Luận văn thạc sĩ về ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton

Tổng hợp kiến thức Ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong chuyên

• Tác giả: Tạ Quang Hậu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Đình Chiến
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Chirp Tần Số Trong Hệ Thống Thông Tin Soliton
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG
• 1.1. Sự phát triển của thông tin quang
• 1.2. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang
• 1.3. Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
• 1.4. Một số yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SOLITON
• 2.1. Ảnh hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản
• 2.2. Tán xạ ánh cưỡng bức SRS và SBS
• 2.3. Tự biến điệu pha SPM (self-phase modulation) và biến điệu chéo pha XPM (cross-phase modulation)
• 2.4. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing)
• 2.5. Hệ thống truyền dẫn Soliton
• 2.6. Khái niệm về soliton
• 2.7. Mô hình hệ thống chung. Truyền thông tin với các soliton
• 2.8. Mở rộng xung soliton do hao phí
• 2.9. Khuếch đại soliton. Những xung sáng dạng Gauss với tần số thay đổi theo thời gian. Xung Super Gauss
• 3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA CHIRP TẦN SỐ LÊN TÍNH CHẤT SOLITON CỦA XUNG QUANG HỌC
• 3.1. Phương trình Shrodinger phi tuyến
• 3.2. Tương tác hai Soliton. Chirp tần số. Khảo sát sự tương tác hai Soliton
• 3.3. Khảo sát sự tương tác hai Soliton cùng biên độ, cùng pha ban đầu theo khoảng phân cách giữa hai soliton
• 3.4. Khảo sát tương tác của hai Soliton cùng pha ban đầu nhưng khác biên độ
• 3.5. Khảo sát tương tác hai Soliton cùng biên độ nhưng khác pha ban đầu. Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất soliton của xung truyền trong sợi quang
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Ảnh hưởng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton

Chirp tần số là một yếu tố quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống thông tin soliton. Chirp tần số ảnh hưởng đến tính chất của soliton, đặc biệt là trong việc duy trì hình dạng và độ ổn định của xung truyền. Khi xung quang học di chuyển qua môi trường phi tuyến, hiện tượng tán sắc và tự biến điệu pha có thể làm méo dạng tín hiệu. Việc khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số giúp hiểu rõ hơn về cách thức mà các soliton tương tác với nhau trong quá trình truyền dẫn. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc tối ưu hóa các hệ thống thông tin quang, đặc biệt là trong các mạng truyền dẫn quang hiện đại.

1.1. Khái niệm về chirp tần số

Chirp tần số đề cập đến sự thay đổi tần số của xung quang theo thời gian. Trong hệ thống thông tin soliton, tần số chirp có thể được điều chỉnh để cải thiện khả năng truyền dẫn và giảm thiểu hiện tượng méo dạng tín hiệu. Việc hiểu rõ về tín hiệu chirp cho phép các nhà nghiên cứu phát triển các phương pháp điều chế hiệu quả hơn, từ đó nâng cao chất lượng truyền dẫn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa chirp tần số có thể giúp tăng cường khả năng chống lại tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến khác trong sợi quang. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các công nghệ truyền thông quang hiện đại, nơi mà yêu cầu về băng thông và độ tin cậy ngày càng cao.

1.2. Tương tác giữa các soliton

Tương tác giữa các soliton là một khía cạnh quan trọng trong nghiên cứu hệ thống thông tin soliton. Khi hai soliton di chuyển gần nhau, ảnh hưởng của chirp tần số có thể làm thay đổi cách thức mà chúng tương tác. Nghiên cứu cho thấy rằng, nếu chirp tần số của hai soliton khác nhau, chúng có thể gây ra hiện tượng tán sắc và méo dạng tín hiệu. Việc khảo sát sự tương tác này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về động lực học của soliton mà còn mở ra hướng đi mới cho việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn quang hiệu quả hơn. Các mô hình toán học và mô phỏng thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh chirp tần số có thể giúp tối ưu hóa khoảng cách truyền dẫn và giảm thiểu tổn thất tín hiệu.

1.3. Ứng dụng thực tiễn của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton

Ứng dụng của chirp tần số trong hệ thống thông tin soliton rất đa dạng. Trong các mạng truyền dẫn quang hiện đại, việc tối ưu hóa chirp tần số có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất truyền dẫn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng tín hiệu chirp có thể giúp giảm thiểu hiện tượng méo dạng và tán sắc, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu. Hơn nữa, trong các ứng dụng như truyền thông quang tốc độ cao và mạng quang, việc điều chỉnh chirp tần số có thể giúp tăng cường khả năng chống lại các yếu tố gây nhiễu, đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách ổn định và hiệu quả. Điều này không chỉ có lợi cho các nhà nghiên cứu mà còn cho các nhà sản xuất thiết bị truyền thông quang.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh bùng nổ thông tin toàn cầu từ những năm 1990, hệ thống thông tin quang đã trở thành nền tảng quan trọng cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao với khả năng truyền xa và suy hao thấp. Theo báo cáo ngành, công nghệ sợi quang hiện nay có thể truyền tín hiệu âm thanh và dữ liệu đến hàng trăm km chỉ với một sợi quang có đường kính bằng sợi tóc, không cần bộ tái tạo tín hiệu. Tuy nhiên, các hiện tượng tán sắc ánh sáng và hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang gây méo dạng tín hiệu, làm giảm chất lượng truyền dẫn. Đặc biệt, trong các hệ thống truyền dẫn Soliton – một hướng phát triển tiên tiến nhằm giảm thiểu tán sắc – vẫn tồn tại các ảnh hưởng phức tạp của chirp tần số lên tính chất xung quang học.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton trong hệ thống thông tin quang, nhằm nâng cao hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu méo dạng tín hiệu. Nghiên cứu tập trung vào các hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tương tác giữa các Soliton với các điều kiện chirp khác nhau, trong phạm vi các sợi quang đơn mode và bước sóng vận hành phổ biến tại vùng 1,55 µm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống truyền dẫn Soliton, góp phần phát triển công nghệ thông tin quang tốc độ cao, bền vững và hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết tán sắc và hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang: Bao gồm tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng, tán sắc bậc cao, và các hiệu ứng phi tuyến như tự biến điệu pha (SPM), biến điệu chéo pha (XPM), tán xạ Raman cưỡng bức (SRS), tán xạ Brillouin cưỡng bức (SBS), và hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM). Các hiệu ứng này ảnh hưởng trực tiếp đến sự mở rộng xung và méo dạng tín hiệu trong truyền dẫn quang.

• Mô hình truyền dẫn Soliton: Soliton là xung quang lan truyền trong môi trường phi tuyến với sự cân bằng giữa tán sắc vận tốc nhóm (GVD) và hiệu ứng phi tuyến Kerr, giúp duy trì hình dạng xung không đổi trên khoảng cách dài. Mô hình toán học sử dụng phương trình Schrödinger phi tuyến để mô tả sự tương tác và biến đổi của Soliton trong sợi quang.

• Khái niệm chirp tần số: Chirp là sự thay đổi tần số theo thời gian trong xung quang, có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, ảnh hưởng đến tính chất Soliton và sự tương tác giữa các xung. Chirp tần số được xem là một yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh và tối ưu hóa truyền dẫn Soliton.

Các khái niệm chính bao gồm: tán sắc tốc độ nhóm (GVD), hiệu ứng Kerr, Soliton cơ bản, chirp tuyến tính và phi tuyến, tương tác Soliton (cùng pha, khác pha, khác biên độ), và các thông số sợi quang như hệ số tán sắc β2, hệ số phi tuyến γ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp mô phỏng số dựa trên phương trình Schrödinger phi tuyến để khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton. Cỡ mẫu nghiên cứu là các trường hợp mô phỏng với các giá trị chirp khác nhau (tuyến tính và phi tuyến), biên độ, pha ban đầu và khoảng cách phân cách giữa các Soliton.

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các thông số thực nghiệm và lý thuyết từ các nghiên cứu trước về sợi quang silica đơn mode, các hệ số tán sắc và phi tuyến điển hình (β2 ≈ -1 ps²/km, γ ≈ 2 W⁻¹km⁻¹), cùng các thông số chirp được lựa chọn phù hợp với điều kiện thực tế trong hệ thống thông tin quang.

Phương pháp phân tích chủ yếu là mô phỏng số bằng các thuật toán giải phương trình Schrödinger phi tuyến, phân tích sự biến đổi biên độ, pha, và độ rộng xung Soliton khi truyền qua sợi quang có các điều kiện chirp khác nhau. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của chirp tuyến tính lên Soliton: Mô phỏng cho thấy khi chirp tuyến tính tăng từ 0 đến 50, độ rộng xung Soliton có xu hướng mở rộng đáng kể, làm giảm khả năng duy trì hình dạng xung. Ví dụ, với chirp C=10, độ rộng xung tăng khoảng 30% so với trường hợp không chirp, và với C=50, độ rộng xung tăng trên 70%. Điều này làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng nguy cơ chồng lấn giữa các xung.

2. Ảnh hưởng của chirp phi tuyến: Chirp phi tuyến có tác động phức tạp hơn, khi giá trị chirp tăng từ 0 đến 10, Soliton vẫn duy trì hình dạng tương đối ổn định, nhưng khi chirp vượt quá 10, hiện tượng méo dạng và mở rộng xung xuất hiện rõ rệt. So với chirp tuyến tính, chirp phi tuyến có thể làm giảm mức độ mở rộng xung trong một số điều kiện nhất định.

3. Tương tác giữa hai Soliton với chirp khác nhau: Khi hai Soliton cùng pha ban đầu nhưng có biên độ khác nhau và chirp tần số khác nhau, sự tương tác phụ thuộc mạnh vào khoảng cách phân cách ban đầu. Với khoảng cách nhỏ hơn 2 lần độ rộng xung, hiện tượng tương tác mạnh gây biến dạng xung và dịch pha. Khi khoảng cách lớn hơn 3 lần, ảnh hưởng tương tác giảm xuống dưới 10%, cho phép truyền dẫn ổn định hơn.

4. So sánh với các nghiên cứu trước: Kết quả phù hợp với các báo cáo ngành về ảnh hưởng của chirp lên Soliton, đồng thời mở rộng hiểu biết về vai trò của chirp phi tuyến trong việc duy trì tính chất Soliton. Các biểu đồ mô phỏng thể hiện rõ sự thay đổi biên độ và pha của Soliton theo thời gian và khoảng cách truyền dẫn, minh họa trực quan cho các phát hiện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự mở rộng xung và méo dạng Soliton khi có chirp là do sự mất cân bằng giữa tán sắc vận tốc nhóm và hiệu ứng phi tuyến Kerr. Chirp tuyến tính làm tăng sự lệch pha theo thời gian, dẫn đến sự lan rộng phổ và giảm khả năng duy trì hình dạng xung. Trong khi đó, chirp phi tuyến có thể tạo ra các hiệu ứng bù trừ một phần, giúp Soliton ổn định hơn trong một số điều kiện.

So với các nghiên cứu trước, luận văn đã bổ sung phân tích chi tiết về tương tác giữa các Soliton có chirp khác nhau, cung cấp cơ sở cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn Soliton với khả năng chống nhiễu và méo dạng cao hơn. Kết quả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát chirp trong nguồn phát và trong quá trình truyền dẫn để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự thay đổi độ rộng xung theo giá trị chirp, đồ thị tương tác pha giữa hai Soliton, và bảng so sánh các thông số biên độ, pha, và độ rộng xung dưới các điều kiện khác nhau, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Kiểm soát chirp tần số tại nguồn phát: Đề xuất sử dụng các laser bán dẫn có khả năng phát xung với chirp thấp hoặc có thể điều chỉnh chirp tuyến tính và phi tuyến nhằm giảm thiểu méo dạng xung. Mục tiêu giảm chirp xuống dưới 10 để duy trì độ rộng xung ổn định, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi các nhà sản xuất thiết bị quang học.

2. Thiết kế sợi quang tán sắc dịch chuyển: Khuyến nghị sử dụng sợi quang có tán sắc dịch chuyển hoặc tán sắc phẳng để bù trừ hiệu quả tán sắc vật liệu và dẫn sóng, giảm ảnh hưởng của chirp lên Soliton. Thời gian triển khai khoảng 12 tháng, do các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất sợi quang thực hiện.

3. Ứng dụng kỹ thuật khuếch đại phân bố: Áp dụng khuếch đại Raman phân bố dọc theo chiều dài sợi để bù hao phí và duy trì năng lượng Soliton, giúp giảm tác động tiêu cực của chirp trong quá trình truyền dẫn. Thời gian thực hiện 9-12 tháng, do các nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn quang triển khai.

4. Tối ưu hóa khoảng cách giữa các Soliton: Đề xuất duy trì khoảng cách phân cách giữa các Soliton lớn hơn 3 lần độ rộng xung để giảm thiểu tương tác không mong muốn do chirp gây ra, nâng cao chất lượng truyền dẫn. Khuyến nghị áp dụng trong thiết kế hệ thống và điều khiển tín hiệu, thực hiện ngay trong giai đoạn vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ quang học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm quan trọng để phát triển các hệ thống truyền dẫn Soliton hiệu quả, đặc biệt trong việc kiểm soát chirp và tối ưu hóa hiệu ứng phi tuyến.

2. Kỹ sư thiết kế hệ thống truyền dẫn quang: Các kỹ sư có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế hệ thống truyền dẫn với khả năng chống méo dạng và suy hao thấp, nâng cao chất lượng tín hiệu và băng thông truyền dẫn.

3. Nhà sản xuất thiết bị quang học: Thông tin về ảnh hưởng của chirp và các hiệu ứng phi tuyến giúp cải tiến thiết bị phát laser, bộ khuếch đại và sợi quang, đáp ứng yêu cầu truyền dẫn tốc độ cao và ổn định.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành quang học và viễn thông: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá giúp hiểu sâu về các hiện tượng vật lý trong truyền dẫn quang, phương pháp mô phỏng và phân tích hệ thống Soliton.

Câu hỏi thường gặp

1. Chirp tần số là gì và tại sao nó quan trọng trong truyền dẫn Soliton?
   Chirp tần số là sự thay đổi tần số theo thời gian trong xung quang. Nó ảnh hưởng đến sự cân bằng giữa tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, làm thay đổi hình dạng và độ rộng xung Soliton, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn.

2. Hiệu ứng phi tuyến nào ảnh hưởng nhiều nhất đến Soliton?
   Tự biến điệu pha (SPM) là hiệu ứng phi tuyến chủ yếu ảnh hưởng đến Soliton, giúp duy trì hình dạng xung bằng cách cân bằng với tán sắc vận tốc nhóm. Tuy nhiên, các hiệu ứng khác như XPM và FWM cũng có thể gây méo dạng trong hệ đa kênh.

3. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của chirp trong hệ thống?
   Có thể giảm thiểu bằng cách sử dụng nguồn phát có chirp thấp, thiết kế sợi quang tán sắc dịch chuyển, áp dụng kỹ thuật khuếch đại phân bố và tối ưu hóa khoảng cách giữa các Soliton để giảm tương tác.

4. Sự khác biệt giữa chirp tuyến tính và phi tuyến là gì?
   Chirp tuyến tính là sự thay đổi tần số theo thời gian theo hàm tuyến tính, trong khi chirp phi tuyến có sự thay đổi phức tạp hơn do tương tác phi tuyến trong môi trường truyền dẫn, có thể giúp bù trừ một phần tán sắc.

5. Tại sao Soliton lại được ưu tiên trong truyền dẫn quang tốc độ cao?
   Soliton duy trì hình dạng xung không đổi trên khoảng cách dài nhờ cân bằng giữa tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, giúp giảm méo dạng và suy hao tín hiệu, phù hợp với yêu cầu truyền dẫn tốc độ cao và khoảng cách xa.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của chirp tần số (tuyến tính và phi tuyến) lên tính chất Soliton trong hệ thống thông tin quang, với các kết quả mô phỏng cụ thể minh họa sự thay đổi độ rộng và pha xung.
• Nghiên cứu làm rõ vai trò của các hiệu ứng phi tuyến cơ bản như SPM, XPM, SRS, SBS và FWM trong việc duy trì hoặc làm méo dạng Soliton.
• Đề xuất các giải pháp kiểm soát chirp, thiết kế sợi quang và kỹ thuật khuếch đại nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn Soliton.
• Kết quả có ý nghĩa thực tiễn cao cho phát triển công nghệ truyền dẫn quang tốc độ cao, đặc biệt trong các hệ thống Soliton hiện đại.
• Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế các giải pháp đề xuất và mở rộng nghiên cứu sang các hệ thống đa kênh WDM kết hợp Soliton.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực quang học nên áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế hệ thống truyền dẫn, đồng thời tiếp tục phát triển các công nghệ kiểm soát chirp và hiệu ứng phi tuyến nhằm nâng cao chất lượng truyền dẫn quang trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung về thông tin quang, trong phần này sẽ trình bày sự phát triển chung của hệ thông tin quang, các loại sợi quang, một số hệ thông tin quang. Chương 2: Tìm hiểu hệ thống truyền dẫn Soliton. Trong phần này sẽ trình bày ảnh hưởng của một số hiệu ứng phi tuyến cơ bản, tìm hiểu về hệ thống truyền dẫn Soliton, xem xét các dạng xung gauss, xung super gauss Chương 3: Ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học. trong phần này tôi khảo sát sự tương tác Soliton, khảo sát ảnh hưởng của chirp tần số lên tính chất Soliton của xung quang học.

2 z CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu 1.1 Sự phát triển của thông tin quang: Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín hiệu.

Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau. 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp ( 1000dB/Km). Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km.

Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70. Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm. Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm Km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo. Sự ra đời của laser và sợi quang đã góp phần to lớn vào sự phát triển của hệ thống thông tin hiện đại, tiêu biểu là các hệ thống thông tin quang.

3 z Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm ba bộ phận cơ bản sau (như hình 1.1) Thiết bị phát Môi trường Thiết bị thu tín tín hiệu truyền dẫn hiệu Hình 1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền trong môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang). Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực (ánh sáng bị điều biến theo qui luật của tín hiệu điện). Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng nh sợi thạch anh, sợi thuỷ tinh, sợi nhựa.

Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu). Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu. Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ năng lượng điện ít. Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn.

Trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại. Tín hiệu đã được khuyếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyến cáp sợi quang. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang: Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhược điểm riêng: 4 z Ƣu điểm : Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian và ngược lại nó cũng không phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh. Như vậy các tín hiệu truyền qua sợi quang không thể bị nghe lén được.

Tin tức được đảm bảo bí mật Giá thành của hệ thống dẫn tín hiệu bằng cáp kim loại đắt hơn so với cáp sợi quang. Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu. Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ. Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện, IC lozic TTC và CMOS.

Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có hiệu ứng thời gian trễ như ở thông tin vệ tinh. Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay Time- Multiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10GHz. Nhƣợc điểm.

Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại. Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong sợi quang. Khi có nước, hơi ấm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các mối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao. Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp.

Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog. Không thể truyền mã lưỡng cực. Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ 5 z được sử dụng trong ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng như trong các thiết bị đo. Với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn là sợi quang.

Sợi quang là một trong những thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang. Trong hệ thống thông tin quang sợi, sợi quang đóng vai trò là môi trường truyền dẫn và thực hiện truyền ánh sáng từ phía phát tới phía thu. Sợi quang có bán kính từ 5 20µm hay được sử dụng và tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà sợi quang có bán kính khác nhau. Truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sáng được truyền dẫn chỉ trong lõi sợi bằng phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng. Ánh sáng từ nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ và ánh sáng được tập trung lại để đưa vào sợi quang mà chỉ một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định nào đó mới có thể được đưa vào lõi sợi quang. Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang được trình bày (như hình 1. Sơ đồ truyền ánh sáng trong sợi quang Tại điểm A nơi ánh sáng đưa vào sợi quang được chia làm ba môi trường liền nhau có chiết suất khúc xạ khác nhau đó là môi trường không khí, môi trường lõi, vỏ sợi quang.

Góc là góc nhận lớn nhất và có góc là góc tới hạn.  max 6 z Áp dụng định luật khúc xạ và phản xạ tại các mặt biên tiếp giáp giữa không khí và lõi, giữa lõi và vỏ thì ta có phương trình: sin m  n1 sin c  (1.2) tính được góc mở lớn nhất là:   n2  2     sin  max  n1 1   n    n2 2  n1 2  n1 2     1  (1.3) Với là độ lệch chiết suất tương đối và được gọi là khẩu độ số (NA), nó cho biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang. Nhưng loại sợi này không phù hợp cho hệ thông tin quang vì có sự tán sắc nhiều tia hoặc tán sắc giữa các mode Tán sắc nhiều tia là do các tia sáng truyền trong sợi quang với những quãng đường khác nhau do đó, ở đầu cuối của các sợi các tia này không đồng thời ló ra, trong khi tốc độ truyền của các tia trong sợi là như nhau. Các xung bị mở rộng là do các tia truyền với những quãng đường khác nhau.

Có thể đánh giá sự mở rộng xung một cách đơn giản khi tìm được chiều dài ngắn nhất và dài nhất. Chiều dài ngắn nhất khi góc tới và bằng L và chiều dài lớn nhất khi góc tới và bằng L/. Thời gian trễ có thể được tính như sau: Đánh giá tốc độ truyền thông tin dựa vào điều kiện: B Sự tán sắc giữa các mode có thể giảm khi sử dụng loại sợi chiết suất biến đổi đều (graded-index fiber) 7 z Với sợi quang, tham số cơ bản để xác định cấu trúc sợi quang là đường kính lõi sợi, đường kính vỏ, khẩu độ số (NA)…Chúng được gọi là thông số cấu trúc của sợi quang. Các thông số này ảnh hưởng đến một số đặc tính khác nhau của sợi quang như độ suy hao quang, độ rộng băng truyền… Với sợi quang đa mode, có bốn thông số xác định cấu trúc các loại sợi quang đó là đương kính lõi sợi, đường kính lớp vỏ, khẩu độ số (NA) và dạng phân bố chiết suất khúc xạ Phân bố khúc xạ nói chung có thể được xác định như công thức sau: Với 0<r<a Ở đây a, n1 lần lượt là bán kính và chiết suất của lõi sợi Khi quyết định các giá trị của các giá trị thông số này ta phải chú ý đến các ảnh hưởng của mỗi thông số đến các tính chất sợi quang (như hình 1.3) Suy hao quang Đường kính vỏ 2d Tăng suy hao quang do uốn cong hoặc vi uốn cong Đường kính lõi 2a Suy hao chỗ nối Khẩu độ số NA Hiệu suất đưa ánh sáng vào Phân bố chiết suất khúc xạ n (r) Đặc điểm của băng tấn cơ sở Hình 1.