Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Hiện tại và tương lai, các cấu hình EDFA hai hướng sẽ được ứng dụng nhiều và
cho ra các ưu điểm hơn so với cấu hình phản xạ. Các tín hiệu quang ở đầu vào cả hai đầu
EDFA vì vậy cấu hình này gọi là cấu hình tín hiệu hai hướng.Tuy nhiên cấu trúc này dẫn
đến giá thành đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hoà rất cao.
Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất
Trong các hệ thống khuếch đại quang, các đáp ứng phi tuyến của EDFA đối với tín
hiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn, và điều này làm suy
giảm tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống. Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại
5
Input
WDM
Output
EDF
Laser
bơm
Hình 1.3 : Cấu hình EDFA phản xạ
Input
WDM
WDM Cách ly
EDF
Output
Laser
bơm
Hình 1.4 : Cấu hình EDFA bơm hai hướng cơ bản
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
quang mắc chuỗi, ảnh hưởng của bão hoà khuếch đại tại bất kì trạng thái EDFA nào
cũng đặc biệt có hại vì các chuỗi được thiết kế để hoạt động tại mức thông suốt tín hiệu
một cách chính xác. Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh
theo bước sóng WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể thay
đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian. Điều này gây ra trôi công suất tín hiệu và sự tự
điều chế trong kênh tần số thấp ngoài ý muốn. Như vậy, thực hiện việc điều chỉnh
khuếch đại là cần thiết và giải pháp cho các vấn đề nêu trên là sự điều chỉnh khuếch đại
AGC. Cũng tương tự như thế với hệ thống yêu cầu công suất tín hiệu đầu ra không đổi,
yêu cầu giảm dao động công suất đầu ra, sử dụng APC.
Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại
Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh WDM kết
hợp EDFA. Như ta đã biết, băng tần khuếch đại là không đồng dạng về phổ và thể hiện
một vài gợn sóng, sự khác nhau về độ khuếch đại là xảy ra tại các kênh quang có khoảng
cách bước sóng lớn. Trong chuỗi các bộ khuếch đại quang, ngay cả sự khác nhau như về
phổ khuếch đại cũng có thể dẫn đến sự khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu được, điều
này gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu được tới mức không thể chấp
nhận được.
Cân bằng khuếch đại nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các kênh quang
riêng rẽ.
Làm ph ẳng khuếch đại nghĩa là tạo ra được băng tần phổ khuếch đại đồng đều ở
các kênh quang riêng rẽ. Như vậy, khi ở trường hợp ứng dụng hai kênh, cân bằng
khuếch đại có thể được thực hiện nhờ biện pháp đơn giản như sau: khi có độ dài đã cho
của EDFA, công suất bơm có thể được chọn để các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh
và vai gồm các bước sóng 1580nm và 1540nm là chính xác bằng nhau, vì sự khác biệt là
do ảnh hưởng của sự tái hấp thụ tín hiệu ở bước sóng ngắn. Một cách cân bằng khuếch
đại khác là đặt các kênh quang tại các bước sóng mà nó cho ra các độ khuếch đại bằng
nhau ở điều kiện bơm lớn nhất.
Cấu trúc cải tiến đặc tính khác
Để cải thiện đặc tính của EDFA, một số cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít về
6
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
cấu hình EDFA.
+ Trong cấu hình này, đầu tiên là cấu hình thay đổi độ dài EDF để thu được độ
khuếch đại cao hơn.
+ Thứ hai là tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ cách ly
+ Phương pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ dài
EDF một bộ lọc quang băng thông hẹp.
Với bộ khuếch đại EDFA tham số quan trọng nhất là độ dài của sợi pha tạp
Erbium EDF. Độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu của EDFA đều bị ảnh hưởng từ độ dài
sợi EDF rồi sau đó là cấu hình bơm. Để thiết kế được một bộ EDFA có hiệu quả cao
nhất cần tối ưu hóa độ dài EDF.
1.4 Ưu - Nhược điểm của thông tin quang
Ưu điểm:
Suy hao thấp
Dải thông rộng
Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
Hoàn toàn cách điện
Không bị can nhiễu của trường điện từ
Xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể
Tính bảo mật cao
Vật liệu chế tạo có nhiều trong tự nhiên
Nhược điểm:
Nối cáp khó khăn, dây cáp dẫn càng thẳng càng tốt
Chi phí hàn nối và các thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng
Thiết bị dù tốt đến đâu thì cũng xảy ra lỗi và để khắc phục nó là cả vấn đề ( nhiều
người làm, máy móc hiện đại….)
Khó có thể lắp đặt theo những đường gấp khúc
Không thể sử dụng tại vùng bị chiếu xạ
7
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
CHƯƠNG II:
SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
2.1 Sợi quang
2.1.1 Đặc tính của ánh sáng
8
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Nguyên lý truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạ
trong lõi sợi và phản xạ toàn phần sóng ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và võ
của sợi quang.
Để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang thì trước hết ta phải tìm
hiểu đặc tính của ánh sáng. Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ là các đặc tính cơ bản của
ánh sáng (được trình bày ở hình 2.1 dưới đây). Như ta đã biết, ánh sáng truyền thẳng
trong môi trường chiết suất khúc xạ đồng nhất. Còn hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh
sáng có thể xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất,
các tia sáng được truyền từ môi trường có chỉ số chiết suất lớn vào môi trường có chỉ số
chiết suất nhỏ thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại ranh giới phân cách giữa hai
môi trường. Các tia sáng khi qua vùng ranh giới này bị đổi hướng nhưng vẫn tiếp tục đi
vào môi trường chiết suất mới thì đó gọi là tia khúc xạ còn ngược lại, nếu tia sáng nào đi
trở về lại môi trường ban đầu thì gọi là tia phản xạ. Theo định luật Snell ta có quan hệ:
n
1
Sin
φ
1
=n
2
Sin
φ
2
với
φ
1
là góc tới và là
φ
2
là góc khúc xạ
Hình 2.1: Mô tả hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
2.1.2 Cấu tạo
Sợi quang có cấu tạo dạng hình trụ, gồm 2 lớp chính từ các chất điện môi đồng
tâm nhau. Lớp trong gọi là lớp lõi (core) và lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn
có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài. Chất điện môi chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh
thạch anh (Sio) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang từ thủy tinh thạch anh có tiêu hao
thấp và đường kính nhỏ, giá thành cao, còn sợi quang từ chất dẻo có đường kính lớn hơn
và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp.
2.1.3 Phân loại
9
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau như:
Bảng tham số của cáp quang
+ Bảng 2.1: Cho các tham số của cáp băng dẹt
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
4÷100 sợi 104÷200 sợi 4÷100 sợi 104÷100 sợi
Đường kính(mm) 14 19 17 19
Trọng lượng(kg/km) 180 380 200 280
Lực kéo (N) 2000 3700 2000 2900
Bán kính cong cho phép(mm) 140 190 170 230
+ Bảng 2.2: Cho các tham số của cáp lõi có khe răng lược
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷32 sợi 34÷48 sợi 2÷32 sợi 34÷48 sợi
Đường kính(mm) 12 15 12 13
Trọng lượng(kg/km) 150 260 110 170
Lực kéo (N) 1900 4800 1200 2000
Bán kính cong cho phép(mm) 120 150 150 230
+ Bảng 2.3:Cho tham số của cáp sợi thả lỏng trong ống
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷48 sợi 50÷96 sợi 2÷48 sợi 50÷96 sợi
Đường kính(mm) 14 18 14 18
Trọng lượng(kg/km) 200 270 190 210
Lực kéo (N) 2000 2000 2000 2000
Bán kính cong cho phép(mm) 140 180 140 180
10
Sợi quang thạch anh
Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu
Sợi quang bằng nhựa vật liệu
Sợi quang chiết suất phân bậc
Phân loại theo phân bố chiết suất
khúc xạ Sợi quang chiết suất biến đổi đều
Sợi quang đơn mode
Phân loại theo mode truyền dẫn
Sợi quang đa mode
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
+Bảng 2.4: Cho các tham số của cáp treo trên cột
Thông số
Vỏ kim loại Vỏ chất dẻo
2÷32 sợi 34÷48 sợi 2÷32 sợi 34÷48 sợi
Đường kính(mm) 14/24 18/28 12/22 15/25
Trọng lượng(kg/km) 400 470 350 460
Lực kéo (N) 11000 11000 7500 7500
Bán kính cong cho phép(mm) 140 180 120 150
2.2 Đặc tính truyền dẫn của sợi quang
Sợi quang có hai đặc tính truyền dẫn là suy hao và tán sắc
2.2.1 Đặc tính suy hao
Sóng ánh sáng khi truyền dọc theo sợi quang bị suy giảm cường độ theo chiều dài
sợi. Đó là đặc tính vật lý vốn có của sợi quang gọi là sự suy hao. Nếu gọi L (km) là
chiều dài sợi quang, P
v
là công suất quang tại đầu sợi và P
ra
là công suất quang tại cuối
sợi thì lượng suy hao của ánh sáng trên đoạn sợi tính theo đơn vị dB có dạng là :
( )
)2.2(lg10
ra
v
P
P
dBL
=
Nếu gọi ỏ (dB/km) là hệ số suy hao riêng của sợi thì ta có biểu thức :
( )
)3.2(lg
10
/
ra
v
P
P
l
kmdB
=
α
Sự suy hao của sợi quang bao gồm các dạng chính như sau : suy hao do hấp thụ,
suy hao do tán xạ và bức xạ, suy hao do kết nối.
+ Suy hao do hấp thụ là do sự hấp thụ của vật liệu chế tạo sợi với ánh sáng
truyền qua nó. Đó là bản chất vật lý của cấu tạo phân tử và nguyên tử của vật liệu sợi.
Suy hao do hấp thụ bao gồm sự hấp thụ hồng ngoại và tử ngoại của vật liệu, hấp thụ của
các Ion OH còn sót lại trong quá trình chế tạo sợi. Suy hao do hấp thụ của các Ion OH có
các đỉnh cực đại tại các bước sóng λ = 0,94;1,22 và 1,38 μm. Suy hao do hấp thụ hồng
ngoại sẽ lớn tại vùng bước sóng λ >= 10 μm, suy hao do hấp thụ tử ngoại sẽ lớn tại
vùng bước sóng λ < 0,1 μm.
+ Suy hao do tán xạ và bức xạ :
11
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
Khi ánh sáng truyền trong lõi sợi quang, gặp các chỗ bất đồng nhất về chiết suất
trong sợi có kích thước lớn sấp xỉ bước sóng sẽ bị tán xạ ra mọi phía và được gọi là tán
xạ Rơlay dẫn đến suy hao. Tán xạ này có hệ số suy hao tỷ lệ nghịch với λ
4
. Nên suy hao
do tán xạ Rơlay sẽ giảm nhanh trong vùng bước sóng ở > 1 μm.
Ánh sáng truyền trong sợi còn bị suy hao do bức xạ ra ngoài vùng vỏ khi
sợi bị uốn cong quá mức. Tại các chỗ uốn cong, điều kiện phản xạ toàn phần không thực
hiện được, nên một lượng nhỏ ánh sáng từ lõi sợi khúc xạ ra vùng vỏ và gây nên suy hao
do bức xạ. Vì vậy để giảm loại suy hao này các nhà chế tạo sợi quang đều quy định bán
kính uốn cong cực đại cho phép theo tiêu chuẩn là Rc cho từng loại sợi.
+ Suy hao do kết nối : bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do đấu nối
dùng Colectơ. Suy hao tại mỗi mối hàn quy định không vượt 0,1 dB/mối, và suy hao tại
mỗi Colectơ không vượt 1 dB/ c.
Vì các suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng làm việc, nên suy hao
tổng hợp của sợi được biểu thị là hàm của bước sóng gọi là phổ suy hao của sợi quang.
2.2.2 Đặc tính tán sắc
+ Sự tán sắc của sợi quang : khi xung quang truyền dọc sợi ngoài bị suy hao
còn bị mở rộng độ rộng xung, hiện tượng trên gọi là sự tán sắc ánh sáng trong sợi quang.
Độ tán sắc trên một đơn vị độ dài sợi là :
Sự tán sắc của sợi quang dẫn đến phát sinh sự chồng lấn của các xung lân cận lên
nhau khi truyền ở tốc độ bít cao và cự ly dài gọi là sự giao thoa giữa các ký hiệu ISI
(inter symbol interference), gây ra lỗi ở máy thu, do đó hạn chế cự ly và tốc độ bit truyền
trong sợi.
Có các dạng tán sắc của sợi quang nh sau : tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc
ống dẫn sóng.
+Tán sắc mode : Tán sắc mode chỉ sảy ra trong sợi đa mode. Tán sắc mode là do
sự khác nhau về thời gian truyền dọc sợi quang của các mode khác nhau. Mỗi mode là
một tia sóng sẽ truyền theo các đường khác nhau trong sợi, mặc dù các mode truyền đi
12
22
1
rt
l
τττ
−=
(2.4)
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
đồng thời ở lối vào sợi, nhưng ở cuối sợi các mode lại đến tại những thời điểm khác
nhau do đi trên những khoảng cách khác nhau, còn được gọi là sự trễ mode. Tán sắc
mode dẫn đến làm giãn rộng xung quang. Tán sắc mode thể hiện ở sợi MM-SI mạnh hơn
so với ở sợi MM-GI. Để đặc trưng cho sự tán sắc, ta đưa vào đại lượng gọi là hệ số tán
sắc tính trên một đơn vị độ dài sợi, ký hiệu là D.
Dùng lý thuyết quang hình ta tính đợc hệ số tán sắc mode theo biểu thức sau :
Trong sợi MM-SI :
)/()(
1
kmns
C
n
SID
n
∆
=
(2.5)
Trong sợi MM-GI :
)/(
2
)(
2
1
kmns
C
n
GID
m
∆
=
(2.6)
Ở đây C là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tán sắc mode không phụ thuộc
vào độ rộng phổ của nguồn phát, nó là trội nhất trong các loại tán sắc của sợi quang.
+Tán sắc vật liệu : Đó là sự phụ thuộc của vận tốc truyền của các mode sóng
trong sợi quang vào bước sóng làm việc λ. Nguyên nhân của hiện tượng này là do chiết
suất của vật liệu chế tạo lõi sợi là hàm của bước sóng.
Ta tính được hệ số tán sắc vật liệu theo biểu thức sau :
)./)((
1
2
1
2
2
2
1
2
nmknps
d
nd
C
Cd
nd
D
vl
λ
λ
λ
λ
λ
−=−=
(2.7)
Trong sợi đa mode, hệ số tán sắc vật liệu là khá nhỏ so với tán sắc mode nên có
thể bỏ qua, nhưng trong sợi đơn mode thì lại là dạng tán sắc trội nhất.Từ đồ thị của chiết
suất ta thấy tại bước sóng λ= 1,27 μm đường chiết suất nhóm có độ dốc bằng không,
nên tại bước sóng này hệ số tán sắc vật liệu bằng không.
13
Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống thông tin toàn quang
+Tán sắc ống dẫn sóng (tán sắc đường truyền):là sự phụ thuộc của hằng số
truyền của mode súng vào bán kính lõi sợi a và bước sóng làm việc theo hàm số dạng.
Tán sắc này cũng dẫn tới làm giãn độ rộng xung quang truyền dọc sợi. Tán sắc ống dẫn
súng trong sợi đa mode là khá nhỏ có thể bỏ qua. Trong sợi đơn mode, tại vùng bước
súng λ < 1μm nó cũng nhỏ so với tán sắc vật liệu và có thể bỏ qua.
)(
2
1
λλ
π
β
a
f
n
=
(2.8)
Song tại vùng bước sóng gần 1,27μm thì tán sắc này lại so sánh được với tán sắc
vật liệu và cần phải tính đến ảnh hưởng của nó. Hệ số tán sắc ống dẫn sóng được tính
theo biểu thức :
)./(
)(
2
2
2
nmkmps
dV
Vbd
C
n
D
ods
∆
=
λ
(2.9) Với
2
2
2
1
2
2
22
/
nn
nk
b
−
−
=
β
Là hằng số truyền chuẩn hóa của mode sóng. Ta thấy rằng đồ thị đường cong hệ
số tán sắc vật liệu D
vl
tăng theo bước sóng tăng, có giá trị từ âm sang dương đi qua
không tại bước sóng bằng1,27 μm. Ngược hệ số tán sắc ống dẫn sóng D
ods
có giá trị âm
và đường cong này giảm khi bước sóng tăng. Vì vậy trong sợi đơn mode hiệu ứng tán
sắc tổng hợp tại bước sóng làm việc ở vùng cửa sổ 1,3 μm giảm đến gần bằng không.
2.3 Suy giảm tín hiệu trong sợi quang
Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan trọng nhất của sợi
quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu. Mặt khác, do
việc khó lắp đặt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi quang
có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống.
2.3.1 Suy hao tín hiệu
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra
Ρ
out
của sợi có
chiều dài L và công suất quang đầu vào P
in
. Tỷ số công suất này là một hàm của bước
sóng. Người ta thường dùng
α
để biểu thị suy hao tính theo dB/km.
=
out
in
P
P
L
log
10
α
(2.10)
Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần như
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét