Đang tải... (xem toàn văn)
Quang học là một ngành của vật lý học nghiên cứu các tính chất và hoạt động của ánh sáng, bao gồm tương tác của nó với vật chất và các chế tạo ra các dụng cụ nhằm sử dụng hoặc phát hiện nó.1 Phạm vi của quang học thường nghiên cứu ở bước sóng khả kiến, tử ngoại, và hồng ngoại. bởi vì ánh sáng là sóng điện từ, những dạng khác của bức xạ điện từ như tia X, sóng vi ba, và sóng vô tuyến cũng thể hiện các tính chất tương tự.1
Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh Hồ quang quý, đinh xuân khoa nhập môn thông tin quang sợi ( dùng cho cử nhân khoa học ) vinh 2003 e h ax, ay, az A0 A() b B C C Cc Cd Cf Cgd Cgs Cin Cj Cs CT n Ec Ev Dmat Dn Dp Dvg r E Ec Ef Eg Ev g gm h hf(t) hout(t) hp(t) Bảng ký hiệu Hằng số suy giảm/ hệ số hấp thụ Hệ số ion hoá điện tử Hệ số ion hoá lỗ trống Véc tơ đơn vị Tiền khuếch đại điện tổng Hệ số khuếch đại điện áp tổng hệ thống thu Hằng số pha Tham số buộc MODE ống dẫn sóng Tốc độ bit hệ số độ rộng phổ hệ tơng tự Vận tốc ánh sáng chân không (3 108m.s) Điện dung gốc-cực phát Điện dung gốc-cực góp Điện dung tổng diode Điện dung ký sinh trở phản hồi Điện dung cổng dẫn Điện dung cổng nguồn Điện dung đầu vào tiền khuếch đại Điện dung tiếp giáp Điện dung đầu vào lới Điện dung tổng đầu thu Vi sai chiết suất Độ lệch băng dẫn Độ lệch băng hoá trị Hệ số tán sắc vật liệu Hệ số khuếch tán điện tử Hệ số khuếch tán lỗ trống Hệ số tán sắc ống dẫn sóng Điện thẩm chân không ( 8,854 10-12 f/m) Điện thẩm tơng đối Cờng độ điện trờng Mức lợng băng dẫn Mức Fermi Độ rộng băng cấm Mức lợng băng hoá trị Hệ số truyền Hệ số khuếch đại đơn vị chiều dài Trở dẫn Hằng số Plăng ( 6,624 10-34Js) Độ đáp ứng xung đầu thu Dạng xung Dạng xung vào H Heq() Hf() Hout() Hp() HT() < i s2 > is(t) Id Id Im Imax Imin Ith J Jth k k0 Ln Lp m M Mopt n neff ni nn np Na Nc Nd Nh à0 àr N ND Ng Nmax NA pn Cờng độ từ trờng Hàm truyền cân mạng Hàm truyền đầu thu Biến Đổi furie (FT) xung FT xung nhận đợc Trở kháng truyền chuẩn hoá Trung bình bình phơng dòng tín hiệu photodidoe Dòng tín hiệu photodiode Dòng tối Dòng diode Dòng nhân diode Dòng tín hiệu didoe cực đại Dòng tín hiệu diode cực tiểu Dòng ngỡng Mật độ dòng Mật độ dòng ngỡng Hằng số Boltzman (1,38 10-23 J/K) Hằng số truyền chân không Bớc sóng Độ dài khuếch tán vật liệu BD-n Độ dài khuếch tán vật liệu BD-p Độ sâu biến điệu Hệ số nhân Khuếch đại avalance tối u Hiệu suất lợng tử Chỉ số chiết suất Chiết suất hiệu dụng Mật độ hạt tải Mật độ điện tử BD-n Mật độ điện tử BD-p Mật độ acceptor Mật độ điện tử băng dẫn Mật độ hạt donor Mật độ lỗ trống băng hoá trị Độ thẩm rtừ chân không ( 10-7H/m) Độ thẩm tử tơng đối Số mốt Mức pha tạp donor Chiết suất nhóm Số mốt cực đại Khẩu độ số Mật độ lỗ trống BD-n pp P q R1, R2 Rb Mật độ lỗ trống BD-p Công suất thu trung bình Điện tích điện tử ( 1,6 10-19 C) Điện trở gơng cộng hởng Chơng Mở đầu Trong năm gần mạng thông tin sợi quang đợc thiết kế lắp đặt đa vào sử dụng rộng rãi toàn giới Hiện nay, cáp sợi quang đợc lắp đặt nhiều mạng lới viễn thông Việt nam Thời gian tới, với chủ trơng phát triển rộng khắp tuyến thông tin cáp sợi quang ngành Bu điện, nhiều tuyến thông tin quang đợc lắp đặt đa vào sử dụng khai thác, tiếp tục đóng vai trò chủ đạo tuyến truyền dẫn Để đáp ứng nhu cầu trên, việc đa môn thông tin quang sợi vào chơng trình nghiên cứu học tập Trờng đại học cần thiết cấp bách Trong giáo trình muốn giới thiệu số kiến thức thông tin quang sợi, số công nghệ chế tạo, lắp đặt, số yêu cầu kỹ thuật sợi quang hệ thống thông tin quang sợi mạng viễn thông Đồng thời giới thiệu số khả phát triển thông tin quang tơng lai mà chủ yếu tập trung vào thông tin Soliton quang Mặc dầu giáo trình quan tâm đến thông tin quang sợi, song nhiều lĩnh vực khác nh : kỹ thuật điện tử, lý thuyết trờng ánh sáng, vật lý bán dẫn, lý thuyết thông tin, xử lý tín hiệu thiết bị điện tử cần ý nghiên cứu Trong giới hạn giáo trình này, không hy vọng giới thiệu tất cả, mà giới thiệu số kiến thức cần thiết lĩnh vực liên quan Thay vào đa số giải thích sâu gắn với vấn đế liên quan Trớc vào nghiên cứu nhìn lại đờng đến thông tin quang đại nh 1.1 Lich sử thông tin quang Sử dụng ánh sáng nh phơng tiện truyền tin phát kiến Nhiều hệ sử dụng ánh sáng phản xạ qua gơng để truyền thông tin, liên lạc tàu chiến sử dụng đèn biển ( đèn Aldis ) Rất tiếc, hệ thống thông tin cổ điển ( thông tin vô tuyến, hữu thuyến) hoạt động với tốc độ chậm, mở rộng băng hoạt động mạng thông tin Một băng phổ điện từ hình 1.1 chứa ánh sáng nhìn thấy từ 0,4 àmữ0,7 àm, đổi tần số cỡ 320 THz ( 1THz =1012Hz) Nh sử dụng 1% khả cho 80 tỉ kênh thoại ( kênh 4KHz) Năm 1960 laser Rubi đời, T.H.Maiman chế tạo phòng thí nghiệm Hughes, USA Lần nguồn ánh sáng mạnh, đơn sắc kết hợp hoạt động bớc sóng trở thành thực Chính laser xuất phát điểm nghiên cứu thông tin quang đại Tuy nhiên sử dụng nguồn ánh sáng không gian không thuận lợi bị cản trở sơng mù, nớc, khói, bụi ( hay gọi chung son khí) Với lý trên, xuất nhu cầu có loại dây dẫn quang đặc biệt Sóng radio Sóng ánh sáng Tia X Tia 103 10 Hồng ngoại 0,1 1020 1017 1016 1012 108 Tần số [Hz] 0,01 àm Cực tím Nhìn thấy Hình 1.1 Phổ điện từ Năm 1963 hàng loạt loại sợi thuỷ tinh đợc chế tạo để dẫn quang khoảng cách ngắn, song yếu điểm chúng mát lớn ( >1000dB/km) chúng không đợc phát triển để sử dụng làm sợi quang dẫn ánh sáng Năm 1966 C.K.Kao G.A Hockman, làm việc Phòng thí nghiệm Viễn thông tiêu chuẩn Anh đề xuất sử dụng thuỷ tinh dạng cáp đồng trục để truyền dẫn ánh sáng Loại sợi quang giảm mát xuống 20 dB/km Năm 1970 Kao Hockman nghiên cứu chế giảm quang phòng thí nghiệm phát thấy thuỷ tinh có hệ số mát nhỏ bớc sóng 0,85, 1,3 1,55 àm Đối với bớc sóng hệ số mát giảm xuống đễn 0,2 dB/km Trong trình nghiêm cứu sợi quang nghiên cứu laser đợc tiếp tục Laser Rubi phát bớc sóng 0,69 àm ban đầu đợc thay laser bán dẫn GaAs phát bớc sóng 8,7 àm Để có đợc bớc sóng nằm cửa sổ 8,5àm, chuyên gia chế tạo laser hoạt chất GaAs có cấy thêm Al Laser hoạt động với thời gian sống lâu mạnh Một loạt hoạt chất laser khác đợc nghiên cứu để phát xạ vùng bớc sóng 1,3 1,55 Tuy nhiên laser vùng đắt, ngời ta sử dụng diode phát quang (LED) Hiện nguồn laser bán dẫn đáp ứng đợc, phát bớc sóng tốc độ biến điệu vài chục Gbit/s Tại đầu thu, photodiode biến đổi tín hiệu quang trở lại tín hiệu điện Các mạng thông tin quang tốt sử dụng photodiode avalanche, APD Các photodiode loại có hiệu ứng nhân dòng, cặp điện tử lỗ trống sinh photon ánh sáng tái sinh nhiều cặp điện tử-lỗ trống khác, tín hiệu đợc khuếch đại 1.2 Tuyến thông tin quang ( Optical Communications link) Một tuyến thông tin quang nh tuyến thông tin khác cấu tạo từ máy phát qua kênh truyền đến đầu thu Cụ thể nh ví dụ hình 1.2, tuyến thông tin sợi quang Để sợi quang dẫn đợc ánh sáng, phải đợc cấu tạo từ lõi làm từ vật liệu có chiết suất lớn chiết suất vật liệu bao quanh, gọi vỏ Phụ thuộc vào cấu tạo sợi quang mà ánh sáng bị giam lõi phản xạ toàn phần khúc xạ Chúng ta mô tả trình truyền lan ánh sáng thuỷ tinh nhờ lý thuyết quang hình chơng 3,4 Mặc dù thế, ta phải sử dụng phơng trình Mắc xoen chơng 2, nhiều hiệu ứng giải thích đợc quang hình Trong chơng 5, nói sơ qua phơng pháp chế tạo sợi quang Sợi Quang Yếu tố thu Tiền khuếch đại Cổng dòng thu Dòng điều khiển Hình 1.2 Một tuyến thông tin quang Trong tuyến thông tin quang học, máy phát ( transmitter) nguồn laser, chùm tia hoạt động nh sóng mang Mặc dù kỹ thuật chia đa tần ( frequency division multiplexing-fdm), đợc sử dụng nhiều hệ truyền tin tơng tự, song phần lớn tuyến thông tin quang sử dụng kỹ thuật cho đa thời gian số( digital time division multiplexing-tdm) Phơng pháp dễ để điều biến sóng mang với tín hiệu số đóng mở, hay gọi chuyển mạch biên độ ( Amplitude Shift Keying- ASK) Trong hệ quang học chuyển mạch biên độ, dễ dàng thực đợc cách thay đổi trực tiếp dòng điều khiển nguồn ( dòng nuôi laser) gây nên thay đổi tỉ lệ thuận dòng công suất phát quang Nguồn quang học thông dụng thông tin quang laser diode LED Chúng ta tìm hiểu cụ thể chơng chơng Tại đầu cuối tuyến thông tin quang photodiode PIN APD Chúng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Dòng điện photodiode tỉ lệ thuận với công suất quang tới ( Điều tơng đơng với việc thu phát trực tiếp radio) Phụ thuộc vào bớc sóng làm việc theo yêu cầu mà photodiode đợc chế tạo từ Si-lic, Gec- ma-ni tà hợp kim In-đi, Ga-li Ăc-xen-nic Chúng ta nghiên cứu kỹ chơng Chơng giới thiệu số hệ thông tin quang thông thờng ứng dụng số yêu cầu kỹ thuật sợi quang hệ thống thông tin quang sợi Hớng phát triển tơng lai thành tựu Soliton quang truyền thông tin Soliton đợc bàn luận chơng 10 Chơng Truyền ánh sáng môi trờng điện môi Phần lớn mạng thông tin quang sợi sử dụng sợi quang làm kênh truyền Sợi quang đợc cấu tạo từ ống trụ làm từ vật liệu suốt, gọi lõi đợc bao bọc lớp vật liệu đó, gọi vỏ ánh sáng vào lõi dới dạng loạt mặt sóng phẳng khác nhau, hay gọi mốt (MODE ) Một tia sáng hay gặp quang hình ví dụ cho mốt Để sóng ánh sáng truyền đợc lõi, chiết suất lõi phải lớn chiết suất vỏ Phần lớn sợi quang sử dụng đợc chế tạo từ thuỷ tinh Si líc ( SiO2) plastic Để thay đổi chiết suất lõi vỏ, ngời ta cấy thêm số tạp chất vào thuỷ tinh Nếu sợi quang plastic dùng hai loại plastic khác để làm vỏ lõi Sợi quang SM thuỷ tinh hoàn toàn ( vỏ lần lõi ) có hệ số mát nhỏ độ rộng băng lớn truyền Loại sợi quang thông thờng đợc sử dụng cho thông tin cự ly dài mà sử dụng cho thông tin cự ly ngắn ( nhỏ 500m) Những sợi quang có lõi lớn thờng sử dụng cho Y tế công nghiệp Sợi quang thờng làm plastic, sợi thuỷ tinh giá thành sản xuất rẻ Tuy nhiên với hệ số mát cao, loại sợi đợc sử dụng thông tin quang Với thông tin tầm trung từ 500m đến 1km thông thờng sử dụng sợi quang lõi thuỷ tinh, vỏ plastic, gọi PCS Cả hai loại sợi quang plastic sợi quang thuỷ tinh vỏ plastic sợi dạng bậc thang đa mốt Hệ số mát ( attenuation) độ rộng băng truyền ( bandwidth) sợi quang định khoảng cách truyền cực đại tín hiệu Hệ số mát đợc biểu diễn qua dB/km Trong độ rộng băng đợc biểu diễn qua tích độ rộng băng với khoảng cách, GHz.km, MHz.km Hệ số mát phụ thuộc vào độ lõi Vì lõi sợi quang cần đợc chế tạo từ vật liệu siêu Trong chừng mực độ rộng băng phụ thuộc vào độ cuả vật liệu; thờng bị hạn chế số mốt truyền Điều giải thích sợi quang đơn mốt lại có độ rộng băng lớn Trong chơng nghiên cứu truyền lan sóng ánh sáng môi trờng điện môi đa tham số đặc trng của trình truyền lan 2.1 Phơng trình sóng Tồn hai khái niệm ánh sáng: dòng hạt (hay dòng phô tôn ), hai sóng điện từ Trong nghiên cứu cụ thể ta sử dụng lý thuyết sóng sử dụng phơng trình Maxwell để nghiên cứu truyền lan ánh sáng môi trờng Giả thiết ta có ánh sáng sóng phẳng với tần số quang bất kỳ, truyền lan khối điện môi xác định Điều cho nhìn rõ số đặc tính sợi quang, mà đặc tính dễ dàng giải thích quang hình học thông thờng lý thuyết hạt r r Để nghiên cứu thay đổi vectơ E H môi trờng điện môi, cần đa phơng trình sóng chúng Trớc tiên xuất phát từ phơng trình Maxwell: r r r B H E = = t t (2.1.a) r r r r D r E H = J + = E + t t (2.1.b) à, , từ thẩm, điện thẩm độ dẫn môi trờng tơng ứng r r Khi E & H biến đổi hàm sin theo thời gian truyền với tần số ánh sáng theo trục ox oy tơng ứng, ta viết: E = E x e it a x ; H = H y e it a y ax, ay véc tơ đơn vị trục ox oy tơng ứng Trong trờng hợp hệ phơng trình (2.1.a) (2.1.b) có dạng : r r E = i H t r r r H = iE + E t (2.2.a) (2.2.b) Từ hai phơng trình dẫn phơng trình sóng, mô tả trình truyền lan sóng điện từ phẳng ngang ( TEM) môi trờng vật chất cách lấy đạo hàm (2.2.a) theo z thay vào (2.2.b) Ta nhận đợc: r r r v 2E = E + iàE = + ià E z ( ) (2.3) lấy đạo hàm (2.2.b) theo z thay vào (2.2.a) ta nhận đợc : r r 2H = + ià H z ( ) (2.4) Nếu đặt = ( + ià ) , từ (2.3) (2.4) ta có : 1 1 (a) e/o o/e KĐ e/o (b) e/o G T o/e KĐ e/o G (c) e/o o/e KĐ e/o Hình 9.2 Đa kênh dẫn hớng (a) đa kênh sợi quang, (b) đa kênh sóng; (c) đa kênh điện o/e (a) e/o 1 e/o o/e o/e e/o (b) BT/C BT/C 2 e/o o/e Hình 9.3 Đa kênh truyền quang theo hai hớng (a) đa kênh sợi quang; (b) đa kênh sóng 9.4 Phơng pháp truyền Phơng pháp truyền quang sử dụng phụ thuộc vào chất tín hiệu cần truyền ( tín hiệu tơng tự tín hiệu số) 123 Trong trờng hợp biến điệu cờng độ ánh sáng trực tiếp, tốc độ phản ứng tức thời công suất quang tỉ lệ thuận với tốc độ phản ứng tức thời tín hiệu điện Trờng hợp phù hợp với truyền tín hiệu tơng tự Kiểu biến điệu truyền tốt tín hiệu tơng tự (độ tuyến tính cao) đặc trng máy phát máy thu trùng Biến điệu cờng độ sử dụng với u điểm đơn giản truyền tín hiệu số đoạn ngắn mà không cần phải phát chuyển tiếp Đối với trờng hợp truyền tín hiệu tơng tự biến điệu cờng độ không phù hợp nhiễu độ tuyến tính Chất lợng truyền tốt tín hiệu điện mang đợc biến điệu trớc sau biến điệu cờng độ ánh sáng (a) Xung vào Tần số trung gian 20 Hz t (b) (c) t 20 30 20 20 MHz 10 MHz 10 MHz P0 Hình 9.4 Biến điệu tần số sóng điện mang ( tần số trung gian ) 20MHz (a) tín hiệu vào; (b) tín hiệu số giả bậc ba; (c) tín hiệu náh sáng P0 đa vào sợi quang tín hiệu vào để biến điệu Trên hình 9.4 mô tả biến điệu tần số ( FM) Ưu điểm phơng pháp truyền cải thiện đợc tỉ lệ tín tạp không phụ thuộc vào tính chất phi tuyến tính nguồn phát Hệ hoạt động chế độ FM dễ lắp đặt chế tạo Các hệ phù hợp truyền tín hiệu TV vùng sóng video khoảng cách ngắn trung bình Truyền tín hiệu số phù hợp cho việc truyền khoảng cách lớn, dung lợng truyền lớn nh yêu cầu chất lợng truyền cao Mã 124 đóng mở nguồn quang đợc định trớc dạng xung truyền Các laser đại phát hàng trăm tỉ xung giây Nh khối lợng lớn thông tin đợc truyền theo phơng pháp số 9.5 Các nối, trộn chia kênh Tại đầu vào- từ laser đến sợi quang, đầu từ sợi quang tới photodiode trạm chuyển tiếp ngời ta phải sử dụng nối quang học Để truyền dẫn nhiều kênh tín hiệu sợi quang ngời ta phải sử dụng ghép kênh đầu vào sợi quang ngợc lại để tách kênh tín hiệu riêng từ sợi quang ngời ta sử dụng tách kênh Sau khảo sát qua cấu trúc nối, ghép kênh tách kênh từ tìm hiểu nguyên lý hoạt động chúng 9.5.1 Bộ nối Các nối sử dụng truyền dẫn tín hiệu quang đợc chia thành hai nhóm Nhóm thứ nối trực tiếp ( hình 9.5), nhóm thứ hai nối gián tiếp qua thấu kính( hình 9.6) Đầu đầu vào sợi quang đợc cắt mài song song gắn hai đầu với Cách nối áp dụng cho việc nối máy phát với sợi quang sợi quang với đầu thu Mặt phân cách Mặt phân cách a a b b c Hình 9.6 Nối gián tiếp nhờ thấu kính Hình 9.5 Nối trực tiếp Trong hình 9.5 a cách nối mặt lớn mặt vào Trờng hợp thờng dụng trờng hợp đa xạ từ máy phát có tiết diện lớn vào sợi quang có tiết diện bé Trong trờng hợp mát lớn Hình 9.5 b mặt vào mặt Hình 9.5c trờng hợp 125 ánh sáng từ diện tích nhỏ đa vào diện tích lớn Trờng hợp mát tiếp xúc nhỏ Trong hình 9.6 nối gián tiếp nhờ thấu kính Trờng hợp phân bố lợng đầu mặt đầu vào Mất mát tiếp xúc Mỗi nối có mát định Trên hình 9.7 phụ thuộc mát tiếp xúc vào yếu tố gây mát : lệch tâm , ( hình 9.7a), lệch góc, ( hình 9.7b) khoảng cách không tiếp xúc hai mặt ,d, ( hình 9.7c) a [dB] 0,1 0,2 0,3 /D a 1,5 1,0 0,5 Hình 9.7a ad AN = 0,15 AN = 0,5 1 độ Hình 9.7b d AN = 0,5 AN = 0,15 0,1 0,2 0,3 0,4 d/D Hình 9.7c Rõ ràng nối có mát gây khác kích thớc trình nối Các nối quang sợi cần thoả mãn yêu cầu sau : Dễ lắp ráp; Thiết kế chắn; Mất mát thấp; Có thể giảm mát sau lần làm sạch; Có bảo vệ bề mặt tiếp xúc 9.5.2 Bộ ghép kênh tách kênh Trong mục 5.5 nói đến công nghệ ghép sợi quang tạo thành nối ghép tách kênh đơn giản Hình 9.8 giới thiệu số ghép chia nhiều kênh sử dụng mạng thông tin đa kênh 126 Hớng CĐ b a c Gơng d e f Gơng Bộ trộn Bộ trộn g h i Hình 9.8 Cấu trúc tách ghép kênh a: khoá đóng mở ( nhờ chuyển động lệch nhau; b: Bộ ghép tách bốn cổng lệch đối xứng; c: Bộ ghép tách bốn cổng lệch không đối xứng; d: Bộ ghép tách ba cổng lệch khôngđối xứng; e: Bộ ghép tách bốn cổng nhờ gơng phân tia; f: Bộ ghép tách bốn cổng có nút thắt; g: Bộ trộn truyền qua; h: Bộ trộn phản xạ nhờ gơng; i: Bộ trộn truyền qua có nút thắt 9.6 Một số yêu cầu kỹ thuật sợi quang mạng thông tin 9.6.1 Yêu cầu kỹ thuật sợi quang đa mốt Theo phân loại sợi dẫn quang có ba loại sợi sợi đa mốt số chiết suất phân bậc, sợi đa mốt số chiết quang parabol bậc hai sợi đơn mốt Nếu phân theo mốt truyền có hai loại đơn mốt đa mốt Tuy loại sợi số chiết suất dạng bậc có đầu tiên, nhng loại có suy hao lớn tán sắc lớn nên không sử dụng cho hệ thông tin quang Nh nói đến yêu cầu kỹ thuật cho sợi số chiết suất parabol ( xem hình 9.9) 127 9.6.1.1 Yêu cầu đặc tính hình học đặc tính quang sợi đa mốt Lõi sợi quang đa mốt có giá trị danh định đờng kính 50àm với sai số không vợt 6% giá trị Bên lõi sợi quang vỏ phản xạ, phần có hệ số chiết suất theo mặt cắt ngang không đổi Đờng kính vỏ sợi quang có giá trị danh định 125 àm với sai số không 2,4% Nếu lõi vỏ đồng tâm sợi quang lỹ tởng, song thực tế có lệch tâm Yêu cầu độ lệch tâm không vợt 6% Là sợi quang lý tởng lõi vỏ phải tròn đều, song thực tế tạo đợc sợi quang có độ tròn hoàn toàn Chỉ tạo loại sợi quang có độ không tròn nhỏ tốt, độ lệch hai đờng lõi phải nhỏ 6% vỏ phải nhỏ 2% Mặt cắt chiết suất sợi đa mốt phải có dạng gần parabol bậc hai Còn độ số NA ( độ mở số ) phải nằm phạm vi từ 0,18 đến 0,24 D d Hình 9.9 Sợi dẫn quang đa mốt số chiết suất dốc ( parabol bậc 2) 9.6.1.2 Đặc tính truyền dẫn sợi đa mốt Đặc tính truyền dẫn sợi đa mốt quan trọng, thể khả sợi việc chuyển tín hiệu Đặc tính truyền dẫn sợi tiêu biểu hệ số suy hao, tán sắc dải thông, đợc thể nh sau: = 10 log10 [P( z ) / P(0 )] dB / km Z (9.1) P(Z) công suất quang khoảng cách Z dọc theo sợi; P(0) công suất quang điểm đầu sợi z=0 Hệ số suy hao sợi quang đa mốt phải đảm bảo nhỏ 4dB/km đến vùng bớc sóng 850 nm nhỏ 2dB/km bớc sóng 1300 nm Hệ số tán sắc tán sắc đơn vị bề rộng phổ nguồn phát đơn vị chiều dài sợi, có đơn vị ps/(nm.km) Đối với sợi quang đa mốt độ tán sắc phải nhỏ 120ps/(nm.km) bớc sóng 850 nm không vợt ps/(nm.km) bớc sóng 1300 nm Dải thông sợi quang dải tần số đợc xác định từ đến tần số thấp mà hàm truyền đạt băng giảm tới giá trị - 3dB so với hàm truyền tần số Hz, với độ dài sợi km Với định nghĩa dải thông sợi đa 128 mốt phải bảo đảm lớn 200 MHz.km vùng bớc sóng 850 nm vùng 1300nm 9.6.2 Yêu cầu kỹ thuật sợi quang đơn mốt Sợi quang đơn mốt ( xem hình 9.10) đời sau sợi đa mốt nhng đợc sử dụng rộng rãi có đặc tính truyền dẫn hẳn sợi đa mốt Giá trị danh định đờng kính vỏ 120 àm, nhng sai số không vợt àm ( tức 1,6%) Độ không tròn vỏ < 2% Đờng kính trờng mốt sợi dẫn quang đơn mốt /2 2W = F ( )sin cosd (9.2) /2 F ( )sin cosd với góc trờng xa, bớc sóng 1300 nm có giá trị danh định 9ữ10 àm sai số < 10% Sai số đồng tâm đờng kính trờng mốt khoảng cách tâm trờng mốt tâm vỏ không vợt àm bớc sóng 1300 nm Đối với sợi đơn mốt, để phù hợp với việc xây dựng tuyến thông tin quang cự li xa có tốc độ cao nh nay, giá trị suy hao phải nhỏ Hệ số suy hao sợi phải bảo đảm < 0,5dB/km bớc sóng 1300 nm < 0,3 dB/km bớc sóng 1550 nm Do sợi đơn mốt có suy hao cửa sổ thứ ba nhỏ nhng lại chịu ảnh hởng uốn cong sợi lớn phải xem xét đặc trng sợi bớc sóng 1550 nm Khi quấn sợi 100 vòng với bán kính 37,5 mm phải bảo đảm độ tăng suy hao nhỏ dB bớc sóng 1550 nm, không đủ 100 vòng phải đủ 40 vòng quấn Hệ số tán sắc sợi đơn mốt lại có giá trị nhỏ vùng bớc sóng 1300 nm lớn vùng bớc sóng 1550 nm Để đảm bảo yêu cầu phù hợp với tốc độ bit hệ thống thông tin quang giá trị tán sắc cần bảo đảm < 3,5ps/( nm.km) vùng bớc sóng 1300 nm < 6ps/(nm.km) vùng 1270 1340 nm < 20 ps/(nm.km) vùng 1550nm Ngoài đặc tính nh suy hao, tán sắc, cần lu ý tới bớc sóng cắt sợi quang đơn mốt Bớc sóng cắt bớc sóng mà bớc sóng lớn tỉ số công suất toàn phần công suất mốt nhỏ giá tị định Giá trị đợc chọn 0,1 dB cho đoạn sợi 2m Nếu gọi bớc sóng cắt đợn sợi bọc cáp c đoạn sợi 129 cha bọc cáp để khai thác cc giá tị phải thoả mãn điều kiện sau: 1100 nm < c< 1280 nm cc < 1270 nm d D Hình 9.10 Sợi dẫn quang đơn mốt số chiết suất bậc 9.6.3 Yêu cầu kỹ thuật sợi quang đơn mốt tán sắc di chuyển Sợi đơn mốt nói có mặt cắt chiết suất phân bậc đơn giản Sợi có tán sắc nhỏ ( gần không ) vùng bớc sóng 1300 nm Khi hệ thống thông tin quang làm việc vùng 1550 nm, giá trị suy hao nhỏ bớc sóng 1300 nm, nhng lại có tán sắc lớn Để tối u giá trị suy hao tán sắc, ngời ta dịch chuyển giá tị tán sắc thấp vùng bớc sóng 1550 nm cách thay đổi mặt cắt số chiết suất sợi quang đơn mốt Sơị quang đơn mốt có chiết suất thấp vùng 1550 nm gọi sợi tán sắc dịch chuyển Sơị tán sắc dịch chuyển phải có tiêu sau: Vỏ có đờng kính danh định nh sợi đơn mốt thông thờng 125 àm, sai số < àm sai số không < 2% Đờng kính trờng mốt sợi tán sắc dịch chuyển bớc sóng 1550 nm phải nằm khoảng ữ 8,3 àm với sai số < 10% Sai số độ đồng tâm đờng kính trờng mốt bớc sóng 1550 nm < 1àm Giá tị suy hao giống nh sợi đơn mốt thông thờng, nhng giá trị tán sắc ngợc lại, cụ thể : hệ số suy giảm sợi phải < 0,55dB/km vùng bớc sóng 1300 nm < 0,35 dB/km vùng 1550 nm Độ tăng suy hao sơị quấn lỏng 100 vòng với bán kính 37,5 mm bớc sóng 1550 nm phải < 0,5 db Bớc sóng cắt sợi đợc bọc cáp phải đạt giá trị tối u vùng bớc sóng cửa sổ thứ ba, yêu cầu phải > 3,5ps/(nm.km) vùng 1525-1575 nm không vợt 20ps/(nm.km) bớc sóng 1330 nm 130 Chơng 10 Truyền dẫn soliton quang 10.1 Soliton quang Soliton quang kết tơng tác xung quang học lợng lớn hiệu ứng phi tuyến sợi quang Đặc trng quan trọng chúng dạng xung không thay đổi truyền qua độ dài hàng trăm km Nh truyền tin soliton không lo đến tợng tán sắc Bây giới thiệu qua lịch sử phát triển soliton Trong thời đại Nữ Hoàng ( 18343), ký s thuỷ lợi Scott Russel quan sát thấy sóng từ mạn xà lan chạy theo kênh Union không đổi dạng Russel định chạy theo sóng vài dặm phát không nh sóng bình thờng Đáng tiếc thời kỳ đó, nhà toán học giải thích đợc truyền lan sóng Cho tới kỷ 20 toán học đủ phát triển để giải phơng trình phi tuyến KdV ( D.J.Korteweg-G.De Vries) mô tả trình tiến triển theo thời gian sóng mà Russel phát Lời giải phơng trình gọi Soliton ( viết tắt Solitary-on hạt đơn độc) Zabusky Kruskel đặt đến năm 1972 hai nhà vật lý Xô viết Zacharov Shabat tiên đoán khả tồn Soliton Soliton quang sợi quang đợc hình thành tơng tác tán sắc vật liệu thay đổi phi tuyến chiết suất Nh ta biết, sợi quang, tán sắc vật liệu không bớc sóng 1300nm Xung quanh bớc sóng này, tín hiệu sóng ngắn có xu hớng truyền nhanh tín hiệu sóng dài, nh thành phần sóng dài xung quang xuất vệt kéo dài ( đuôi xung ) xung xung bị tán sắc Đối với Soliton mở rộng xung đợc cân với hiệu ứng chiết suất phi tuyến Cờng độ Thời gian Hình 10.1 Xung soliton sợi quang Bây khảo sát xung hình chuông ( xem hình 10.1) truyền qua đoạn sợi quang Nếu bớc sóng hoạt động lớn 1300 131 nm, vệt sau xung xuất thành phần bớc sóng dài Khi xung có lựơng lớn chiết suất sợi quang thay đổi nh sau: N = n + n 2I (10.1) I cờng độ xung Khi ta tìm đợc độ lớn số sóng dịch pha đơn vị chiều dài là: = (10.2) n2 I Lấy đạo hàm (10.2) theo thời gian ta có: d dI = n2 dt dt (10.3) Từ (10.3) ta thấy, phía đầu xung dI/dt có giá trị dơng làm cho trình trễ pha theo thời gian tăng Điều dẫn đến đầu xung truyền chậm dần Ngợc lại phía cuối xung dI/dt có giá trị âm làm cho trình trễ pha theo thời gian giảm Điều giúp cho đuôi xung truyền nhanh Rõ ràng xung co lại cách có hiệu hiệu ứng phi tuyến chiết suất sợi quang Hiệu ứng gọi hiệu ứng Kerr quang học Khi trình co xung hiệu ứng Kerr cân với trình giãn xung tán sắc, ta nói xung Soliton xuất truyền sợi quang Muốn gửi số liệu nhờ xung Soliton, dạng xung phải hình chuông nh hình 10.1 Tuy nhiên xung có dạng phù hợp, cho diện tích R thoả mãn điều kiện R0/2< R < 3R0/2 trở thành Soliton với diện tích R0 dạng xung không quan trọng Bất kỳ xung quang không truyền dới dạng Soliton chịu hiệu ứng tán sắc Để truyền thông tin quang đoạn đờng dài biên độ Soliton phải bảo đảm cho hiệu ứng Kerr vần tồn Tuy nhiên tín hiệu quang chịu suy hao Vì sau đoạn đờng truyền cần phải có trạm chuyển tiếp, tái phát tín hiệu quang để tăng cờng độ Do hiệu ứng tán sắc tác dụng với Soliton, nên không cần phải tái tạo lại xung, thay vào sử dụng khuếch đại Điều khiến cho tuyến thông tin Soliton quang kéo dài 500 km 10.2 Tính u việt thông tin soliton quang Nh nói xung quang Soliton không thay đổi dạng sóng truyền sợi quang trình SPM ( Self Phase Modulation Optical Kerr efect ) bù dãn xung Sự dãn tạm thời giá trị tuyệt đối GVD ( Group Velocity Desperrsion ) đợc bù cách nén SPM với GVD âm, làm cho xung quang ổn định Trong sợi quang thuỷ tinh , GVD âm ( tán sắc dị thờng ) tồn vùng >1300 nm Do 132 soliton quang đợc tạo miền suy hao cực tiểu sợi quang xung quanh vùng =1550 nm Sóng bình thờng bị méo tình truyền dẫn, Soliton truyền dẫn ổn định cự ly dài mà không bị méo nhờ cân tán sắc tốc độ nhóm GVD sợi quang với tính phi tuyến Sự phát triển công nghệ khuếch đại quang đặt móng cho việc thực truyền Soliton, gọi phơng pháp truyền dẫn soliton động Phơng pháp cổ điển truyền dẫn đờng dài sử dụng lặp sau khoảng cách phải chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, hồi phục lại tín hiệu gốc: kích cỡ sóng, dạng xung, thời gian xung, sau chuyển đổi thành tín hiệu quang tiếp tục truyền sợi quang Ngợc lại, Soliton cần linh kiện quang nh khuếch đại, lọc quang để thực truyền dẫn đờng dài mà không liên quan đến việc chuyển đổi tín hiệu điện NRZ Soliton 0 1 1 0 01 1 1 Trong tơng lai, công nghệ Soliton có khả thực truyền thông với tốc độ cao 10 Gbit/s Các hệ thống truyền truyền thống bị gới hạn tốc độ 10 Gbit/s do: - Tán xạ màu sợi;- Độ phi tuyến sợi; - Tích luỹ tạp âm khuếch đại Đối với dạng sóng Soliton, hiệu ứng phi tuyến tán xạ màu bù với Các thành phần để truyền dẫn soliton: - Nguồn tạo soliton; - Các lọc quang; -Các điều chế; -Sợi quang có đờng kính trờng mốt lớn;- Các ghép kênh theo thời gian Năm 1973 Hasegawa Tappert đa đa khả tạo Soliton việc sử dụng laser màu phát dãy xung ps cửa sổ quang 1550 nm Soliton quang lý tởng truyền không méo cự ly dài, nhng suy hao sợi thực tế tán xạ Rayley không tránh khỏi việc bù tổn hao quan trọng để giữ chất Soliton Hiện hầu hết vấn đề khó khăn đợc giải cách dùng EDFA ( Erbium Doped Fiber optical Amplifier : khuếch đại quang sợi trộn Erbium) 10.3 Triển vọng thông tin soliton quang Xung Soliton quang không thay đổi hình dạng truyền sợi quang SPM bù dãn xung Sự dãn xung tạm thời giá trị tuyệt đối 133 GVD đợc bù cách nén SPM với GVD âm, làm cho xung quang ổn định Trong sợi quang, GVD âm ( tán sắc ) tồn vùng bớc sóng dài 1300 nm, nên Soliton quang đợc tạo có suy hao cực tiểu vùng 1500 nm Hình 10.2 minh hoạ tóm tắt phơng pháp thực thông tin quang đờng dài với dung lợng lớn Thông tin quang đờng dài thông lợng lớn A ứng dụng xung soliton quang B Truyền dẫn xung tốc độ cao bớc sóng có tán xạ băng không Ghép theo thời gian, cự ly dài,tốc độ lớn Thông tin soliton quang sử dụng GVD âm Ghép theo tần số,cự ly dài, tốc độ lớn Truyềndẫn quán ghép kênh theo bơc sóng Truyềndẫn quán ghép kênh theo bơc sóng Truyềndẫn quán ghép kênh theo bơc sóng Truyềndẫn quán ghép kênh theo bơc sóng Hình 10.2 Các phơng pháp thông tin đờng dài, dung lợng lớn Triển vọng thông tin soliton Các soliton đợc tạo vùng suy hao cực tiểu; Truyền dẫn xung ngắn cự ly dài, cho phép thông tin tốc độ cực cao; Không bị méo dạng xung sóng cự ly dài, đăc dụng thông tin đờng dài; Không bị tán sắc nên không cần đặt xác xung vùng tán sắc không 10.4 Khuếch đại soliton quang Điều quan trọng việc bù tổn hao sợi quang cách khuếch đại quang để trì lợng Soliton cự ly dài 134 Trên hình 10.3 giới thiệu hai phơng pháp truyền dẫn Soliton cự ly dài: Nguồn Raman Nguồn Raman Nguồn bơm 1480 nm Nguồn bơm 1480 nm Hình 10.3a Khuếch đại Raman tán xạ EDFA EDFA Hình 10.3b Khuếch đại EDFA tập trung 10.4.1 Khuếch đại quang phân tán Dùng khuếch đại Ra man hay sợi quang phủ Erbium phân tán Hệ số khuếch đại sợi quang thuỷ tinh nhỏ nên cần phải có laser công suất lớn làm nguồn bơm, khuếch đại có tạp âm ( 2.a) 10.4.2 Khuếch đại dùng EDFA Đây phơng pháp u việt để truyền Soliton ( 2b) Cần ý kỹ thuật có phạm vi khuếch đại rộng, với điều kiện khoảng cách trạm lặp ngắn so với chu kỳ Soliton phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn cực đại yêu cầu Khi sử dụng sợi quang bình thờng, công suất Soliton khoảng 1W không dễ tạo từ laser diode Nhng sử dụng sợi quang có tán sắc dịch chuyển, ví dụ với độ rộng xung Soliton 20ps công suất đỉnh Soliton vài mW Với công suất đỉnh nhỏ nh vậy, ta tạo nên hệ thống truyền dẫn sử dụng sợi EDFA Với tốc độ truyền dẫn thấp nhỏ 10Gbit/s cự ly vài ngàn km, hệ thông IM ( điều chế cờng độ), DD ( tách sóng trực tiếp ) tỏ u việt truyền dẫn Soliton Đã có nhiều triển vọng truyền dẫn tín hiệu mã NRZ cự ly dài Với tốc độ truyền dẫn lớn 20Gbit/s hệ thống Soliton lại u việt IM DD Nhng truyền dẫn Soliton cự ly cực đại bị hạn chế tơng tác cố kết tạp âm khuếch đại, đợc gọi giới hạn GordonHaus 135 10.4 Các thử nghiệm truyền soliton tốc độ siêu cao Hiện công nghệ truyền Soliton chủ yếu sử dụng khuếch đại quang phủ Erbium Đã có thử nghiệm truyền dẫn số liệu tốc độ cao cự ly dài với tín hiệu giả ngẫu nhiên giới thiệu thử nghiệm truyền dẫn số liệu Soliton với tốc độ 20Gbit/s qua cự ly 2000 km 40 G bit/s qua cự ly 1000 km Độ rộng xung 12ps Xung đợc điều chế 10Gbit/s với chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên 223 1, sử dụng điều chế LiNbO Để đạt đợc xung 20 G bit, ngời ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh với ghép quang 3dB Đối với 40 Gbit/s thử nghiệm dùng kỹ thuật ghép phân cực cho phép tốc độ bit gấp hai lần ( x20Gbit/s) Sợi để truyền Soliton sợi tán sắc dịch chuyển với tán sắc tốc độ nhóm trung bình -0,4 ps/km/nm bớc sóng 1552 nm Các xung mã đợc EDFA khuếch đại đến mức công suất Soliton trung bình + 1dB Công suất đỉnh Soliton mW Khoảng cách lặp lại EDFA 50 km, với suy hao tổng 11,5 dB Mỗi EDFA gồm bơm laser InGaAsP 1480 nm, ghép kênh WDM ( Wavelength Division Multiplexer), cách ly, sợi Erbium lọc quang nm Sau truyền qua 2000 km, Soliton tín hiệu quang phân kênh thành 10 Gbit/s sử dụng điều chế LiNbO mạch tách đồng hồ Tín hiệu 40 Gbit/s đợc tách rẽ chùm phân cực thành hai tín hiệu 20 Gbit/s Sau 10 Gbit/s đợc diode quang PIN tách 136 Tài liệu tham khảo M.J.N Sibley, Optical communication, Second Edition, MACMILLAN, 1995 B Zeitler, Telcom Report: Optical Communication V.6 1983 S Geckeler, Telcom Report: Optical Communication , Basic Principle V.6 1983 H Schneider, Telcom Report: Optical Communication , Cables, V.6 1983 Ch Clemen, Telcom Report: Optical Communication , Active and Passive components, V.6 1983 E Braun, Telcom Report: Optical Communication , Systems and Equipment, V.6 1983 E Klement, Telcom Report: Optical Communication, Measuring, Testing, /quality Assurance, V.6 1983 Vũ Duy Phú, Một số vấn đề Quang điện tử, quang tử kiến nghị, Tạp chí Bu Viễn thông, 5/1997 Vũ Van San, Trần Thị Thuý Bình, Yêu cầu kỹ thuật cáp sợi quang mạng viễn thông việt nam, Tạp chí Bu Viễn thông, 12/1997 10 Lơng Minh, Truyền dẫn Soliton quang, NTT Review Vol.6, 1994 11 S.E Miller; A.G Chynoweth, Opyical Fiber Telecommunications, Toronto, John Wiley & Sons 1980 12 J Mullerr Photodidoe for Optical Communication, Advances in Electronics and Electron Physics, Vol.55 Acedemic Press, Inc,1981 13 F.P Kapron, Radiation loss in Glass Optical Wave Guides, Appl Phys Let., 10 1970 137 ... cầu kỹ thuật sợi quang hệ thống thông tin quang sợi mạng viễn thông Đồng thời giới thiệu số khả phát triển thông tin quang tơng lai mà chủ yếu tập trung vào thông tin Soliton quang Mặc dầu giáo... giới thiệu số hệ thông tin quang thông thờng ứng dụng số yêu cầu kỹ thuật sợi quang hệ thống thông tin quang sợi Hớng phát triển tơng lai thành tựu Soliton quang truyền thông tin Soliton đợc bàn... đợc sử dụng thông tin quang Với thông tin tầm trung từ 500m đến 1km thông thờng sử dụng sợi quang lõi thuỷ tinh, vỏ plastic, gọi PCS Cả hai loại sợi quang plastic sợi quang thuỷ tinh vỏ plastic