H thng tng qut bao gm mt b pht, mt knh thng tin v mt b thu, y

c xem l ba phn t c bn v chung nht cho tt c cc h thng thng tin. Cc

h thng thng tin quang c th c phn thnh hai loi: c mi trng dn

(guided) v khng dn (unguided). Trong trng hp h thng quang c mi trng

dn, chm quang t b pht b giam hm v khng gian khi lan truyn v c thc

hin qua vic s dng si quang trong thc t.

Hnh 1-9 S khi tng qut h thng thng tin quang

Trong trng hp cc h thng thng tin quang khng mi trng dn, chm

quang t b pht tri rng trong khng gian tng t h thng v tuyn. Tuy nhin,

cc h thng ny t ph hp cho cc ng dng qung b nh h thng v tuyn v

cc chm quang ch yu tp trung theo mt hng c chiu pha trc (kt qu

PTIT

12

ca bc sng ngn ca chm quang). Vic s dng cc h thng ny i hi vic

cn chnh chnh xc gia b pht v b thu. Trong trng hp truyn dn khong

cch ln, tn hiu trong h thng khng dn c th b suy gim ng k bi tn x

trong kh quyn. Tuy nhin vn ny bin mt trong thng tin khng gian t do

trn bu kh quyn tri t (v d thng tin lin lc gia cc v tinh). Mc d h

thng thng tin quang khng gian t do c s dng trong mt s ng dng v

c nghin cu mnh m, nhng hu ht cc ng dng trn mng vin thng hin

nay u s dng h thng thng tin quang si. Do vy m ni dung bi ging ny s

ch tp trung vo h thng quang si.

1.3.2Cc thnh phn c bn ca h thng thng tin quang si

Hnh 1-9 cho thy ba thnh phn c bn trong h thng thng tin quang

si bao gm: cp si quang vai tr nh knh thng tin, b pht quang v b thu

quang.

a. Si quang nh mt knh thng tin

Vai tr ca mt knh thng tin l truyn ti tn hiu quang t b pht ti

b thu m trnh lm mo dng tn hiu. Hu ht cc h thng thng tin quang s

dng si quang nh l knh thng tin v cc si quang thy tinh c th truyn dn

nh sng vi suy hao nh ch c 0,2 dB/km. Thm ch khi cng sut quang gim ch

cn 1% sau 100 km. Do vy suy hao si quang c ngha quan trng trong vic

thit k h thng v xc nh khong cch b lp hoc b khuyeesch i ca mt h

thng thng tin quang khong cch ln. Mt vn thit k quan trng khc l tn

sc si quang gy ra s tri rng cc xung quang khi truyn dn. Nu cc xung

quang tri rng nhiu ra ngoi khe thi gian c cp pht cho chng, th tn hiu b

suy gim nghim trng v kh c th khi phc c tn hiu ban u vi chnh

xc cao. Vn ny l nghim trng nht trong trng hp cc si a mode do mc

dn xung c ~ 10 ns/km. Do vy hu ht cc h thng thng tin quang ngy nay

s dng si n mode c mc dn xung nh hn nhiu (< 0,1 ns/km). Cc vn

v si quang s c trnh by c th trong chng 2.

b. B pht quang

B pht quang c vai tr chuyn i tn hiu in thnh dng tn hiu quang

v a tn hiu quang vo si truyn dn. Hnh 1-10 cho thy s khi tng

qut ca mt b pht quang, trong bao gm mt ngun quang, mt b iu ch,

v mt b ghp ni vi si quang. Cc ngun laser bn dn (LD) hoc diode pht

PTIT

13

quang (LED) c dng nh nhng ngun quang v kh nng tng thch ca

chng vi knh si quang. Tn hiu quang c to ra bng vic iu bin sng

mang quang. C hai phng thc iu bin: iu bin trc tip v iu bin ngoi.

phng thc iu bin trc tip tn hiu in c a vo bin i dng bm

trc tip ngun quang thng qua mch kch thch m khng cn s dng b iu

bin ngoi. Phng thc iu bin trc tip mc d hiu qu v chi ph nhng b

gii hn v tnh nng khi iu bin d liu tc cao.

Hnh 1-10 S khi b pht quang

Phng thc iu ch ngoi thng hay s dng cho h thng tc cao.

y ngun quang thng s dng l laser diode pht ra nh sng lin tc, cn tn

hiu in iu bin sng mang quang thng qua b iu bin ngoi. Nh s dng b

iu bin ngoi, ngoi nh dng iu bin cng (IM) th cc nh dng iu

bin tin tin khc nh PSK, FSK hay QAM cng c th c thc hin d dng

nh trong cc h thng thng tin quang th h nm.

Trong b pht quang b ghp ni thng l mt vi thu knh hi t tn

hiu quang u ra vo trong si quang vi hiu sut ghp cao nht. Cc vn v

b pht quang s cp chi tit trong chng 3.

c. B thu quang

B thu quang thc hin chc nng chuyn i tn hiu quang thu c ti

u ra tuyn si quang thnh tn hiu in. Hnh 1-11 cho thy s khi mt b

thu quang trong bao gm mt b ghp ni, mt b tch sng quang v mt b

gii iu ch. B ghp ni tp trung tn hiu quang thu c vo b tch sng

quang. Cc diode thu quang bn dn c s dng nh l cc b tch sng quang

chuyn i tn hiu quang thnh tn hiu in. B gii iu ch ph thuc vo

cc nh dng iu bin c s dng m c cu trc mt cch c th. Cc h thng

thng tin quang si hin ti hu ht s dng phng thc iu bin cng thu

trc tip (IM/DD) th qu trnh gii iu ch c thc hin bi mch quyt nh

PTIT

14

xc n cc bit thng tin thu c l 1 hoc 0 ph thuc vo bin tn hiu in

thu c.

Hnh 1-11 S khi b thu quang

Hiu nng ca mt h thng thng tin quang s c xc nh qua t s li

bit (BER) nh l xc sut trung bnh thu sai bit. Hu ht cc h thng thng tin

quang si xc nh BER c 10-9 nh l yu cu ti thiu khi hot ng, mt s h

thng thm ch cn yu cu BER rt nh ch c 10-14. Cc vn c bn ca b thu

quang s c trnh by trong chng 4.

1.3.3c im h thng thng tin si quang

u im:

- Suy hao thp: Cc si quang c suy hao thp hn so vi cp ng do vy

cho php truyn d liu khong cch xa hn. iu ny gip gim s

lng cc b lp cn thit s dng trong cc h thng khong cch ln.

S gim v thit b v cc thnh phn s gim phc tp v gi thnh

ca h thng.

- Bng tn truyn dn rng: Cc si quang c rng bng tn truyn dn

rng nn mt dung lng ln thng tin c th c truyn qua h thng

gip lm gim s ng truyn vt l cn thit.

- Kch thc nh v trng lng nh: Trng lng nh v kch thc nh

ca si quang cho php d dng trin khai lp t trn cc h thng cp

khc nhau. c im ny cng cho thy h thng quang si cng trin

khai d dng trong cc h thng qun s, hng khng, v tinh v tu

thuyn.

- Khng b can nhiu in t: Do si quang c lm t vt liu in mi

khng dn in, nn si quang khng b nh hng bi cc hiu ng giao

thoa in t cng nh khng b nh hng bi nhiu in c th ghp cp

vi ng truyn.

PTIT

15

- an ton c tng cng: Cc si quang cho mc an ton cao khi

vn hnh v chng khng c cc vn v u t, nh tia la in v

in th cao nh trong h thng cp ng.

- Bo mt thng tin cao: Si quang cho php mt mc bo mt thng

tin cao v tn hiu quang b giam hm tt bn trong si quang khi truyn

m khng bc x ra ngoi gy r r thng tin.

Nhc im:

- Cc h thng thng tin quang si c chi ph lp t ban u ln do vy

m chng thng trin khai trn cc mng khong cch ln v dung

lng cao m bo hiu qu v chi ph u t.

- Do si quang c kch thc nh v lm t vt liu in mi trong sut

nh thy tinh nn vic hn ni tr nn kh khn hn v i hi phi c

k nng m bo cht lng mi hn.

- Si quang d b tc ng bi ng sut cng, un cong nn i hi cn

phi ch cn thn trong khi trin khai s dng.

Tuy c mt s nhc im nhng nhng li ch rt ln m h thng thng

tin quang si em li to c s cho vic trin khai ng dng rng ri trong nhiu

lnh vc khc nhau. i vi lnh vc vin thng, h thng thng tin quang si tr

thnh nn tng c bn ca cu trc h tng mng truyn ti mi cp t mng quc

t lin lc a, mng quc gia cho n mng truy nhp. Nhng thnh tu t c

v s pht trin nhanh chng ca mng Internet ngy nay c c cng nh vo s

thnh cng c c ca cng ngh thng tin quang si.

1.4 Cc tiu chuncho h thng thng tin quang

cho php cc thnh phn v thit b t cc nh cung cp khc nhau c th

giao tip vi nhau, rt nhiu cc tiu chun quc t v vin thng ni chung v

thng tin quang ni ring c pht trin. C ba loi c bn cho h thng quang

si bao gm cc tiu chun s cp, cc tiu chun kim nh cc thnh phn thit b

v cc tiu chun h thng.

Cc tiu chun s cp lin quan n vic o v m t cc tham s vt l c

bn nh suy hao, rng bng tn v cc c tnh hot ng ca si quang, cc

mc cng sut quang v rng ph. M t chc chnh lin quan n cc tiu

chun s cp l Vin tiu chun v cng ngh quc gia (NIST). T chc ny thc

PTIT

16

hin cc cng vic tiu chun ha laser v si quang, v n cng ti tr hi tho

hng nm v o kim quang si. Mt s t chc quc gia khc nh Phng th

nghim vt l quc gia (NPL) Anh v PTB (Physikalisch-Technische

Bundesanstalt) c cng c chc nng tng t.

Cc tiu chun kim nh thnh phn nh ngha cc php o th hiu nng

thnh phn quang si v chng thit lp cc th tc hiu chnh thit b. Mt s cc

t chc khc nhau lin quan n vic hnh thnh cc tiu chun kim nh ny nh

Hip hi cng nghip vin thng (TIA) kt hp vi Lin minh cc nh cng nghip

in t (EIA), Ban vin thng ca ITU (ITU-T) v y ban k thut in quc t

(IEC). TIA c mt danh sch trn 120 tiu chun v tham s k thut o kim

quang si c k hiu TIA/EIA-455-XX-YY, trong XX lin quan n mt k

thut o c th v YY lin quan n nm pht hnh. Cc tiu chun ny cng c

gi l Cc th tc o kim nh quang si (FOTP), do TIA/EIA-455-XX tr

thnh FOTP-XX. Cc tiu chun ny bao gm mt lot cc phng php c

khuyn ngh cho vic o kim nh phn ng ca si quang, cp, linh kin th ng

v cc thnh phn quang in i vi cc yu t mi trng v cc iu kin hot

ng. V d, TIA/EIA-455-60-1997 hoc FOTP-60 l mt phng php c ban

hnh nm 1997 v o di ca cp si quang.

Cc tiu chun h thng lin quan n cc phng php o kim tuyn v

mng truyn dn. Cc t chc chnh l Vin tiu chun quc gia M (ANSI), T

chc cho cc k s in v in t (IEEE), ITU-T v Telcordia Technologies. C

th cho h thng quang si l cc tiu chun o kim v cc khuyn ngh t ITU-T.

Trong lot khuyn ngh G (trong di s G.650 v cao hn) lin quan n cp si

quang, b khuyeechs i quang, ghp knh bc sng, mng truyn ti quang

(OTN), tnh kh dng v tin cy h thng, qun l v iu khin cc mng quang

th ng (PON). Lot khuyn ngh L ca ITU-T gii quyt vic xy dng, lp t,

h tr bo dng, gim st v o kim cp v cc phn t khc trong h thng si

quang c trin khai ngoi thc a.

PTIT

Chng 2 Si quang

2.1Cu to v phn lo

2.1.1Cu to si quang

Si quang l mt ng d

c bn ca mt si quang c d

c chit sut n1 v lp v

hnh 2-1. Do nh sng truy

nn chit sut lp v phi nh

nguyn l, mt lp v l khng c

n c s dng cho mt s

ti b mt li, ci thin c tnh d

Hnh 2

Bn cnh hai lp c b

c bc thm mt hoc m

cao. Vic bc thm lp bc

quang v gim cc khuyt

trong mi trng thc t.

2.1.2Phn loi si quang

C nhiu kiu si quang khc nhau v c

quang. Nhn chung cc si quang c th

sau:

- Da vo vt liu ch

quang

phn loi si quang

i quang

ng dn sng in mi hot ng ti tn s quang. C

i quang c dng hnh tr trn bao gm hai lp chnh l l

si bao bc quanh li c chit sut n2 nh m t

n trong si quang da trn nguyn l phn x

i nh hn chit sut lp li (n2 < n1). M

l khng cn thit cho vic truyn nh sng trong

mc ch nh gim suy hao tn x cng nh

c tnh dn sng ca si quang.

Hnh 2-1 Cu trc c bn ca si quang

p c bn li v v si, si quang s dng trong th

c mt vi lp bc m bng vt liu polyme c tnh n h

c m ny cng nhm mc ch gia cng thm cho s

tt trn b mt si quang, m bo kh nng s

i quang

i quang khc nhau v cng c nhiu cch phn lo

i quang c th c phn loi da trn cc y

u ch to

17

quang. Cu to

p chnh l lp li si

t n2 nh m t trong

n x ton phn

c d v mt

n nh sng trong si nhng

ng nh c hp th

ng trong thc t cn

u polyme c tnh n hi

ng thm cho si

nng s dng

u cch phn loi si

a trn cc yu t c bn

PTIT

18

- Da vo s lng mode truyn dn

- Da vo mt ct chit sut

Da vo vt liu ch to,cc loi si quang thng c ch to t hai loi

vt liu trong sut l thy tinh v nha. Cc si quang s dng trong vin thng u

c ch to t thy tinh cho c phn li v v. Cc si quang nha thng c kch

thc ln v suy hao cao hn nhiu so vi si thy tinh, nhng c bn c hc tt

hn. Mt s loi si cng c th c ch to c li lm bng thy tinh, cn lp v

lm bng nha. Do da trn hai loi vt liu khc nhau nn ca s truyn dn c

suy hao thp ca mi loi khng ging nhau.

Hnh 2-2 Mt ct ngang v mt ct chit sut ca si chit sut bc v si chit sut bin i

Da vo s bin i chit sut trong li hay dng mt ct chit sut, si

quang c th c phn thnh hai loi chnh: si chit sut bc (SI step index) v

si chit sut bin i (GI graded index) nh m t trong hnh 2-2. Trong si chit

sut bc, chit sut trong li si l mt hng s hay khng thay i trn ton b mt

ct li si. Nh vy chit sut ch thay i ti tip gip gia li v v to ra s thay

i dng bc. Cn i vi si chit sut bin i, chit sut trong li bin i theo

khong cch t tm si ra ngoi bin tip gip vi xu hng chit sut ti tm li l

ln nht v gim dn v pha bin gia li v v.

PTIT

Da theo s lng mode truy

a mode h tr nhiu mode truy

mt mode truyn c bn. Khi ni

sau.

Do si quang s dng trong vi

hai yu t mt ct chit su

loi si chnh: si a mode chi

n mode. Hnh 2-3 cho th

tnh truyn dn ca ba loi s

Hnh 2-3So snh cu trc cc lo

Ngoi cc cch phn lo

c phn loi theo nhiu cch

si. Nu da vo c tnh truy

tn sc (DSF) c c tnh tn s

dng b nh hng ca tn s

phn cc ca tn hiu khi lan truy

dng trong cc ng dng x

c cc loi si tinh th photonic (PCF) hay cn g

vng li trong vi trng h

cu trc trong mt PCF s xc

ng mode truyn, cc si quang c hai loi c b

u mode truyn trong si v si n mode ch h

Khi nim mode truyn s c cp n trong ph

ng trong vin thng u l cc si thy tinh nn d

t v s lng mode, cc si quang c phn thnh ba

i a mode chit sut bc, si a mode chit sut bi

y c im cu trc ca ba loi si quang ny. Cc

i si s c cp chi tit trong nhng phn sau.

u trc cc loi si quang c bn s dng trong vin thng

Ngoi cc cch phn loi c bn si quang trn, si quang c

u cch khc ty theo mc ch s dng hay tnh nng c

truyn dn cc si quang c th c thm cc lo

c tnh tn sc thay i so vi si chun, si b tn s

a tn sc, si duy tr phn cc cho php duy tr tr

u khi lan truyn, si phi tuyn (HNLF) c h s phi tuy

ng x l tn hiu quang. Da vo cu trc c bi

photonic (PCF) hay cn gi l si vi cu trc c l

p cha cc l khng kh chy dc theo si. S

xc nh c tnh dn nh sng ca si.

19

i c bn l: si

tr duy nht

n trong phn

y tinh nn da trn

c phn thnh ba

n i v si

i quang ny. Cc c

n sau.

n thng

i quang cng c th

ng hay tnh nng ca

c thm cc loi si dch

i b tn sc (DCF) s

c cho php duy tr trng thi

phi tuyn cao

c bit hin nay

u trc c lp v v c

i. S sp xp

PTIT

20

2.2Truyn sng nh sng trong si quang

2.2.1M t theo quang hnh hc

Qu trnh dn nh sng trong si quang c th c hiu mt cch n gin

qua l thuyt quang hnh. Mc d l thuyt ny ch l mt s m t gn ng cho

qu trnh dn sng nh sng nhng c th s dng i vi si c bn knh li a ln

hn nhiu so vi bc sng nh sng l. Do vy l thuyt ny thng ch ng i

vi si quang a mode.

a. Si chit sut bc (SI)

Trong si chit sut bc, c ch truyn dn nh sng c th c m t c

bn bi bi l thuyt tia nh trong hnh 2-4. Tia sng i vo trong li si t mi

trng ngoi c chit sut n0 ti mt gc qi so vi trc si. Do chit sut mi

trng ngoi thng nh hn chit sut li si nn tia sng b khc x v pha trc

si vi gc khc x qr c xc nh qua nh lut Snell:

(2.1)

Tia sng sau ti b mt tip gip gia li v v vi mt gc ti f. Nu gc ti

nh hn mt gc ti hn fc th tia sng s b khc x ra ngoi v, cn nu ln hn

gc ti hn th tia sng s phn x ton phn trong li si v lan truyn trong si

quang. Gc ti hn cng c xc nh qua nh lut Snell:

(2.2)

Nh vy ch c nhng tia sng i vo si c gc f>fc mi b giam hm trong si

thng qua phn x ton phn. T hai phng trnh (2.1) v (2.2), gc ln nht ca

tia sng i vo v b giam hm trong si c xc nh bi:

(2.3)

y q = 2 f c s dng. Phng trnh (2.3) cng nh ngha khu s

(Numerical apature - NA) ca si chit sut bc:

(2.4)

y D l lch chit sut tng i gia li v v. V khu s lin quan n

gc vo si quang ln nht ca tia sng nn n c trng cho kh nng tip nhn

nh sng ca si quang v nh hng n hiu sut ghp cp cng sut quang ca

si.

PTIT

Hnh 2-4M t quang hnh c

ng trn quan im l thuy

loi tia sng lan truyn trong s

a mode chit sut bc s lan truy

truyn trn nhiu tia sng v

si chit sut bc l khng thay

x ton phn ti b mt gia li v v

zig-zac. Cc tia lan truyn t

gy ra tn sc mode lm mo d

C 2 loi tia sng lan truy

xin. Cc tia kinh tuyn l cc tia

Mt tia kinh tuyn xc nh ch

mt phng n.

Cc tia xin khng b

ng i dng xoy c dc theo s

tr c tia xin, nhng cc tia ny th

cong hay khuyt tt v chng c

tuyn.

Hnh 2-5 M t hnh h

b. Si chit sut bi

quang hnh c ch lan truyn nh sng trong si SI

m l thuyt tia, mode si quang c th xem nh l m

n trong si ti mt gc xc nh. Nh vy nh sng i vo s

lan truyn trn nhiu mode hay ni cch khc n s

u tia sng vi cc gc lan truyn khc nhau. Do chit su

c l khng thay i nn cc tia sng i thng trong li v ch

a li v v to ra qu o ca cc tia sng c d

n ti cc gc khc nhau s c qung ng i khc nhau

lm mo dng xung quang khi lan truyn.

i tia sng lan truyn trong si quang: tia kinh tuyn (tia th

n l cc tia b giam hm trong mt phng i qua tr

nh ch phn x ton phn dc theo si quang trong m

Cc tia xin khng b giam hm trong mt mt phng n i qua tm m c

c theo si quang nh m t trong hnh 2-5. M

tia xin, nhng cc tia ny thng d b tn x khi si nhng ch

t v chng cng tri qua s suy hao ln hn so vi cc tia kinh

hnh hc s lan truyn ca tia xintrong si quang

t bin i

21

i SI

xem nh l mt

nh sng i vo si

u mode hay ni cch khc n s lan

t sut li trong

i v ch phn

a cc tia sng c dng ng

ng i khc nhau

n (tia thng) v tia

ng i qua trc tm si.

i quang trong mt

ng n i qua tm m c

. Mc d si h

ng ch b un

i cc tia kinh

i quang

PTIT

22

Si chit sut bin i c chit sut li gim dn theo khong cch t tm

si. Mt cch tng qut, mt ct chit sut ca si c m t bi:

D

D

ar )1(

a r ; )/(1)(

21

1

nn

arnrn

a

(2.5)

trong a l h s mt ct chit sut xc nh dng bin i ca mt ct chit sut

trong li si, a l bn knh li si, r l khong cch xuyn tm. Hu ht cc si chit

sut bin i c dng mt ct parabol hay a = 2.

Do chit sut bin i bn trong li nn khu s ca si chit sut bin

i cng l mt hm ca v tr trn mt ct li si. Khu s ti v tr r xc nh

bi:

(2.6)

trong NA(0) l khu s ti tm si

(2.7)

Nh vy khu s ca si GI gim dn t NA(0) xung n 0 khi r dch t trc

si ti bin gia li v v.

S bin i chit sut ca li cng lm cho tia sng trong li si khng

truyn thng m b un cong i. Qu o ca tia c th c m t gn ng bi

phng trnh:

dr

dn

ndz

rd 12

2

(2.8)

trong r l khong cch ca tia so vi trc. i vi trng hp a = 2, nghim ca

phng trnh (2.8) c dng:

= cos() + ( )sin () (2.9)

trong p = (2D/a2)1/2 v r0 v r0 l v tr v hng ca tia i vo si tng ng.

Nh vy trong si GI qu o cc tia sng c dng ng cong hnh sin nh m t

hnh 2-6. Phng trnh (2.9) cng cho thy cc tia s phc hi v tr v hng ban

u ca chng ti khong cch z = 2m/p, trong m la mt s nguyn. Do vy v

mt nguyn tc, si mt ct parabol s khng biu th tn sc mode. Trong thc t,

si chit sut bin i vn c tn sc mode nhng nh hn nhiu so vi si chit

sut bc.

PTIT

23

Cng nh si SI, c hai loi tia gm tia kinh tuyn v tia xon c h tr

lan truyn trong si.Cc tia xon s khng i qua trc si v cng b un cong khi

lan truyn to thnh cc vng xon chiu trn mt ct li si.

Hnh 2-6Qu o ca tia sng trong si GI

2.2.2L thuyt truyn sng

hiu c bn cht mode truyn nh sng v cc c tnh truyn dn

khctrong si quang, c bit trong si n mode, l thuyt truyn sng s dng h

phng trnh Maxwell cn c s dng.

a. H phng trnh Maxwell

Cng nh tt c cc hin tng sng in t, qu trnh lan truyn ca trng

quang trong si c m t bi h phng trnh Maxwell. Trong mt mi trng

in mi khng c in tch t do, h phng trnh ny c dng:

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

trong E v H l cc vec t cng in trng v t trng tng ng, D v B

l cc vec t cm ng in v t tng ng. Cc vec t cm ng lin h vi cc vec

t cng trng qua cc h thc sau:

(2.14)

(2.15)

y e0 l hng s in mi chn khng, 0 l hng s t mi hay t thm chn

khng, P v M l cc vec t phn cc in v t tng ng. i vi si quang M =

0 cn vec t phn cc in P trong iu kin tuyn tnh lin h vi E qua:

PTIT

24

(2.16)

H s cm ng in c nhn chung l mt tensor hng hai, nhng trong mi trng

ng hng nh thy tinh ch to si n rt gn thnh i lng v hng.

Cc phng trnh (2.1)-(2.7) cung cp mt h thc tng qut cho vic nghin

cu qu trnh truyn sng trong si quang. thun tin cc bin i ch s dng

i lng in trng E v i lng H cng c cc bin i tng t. Bng vic

ly curl ptr. (2.10) v s dng cc ptr. (2.11), (2.14) v (2.15), phng trnh sng

tiu chun thu c:

(2.17)

trong tc nh sng trong chn khng c nh ngha bi c = (0e0)-1/2. Ly

khai trin Fourier E(r,t) qua h thc:

(2.18)

cng nh tng t i vi P(r,t) v s dng ptr. (2.16), ptr. (2.17) c th c vit

trong min tn s nh sau:

(2.19)

trong hng s in mi ph thuc tn s c nh ngha nh sau:

(2.20)

c(,) l khai trin Fourier ca c(r,t). Mt cch tng qut, e(r,) l phc. Cc

thnh phn thc v o ca n lin h vi chit sut n v h s hp th a qua biu

thc:

(2.21)

S dng cc ptr. (2.20) v (2.21), n v a lin h vi c nh sau:

(2.22)

(2.23)

trong Re v Im k hiu cho phn thc v o tng ng. C hai i lng n v a

u ph thuc tn s. S ph thuc tn s ca n lin quan n hiu ng tn sc vt

liu trong si quang.

PTIT

25

Trc khi gii phng trnh (2.19), mt s gn ng c thc hin n

gin ha phng trnh. Trc ht, e c th c ly phn thc v thay th bng n2

v suy hao nh trong si quang thy tinh. Th hai, v n(r,) c lp vi ta

khng gian r c li v v trong si SI, ta c th s dng ng thc:

(2.24)

y ptr. (2.12) v h thc = ec s dng t . = 0. Ptr. (2.24) c th

vn ng cho cc si GI khi s bin i chit sut xy ra c di di hn bc

sng. Bng cch s dng (2.24) vo (2.19), ta thu c:

(2.25)

trong h s sng khng gian t do k0 c nh ngha nh sau:

(2.26)

v l l bc sng ca trng quang trong chn khng dao ng ti tn s . Mt

phng trnh sng cho i lng vec t cng t trng H cng thu c theo

cch tng t.Cc phng trnh sng ny cn c gii thu c cc mode trong

si quang.

b. Cc mode si quang

Mt mode quang c xem l mt nghim ca phng trnh sng tha mn

cc iu kin bin ph hp v c thuc tnh dng phn b nng lng trong khng

gian khng thay i khi lan truyn. Cc mode si quang c th c phn loi thnh

cc mode dn, cc mode d v cc mode bc x. Cc mode d ch b giam hm mt

phn trong li v d b suy hao do bc x cng sut khi li khi lan truyn, cn cc

mode bc x khng b giam hm trong li m b bc x ra ngoi v. Do vy cc

mode dn l cc mode c mong i truyn dn nh sng trong si quang.

xc nh cc mode trong si quang, xt trng hp si SI trong h ta

tr nh cho trong hnh 2-7. Vec t cng in trng v t trng trong h ta

tr l:

(2.27)

PTIT

26

Hnh 2-7H ta tr trong phn tch l thuyt truyn sng trong si SI

Phng trnh sng (2.25) trong h ta tr tr thnh:

(2.28)

trong ton t Laplace c dng:

(2.29)

Phng trnh tng t cng thu c i vi H. V ch c hai thnh Ez v Hz l c

lp, cc thnh phn khc Er, Ef, Hr v Hf c th thu c t cc thnh phn ny. Do

vy, phng trnh sng cho thnh phn z thu c t (2.28):

(2.30)

vi chit sut c dng:

ar ;

a r ; )(

2

1

n

nrn (2.31)

Phng trnh (2.30) d dng gii c bng cch s dng phng php tch bin v

vit Ez thnh:

(2.32)

Thay (2.32) vo (2.30) ta s thu c ba phng trnh vi phn thng:

(2.33)

(2.34)

PTIT

27

(2.35)

Phng trnh (2.33) c nghim = (), trong gi l hng s lan

truyn. Tng t, ptr. (2.34) c nghim F = (f) vi m l cc s nguyn v

trng bin i tun hon theo f vi chu k 2.

Phng trnh (2.35) l phng trnh vi phn tha mn bi cc hm Bessel.

Nghim tng qut trong cc vng li v v si c th c vit thnh:

(2.36)

trong A, A, C v C l cc hng s v Jm, Ym, Km v Im l cc loi hm Bessel

khc nhau. Cc tham s p v q c nh ngha nh sau:

(2.37)

(2.38)

p dng iu kin bin i vi trng quang ca mt mode dn trong trng s

hu hn ti r = 0 v suy gim v khng ti r = . V Ym(pr) c im k d ti r = 0,

nn F(0) c th duy tr hu hn ch nu A = 0. Tng t, F(r) trit tiu ti v cng

ch nu C = 0. Do vy, nghim tng qut ca ptr. (2.30) c dng:

ar z))exp(i(qr)exp(imCK

ar z))exp(i(pr)exp(imAJ

m

m

f

fzE (2.39)

Tng t, thnh phn Hz c th thu c vi cc hng s B v D c dng:

ar z))exp(i(qr)exp(imDK

ar z))exp(i(pr)exp(imBJ

m

m

f

fzH (2.40)

Bn thnh phn khc Er, Ef, Hr v Hf c th thu c t Ez v Hz bng cch s

dng cc phng trnh Maxwell. i vi vng li si ta c:

(2.41)

(2.42)

PTIT

28

(2.43)

(2.44)

Cc phng trnh ny c th c s dng trong lp v si sau khi thay p2 bng

q2.

Cc phng trnh (2.39)-(2.44) biu th trng in t trong vng li v v

si quang theo bn hng s A, B, C v D. Cc hng s ny c xc nh bng cch

p dng iu kin bin m cc thnh phn trng phi lin tc qua tip gip gia li

v v. T iu kin lin tc ca Ez, Hz, Ef v Hf ti r = a ta thu c bn phng

trnh ng nht tha mn bi A, B, C,v D. Mt nghim ca cc phng trnh ny

ch tn ti ch khi nh thc ca ma trn h s bng 0. Sau mt s bc bin i i

s ta thu c phng trnh tr ring:

(2.45)

i vi mt tp tham s k0, a, n1 v n2 xc nh, ptr. (2.45) c th c gii xc

nh hng s lan truyn . Do c tnh bin i tun hon ca hm Bessel loi J nn

n c th c n nghim i vi mi gi tr m. Cc nghim ny c k hiu mn cho

mt gi tr m xc nh (n = 1, 2, ). Mi gi tr mn tng ng vi mt mode lan

truyn c th ca trng quang m dng phn b khng gian thu c t cc ptr.

(2.39)-(2.44). V phn b trng khng thay i khi lan truyn ngoi tr mt h s

pha v tha mn tt c cc iu kin bin nn chnh l mt mode ca si quang.

Nhn chung c hai Ez v Hz u khc khng (ngoi tr m = 0), khc vi cc ng dn

sng phng. Do cc mode si quang thng l cc mode lai ghp v k hiu

HEmn hoc EHmn ph thuc vo Hz hay Ez chim u th. Trong trng hp c bit

m = 0, cc mode thng c k hiu TE0n v TM0n v tng ng vi cc mode

truyn in ngang (Ez = 0) v t ngang (Hz = 0) tng ng. Khi m 0 phng trnh

(2.45) cn s dng phng php s hoc gn ng dn sng yu (n1 n2

PTIT

29

> 2. Mt mode dng c dn hay khng cn lin kt vi li si khi

2.iu ny d hiu khi lu trng quang ca cc mode dn suy gim hm m

trong lp v v:

(2.46)

Khi t (2.38) ta c 0 v suy gim hm m khng xy ra. Mode t n

trng thi ct khi q 0 hoc khi = . Mt tham s quan trng lin quan n

iu kin ct l tn s chun ha hay cng gi l tham s V:

2

2

22

21

2

2222 2)(2

)( NAa

nna

aqpV

l

l

(2.47)

y l mt s c trng cho si quang, khng n v v xc nh s lng mode m

mt si c th h tr. S lng mode c th tn ti trong si quang nh l mt hm

ca V c th c biu din thun tin theo hng s lan truyn chun ha b nh sau:

(2.48)

Hnh 2-8 cho thy th ca b nh mt hm ca V i vi mt s mode bc thp.

Mi mode dn ch c th tn ti khi V ln hn mt gi tr xc nh c gi l V

ct (Vc) ca mode. V gi tr V l hm ca bc sng l nn tng ng vi Vc s c

bc sng ct (lc) tng ng trong mt si quang xc nh.

Hnh 2-8 th hng s lan truyn chun ha b ph thuc vo tham s V ca mt s mode si quang bc thp.

Mt si c gi tr V ln s h tr nhiu mode nh trong si a mode. i vi

si MM-SI, s lng mode truyn c xc nh:

PTIT

30

(2.49)

Cn i vi si MM-GI vi h s mt ct chit sut a, s lng mode truyn c

tnh gn ng:

(2.50)

Si MM-GI thng s dng mt ct chit sut parabol (a = 2), trong trng hp

ny s lng mode M = V2/4 hay bng mt na so vi si MM-SI c cng V.

c. Mode phn cc tuyn tnh

Trong trng hp gn ng si quang dn sng yu tc l khi lch chit

sut gia li v v l rt nh (D

31

Bng 2-1cho thy mi mode LP bc thp nht v cc mode suy bin tng ng.

Hnh 2-9 th b l hm ca tham s V ca mt s mode phn cc tuyn tnh LP bc thp

Bng 2-1 Bng thnh phn ca cc mode phn cc tuyn tnh bc thp nht

Mt im ni bt ca k hiu mode LP l kh nng hin th mode d dng.

Vec t cng in trng E c th c chn nm dc theo mt trc bt k, vi

vec t t trng H vung gc vi n. T mt k hiu mode LPjn th bn mu phn

b mode ri rc c th thu c. Hnh 2-10cho thy mt v d v bn chiu in v

t trng c th v phn b cng trng tng ng i vi mode LP11. Mt s

dng mt ct phn b cng ca mt s mode LP bc thp c cho trong hnh

2-11 v hnh 2-12 cho thy dng phn b cng trng 3D ca hai mode LP bc

thp nht.

PTIT

32

Hnh 2-10 Bn kh nng nh hng in trng v t trng ngang v cc phn b cng trng tng ng i vi mode LP11.

i vi mt mode xc nh, trng in t khng suy gim v khng ti tip

gip li v v si m thay i t dng dao ng trong li si sang dng suy gim

hm m trong v si. Nh vy, nng lng in t ca mt mode dn c mang

mt phn trong li v mt phn ngoi v si. Mt mode cng cch xa khi trng

thi ct ca n th nng lng ca mode cng tp trung nhiu trong li. Khi tin

n gn trng thi ct, nng lng trng mode cng i nhiu sang lp v. Da vo

gn ng mode dn sng yu, t l tng i cng sut li v cng sut v si i

vi mt mode j c th c xc nh bi:

)()(

)(1

2

21

11

2

paJpaJ

paJ

V

p

P

P

jj

jcore (2.53)

v P

P

P

P coreclad 1 (2.54)

y P l cng sut tng ca mode j. Quan h gia t phn cng sut Pcore/P v

Pclad/P i vi cc mode LPjn khc nhau c cho trong hnh 2-13. Nu gi s mi

mode c kch thch mt lng cng sut nh nhau, th tng cng sut lp v

trung bnh gn ng bi:

2/1

3

4

M

P

P

total

clad (2.55)

trong M l tng s mode vo trong si. T hnh 2-13 v ptr. (2.55) c th thy

rng, v M t l vi V2 nn t phn cng sut trong v gim dn khi V tng.

PTIT

33

Hnh 2-11 Dng mt ct phn b cng trng ca mt s mode LPlm trong si quang SI

Hnh 2-12 Hnh nh 3 chiu phn b cng trng ca 2 mode bc thp nht LP01 v LP11

Hnh 2-13 T phn cng sut trong lp v ca si quang SI nh l mt hm ca V.

PTIT

34

d. Si n mode

Cc si n mode ch h tr mode HE11 hay cn gi l mode c bn ca si

quang. Si quang n mode c thit k tt c cc mode bc cao hn khc u

b ct ti bc sng hot ng. Tham s V xc nh s lng mode c h tr

trong mt si quang. Mode c bn khng b ct v lun c h tr bi si quang.

iu kin n mode c xc nh bi gi tr V ti cc mode TE01 v TM01 t

n trng thi ct (xem hnh 2-8). iu kin ct ca hai mode ny c xc nh

n gin bi J0(V) = 0. Gi tr nh nht ca Vc J0(Vc) = 0 l 2,405. Do vy iu

kin n mode ca si quang s l:

(2.56)

Ch s mode ti bc sng hot ng c th thu c t ptr. (2.48) theo

ta c:

(2.57)

v bng s dng hnh 2-8 xc nh b nh l hm ca V i vi mode HE11. Mt

biu thc gii tch gn ng ca b cho mode c bn c c:

(2.58)

c chnh xc trong khong 0,2% i vi V trong di 1,5 2,5.

Phn b trng ca mode c bn thu c bng vic s dng cc ptr. (2.39)-

(2.44). Cc thnh phn trc Ez v Hz l rt nh khi D

35

Hnh 2-14 Phn b trng quang ca mode c bn trong si n mode

Phn b trng trong (2.59) thng c tnh gn ng theo phn b Gauss:

(2.60)

trong w l bn knh trng mode c xc nh bng cch fit phn b chnh xc

theo hm Gauss. Hnh 2-14m t s phn b trng v khi nim ng knh

trng mode (2w). S ph thuc w/a vo tham s V c cho thy trong hnh 2-15.

Bn knh trng mode cng c th c xc nh t gn ng gii tch c chnh

xc khong 1% i vi 1,2 < V < 2,4 nh sau:

(2.61)

Din tch hiu dng c nh ngha nh l mt tham s quan trng ca

si quang v n xc nh nh sng b giam hm trong li cht mc no v lin

quan n hiu ng phi tuyn trong si.

Hnh 2-15Bn knh trng mode chun ha w/a nh l mt hm ca tham s V thu c bng fit mode c bn vi hm phn b Gauss.

T phn cng sut cha trong li si c th c xc nh bi h s giam

hm:

PTIT

36

(2.62)

Cc phng trnh (2.61) v (2.62) c th xc nh t phn cng sut ca mode bn

trong li cho mt gi tr V xc nh. Mc d gn 75% cng sut bn trong li i

vi V = 2, n s gim ch cn 20% i vi V = 1. Do vy cc si quang n mode

trong vin thng thng c thit k hot ng trong phm vi 2 < V < 2,4.

2.3Suy hao trong si quang

Suy hao l mt trong nhng c tnh quan trng ca si quang nh hng

n thit k h thng thng tin quang v n xc nh khong cch truyn dn ti a

gia b pht quang v b thu quang hoc b khuyeechs i quang trn ng

truyn.

2.3.1H s suy hao si quang

Khi nh sng lan truyn trong si quang, cng sut s gim dn dng hm

m theo khong cch. Nu P(0) l cng sut quang i vo trong si (ti z = 0) th

cng sut P(z) ti khong cch z s gim xung bi:

(2.63)

trong :

(2.64)

l h s suy hao ca si quang c n v l m-1 hoc km-1. (Ch n v cho 2zap

cng c th c gi l neper).

n gin trong tnh ton suy hao tn hiu trong si quang, h s suy hao

thng s dng n v dB/km v c xc nh bi:

(2.65)

Tham s ny c xem nh l tham s c trng cho suy hao si quang v ph

thuc vo bc sng. Khi cng sut quang s dng n v dBm th h s suy hao c

th c xc nh bi:

PTIT

37

(2.66)

2.3.2Nguyn nhn gy suy hao

C nhiu nguyn nhn gy suy hao tn hiu trong si quang, trong bao

gm cc nguyn nhn chnh nh suy hao do hp th, suy hao do tn x v suy hao

do un cong.

a. Qu trnh hp th

Qu trnh hp th trong si quang c phn thnh hai loi chnh. Suy hao

do hp th thun tng ng vi s hp th ca thy tinh tinh khit (vt liu ch to

si), cn suy hao do hp th ngoi gy ra do cc tp cht bn trong thy tinh.

Hnh 2-16 Ph suy hao ca si quang v s ph thuc bc sng ca mt s c ch suy hao c bn.

Bt k vt liu no u hp th ti cc bc sng xc nh tng ng vi cc

tn s cng hng in t v dao ng lin quan n cc phn t xc nh. i vi

cc phn t thy tinh SiO2, cc tn s cng hng in t xy ra vng cc tm

(l< 0,4 m), trong khi cc tn s cng hng dao ng xy ra vng hng ngoi

(l> 7 m). V bn cht v nh hnh ca thy tinh, cc tn s cng hng ny

PTIT

38

dng cc di hp th c cc ui m rng vo c vng nhn thy. Hnh 2-16 cho

thy hp th vt liu thun i vi thy tinh trong phm vi bc sng 0,8 1,6 m

l nh hn 0,1 dB/km. Thc t n nh hn 0,03 dB/km trong ca s 1,3 1,6 m

m hay s dng trong cc h thng thng tin quang si.

Hp th ngoi sinh ra do s c mt cc tp cht trong nn thy tinh. Cc tp

kim loi chuyn tip nh Fe, Cu, Co, Ni, Mn v Cr hp th mnh trong di bc

sng 0,6 1,6 m. Lng tp cht cn c gim ti mc nh hn 1 phn t (ppb)

c c mc suy hao nh hn 1 dB/km. Thy tinh c tinh khit cao nh vy

c th thc hin c bi cc k thut ch to hin i. Ngun hp th ngoi chnh

trong cc si thy tinh hin nay l s c mt ca hi nc. Mt tn s cng hng

ca ion OH xy ra gn 2,73 m, nhng cc tn s hi v cc t hp ca n vi thy

tinh to ra s hp th ti cc bc sng 1,39-, 1,24- v 0,95-m. Ba nh ph c

thy trong hnh 2-16 xy ra gn cc bc sng ny v l v s c mt ca hi

nc d trong thy tinh. Thm ch mt nng c 1 phn triu (ppm) c th gy ra

mt suy hao khong 50 dB/km ti 1,39 m. Cc si quang hin i u gim nng

OH d xung di 1 ppb h thp nh 1,39 m xung di 1 dB. Trong mt

loi si quang mi c gi l si kh, nng OH c gim xung ti mc rt

thp n mc nh 1,39 m gn nh trit tiu nh cho thy trong hnh 2-17.

Hnh 2-17 Ph suy hao v c tnh tn sc ca si kh.

b. Qu trnh tn x

Tn x Rayleigh l mt c ch suy hao c bn sinh ra t s thng ging v

mt mc vi m. Do thy tinh ch to si dng v nh hnh nn cc phn t

SiO2 kt ni vi nhau theo dng ngu nhin, kt qu dn n c s thng ging v

PTIT

39

mt . Thm na cn c s thng ging v thnh phn trong thy tinh do c s pha

tp thay i chit sut thy tinh. Nhng thng ging ny u dn n s bin i

ngu nhin v chit sut c nh hn bc sng. Cc bin i chit sut ny gy ra

tn x nh sng gi l tn x Rayleigh. Nh m t trong hnh 2-18 khi b tn x mt

phn nng lng nh sng b thay i hng lan truyn thm ch l ngc vi

hng truyn ban u nn gy suy hao. Mc suy hao do tn x Rayleigh ca cc si

thy tinh ph thuc vo bc sng c th m t nh sau

(2.67)

trong hng s C nm trong di 0,7 0,9 (dB/km)-m4 ph thuc vo thnh phn

ca li si. Cc gi tr C ny tng ng vi a = 0,12 0,16 dB/km ti l = 1,55

m ch ra rng suy hao si quang trong hnh 2-16 chim ch yu bi tn x

Rayleigh gn bc sng ny.

Hnh 2-18M t qu trnh tn x Rayleigh trong si quang

Do ph thuc vo l nn ng gp tn x Rayleigh c th gim xung thp

hn 0,01 dB/km cho cc bc sng di hn 3 m. Tuy nhin cc si thy tinh

khng th s dng trong vng bc sng ny v hp th hng ngoi bt u chim

u th trong suy hao si sau 1,6 m. C nhng n lc ng k trong vic tm kim

cc vt liu ph hp khc c mc hp th nh sau 2 m. Cc si fluorozirconate

(ZrF4) c hp th vt liu thun c khong 0,01 dB/km gn 2,55 m nhng vn c

mc suy hao thc t khong 1 dB/km do hp th ngoi.

Ngoi tn x Rayleigh, trong si quang cn c th c tn x Mie do nhng

khuyt tt v cu trc dn n s khng ng u v chit sut c di hn bc

sng. Tuy nhin mc ng gp do tn x Mie nh khng ng k khi qu trnh ch

to si c gim st v iu khin cht ch. Cc bin i c th gi mc nh

hn 1% v suy hao do tn x ch mc nh hn 0,03 dB/km.

PTIT

40

c. Do un cong

Suy hao bc x xy ra khi si quang b un cong. C hai kiu suy hao do un

cong trong si quang: (a) Do un cong v m hay un cong ln c bn knh un

cong ln so vi ng knh si, v (b) do cc un cong vi m hay vi un cong

thng lin quan n qu trnh ch to cp.

Hnh 2-19 M t suy hao un cong theo l thuyt tia. Ti ch un cong cc tia thay i gc lan truyn ln hn gc ti hn s khc x ra ngoi v.

Suy hao do un cong ln xy ra trong qu trnh s dng cp si quang. Theo

quan im l thuyt tia, suy hao un cong c th d hiu khi cc tia sng thay i

gc lan truyn ti v tr un cong nh m t trong hnh 2-19. Mt s tia c gc thay

i ln hn gc ti hn cho phn x ton phn s b khc x ra ngoi v. Theo quan

im trng mode, suy hao un cong c th c gii thch nh m t trong hnh 2-

20. Mi mode dn trong si u c ui trng quang gim dn theo hm m trong

lp v chuyn ng cng vi trng quang trong li. Khi si b un cong, ui

trng pha xa tm bn knh cong s phi dch chuyn nhanh hn theo kp

trng quang trong li si. Ti mt khong cch ti hn xc nh xc t tm si, ui

trng s phi dch chuyn nhanh hn tc nh sng theo kp phn trong li

si. Do iu ny l khng th nn phn nng lng quang trong ui trng ln

hn xc s bc x ra ngoi si.

PTIT

Hnh 2-20 M t tr

Lng cng sut bc x

ti xc v vo bn knh un cong R. V cc mode b

vi cc mode bc thp nn cc mode b

Nh vy tng s mode c th

thng v c xc nh qua s

1NNeffa

y = 2 l v N l t

Mc suy hao un cong s t

cong ti hn. i vi si a mode, bn knh cong t

32

4

3

NA

nRc

l

i vi si n mode, bn knh cong t

c xc nh

3,2

20

c

NAR

l

y lc l bc sng ct c

hnh Rc = 0,2 0,4 m v suy hao u

knh cong R> 5 mm.

trng mode c bn ti ch si quang b un cong.

c x khi si b un cong ph thuc vo cng

n cong R. V cc mode bc cao lin kt vi li km h

nn cc mode bc cao s bc x khi si un cong tr

mode c th c h tr bi si un cong s nh hn trong s

nh qua s lng mode hiu dng Neff sau

D

3/2

22

32

2

2

kRnR

a

a

a (2.68)

ng s mode ca si thng c xc nh b

l theo hm m exp(-R/Rc), trong Rc g

i a mode, bn knh cong ti hn c xc nh:

(2.69)

, bn knh cong ti hn ph thuc mnh vo b

3

996,0748,

cl

l (2.70)

t ca si n mode.i vi cc si n mode, gi tr

v suy hao un cong c th b qua (< 0,01 dB/km) khi bn

41

n cong.

ng trng

i li km hn so

n cong trc.

hn trong si

i ptr. (2.50).

i l bn knh

nh:

nh vo bc sng v

i n mode, gi tr in

qua (< 0,01 dB/km) khi bn

PTIT

Mt ngun suy hao khc sinh ra t

cong ngu nhin trong si quang. Cc vi u

knh cong ca trc si nh m t

s khng ng u trong qu trnh s

trong qu trnh bn cp si quang. S

cong vi ch un cong gy ra s

mode d hay khng dn trong s

si quang c bc m c

sn xut si v bn cp cng

si n mode suy hao vi u

st vi gi tr ct 2,405

Trong thc t si quang n mode

sng hot ng.

Hnh 2-21 M t suy hao do vi ucao v gy ra cc mode b

d. Ph suy hao si quang

Ph suy hao si quang cho bi

bc sng v l s t hp c

nh cho thy trong hnh 2-

quang thy tinh v cc ca s

vng 850 nm c s dng cho cc s

2 3 dB/km. Ca s th hai n

mc suy hao trung bnh kho

n suy hao khc sinh ra t s ghp cp mode gy ra b

i quang. Cc vi un cong l nhng bin i c

m t trong hnh 2-21. Nhng vi un cong ny sinh ra do

u trong qu trnh sn xut si hoc do lc tc ng khng

i quang. S tng mnh h s suy hao si quang t

n cong gy ra s ghp cp nng lng gia cc mode d

n trong si. Do vy gim thiu suy hao do vi u

n thn mt lp polymer bn ngoi. Thm n

ng c gim st cht ch gim suy hao ny.

n cong cng c gim thiu bng cch ch

nng lng mode b giam hm ch yu trong li s

i quang n mode c thit k c V trong di 2,0

suy hao do vi un cong. Cc vi un cong c th lm bc x cc mode bcao v gy ra cc mode bc thp ghp cp vi mode bc cao hn.

i quang

i quang cho bit s ph thuc h s suy hao s

p ca cc yu t suy hao do hp th v suy hao do tn x

-16. Hnh 2-22 cho thy ph suy hao in hnh c

a s truyn dn trong thng tin si quang. C

ng cho cc si a mode c mc suy hao trung bnh kho

hai nm vng 1300 nm s dng cho cc si n mode c

c suy hao trung bnh khong 0,5 dB/km. Ca s th 3 vng 1550 nm c

42

i cc vi un

nh v bn

n cong ny sinh ra do

ng khng u

i quang t vi un

a cc mode dn v cc

u suy hao do vi un cong cc

p polymer bn ngoi. Thm na qu trnh

suy hao ny. i vi

n tham s V

u trong li si.

2,4 ti bc

cc mode bc c cao hn.

i quang vo

v suy hao do tn x

n hnh ca si

a s u tin

c suy hao trung bnh khong

i n mode c

vng 1550 nm cng

PTIT

c s dng cho si n mode l vng c m

dB/km. i vi cc si quang m

khong 1400 nm th ca s

s th 3 v c phn chia thnh cc b

Hnh 2-22Ph suy hao in hnh v cc cng t nt l ph

Hnh 2-23 S nh h

n mode l vng c mc suy hao thp nht ch

i quang mi gi l si kh c s trit tiu nh h

truyn dn s c m rng t ca s th

c phn chia thnh cc bng tn nh cho trong hnh 1-6.

n hnh v cc ca s truyn dn ca mt si quang th suy hao ca si kh c tn thng mi l AllWave.

nh hng ca dn rng xung quang do tn sc gy

43

t ch khong 0,2

nh hp th OH

hai sang ca

i quang thy tinh. i l AllWave.

c gy ra.

PTIT

44

2.4Tn sc trong si quang

2.4.1Khi nim v phn loi tn sc

Tn sc l hin tng mo dng tn hiu quang khi lan truyn trong si

quang. Khi mt xung quang lan truyn trong si, xung quang s b dn rng trong

qu trnh lan truyn. S m rngxung gy ra bi tn sc do s khc nhau v vn tc

lan truyn ca cc thnh phn trong xung quang. S khc bit v vn tc lan truyn

lm cho cc thnh phn trong xung quang c tr khc nhau ti u cui si

quang nn xung quang u ra t hp t cc thnh phn ny s b dn rng ra.

Trong h thng truyn dn tn hiu tng t, tn sc lm cho tn hiu quang

ti u thu b mo dng so vi tn hiu ban u. Cn i vi truyn dn s, tn hiu

quang c iu bin di dng xung quang th s dn rng xung do tn sc gy ra

s giao thoa gia cc k hiu (ISI) nh m t trong hnh 2-23, iu ny c th dn

n li ti b thu. Ti h thng hot ng tc cng cao th s nh hng ca

tn sc cng nghim trng.

Hnh 2-24 Cc loi tn sc c bn xy ra trong si quang.

Ty thuc vo loi thnh phn ca xung quang m c th phn thnh cc loi

tn sc khc nhau xy ra trong si quang nh cho trong hnh 2-24. Nu thnh phn

l mode truyn dn ta c tn sc mode, cn khi thnh phn ca xung l cc thnh

phn tn s hay bc sng quang trong ph xung quang ta c tn sc sc th hay tn

sc mu. i vi loi tn sc ny c hai thnh phn ng gp l tn sc vt liu v

PTIT

45

tn sc ng dn sng. Cn nu thnh phn l cc thnh phn mode phn cc th ta

c tn sc mode phn cc.

i vi si a mode c th c y tt c cc loi tn sc c bn cp

trn. Mt tn hiu quang iu bin s kch thch tt c cc mode truyn dn ti u

vo si quang. Mi mode s mang mt phn nng lng ca tn hiu truyn qua si.

Thm na, mi mode cha tt c cc thnh phn ph trong bng tn pht x ca

ngun quang.

2.4.2Tn sc mode

Trong si a mode, tn hiu quang lan truyn trong si di cc mode khc

nhau. Theo quan im ca l thuyt quang hnh, qung ng i ca cc mode hay

cc tia sng l khc nhau nn cc mode ti u cui si quang ti cc thi im

khc nhau gy ra tn sc mode.

Hnh 2-25 M t tn sc mode trong si MM-SI v MM-GI.

i vi si MM-SI, tn sc mode c th c m t nh trong hnh Do

cc tia c qung ng i khc nhau nhng lan truyn cng tc v chit sut li

trong si SI khng i nn cc tia b phn tn v thi gian ti u ra si quang gy

ra dn xung. Mc dn xung c th c c tnh qua tr thi gian gia tia i

nhanh nht v tia i chm nht tng ng vi tia c qung ng i ngn nht

(mode bc thp nht) v tia c qung ng i di nht (mode bc cao nht). Tia

ngn nht l tia i vo si ti qi = 0 v c qung ng i bng vi chiu di si L,

cn tia di nht l tia i vo si ti gc tip nhn cc i qmax v c qung ng

PTIT

46

L/sinfc. S dng vn tc lan truyn ca cc tia v = c/n1, tr thi gian c xc

nh:

(2.71)

H s tn sc mode ca si c th c xc nh bi tr thi gian hay mc

dn xung trn mt n v chiu di si c n v l ns/km hoc ps/km:

=D

(2.72)

Tham s ny s nh hng n dung lng truyn dn ca si th hin qua tc

truyn dn. V mt nguyn tc n gin, dn xung DT do tn sc mode gy ra

nn nh hn khe thi gian ca mt bit hay k hiu hay BDT

47

mt ct a trong trng hp n1 = 1,5 v D = 0,01. Trong trng hp mt ct ti u,

mt gii hn n gin v tch tc - khong cch c th thu c:

(2.75)

Hnh 2-26 S thay i h s tn sc mode theo tham s mt ct chit sut a ca si chit sut bin i.

2.4.3Tn sc vn tc nhm

a. Tn sc GVD

Trong si quang n mode khng c tn sc mode nhng s dn xung vn

xy ra do vn tc nhm ca mode c bn ph thuc vo tn s hay bc sng. Ni

cch khc cc thnh phn ph khc nhau ca xung quang lan truyn vn tc nhm

khc nhau gy ra tn sc vn tc nhm (GVD) hay cn gi l tn sc sc th (tn sc

mu).

Vn tc nhm l vn tc ti nng lng trong mt xung quang lan truyn

dc si. Khi nim vn tc nhm s khc vi vn tc pha l vn tc ti pha ca

sng quang lan truyn qua mi trng si quang v c xc nh bi:

0kdt

dzvp

(2.76)

y dz, dt l s thay i v khong cch v thi gian lan truyn tng ng, l

tn s gc ca sng quang vi h s sng k0 = /c = 2/l. Do xung quang gm

PTIT

48

nhiu thnh phn ph nn mt thnh phn ph xc nh ti tn s s lan truyn ti

vn tc nhm vg nh sau:

d

dvg (2.77)

trong l hng s lan truyn dc trc si. Nh vy thnh phn ph ti u

cui si quang sau mt thi gian tr tnh trn mt n v chiu di l:

d

d

vg

1 (2.78)

Bng vic s dng = = / vo ptr. (2.77), ta c th chng minh rng

= / trong gi l chit sut nhm c xc nh bi:

(2.79)

S ph thuc ca vn tc nhm vo tn s s dn n s dn xung trong qu

trnh lan truyn. Nu D l rng ph ca xung quang th dn xung trn mt

n v chiu di c xc nh:

DDD

D

D22

21

d

d

vd

d

d

d

L

T

g

(2.80)

Tham s

= / c gi l h s tn sc vn tc nhm GVD xc nh mc

dn xung khi lan truyn trong si.

Trong h thng thng tin quang, rng ph tn thng c xc nh bi

di bc sng Dl pht x t ngun quang c iu bin. Bng cch s dng

= 2/l v D = 2/lDl, thay D bng Dl trong (2.80) ta c c:

lll

DD

DD

vd

d

L

T

g

1 (2.81)

trong

(2.82)

D c gi l h s tn sc v c n v l ps/(nm.km), n cho bit mc dn

xung nh sng khi lan truyn tnh trn mt n v rng ph v trn mt n v

chiu di si. Mt cch tng t, gii hn n gin v bng tn hay tc truyn

dn c th xc nh:

PTIT

49

(2.83)

Tn sc GVD trong si quang c hai thnh phn ng gp l tn sc vt liu v tn

sc ng dn sng.

b. Tn sc vt liu

Nguyn nhn gy ra tn sc vt liu l do chit sut ca thy tinh, vt liu s

dng ch to si quang, thay i theo tn s quang . V c bn, ngun gc tn

sc vt liu lin quan n cc tn s cng hng c trng m ti vt liu hp thu

bc x in t. Xa cc tn s cng hng ca mi trng, chit sut n() c xc

nh gn ng bi phng trnh Sellmeier:

(2.84)

trong j l tn s cng hng v Bj l cng dao ng. Ptr. (2.84) c th biu

din theo bc sng nu s dng quan hl = 2/. i vi si thy tinh tinh

khit M = 3 vi cc h s B1 = 0,6961663, B2 = 0,4079426, B3 = 0,8974794 v l1 =

0,0684043 m, l2 = 0,1162414 m,l3 = 9,896161 m. Hnh 2-27 cho thy s ph

thuc ca n v ng vo bc sng ca si thy tinh tinh khit.

tnh tn sc vt liu, ta s dng ptr. (2.78) tnh tr nhm ph thuc vo

bc sng

l

l

d

d

d

d

d

d (2.85)

S dng quan h l = l ta c:

l

l

l

l

l

l

d

d

cd

d

d

d

2

2

(2.86)

tr ca mi thnh phn bc sng trong tn sc vt liu lin quan n chit sut

vt liu ph thuc vo bc sng c th thy c khi s dng = 2(l)/l vo

ptr. (2.86):

c

n

d

dnn

cnn

c

nn

cd

d

c

g

l

llll

l

l

l

l

l

)()(

1'

1

'22

22 2

22

(2.87)

T ptr. (2.87), mc dn xung do tn sc vt liu gy ra hay h s tn sc vt liu

c th c xc nh:

PTIT

50

2

2

2

21

l

l

lll

ll

d

nd

cd

dn

d

nd

d

dn

cd

dDM

(2.88)

Hnh 2-27 cng cho thy ng cong h s tn sc vt liu DM theo bc sng. Mt

biu thc thc nghim xc nh gn ng h s tn sc vt liu trong di bc sng

1,25-1,66 m c th s dng:

(2.89)

trong lZD l bc sng ti DM = 0 v ph thuc vo loi vt liu c th, c th

bin i trong di 1,27-1,29 m. i vi si thy tinh tinh khit lZD = 1,276 m.

Hnh 2-27 th chit sut, chit sut nhm v tn sc vt liu ca mt si thy tinh

c. Tn sc ng dn sng

Tn sc ng dn sng sinh ra do s ph thuc ca hng s lan truyn vo cu

trc si quang c c trng qua tham s V. S dn rng xung sinh ra do tn sc

ng dn sng c th c hiu do mi mode lan truyn trong si c mt phn cng

sut trong li chit sut cao hn v mt phn ngoi v chit sut thp hn, m t

phn cng sut gia li v v cng ph thuc vo bc sng. Do vy mi thnh

phn bc sng cng s lan truyn ti vn tc nhm khc nhau gy ra tn sc ng

dn sng. i vi si n mode,t phn cng sut gia li v v c th hin qua

ng knh trng mode. Ti cc thnh phn bc sng di hn phn cng sut

PTIT

51

ngoi v nhiu hn hay c ng knh trng mode ln hn nn lan truyn ti vn

tc nhm nhanh hn so vi cc thnh phn bc sng ngn hn nh m t trong

hnh 2-28.

Hnh 2-28 M t s ph thuc vn tc nhm vo bc sng trong tn sc ng dn sng.

xc nh tn sc ng dn sng ta biu th tr nhm theo hng s lan

truyn chun ha b bng vic s dng v ptr. (2.57). T (2.78) ta c:

D

dk

kbdnn

c22

1 (2.90)

y gi s khng xt tn sc vt liu hay n2 khng ph thuc vo bc sng. Do

tn sc ng dn sng ph thuc vo cu trc si quang nn mt cch thun tin ta

biu din tr theo tham s V thay cho k bng s dng gn ng 2D

c c

D

dV

Vbdnn

c22

1 (2.91)

Trong (2.91) ch c s hng th hai l ph thuc vo tham s V, nh vy tr ph

thuc vo bc sng qua tham s V gn ng l:

dV

Vbd

c

n )()( 2

Dl (2.92)

T (2.92) h s tn sc ng dn sng c xc nh:

D

2

22 )(

dV

VbdV

c

n

dV

dV

d

dDw

l

ll

(2.93)

Tn sc ng dn sng ph thuc vo tham s () . Hnh 2-29 cho thy s

ph thuc b, cc tham s o hm () v () vo tham s V ca

mode c bn. Hm gn ng ca b ph thuc vo V c th s dng ptr. (2.58) cho

mode c bn trong si n mode. T hnh 2-29 ta c th thy cc o hm u

dng trong di bc sng t 0 1,6 m, nn h s Dw c gi tr m.

PTIT

52

Hnh 2-29 S bin i ca b v cc o hm () v () vo tham s V.

Hnh 2-30 ng cong tn sc vt liu v cc ng cong tn sc ng dn sng ca mt s si quang: si n mode chun, si dch tn sc v si tn sc phng.

d. Tn sc tng trong si n mode

PTIT

Trong si n mode khng c tn s

tn sc GVD bao gm 2 thnh ph

tn sc tng ca si n mode

Hnh 2-30 cho thy cc

mt s loi si quang.

Hnh 2-31 ng cong tn s

Do tn sc ng dn sng ph

bin i cu trc si nh kch th

sut khc nhau) tn sc ng d

tnh tn sc tng s dch chuy

c s dng thit k cc s

nh si dch tn sc (DSF), s

phng. ng c tnh tn s

i vi si n mode chu

vng 1,55 m ni c suy hao th

ps/(nm.km). i vi cc s

khng v ln cn 1,55 m. Cn s

bc sng t 1,3 1,6 m.

thng mi.

i n mode khng c tn sc mode nn tn sc nh h

m 2 thnh phn tn sc vt liu v tn sc ng dn sng. Do v

i n mode c xc nh:

(2.94)

ng c tnh tn sc vt liu v tn sc ng d

cong tn sc tng D = DM + DW ca mt s si quang.

n sng ph thuc vo cu trc si quang nn b

i nh kch thc li hay mt ct chit sut (nhiu lp li c chi

ng dn sng s bin i rt ln, kt qu l

ch chuyn theo mong mun. y cng l nguyn t

cc si quang n mode c c tnh tn sc mong mu

c (DSF), si dch tn sc khc khng (NZ-DSF) hay s

c tnh tn sc tng ca mt s si quang c cho trong hnh

n, h s tn sc tng bng khng gn 1,31

m ni c suy hao thp nht th h s tn sc trong kho

i cc si DSF, si c thit k dch bc sng tn s

m. Cn si NZ-DSF, gi tr D thng nh trong d

. Bng 2-2 lit k c tnh tn sc ca mt s

53

nh hng chnh l

n sng. Do vy

ng dn sng ca

i quang.

quang nn bng cch

p li c chit

ng cong c

nguyn tc c bn

c mong mun

DSF) hay si tn sc

c cho trong hnh 2-31.

n 1,31 m, cn ti

c trong khong 15 18

c sng tn sc

trong di rng

t s si quang

PTIT

54

Bng 2-2 c tnh tn sc ca mt s si quang thng mi.

2.4.4Tn sc bc cao

Trong thc t khi s dng si n mode ti bc sng lZD c D = 0, xung

quang vn tri qua s dn xung khi lan truyn do tn sc bc cao. c im ny c

th c hiu khi ch rng D khng th bng khng tt c cc thnh phn bc

sng nm trong ph xung quang c trung tm ti lZD. Nh vy s ph thuc ca D

vo bc sng ng vai tr quan trng trong s dn xung trong trng hp ny. Cc

hiu ng tn sc bc cao c c trng qua tham s dc tn sc = l c

n v ps/(nm2.km). S dng ptr. (2.82) ta thu c:

(2.95)

trong

=

l tham s tn sc bc ba.

Khi h thng thng tin quang si hot ng ti l = lZD, tc truyn dn

xung s b gii hn bi tham s S hoc 3. iu kin gii hn tc cng c th

c c tnh n gin bi

(2.96)

Thm na, tham s S cng nh hng n thit k cc h thng ghp knh theo

bc sng khi tnh ton b tn sc ng thi cho cc knh m mi knh tri qua

lng tn sc GVD khc nhau.

2.4.5Tn sc mode phn cc

Tn sc mode phn cc c ngun gc sinh ra t tnh lng chit ca si

quang. Nh cp trong phn 2.2.2 bn cht suy bin ca cc mode phn cc

PTIT

55

trc giao ch duy tr c trong mt si quang n mode l tng c li tr trn u

hon ho. Cc si quang thc t c s bin i v dng li dc theo chiu di si v

cng c th tri qua nhng ng sut khng u lm cho tnh i xng tr ca si b

ph v. Do vy s suy bin gia cc mode phn cc trc giao b mt i v si

quang biu th tnh lng chit. Mc lng chit mode c xc nh bi:

(2.97)

trong v l cc ch s mode cho cc mode phn cc trc giao.Tnh lng

chit dn ti mt s trao i cng sut tun hon gia hai thnh phn phn cc. Chu

k hay cn gi l di nhp c xc nh bi:

(2.98)

Hnh 2-32 Trng thi phn cc trong mt si lng chit trn mt di phch. Chm quang u vo c phn cc tuyn tnh 45o so vi cc trc nhanh v chm.

T quan im vt l, nh sng phn cc tuyn tnh ch duy tr phn cc tuyn

tnh khi n b phn cc dc theo mt trc c bn. Ni cch khc, trng thi phn

cc s thay i dc theo chiu di si quang t tuyn tnh sang lip, v sau li

chuyn i tr li tuyn tnh theo mt kiu tun hon trn di LB. Hnh 2-32m

t mt s thay i tun hon v trng thi phn cc i vi mt si quang c

lng chit B khng i. Trong hnh trc nhanh tng ng vi trc c ch s mode

nh hn, cn trc khc gi l trc chm.

Nh vy trong cc si quang thc t, nng lng tn hiu ti mt bc sng

xc nh c th c mang trn hai mode phn cc trc giao lan truyn ti vn tc

PTIT

56

khc nhau do khc nhau v ch s mode truyn gy ra s dn xung gi l tn sc

mode phn cc (PMD).

Trong cc si c lng chit khng i (v d: cc si duy tr phn cc),

dn xung c th c c tnh t tr thi gian DT gia hai thnh phn phn

cc trong qu trnh lan truyn. i vi si c di L, DT c xc nh bi:

(2.99)

trong x v y l cc ch s ca hai mode phn cc trc giao v D1 l lch vn

tc nhm dc theo hai trng thi phn cc c bn. Tng t trng hp tn sc

mode, i lng DT/L l php o ca PMD. i vi cc si duy tr phn cc, DT/L

l rt ln (~ 1 ns/km) khi hai thnh phn c kch hot nh nhau ti u vo si

quang, nhng c th gim xung khng khi nh sng ch c pht dc theo mt

trong cc trc c bn.

Hnh 2-33 M t tn sc mode phn cc PMD.

Cc si quang thng thng trong thc t hon ton khc khi m tnh lng

chit bin i dc theo si theo dng ngu nhin. Do vy m PMD ca si cng s

bin i theo kiu ngu nhin t s bin i ngu nhin ca trng thi phn cc dc

theo si khi lan truyn. V bn cht thng k ca PMD m vic phn tch n s phc

tp. Mt m hnh n gin phn chia si thnh mt s cc on si m mi on c

lng chit v nh hng ca cc trc c bn l khng i nhng thay i t

on ny sang on khc mt cch ngu nhin. Nh vy tr DT bin i ngu

nhin dc theo chiu di si v dn xung do PMD c c trng bi gi tr DT

PTIT

57

hiu dng (rms) = (D). Khi chiu di si quang > 1 km, dn xung c

th tnh gn ng:

(2.100)

trong lc l di tng quan c nh ngha nh l di m hai thnh phn

phn cc duy tr tnh tng quan vi nhau, gi tr lc c th bin i t 1 m n 1 km

ty loi si, in hnh thng ~ 10 m; Dp gi l h s PMD v c gi tr trong

khong 0,01 10 / . i vi cc si quang c c PMD ln >

0,1 / , cn cc si quang mi hin nay c thit k c PMD nh

< 0,1 / . V ph thuc vo , dn xung do PMD tng i nh so

vi nh hng ca GVD, nn PMD ch c quan tm trong cc h thng quang si

khong cch ln tc cao.

2.5Cc gii hn truyn dn gy ra bi tn sc

Cc h thng thng tin quang si hin nay hu ht s dng si n mode, do

vy tn sc GVD l yu t nh hng chnh gy mo dng tn hiu v gii hn hot

ng ca h thng. Trong phn ny nh hng ca tn sc GVD n gii hn truyn

dn s c xem xt v phn tch.

2.5.1Phng trnh truyn dn c bn

S dn xung sinh ra do s ph thuc ca vo tn s hay cc thnh phn

ph ca tn hiu quang b iu bin pha do hng s lan truyn qua h thc n

gin sau:

(2.101)

Bin tn hiu Btrong min thi gian thu c bng cch ly khai trin Fourier

ngc:

(2.102)

y (0,) ch l khai trin Fourier ca bin tn hiu u vo (0,).

i vi xung tn hiu c rng ph D , ta khai trin () thnh

chui Taylor quanh tn s sng mang 0 v xt cc s hng ln ti bc ba

PTIT

58

(2.103)

trong = v = ( ) , = 1 . H s GVD 2 lin

h vi h s tn sc D qua ptr. (2.82), cn 3 lin h vi dc tn sc S qua ptr.

(2.95). n gin ta ch xem xt thnh phn bin bin i chm A(z,t) ca lp

v xung

(2.104)

v s dng (2.101) v (2.103) vo (2.102) ta thu c

(2.105)

trong (0,) (0,) l khai trin Fourier ca (0,).

Bng vic tnh v ch D thay th bng ( ) trong min thi

gian, ptr. (2.105) c th vit thnh

(2.106)

y chnh l phng trnh truyn dn c bn xc nh s tin trin ca xung quang

lan truyn trong si n mode. Khai trin thnh mt khung thi gian tham chiu

dch chuyn theo xung v a vo cc ta mi

v z = z (2.107)

s hng 1 c loi tr khi (2.106) thu c

(2.108)

Phng trnh (2.108) c s dng m t qu trnh truyn xung quang v du

v tc th b i cho n gin.

2.5.2Truyn xung Gauss c chirp

thy nh hng ca tn sc ta xt qu trnh lan truyn ca xung Gauss c

chirp (bin tn) trong si quang bng vic s dng trng xung ban u nh sau:

PTIT

59

(2.109)

trong A0 l bin nh ca xung. Tham s T0 c trng cho na rng ti

im cng 1/e v lin h vi rng xung ti im na cc i (FWHM) qua

h thc:

(2.110)

Tham s C xc nh chirp gy ra cho xung. Mt xung c gi l b chirp khi tn

s sng mang ca n bin i theo thi gian. S thay i tn s lin h vi o hm

pha v c xc nh:

(2.111)

y f l pha ca A(0,t). dch tn ph thuc thi gian d c gi l chirp.

Ph ca xung b chirp rng hn so vi xung khng chirp v c th c thy bng

vic ly khai trin Fourier (2.109). Do vy ta c:

(2.112)

Na rng ph (ti im cng 1/e) c xc nh bi

(2.113)

Trong trng hp khng c chirp tn (C = 0), rng ph tha mn h thc

= 1. Mt xung nh vy c rng ph nh nht v c gi l b gii hn

khai trin. rng ph s c tng cng bi mt h s (1 + ) khi c mt

chirp tuyn tnh nh c thy trong ptr. (2.113)

Phng trnh truyn xung (2.108) c th c gii d dng trong min

Fourier v nghim ca n l:

(2.114)

trong (0,) c xc nh bi (2.112) i vi xung u vo dng Gauss.

Trc ht xt trng hp bc sng quang cch xa bc sng tn sc khng, do

s ng gp ca s hng 3 c th b qua. Ly tch phn (2.114) ta c kt qu

PTIT

60

(2.115)

trong () = 1 + ( )

. Phng trnh ny cho thy rng mt xung

Gauss duy tr dng Gauss trong sut qu trnh lan truyn nhng rng xung, mc

chirp v bin thay i nh c ch ra bi h s (). Mc chirp tn ti

khong cch z thay i t gi tr C ban u ti () = + (1 + )

.

Hnh 2-34 S bin i h s dn rng xung theo khong cch lan truyn i vi mt xung Gauss c chirp u vo.

S thay i rng xung theo z c nh lng qua h s m rng xc nh

bi

(2.116)

trong l na rng c nh ngha tng t . Hnh 2-34 cho thy h s

m rng xung nh mt hm khong cch lan truyn , trong =

c gi l khong cch tn sc. Mt xung khng chirp ( = 0 ) dn rng

theo [1 + ( )] v rng tng thm mt lng c 2 ti = . Ni cch

khc xung b chirp c th m rng hoc b nn li ph thuc vo liu v C c

cng hay ngc du nhau. Nu

> 0 th xung Gauss b chirp dn rng mt cch

PTIT

61

n iu tc nhanh hn so vi xung khng chirp. Nu

< 0 th rng

xung ban u gim dn v nh nht khong cch

(2.117)

Gi tr rng xung nh nht ph thuc vo tham s chirp theo

(2.118)

V mt vt l khi

< 0, chirp tn gy ra bi GVD ngc vi chirp ban u v

chirp tn hiu dng gim dn cho n khi trit tiu = .

Phng trnh (2.116) c th c tng qut ha xt c tn sc bc cao c

trng bi trong (2.114). Tuy nhin xung quang khng duy tr dng Gauss khi lan

truyn na m c dng bt i xng vi mt ui dao ng. Cc xung nh vy

khng th c trng thch hp bi FWHM ca chng. Mt php o ph hp