đặt vấn đề, giới thiệu sơ nét về tín hiệu chirp, các kỹ thuật xác định vị trí lỗi cáp. Chƣơng này cũng giới thiệu lý do và mục đích chọn đề tài này, giới thiệu phạm vi và phƣơng thức nghiên cứu của đề tài, lƣu đồ khảo sát, đƣa ra một số đóng góp của đề tài này. Chi tiết thực hiện sẽ đƣợc làm rõ trong các chƣơng sau. HVTH: Bùi Công Bảo Kim Trang 19 MSHV: 12140027 Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirped GVHD: TS.
Phạm Quang Thái Chƣơng 2: Lý thuyết tổng quan và tình hình nghiên cứu 2.1 Sơ lƣợc lý thuyết thông tin quang Một hệ thống truyền dữ liệu bao gồm 5 thành phần cơ bản: bộ phát, bộ thu, môi trƣờng truyền, message và các protocol. Hệ thống thông tin quang là một phần của hệ thống truyền dữ liệu mà trong đó xét đến ba thành phần cơ bản: bộ phát quang, bộ thu quang, sợi quang là môi trƣờng truyền dẫn. Nhƣ vậy, để sơ lƣợc lý thuyết thông tin quang, tôi xin điểm lại một vài chủ điểm sau: Sợi quang truyền dẫn: suy hao (do hấp thụ, do tán xạ, do uốn cong), tán sắc (intermodal, chromatic, polarization), hiệu ứng phi tuyến (SPM, CPM, FWM). Bộ phát Laser: dòng ngƣỡng, hiện tƣợng Auger, đặc tuyến điều chế, hiện tƣợng chirp, nhiễu nguồn RIN.
Bộ thu quang (PIN, APD): đáp ứng bộ thu, băng thông điều chế, các loại nhiễu bộ thu, thông số NEP. Các loại điều chế: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài.1 Sợi quang truyền dẫn Ánh sáng mang bản chất sóng điện từ và hạt photon. Nguyên tắc lan truyền sóng ánh sáng trong sợi quang theo lý thuyết trƣờng điện từ. Do đó, từ hệ phƣơng trình Maxwell ta có đƣợc mode (trƣờng sóng ánh sáng) HE11 là mode cơ bản trong sợi quang.
Và sợi quang đơn mode là sợi quang chỉ có một mode cơ bản truyền ánh sáng. Ta xét sợi quang đơn mode SMF là trƣờng truyền dẫn cho bài luận văn này. Ba vấn đề cơ bản của một sợi quang truyền dẫn đó là suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến.1 Suy hao Suy hao: dạng tín hiệu không thay đổi nhƣng công suất tín hiệu thay đổi. HVTH: Bùi Công Bảo Kim Trang 20 MSHV: 12140027 Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirped GVHD: TS.
Phạm Quang Thái Hệ số suy hao [14] 10 P( z ) (dB / km) log (2.1) z P(0) P(z) là công suất ở z km, P(0) là công suất ở 0 km. Ba nguyên nhân gây ra suy hao: suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ, suy hao do uốn cong. Suy hao do hấp thụ gồm có hai loại: Extrinsic: không do bản thân sợi quang; do các ion, tạp chất, hơi nƣớc (có tính hấp thụ ánh sáng) lẫn vào chất tạo sợi quang. Ta có thể giảm hấp thụ loại này bằng cách giảm tạp chất.
Intrinsic: do bản thân nội tại sợi quang, bản thân silicon tạo sợi quang cũng hấp thụ ánh sáng với hai kiểu: ánh sáng hồng ngoại hấp thụ do kết nối silicon-oxygen và ánh sáng cực tím hấp thụ bởi silica. Suy hao do tán xạ có: kiểu elastic (không sinh ra bƣớc sóng mới, tán xạ tuyến tính) và kiểu inelastic (sinh ra bƣớc sóng mới, tán xạ phi tuyến). Tán xạ Rayleigh: elastic, một phần ánh sáng bị tán xạ theo hƣớng khác nhƣng chủ yếu là hƣớng quay về. Tán xạ Rayleigh phát sinh do các biến động về mật độ của môi trƣờng ở cấp độ rất nhỏ.
Suy hao do tán xạ Rayleigh giảm khi bƣớc sóng tăng. Hệ số tán xạ Rayleigh là s ở bƣớc sóng đƣợc mô tả ở phƣơng trình (2.2) 4 M là một thông số có giá trị trong đoạn [0.9] với thứ nguyên (dB/km). Suy hao do tán xạ Rayleigh giảm một cách nhanh chóng khi bƣớc sóng tăng do phụ thuộc vào 4. Hệ số s đại diện cho một phần năng lƣợng bị tán xạ do ảnh hƣởng của tán xạ Rayleigh mang thứ nguyên là dB/km.
HVTH: Bùi Công Bảo Kim Trang 21 MSHV: 12140027 Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirped GVHD: TS. Phạm Quang Thái Tán xạ Mie: elastic, do cấu trúc không đồng nhất về bề mặt (nhƣ cắt sợi bị mẻ mặt), tán xạ này theo chiều tới. Tán xạ Raman: inelastic, do công suất đƣa vào sợi quang lớn hoặc lõi sợi quang nhỏ làm cho các phân tử dao động, photon tƣơng tác với sự dao động của các phân tử, photon va chạm với một phân tử đang dao động thì photon mất một phần năng lƣợng và chuyển thành photon có bƣớc sóng khác, năng lƣợng mất đi có thể đƣợc truyền vào một photon khác và chuyển photon đó lên bƣớc sóng khác, có thể gây nhiễu xuyên kênh nếu photon có bƣớc sóng mới sinh ra trùng với photon đã có. Tán xạ này theo cả hƣớng quay về và hƣớng theo chiều tới.
Tán xạ Brillouin: inelastic, do công suất đƣa vào sợi quang lớn hoặc lõi sợi quang nhỏ làm cho các phân tử rung động theo nhiệt trƣớc và tạo những làn sóng thay đổi, kết quả là n thay đổi tuần tự chạy dọc n1, n2, n1…, ánh sáng tới va chạm vào làn sóng chạy dọc và tán xạ hƣớng quay về. Hiện tƣợng này gây ảnh hƣởng đến năng lƣợng sinh ra nằm sát năng lƣợng bƣớc sóng đƣa vào nên có thể chạy ngƣợc về nguồn làm hỏng laser. Để khắc phục, ta có thể dùng bộ isolator ngăn ánh sáng chạy ngƣợc về nguồn. Ngƣỡng công suất gây tán xạ Brillouin sẽ thấp hơn ngƣỡng công suất gây tán xạ Raman.
Suy hao do uốn cong: gồm uốn cong vi mô và uốn cong vĩ mô. Uốn cong vi mô là những tƣơng tác mức độ thấp vào sợi quang (nhƣ tạo một áp lực lên sợi quang). Uốn cong vĩ mô đƣợc quy định theo một ngƣỡng giá trị phụ thuộc vào bƣớc sóng và khẩu độ số NA. Suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng được truyền.
Theo tài liệu [8], ta có hình vẽ (2. Trong đó, ta nhận thấy trong sợi quang đơn mode: những bƣớc sóng gần 1550 nm suy hao khoảng 0.2 dB/km, suy hao ở bƣớc sóng 1310 nm và 1490 nm lần lƣợt là 0.32 dB/km và 0. Rõ ràng, ta thấy rằng suy hao của sợi quang giảm dần từ bƣớc sóng 1310 nm đến 1490 nm đến 1550 nm. Các tạp chất nhƣ ion OH gây ra rung động cộng hƣởng dẫn đến đỉnh hấp thụ xung quanh bƣớc sóng 1390 nm.
HVTH: Bùi Công Bảo Kim Trang 22 MSHV: 12140027 Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirped GVHD: TS. Phạm Quang Thái Hình 2.1 Suy hao theo bƣớc sóng 2.2 Tán sắc Tán sắc làm thay đổi dạng tín hiệu nhƣng công suất không đổi. Các loại tán sắc: Intermodal: xảy ra trong sợi đa mode. Trong sợi đa mode, ánh sáng truyền qua những đƣờng đi khác nhau (mode khác nhau nên công suất cho mỗi mode khác nhau là khác nhau) nên các thời điểm đến khác nhau trong một xung.
Vì thế, xung bị kéo giãn tại bộ thu. Kéo giãn do đa mode khá lớn nên có giới hạn 2 km cho sợi đa mode vì có sự chồng lấn tín hiệu. Intramodal hay Chromatic: xảy ra trong sợi đơn mode Vật liệu (material): với ánh sáng có nhiều bƣớc sóng khác nhau, các bƣớc sóng khác nhau có chiết suất n khác nhau nên khi truyền thì vận tốc v = c/n nên v khác nhau, thời gian t khác nhau nên các bƣớc sóng đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây tán sắc. Ống dẫn sóng (waveguide): ngay cả khi ánh sáng chỉ có một bƣớc sóng chạy qua sợi đơn mode, ánh sáng truyền trong sợi quang (phụ thuộc vào hình dạng ống dẫn sóng hay sợi quang) HVTH: Bùi Công Bảo Kim Trang 23 MSHV: 12140027 Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirped GVHD: TS.
Phạm Quang Thái có một phần truyền trong lõi với n1 và phần còn lại truyền ở cladding với n2 (Maxwell), nên vận tốc trong lõi và ngoài lõi khác nhau gây tán sắc do ống dẫn sóng. Polarization: tán sắc do phân cực thƣờng có giá trị rất nhỏ. Giả sử ánh sáng chỉ chạy trong lõi thì vẫn bị sự không đồng nhất về chiết suất n gây tán sắc. Ánh sáng trong sợi quang phân cực tròn.
Trong sợi quang, nó không đồng nhất về chiết suất thì chiết suất theo hai hƣớng phân cực là khác nhau nên tốc độ truyền ánh sáng theo các phân cực là khác nhau gây tán sắc do phân cực. Tán sắc có thể dƣơng hoặc âm. Đơn vị: ps/nm.km, truyền 1 km, với độ rộng xung ban đầu 1 nm thì xung bị kéo giãn sau khi truyền thêm 1 ps. Cũng giống nhƣ suy hao của sợi quang, tán sắc sợi quang cũng phụ thuộc vào bƣớc sóng đƣợc thể hiện trong hình 2.2 Tán sắc chromatic theo bƣớc sóng Ta thấy rằng, tán sắc của sợi quang tăng theo bƣớc sóng, tán sắc sợi quang gần bằng 0 xung quanh bƣớc sóng 1300 nm, ở bƣớc sóng 1310 nm tán sắc gần bằng 3 ps/km/nm, ở bƣớc sóng 1490 nm tán sắc gần bằng 10 ps/km/nm, ở bƣớc sóng 1550 nm tán sắc gần bằng 16.75 ps/km/nm.
HVTH: Bùi Công Bảo Kim Trang 24 MSHV: 12140027 Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirped GVHD: TS. Phạm Quang Thái 2.3 Hiệu ứng phi tuyến SPM (Shelf Phase Modulation) là hiện tượng tự điều chế pha, xảy ra khi cho công suất quang lớn biến thiên vào sợi quang dẫn đến tần số tín hiệu thay đổi theo quy luật công suất càng tăng thì tần số càng giảm và ngƣợc lại, dẫn đến giãn xung trong cả miền tần số và miền thời gian. Hiện tƣợng này xảy ra ở hệ thống đơn kênh. CPM (Cross Phase Modulation) là hiện tượng điều chế pha chéo.
Hiện tƣợng này xảy ra trong hệ thống đa kênh. Công suất quang vào lớn và biến thiên của một kênh A làm thay đổi chiết suất sợi quang. Một kênh B khác cùng truyền song song với kênh đó sẽ bị ảnh hƣởng dƣới tác động của môi trƣờng sợi quang có chiết suất thay đổi mặc dù B có công suất trong mức không gây thay đổi chiết suất. Tóm lại, công suất A ảnh hƣởng đến hình dạng của B thông qua thay đổi pha (pha nhanh chậm) thì ta gọi đó là hiện tƣợng điều chế pha chéo.
CPM gây crosstalk và giãn xung tín hiệu. CPM chủ yếu xuất hiện khi ghép kênh đa bƣớc sóng. Ta có thể lợi dụng hiện tƣợng này để chuyển tín hiệu từ bƣớc sóng này qua bƣớc sóng khác. FWM (Four Wave Mixing): xảy ra khi có từ hai bƣớc sóng trở lên, mỗi bƣớc sóng theo các hàm sin ω1t, sin ω2t.
Từ đó, ta cộng trừ sẽ ra các thành phần hài.