Chapter 2 optical communications20.01

Thông Tin Quang

Tài liệu tham khảo

• Understanding optical communication, IBM redbook, Harry J.R. Dutton

• Kỹ thuật thông tin quang, Vũ Văn San

2

Nội dung § Truyền ánh sáng trên sợi quang § Các loại sợi quang § Các vấn đề trong truyền dẫn ánh sáng: suy hao, tán sắc

§ Tính toán quỹ đường truyền

3

Các dải tần số trong truyền tin §  Việc tăng dung lượng truyền tin và tốc độ yêu cầu các tần số sóng mang cao

§  Hệ thống quang §  Sử dụng các sợi silica có

độ thất thoát cực thấp §  Khởi nguồn với một số

kết nối, ngày nay trên cả toàn mạng

§  Băng thông rất lớn §  Các bộ lặp đặt cách

nhau hàng ngàn km §  Thông tin quang về cơ bản ứng dụng trong §  ATM (MPLS) §  FDDI §  Gb-‐Ethernet

1 GHz->

4 kHz

100 kHz

10 MHz

4

5

Phổ điện từ

802.11: 2.4-5 GHz 0.06 – 0.12 meter

WDM: 800 – 1600 nano-meter

Cách 5 bậc - 105

giữa tần số/bước sóng truyền vô tuyến và quang

Phần 1. Giới thiệu § Alexander Graham Bell là người đầu tiên nghĩ ra ý tưởng sử dụng các sợi thủy tinh để mang tín hiệu thông tin quang.

§ Các sợi và thiết bị quang được chế tạo bắt đầu vào những năm đầu 1960 và vẫn phát triển mạnh mẽ đến ngày nay.

§ Chặng đường phát triển: § Phát minh ra LASER (cuối những năm 50) § Chế tạo ra sợi quang suy haothấp (những năm 70) § Phát minh ra bộ khuếch đại sợi quang ( những năm 80)

§ Phát minh ra bộ in-‐fibre Bragg grating ( 1990) § Ghép kênh theo bước sóng (WDM -‐ wavelength Division Multiplexing), 1998

6

Phần 1: Giới thiệu

§ Sợi cáp quang là gì? § Sợi thủy tinh hay plastic có khả năng dẫn ánh sáng dọc theo trục của nó

§ Sợi cáp bao gồm 3 lớp: § Lớp lõi ( core) § Lớp áo (cladding) § Lớp vỏ bọc (jacket)

7

n1

n2

Cấu tạo sợi quang

8

Dung lượng truyền §  Băng thông:

§ Dải tần sóng rộng 1 nm tại 1550 nm -‐ 133 GHz. § Dải tần sóng rộng 1 nm tại 1310 nm -‐ 177 GHz. §  Tổng thể, phạm vi sử dụng được là khoảng 30 Tera Hertz (3 × 1013 Hz).

(băng thông số trông đợi 3 × 1013 bits / second) §  Tốc độ:

§  Công nghệ hiện tại giới hạn hệ thống electronic: 10 Gbps

§  Tốc độ cao hơn đang được thử nghiệm

9

Ưu điểm § Dung lượng khổng lồ: 1.31 µm hay 1.55 µm cung cấp băng thông 30 THz!!

§ Thất thoát trên đường truyền thấp § sợi cáp quang 0.2 dB/km, cáp đồng 10 … 300 dB/km !

§ Sợi cáp và thiết bị có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn § Máy bay, vệ tinh, tàu bè

§ Có khả năng miễn nhiễm với nhiễu giao thoa § Cách điện

§ Môi trường điện nguy hiểm § Crosstalk không đáng kể

§ Bảo mật tín hiệu § Ngân hàng, mạng máy tính, hệ thống quân sự

§ Vật liệu thô cho các sợi silica rất dồi dào 10

Một số hình ảnh về sợi quang

Cáp sợi có khả năng truyền thông tin tương đương với cáp đồng ở phía sau trong bức ảnh

11

Hạn chế

§ Sợi cáp cần nối với nhau § Sợi cáp bị bẻ cong § Phát triển các chuẩn trong cáp quang chậm § Mối, chuột có thể gặm sợi cáp quang

12

Cấu trúc sợi

§  Sợi quang: một dải thủy tinh silic rất mỏng §  Cấu trúc:

§  Lớp lõi và lớp áo § Hai nhân tố quan trọng:

§ Ánh sáng ít thất thoát khi đi dọc sợi §  Sợi quang có thể uốn cong qua các góc mà ánh sáng vẫn có thể ở lại bên trong sợi và được truyền đi quanh các góc 13

Đặc tính

§ Đặc tính của sợi thủy tinh § Sợi quang không được làm từ thủy tinh cửa sổ! § Vật liệu của sợi quang là silic nấu chảy nguyên chất § Lớp lõi và áo cần có chiết suất khác nhau § =>thay đổi chiết suất – dễ dàng đối với silic nấu chảy

§ Chất pha trộn (Dopant): B2O3, P2O5, TiO2, Al2O3

14

Các loại sợi

§  Chỉ số nhảy bậc đa mode ( multiple mode, step-‐index)

§  Chỉ số biến đổi dần dần đa mode ( multiple mode, graded-‐index)

§  Chỉ số nhảy bậc đơn mode ( single mode, step index)

15

Phân loại sợi quang §  Sợi quang chiết suất nhảy bậc (step-‐index fiber) §  Chiết suất lõi đồng đều, có thay đổi nhảy bậc tại ranh giới với vỏ §  Sợi đơn mode §  Sợi đa mode

§  Sợi quang chiết suất biến đổi (graded-‐index fiber) §  Chiết suất lõi thay đổi theo hàm của khoảng cách bán kính từ tâm sợi §  Sợi đơn mode §  Sợi đa mode

Ưu điểm của sợi đa mode so với sợi đơn mode:

•  Bán kính lõi lớn: dễ ghép công suất quang vào sợi, dễ

kết nối với những sợi tương tự

•  Ánh sáng ghép vào sợi dùng nguồn LED (rẻ tiền, dễ

chế tạo, thời gian sống lâu hơn laser diode)

Nhược điểm của sợi đa mode:

•  Có tán sắc mode: có thể giảm nhỏ bằng cách sử dụng

sợi chiết suất biến đổi (graded-‐index fiber)

Các loại sợi quang

§ Sợi thủy tinh: § Suy hao thấp nhất, giá thành cao nhất, được sử dụng rộng rãi nhất

§ Thủy tinh là chất silicon dioxide siêu trong suốt và tinh khiết hay thạch anh nấu chảy.

§ Lớp lõi và lớp áo đều làm bằng thủy tinh § Tạp chất được pha thêm vào thủy tinh tinh khiết để thu được chiết suất mong muốn § Germani hoặc phốt pho à tăng chiết suất § Nguyên tố Bo hoặc Flo à giảm chiết suất

18

Các loại sợi quang § Sợi chất dẻo:

§ Suy hao cao nhất, giá thành thấp nhất § Lớp lõi và áo bằng chất dẻo § Sợi cáp dày, thường là: 480/500, 735/750 and 980/1000.

§ Lớp lõi thường bao gồm PMMA (polymethylmethacrylate) bọc ngoài bằng fluropolymer.

§ Phù hợp với cáp nối ngắn § Vấn đề: dễ bốc cháy

§ Plastic Clad Silica (PCS): § Suy hao và chi phí nằm giữa loại thủy tinh và chất dẻo § Lõi thủy tinh bằng vật liệu silic thủy tinh, áo bằng chất dẻo

§ Kích thước: lõi 200 microns, áo 380 microns, vỏ bọc 600 microns.

19

Mode Material Index of Refraction Profile λ microns Size (microns) Atten. dB/km Bandwidth MHz/km Multi-mode Glass Step 800 62.5/125 5.0 6 Multi-mode Glass Step 850 62.5/125 4.0 6 Multi-mode Glass Graded 850 62.5/125 3.3 200 Multi-mode Glass Graded 850 50/125 2.7 600 Multi-mode Glass Graded 1300 62.5/125 0.9 800 Multi-mode Glass Graded 1300 50/125 0.7 1500 Multi-mode Glass Graded 850 85/125 2.8 200 Multi-mode Glass Graded 1300 85/125 0.7 400 Multi-mode Glass Graded 1550 85/125 0.4 500 Multi-mode Glass Graded 850 100/140 3.5 300 Multi-mode Glass Graded 1300 100/140 1.5 500 Multi-mode Glass Graded 1550 100/140 0.9 500 Multi-mode Plastic Step 650 485/500 240 5 @ 680 Multi-mode Plastic Step 650 735/750 230 5 @ 680 Multi-mode Plastic Step 650 980/1000 220 5 @ 680 Multi-mode PCS Step 790 200/350 10 20 Single-mode Glass Step 650 3.7/80 or 125 10 600 Single-mode Glass Step 850 5/80 or 125 2.3 1000 Single-mode Glass Step 1300 9.3/125 0.5 * Single-mode Glass Step 1550 8.1/125 0.2 *

Attenuation and Bandwidth characteristics of different fiber optic cable candidates

20

Chuẩn sợi đơn mode I §  ITU-‐T G.652 – standard Single Mode Fiber (SMF) hay Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF). § Sợi được dùng nhiều nhất chiếm 95% trên thế giới.

§ “Water Peak Region”: vùng bước sóng xấp xỉ 80 nanometers (nm) với trung tâm là 1383 nm ( có suy hao cao).

21

G.652 “Standard” Fibre § Các đặc tính của sợi đơn mode được quy định bởi tổ chức ITU (International Telecommunications Union.

§ Các thông số kỹ thuật: § Đường kính lớp áo = 125 microns. § Đường kính trường mode = 9-‐10 microns at 1300 nm wavelength.

§ Tần số cắt (Cutoff) = 1100-‐1280 nm. § Tán sắc tại dải 1300 nm (1285-‐1330 nm) < 3.5 ps/nm/km.

§ Tại1550 nm tán sắc < 20 ps/nm/km.24

22

Chuẩn sợi đơn mode II

§  ITU-‐T G.652c -‐ Low Water Peak Non Dispersion Shifted Fiber.

Source www.corning.com

23

Chuẩn sợi đơn mode III §  ITU-‐T G.653 – Dispersion Shifted Fiber (DSF)

§ Dịch giá trị tán sắc 0 trong dải C § Các kênh được cấp tại dải C bị ảnh hưởng nặng nề bởi nhiễu do hiệu ứng phi tuyến Four Wave Mixing

24

Chuẩn sợi đơn mode IV §  ITU-T G.655 – Non Zero Dispersion Shifted Fiber

(NZDSF) §  Tán sắc đa màu nhỏ tại dải C: tối thiểu hóa các hiệu ứng phi tuyến

§  Tối ưu hóa với truyền DWDM (dải C and L)

25

Ứng dụng

Các kết nối yêu cầu tốc độ cao, khoảng cách kết nối xa và ít bị nhiễu giao thoa: kết nối quốc tế, kết nối mạng xương sống (backbone), các ứng dụng fiber to home.

26

Giản đồ truyền dẫn quang

27

Phần 2. Truyền dẫn sợi cáp quang

§ Bản chất của ánh sáng § Truyền ánh sáng dọc sợi cáp § Truyền đơn mode § Truyền đa mốt § Suy hao § Tán sắc

28

Lý thuyết cơ bản của truyền dẫn trên sợi cáp quang

§ Điều kiện phản xạ toàn phần trong lớp lõi:

: chiết suất của lớp lõi và lớp áo

sin!C =n1n0

cθθ ≥n1,n2

29

Truyền ánh sáng trên sợi cáp quang

§ Critical Angle Góc tới hạn

§ Numerical Aperture (NA)

Khẩu độ số

30

31

NA = n12 ! n2

2 = n0 sin !max( )

Khẩu độ số NA

32

•  NA: là thước đo khả năng của sợi quang bắt giữ ánh sáng •  NA: có quan hệ với một bước sóng cụ thể

-‐  Bước sóng 532nm đi ngang qua sợi quang -‐  Chùm laser đi ra là đa mode -‐  Do bước sóng 532nm quá nhỏ, nên sợi quang không thể hạn

chế truyền đơn mode

Cho một phân bố Gauss

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 2

0

2

0 exp wrErE

r: bán kính E0: trường tại bán kính r=0 w0: độ rộng của phân bố trường điện MFD của mode LP01

( )

( )

21

0

2

0

23

0

222

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

∫

∫∞

∞

drrrE

drrErw

Điều kiện truyền dẫn đơn mode trong sợi quang Đường kính trường mode

§ Mode

34

Cấu trúc Gauss

Giá trị cutoff của V

•  Với mỗi mode, có một vài giá trị của V mà dưới giá trị đó

mode không dẫn.

•  Dưới giá trị V=2.405, chỉ có một mode (HE11) có thể được

dẫn trong sợi; sợi lúc này là “sợi đơn mode”

•  Dựa trên định nghĩa của V, có thể giảm số lượng mode

bằng cách giảm đường kính lõi và giảm ∆.

Sợi đa mode chiết suất nhẩy bậc

§  n chiết suất, n1 chiết suất lõi, n2 chiết suất lớp áo §  a: bán kính lõi sợi ; b: bán kính tính hết lớp áo

n =n1 r < an2 a ! r ! b

"#$

%$

36 •  Sợi quang chiết suất bậc: ∆ là vi sai chiết suất lõi-vỏ

( )Δ−= 112 nn

Khái niệm § Mode Field Diameter (MFD) and Spot Size

Spot Size Mode Field Diameter

37

NA = n12 !n2

2

V = 2!a NA!

w0 = a 0.65+1.619V!1.5 + 2.879V !6( )

MFD = 2w0I w0( ) = I0e!2 = 0.135I0

Tham số ảnh hưởng đến truyền quang §  Suy hao (Attenuation)

§  Tán xạ Rayleigh, hấp thu §  Tán sắc

§  Tán sắc đa mầu ( intra-‐mode) §  Tán sắc đa mode ( inter-‐mode)

§  Các hiệu ứng phi tuyến: §  Tán xạ Brillouin, tán xạ Raman điều chế đồng pha (self phase modulation), four-‐wave mixing

38

Các hiện tượng khi truyền ánh sáng trên sợi cáp quang

§  Sự giảm năng lượng ánh sáng theo chiều dài của cáp quang. § Chủ yếu gây ra bởi hiện tượng tán xạ § Phụ thuộc vào tần số truyền. § Đo bằng dB/km ( ) )(log10 10 inout PPdB =

39

Hiện tượng tán xạ

§ Bề mặt gồ ghề, thậm chí tại mức phân tử àtia sáng bị phản xạ theo các hướng ngẫu nhiên khác nhau à hiện tượng phản xạ khuếch tán hay tán xạ

§ Tán xạ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng bị tán xạ

Phản xạ phản chiếu Phản xạ khuếch tán

40

Băng tần truyền dẫn

Band Wavelength (nm)

O 1260 – 1360 E 1360 – 1460 S 1460 – 1530 C 1530 – 1565 L 1565 – 1625 U 1625 – 1675

n  Thông tin quang được thực hiện trong các vùng bước sóng gọi là Dải (band).

n  Hệ thống DWDM thương mại thường được truyền ở dải C q  Chủ yếu do việc sử dụng các bộ khuếch

đại EDFA (Erbium-‐Doped Fiber Amplifiers ).

n  Hệ thống CWDM truyền ở dải S, C and L. n  ITU-‐T định nghĩa lưới bước sóng cho truyền

dẫn xWDM q  Khuyến nghị G.694.1 cho truyền DWDM:

S, C and L . q  Khuyến nghị G.694.2 cho CWDM: O, E, S,

C and L. 41

§  Bán kính lõi a trong khoảng vài bước sóng §  Sự giãn xung trong sợi đơn mode là do tán sắc sắc thể §  (chromatic dispersion)

Điều kiện truyền dẫn đơn mode trong sợi quang

Điều kiện truyền dẫn đơn mode trong sợi quang

§  Kích thước đường kính lõi trong khoảng một vài bước sóng §  Vi sai chiết suất lõi-vỏ nhỏ: 0,1-0,2% §  Ví dụ: §  sợi đơn mode tiêu chuẩn có bán kính lõi 3µm §  khẩu độ số NA=0,1 tại bước sóng 0,8µm, V=2,356 §  Đường kính trường mode (MDF: mode field diameter)

Tham số cơ bản của sợi đơn mode, được xác định từ phân bố trường mode của mode cơ bản Có phân bố Gausssian MDF = 1/e2 độ rộng của công suất quang

•  Khẩu độ số (numerical aperture, maximum acceptance angle)

( ) Δ≈−== 2sin 1212

221max,0 nnnnNA θ

•  Tần số chuẩn hóa (V number):

( ) NAannaVλπ

λπ 22 2

122

21 =−=

•  Số V để xác định số mode M trong sợi đa mode:

( )

2

221

2

22

21

2

VM

nnaM

≈

−⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛≈λπ

•  M~V2 : công suất đi vào vỏ giảm khi V tăng. Khi V lớn, công suất quang trung bình trong vỏ được xác định:

MPPclad

34

≈

Sợi đa mode chiết suất thay đổi

n =n1 1! 2" r / a( )!( )

1/2r # a core

n1 1! 2"( )1/2 = n2 a # r # b cladding

$

%&

'&

! =n1 " n2n1

Thường Δ << 1

α≈ 2 46 Parabolic index profile

r: khoảng cách bán kính từ trục của sợi a: bán kính lõi sợi n1: chiết suất tại trục lõi n2: chiết suất vỏ α: tham số xác định dạng của đường cong chiết suất khi n(r) sẽ có dạng của sợi chiết suất bậc ∞=α

•  Vi sai chiết suất:

•  Khẩu độ số NA (numerical aperture):

( ) ( )[ ] ( ) ( )⎪⎩

⎪⎨⎧

≥

≤−≅⎩⎨⎧ −

=arar

forarNAnrn

rNA010

0

21

22

2 α

( ) ( )[ ] ( ) Δ≅−=−= 200 1212

221

212

22 nnnnnNA

•  NA của sợi chiết suất biến đổi giảm từ NA(0) xuống 0 khi r

chạy từ trục của sợi tới ranh giới lõi-vỏ

•  Tần số chuẩn hóa:

( ) ( )022 212

221 NAannaV

λπ

λπ

=−=

•  Số lượng mode trong sợi chiết suất biến đổi:

M !!

! + 2a2k0

2n12" =

!! + 2

#V 2

2

Single Mode Fiber Standards V

ITU-T Standard Name Typical

Attenuation value (C-

band)

Typical CD value (C-band)

Applicability

G.652 standard Single Mode Fiber 0.25dB/km 17 ps/nm-km OK for xWDM

G.652c Low Water Peak SMF 0.25dB/km 17 ps/nm-km

Good for CWDM G.653 Dispersion-

Shifted Fiber (DSF)

0.25dB/km 0 ps/nm-km Bad for xWDM

G.655 Non-Zero Dispersion-

Shifted Fiber (NZDSF)

0.25dB/km 4.5 ps/nm-km

Good for DWDM

49

Suy hao (Attenuation)

§ Đặc điểm suy hao (Absorption) của thủy tinh § Cửa sổ truyền dẫn sợi quang (dải tần) § Rất ít thất thoát: .4 dB / km hoặc .2 dB / km.

50

Tán sắc

§ Hiện tượng trong đó vận tốc nhóm của sóng phụ thuộc vào tần số của nó

§ Tán sắc hay tán sắc đa màu ( bản chất phụ thuộc vào bước sóng)

§ Còn gọi là tán sắc do vận tốc nhóm § Ví dụ: cầu vồng

51

Tán sắc

à gây dãn xung ánh sáng khi truyền dọc sợi quang à Gây méo mó tín hiệu à Giới hạn băng thông của sợi quang

52

Nguồn tán sắc §  Tán sắc liên mode ( đa mode - intermode)

ü  Do tốc độ của các mode truyền ngang khác nhau §  Tán sắc theo vận tốc nhóm ( đơn mode - đa màu – intramode)

ü Do chiết suất của sợi thủy tinh thay đổi một chút phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

ü hiệu ứng tuyến tính ü Không phải vấn để lớn nếu truyền < 2.5Gbps

Tán sắc đa màu Tán sắc do vận tốc mode khác nhau

Dtot2 = Dintermod

2 +Dintramod2

53

Tán sắc đa mode ( intermode) § Nhóm các mode truyền dọc sợi quang, năng lượng sáng phân bố giữa các mode bị trễ khác nhau ( tốc độ khác )

§ Các mode đi theo đường khác nhau trong cùng khoảng thời gian à một số mode đi xa hơn nên đến nơi chậm hơn

54

Tán sắc đa mode ( intermode)

55


56

Đi xuống lõi Đi theo góc tới hạn

Tán sắc đa mode ( intermode) trong SI

59

Tán sắc đa mode ( intermode) trong SI

60

L

Trung tâm: Tf = L n1/c. Góc tới hạn: Ts = L n12/cn2

Thời gian truyền Góc tới hạn= sin -1 n2/n1

Mode nhanh nhất

n2

n1

•  Mode nhanh nhất: tia sáng đi dọc trục của lõi •  Mode chậm nhất: tia sáng tới tại góc tới hạn tại giao

diện lõi-áo


61

L

Trung tâm: Tf = L n1/c. Góc tới hạn: Ts = L n12/cn2

Dintermode = !T = Ts !Tf =Lcn12

n2" <

12B

Tại sao tỉ lệ thuận với Δ? Chú ý Δ nhỏ nhỏ Δ = (n1-n2)/n1

Δ≈ 21nNA

Bit rate


62

Δ<

cnnBL 21

2

21

•  BL = Tích khoảng cách và băng thông tín hiệu (Mb/s)-km

•  B Mbps trên L km •  Tích này là một hằng số phụ thuộc vào các tham số

hệ thống tổng chung như tổn hao năng lượng, BER

Step index fiber

Lõi

Δ≈ 21nNA

Δ = (n1-n2)/n1

BW lim itintermode =

0.44LmaxintermodDntermodmaxi


Dintermode =!TL

Có thể xấp xỉ

63

Độ dãn xung của tín hiệu sau khi di chuyển khoảng cách L

Tán sắc đa mode trong GI

64

n =n1 1! 2" r / a( )g( )

1/2r # a core

n1 1! 2"( )1/2 = n2 a # r # b cladding

$

%&

'&

Dintermode =Ln12c

!2 =NA( )4

8n13c

BL < 8cn1!

2

65

Tán sắc đa mode như 1 hàm chiết suất có hệ số đặc tính g (α)

hệ số đặc tính g (α )

Grid chiều dài truyền và tốc độ bit 1-10 m 10-100 m 100-1000 m 1-3 km 3-10 km 10-50 km 50-100 km >100 km

<10 Kb/s10-100 Kb/s100-1000 Kb/s1-10 Mb/s10-50 Mb/s50-500 Mb/s500-1000 Mb/s>1 Gb/s

I

II

III IV

V V

VI

VII

I Region: BL !100 Mb/s SLED with SI MMFII Region: 100 Mb/s ! BL ! 5 Gb/s LED or LD with SI or GI MMFIII Region: BL ! 100 Mb/s ELED or LD with SI MMFIV Region: 5 Mb/s ! BL ! 4 Gb/s ELED or LD with GI MMFV Region: 10 Mb/s ! BL ! 1 Gb/s LD with GI MMFVI Region: 100 Mb/s ! BL ! 100 Gb/s LD with SMFVII Region: 5 Mb/s ! BL ! 100 Mb/s LD with SI or GI MMF

SI: step index, GI: graded index, MMF: multimode fiber, SMF: single mode fiber 66

Tán sắc đơn mode

67

Tán sắc theo vận tốc nhóm §  Do nguồn phổ luôn là 1 dải các bước sóng §  Mỗi bước sóng khác nhau truyền với tốc độ khác nhau ( do chiết suất thay đổi theo bước sóng)

§  Hai thành phần chính: ü Tán sắc vật liệu ü Tán sắc ống dẫn sóng

68

Tán sắc vật liệu § Hiện tượng dãn xung ánh sáng § Mỗi bước sóng gây chiết suất lõi sợi thay đổi à các bước sóng truyền đi với tốc độ khác nhau xuyên vật liệu

§ Mỗi bước sóng đến đầu cuối tại thời điểm khác nhau § Hiện tượng ít hơn với bước sóng càng dài

Vật liệu không hoàn hảo: n phụ thuộc vào λ d 2nd! 2

Hệ số tán sắc vật liệu: σmat = !!c•d 2nd! 2

Tán sắc vật liệu: Dmat = σmat .L . Δλ [ps/km*nm]

Δλ: Độ rộng phổ của nguồn sáng 69

Tán sắc do ống dẫn sóng § Do hằng số truyền mode β là hàm của kích thước lõi sợi tương ứng tại 1 bước sóng hoạt động à Bước sóng thay đổi ( dù chỉ 1 bước sóng), β của mode đó thay đổi

§ Do ánh sáng truyền trong lõi khác trong lớp áo § Chiết suất khác nhau của lõi và lớp áo à chiết suất hiệu dung thay đổi theo bước sóng

70

Tán sắc do ống dẫn sóng

§ Bước sóng nhỏ: chiết suất hiệu dụng gần bằng chiết suất lõi

§ Bước sóng trung bình: chiết suất hiệu dụng giảm dần về chiết suất lớp áo

§ Bước sóng dài: chiết suất hiệu dụng gần bằng chiết suất áo

71

Tán sắc do ống dẫn sóng

§ Năng lượng ánh sáng của một mode truyền 1 phần trong lõi, 1 phần ở lớp áo

§ Phân bố năng lượng của 1 mode giữa lớp áo và lõi là hàm phụ thuộc bước sóng

§ Bước sóng càng dài, năng lượng càng tập trung ở lớp áo

72

Tán sắc do ống dẫn sóng § Cho 1 mode cố định λ, vận tốc nhóm vẫn là 1 hàm của bước sóng λ

§ Tán sắc: § Với loại vật liệu làm sợi, tại bước sóng nhỏ

! ongdansong !0.003" #!

c!"L(s)

73

Tán sắc tổng

!soi_ tong

2 =! intermode2 +! vatlieu

2 +! ongdansong2

74

Tán sắc mode phân cực (Polarization Mode Dispersion –PMD)

75

Giải pháp cho tán sắc § Sợi dịch chuyển tán sắc (Dispersion Shifted Fibre -‐ DSF)

§ à Sợi dịch chuyển tán sắc không Không (Non-‐Zero Dispersion-‐Shifted (WDM-‐Optimized) Fibre -‐ NZDSF)

76

Sợi ZDSF

§ Chuyển điểm tán sắc bằng 0 về bước sóng 1.55μm § Nhưng để loại bỏ hiệu ứng phi tuyến four-‐wave mixing à cần dịch về tần số dài hơn 1.55μm

77

à có thể tự tiêu giệt hiệu ứng của nhau tại một bước sóng nào đó

§ Cách tiêu giệt này được sử dụng trong sợi dịch chuyển tán sắc (dispersion shifted fibers) Chromatic and waveguide

dispersion cancel each other

Chromatic

(uncorrelated random variables)

78

Tính toán quỹ đường truyền

§ Để xác định khoảng cách đặt các bộ lặp(repeater), cần xác định: §  Quỹ công suất §  Quỹ băng thông ( thời gian nâng)

§  Thất thoát năng lượng quang do sợi quang, các bộ nối, các mối nối

§  Cần có khả năng định lượng các khoảng dự phòng yêu cầu về phương diện của nhiệt độ, độ ổn định, và độ lão hóa

§  Khi tính quỹ băng thông, ta nên tính đến tổng thời gian nâng trên các tuyến liên kết (Tx, sợi, Rx)

§  Nếu tuyến thông tin không thỏa mãn quỹ §  Đặt thêm bộ lặp §  Đổi thiết bị §  Thay đổi specifications

79

Tính toán tuyến(cont.) §  Specifications: khoảng cách truyền, data rate (BW), BER §  Các đối tượng cần chọn Sợi cáp

§  Sợi Đa mode hay đơn mode: kích thước lõi, chỉ số chiết suất, băng thông hay tán sắc, suy hao, khẩu độ số hay đường kính trường mode

Nguồn §  Nguồn quang LED hay laser diode : bước sóng phát

ra, spectral line width, công suất đầu ra, diện tích bức xạ hiệu dụng, emission pattern, số mode được phát ra

Bộ thu §  PIN hay avalanche photodiode: tính đáp ứng, bước

sóng hoạt động, thời gian nâng, độ nhạy đầu thu 80

Chapter 2 optical communications20.01

Education

Transcript of Chapter 2 optical communications20.01