Đồ án Nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quang

n lan truyền giữa hai mode ngắn nhất và dài nhất trong sợi quang chiều dài L đó là tia 1 và tia 2. (Hình vẽ 2.34) Tia 1 (tia ngắn nhất) đi trùng với trục của sợi quang. Tia 2 (tia dài nhất) là tia ứng với góc tới bằng góc tới hạn c. - Tia 1: Ðộ dài lan truyền: d1 = L Thời gian lan truyền: ⁄ - Tia 2: Hình 2.32 Tán sắc mode trong sợi SI Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 61 Ðộ dài lan truyền: Thời gian lan truyền: ⁄ ⁄ Áp dụng định luật khúc xạ tại điểm A, ta có: Thay vào, suy ra: Do đó thời gian chênh lệch giữa hai tia này là: Độ chênh lệch này chính là tán sắc mode: (khi << 1) (2.73) Với (khi << 1) Có thể tính độ tán sắc mode theo khẩu độ số. Ta có: NA= √ . Suy ra: (2.74) Do đó: (2.75) Hai biểu thức gần đúng (2.73) và (2.74) thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá độ trải rộng xung cực đại do tán sắc mode gây ra trong sợi đa mode SI có chiều dài L Km. Ðộ trải rộng xung cực đại trên mỗi Km sợi đƣợc xác định bởi: (2.76) Hoặc: (2.77) Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 62 Một đại lƣợng hữu ích nữa đƣợc quan tâm đến trong tán sắc mode đó là độ trải rộng xung hiệu dụng mode(SI). Quan hệ giữa và : ( ) (2.78) Thay (2.74) vào (2.77) suy ra: √ √ (2.79) Phƣơng trình (2.78) cho phép xác định đáp ứng xung hiệu dụng của sợi đa mode chiết suất nhảy bậc. Sự khác nhau giữa Tmode (SI) và mode(SI): - Khi tính Tmode (SI), giá trị Tmode (SI) là giá trị trải rộng xung lớn nhất mà tín hiệu ngõ ra không chồng lấn lên nhau. Khi này tốc độ bit cực đại có thể đạt đƣợc là: (Bps) (2.80) - Có một cách đánh giá khác về tốc độ bit cực đại của một kênh quang. Ta xem xung ngõ ra có dạng phân bố Gauss có độ rộng hiệu dụng là mode(SI). Cách phân tích này cho phép tồn tại một lƣợng chồng lấn xung nào đó của tín hiệu ngõ ra nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc tỉ số SNR ở đầu thu. Khi này tốc độ bit cực đại xấp xỉ: (Bps) (2.81) Giá trị tán sắc trên thực tế của một sợi đa mode là trên 200ps/km. Tán sắc mode của sợi GI đƣợc cải tiến đến 1000 lần. Tuy nhiên thực tế chỉ có thể đạt đƣợc khoảng 100 lần, do khó điều khiển trên toàn sợi có cùng một dạng phân bố. Hình 2.33 Độ trải rộng xung mode của sợi quang đa mode GI có =1% theo g Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 63 2.4.3.3 Tán sắc vật liệu. Nguyên nhân: Nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu: do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi. Nó xảy ra khi vận tốc pha của một sóng phẳng lan truyền trong môi trƣờng điện môi biến đổi không tuyến tính với bƣớc sóng, và một vật liệu đƣợc gọi là tồn tại tán sắc chất liệu khi đạo hàm bậc hai của chiết suất theo bƣớc sóng khác không (d2n/d2 0). Ðộ trải rộng xung do tán sắc vật liệu có thể thu đƣợc bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang. Vận tốc pha và vận tốc nhóm: Trong tất cả sóng điện từ, có những điểm có pha không đổi. Ðối với sóng phẳng, những điểm pha không đổi này tạo nên một bề mặt đƣợc gọi là mặt sóng. Ðối với sóng ánh sáng đơn sắc lan truyền dọc theo ống dẫn sóng theo phƣơng z (trục ống dẫn sóng), những pha không đổi này di chuyển với vận tốc pha: (2.82) Tuy nhiên, thực tế không thể tạo ra một sóng ánh sáng hoàn toàn đơn sắc và năng lƣợng ánh sáng tổng quát là tổng các thành phần có các tần số khác nhau. Do đó tình trạng tồn tại là một nhóm các sóng có tần số gần giống nhau lan truyền sao cho dạng cuối cùng có dạng bó sóng. Bó sóng này không lan truyền ở vận tốc pha của các sóng thành phần mà lan truyền ở vận tốc nhóm: (2.83) Nếu lan truyền trong một môi trƣờng vô hạn có chiết suất n1 thì hằng số lan truyền có thể đƣợc viết nhƣ sau:  (2.84) Từ (2.84) suy ra: = = (2.85) Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 64 Tƣơng tự, từ (2.85) suy ra vận tốc nhóm: =   (2.86) Thế từ (2.86) vào (2.88) và lƣu ý:    Ta có:  (  ) (  ) =   (2.87) Vớ i :   (2.88) gọi là chiết suất nhóm. Thời gian trễ nhóm (group delay): Thời gian lan truyền (thời gian trễ nhóm) của một xung ánh sáng lan truyền dọc theo một đơn vị chiều dài sợi quang:   (2.89) Đối với nguồn quang có độ rộng phổ hiệu dụng  và có bƣớc sóng trung bình  độ trải rộng xung hiệu dụng do tán sắc có thể xác định bằng khai triển Taylor theo :  *   + Bỏ các thành phần bậc cao suy ra:   (2.90) Với:   [   ]  *    +   Suy ra độ trải rộng xung ánh sáng trên một đơn vị chiều dài là:  |  | (2.91) Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 65 Đặt:    M đƣợc gọi là hệ số tán sắc chất liệu, có đơn vị là: ps/nm.km Vậy tán sắc vật liệu có thể đƣợc viết lại nhƣ sau: | | (2.92) Hệ số tán sắc chất liệu là một đại lƣợng phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và bƣớc sóng lan truyền trong sợi quang. Dƣới đây là đồ thì biểu thị sự phụ thuộc của M vào bƣớc sóng của sợi silicat. Ý nghĩa vật lý của M: tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi Km sợi. 2.4.3.4 Tán sắc ống dẫn sóng. Ðối với sợi đơn mode, khi nói đến tán sắc sắc thể, ngoài tán sắc vật liệu ta còn phải xét đến tán sắc ống dẫn sóng. Khi ánh sáng đƣợc ghép vào sợi quang để truyền đi, một phần chính truyền trong phần lõi sợi, phần nhỏ truyền trong phần lớp vỏ với những vận tốc khác nhau do chiết suất trong phần lõi và vỏ của sợi quang khác nhau, minh họa trên hình 2.36. Sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán Hình 2.34 Sự phụ thuộc của hệ số tán sắc vào bước sóng Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 66 sắc ống dẫn sóng. Tán sắc ống dẫn sóng Dwg() cũng là một hàm theo bƣớc sóng nhƣ trên hình 2.36. Tán sắc tổng cộng: √ | | (2.93) Có thể thấy rõ ý nghĩa vật lý của tán sắc màu khi so sánh sự lan truyền anh sáng qua một lăng kính nhƣ minh họa trên hình 2.38 với sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang nhƣ trên hình 2.38. Hình 2.35 Tán sắc ống dẫn sóng Hình 2.36 Tán sắc màu bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 67 2.4.3.5 Tán sắc phân cực mode. Mặc dù ta gọi sợi quang là đơn mốt nhƣng trên thực tế nó luôn truyền 2 mode sóng đƣợc gọi chung cùng một tên. Các mode này là các sóng điện từ đƣợc phân cực tuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặt phẳng vuông góc với nhau. Nếu chiết suất của sợi quang là không nhƣ nhau trên phƣơng truyền của hai mốt trên, hiện tƣợng tán sắc phân cực mốt xảy ra. Minh họa trên hình 2.39. Sự khác nhau giữa các chỉ số chiết suất gọi là khúc xạ kép hay lƣỡng chiết sợi (Birefringence). Hình 2.37 Hiện tượng tán sắc ánh sáng Hình 2.38 Ánh sáng bị tán sắc trong sợi quang Hình 2.39 Minh họa tán sắc mode phân cực Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 68 Trên thực tế, hằng số lan truyền của mỗi phân cực thay đổi theo chiều dài sợi quang cho nên thời gian trễ trên mỗi đoạn sợi quang là ngẫu nhiên và có xu hƣớng khử lẫn nhau. Do đó tán sắc phân cực mốt tỉ lệ tuyến tính với căn bậc 2 chiều dài sợi quang: √ (2.94) 2.4.3.6 Mối quan hệ giữa tán sắc và dải thông. Mối quan hệ giữa dải thông với tốc độ bit Hai mã thƣờng dùng trong hệ thống thông tin là mã trở về không (RZ) và mã không trở về không. Gọi B và BT lần lƣợt là dải thông và tốc độ của tín hiệu. Ta có [2]: Ðối với mã NRZ: (2.95) Đối với mã RZ: B = BT (2.96) Mối quan hệ giữa tán sắc và dải thông Theo công thức (2.79) và (2.80) ta có thể tính đƣợc tốc độ bit cực đại có thể đạt đƣợc.Tùy theo loại mã đƣờng truyền theo các công thức (2.95) và (2.96) ta có thể suy ra dải thông B. Ðộ trải rộng xung quyết định khả năng mang thông tin của sợi quang, mà độ trải rộng xung tỉ lệ tuyến tính với chiều dài sợi quang, tức dải thông tỉ lệ nghịch với khoảng cách thông tin. Ðiều này dẫn đến một thông số hữu ích hơn đối với việc đánh giá khả năng mang thông tin của sợi quang, đó là tích dải thông với chiều dài, ký hiệu là BL hay BxL. Ðơn vị đo: [MHz.Km]. Ta có công thức liên hệ giữa B và BL: B = BL. (2.97) Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 69 Với: L là chiều dài sợi quang;  là hằng số có giá trị 0,51, phụ thuộc vào chiều dài L. Thƣờng  = 0,60,8. Vì độ tán sắc phụ thuộc bƣớc sóng nên dải thông cũng phụ thuộc bƣớc sóng. NÓI CHUNG Hiểu đƣợc sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang không những giúp chúng ta thấy rõ những ƣu điểm nổi bậc của việc sử dụng cáp quang làm môi trƣờng truyền dẫn mà còn giúp chúng ta nắm bắt đƣợc các vấn đề cần phải giải quyết khi thiết kế hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Chúng ta đã bắt đầu chƣơng này bằng việc tìm hiểu ánh sáng lan truyền nhƣ thế nào trong các sợi quang, và các khái niệm ban đầu về mode, sợi đa mode và đơn mode. Bằng các sử dụng lý thuyết quang hình học đơn giản (phần 2.2) chúng ta đã tìm ra đƣợc điều kiện để ánh sáng có thể lan truyền đƣợc trong sợi quang thông qua khái niệm về khẩu độ số (NA). Ánh sáng là sóng điện từ do đó để có cái nhìn todiện về sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang, chúng ta cần phải ứng dụng và giải hệ phƣơng trình Maxwell cho ống dẫn sóng hình trụ với điều kiện dẫn yếu (tức là cho sợi quang). Các lời giải của hệ phƣơng trình Maxwell chình là các mode sóng lan truyền trong sợi quang. Việc giải phƣơng trình Maxwell (phần 2.3) đạ cho chúng ta thấy rõ thêm bản chất vật lý của mode là gì; vì sao ánh sáng lan truyền trong sợi quang dƣới dạng một tập rời rạt; và quan trọng hơn nữa là các điều kiện để hình thành các mode này thông qua các khái niệm về tần số đƣợc chuẩn hóa và bƣớc sóng cắt. Chúng ta ứng dụng các điều kiện này để chế tạo các sợi quang đơn mode đƣợc sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông hiện nay. Ánh sáng lan truyền trong sợi quang sẽ bị suy, tán sắc và chịu ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến. Trong phần 2.4 chúng ta đã khảo sát chi tiết bản chất vật lý của hiện tƣơng suy hao và tán sắt. Chúng ta đã hiểu rõ tán sắc làm hạn chế dải thông truyền dẫn nhƣ thế nào và nguyên nhân thúc đẩy việc sử dụng sợi quang đơn mode. Chúng ta cũng đã thấy mặc dù tán sắc là yếu tố quan trọng nhất giới hạn chất lƣợng của hệ thống ở tốc độ 2.5 Gbps và thấp hơn nữa, các hiệu ứng phi tuyến trở nên quan Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 70 trọng ở tốc độ bit cao hơn và các hệ thống đa kênh WDM. * * * CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG GIỚI THIỆU Hiện tƣợng tán sắc trong sợi quang và cơ chế của nó đã đƣợc đề cập trong chƣơng 2. Tán sắc trong sợi quang có thể đƣợc chia làm hai loại chính là tán sắc mode và tán sắc sắc thể. Tán sắc là do khi phóng ánh sáng vào sợi đa mode, năng lƣợng ánh sáng phân thành nhiều mode. Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian lan truyền của chúng trong sợi khác nhau. Cho nên, tán sắc mode là loại tán sắc chủ yếu trong sợi đa mode. Tán sắc sắc thể có nguyên nhân chủ yếu là do các thành phần tần số khác nhau trong mỗi mode lan truyền có tốc độ khác nhau. Do đó đây là loại tán sắc chủ yếu trong sợi đơn mode. Cả hai loại tán sắc đều gây ra dãn xung và biến đổi dạng sóng của tín hiệu trong hệ thống thông tin quang. Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu ta sẽ tìm hiểu về ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống thông tin sợi quang, và một số biện pháp để đo chúng. 3.1 ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. 3.1.1 Dãn xung do tán sắc. Dãn xung do tán sắc ảnh hƣởng tới chất lƣợng máy thu theo hai cách. Thứ nhất, một phần năng lƣợng xung phân tán khỏi các khe bit và gây ra giao thoa giữa các ký tự (ISI). Sự giao thoa vƣợt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu. Trong trƣờng hợp này, tán sắc đã làm giới hạn năng lực truyền dẫn. Thứ hai, năng lƣợng xung trong các khe bit bị giảm khi các xung quang bị dãn ra. Sự suy giảm năng lƣợng nhƣ thế làm giảm SNR tại mạch quyết định. Bởi vì SNR cần đƣợc duy trì ổn định để Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 71 duy trì chất lƣợng của hệ thống, máy thu yêu cầu công suất trung bình phải lớn hơn. Đây chính là nguồn gốc của sự giảm trừ công suất do giãn xung d. Giả sử xung quang phát đi có dạng Gausse, d (tính theo dB) đƣợc tính bằng công thức: d=10log10fb (3.1) trong đó fb là hệ số dãn xung. Khi sự dãn xung chủ yếu là do độ rộng phổ của máy phát phát, thì fb đƣợc cho bởi: Fb=б/б0= [1+ (DLб/б0)2]1/2 (3.2) Với 0 là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của máy phát quang và б là độ rộng phổ hiệu dụng (rms) của nguồn quang đƣợc giả định là phân bố Gausse. Các phƣơng trình (3.1) và (3.2) có thể đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng sự giảm trừ công suất do tán sắc màu trong hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode cùng với laser đa mode hoặc LED. 3.1.2 Ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang. 3.1.2.1 Phƣơng trình truyền dẫn cơ bản. Quá trình phân tích các mode trong sợi quang đã chỉ ra rằng mỗi một thành phần tần số của trƣờng quang truyền trong sợi quang có thể đƣợc viết dƣới dạng sau        ziByxFxrE  exp,0~,~,~  (3.3) ở đây x~ là vectơ phân cực, B ~ (0,) là biên độ ban đầu, và  là hằng số lan truyền, F(x,y) là phân bố trƣờng của mode sợi cơ bản mà thƣờng có thể làm xấp xỉ bằng phân bố Gaussian. Nhìn chung, F(x,y) cũng phụ thuộc vào  nhƣng sự phụ thuộc này có thể không cần đề cập đến đối với các xung có độ rộng phổ  << 0 một điều kiện nhìn chung là thỏa mãn với thực tế. Ở đây 0 là tần số đƣợc đặt ở giữa phổ xung, và đƣợc gọi là tần số trung tâm hay tần số mang. Các thành phần phổ khác sẽ truyền bên trong sợi theo quan hệ đơn giản sau.      ziBzB  exp,0~,~  (3.4) Biên độ trong miền thời gian có thể thu nhận bằng phép biến đổi Fourier ngƣợc và đƣợc viết nhƣ sau: Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 72        dtiztzB     exp, 2 1 , (3.5) Biên độ phổ ban đầu B(0,) là dạng biến đổi Fourier của biên độ đầu vào B(0,t). Dãn xung xuất phát từ tính phụ thuộc tần số của . Đối với các xung đơn sắc  << 0, nó cho phép triển khai () ở dạng chuỗi Taylor xung quanh tần số mang 0 và vẫn giữ các số hạng tới bậc ba, nghĩa là:          332210 6 1 2 1   c n (3.6) ở đây  =  - 0 và m = (d m/dm) = 0 . Từ biểu thức 3.2 1 = 1/ vg, ở đây vg là tốc độ nhóm. Tham số vận tốc nhóm 2 có liên quan tới tham số tắc sắc D bằng biểu thức 3.7, còn 3 có quan hệ với đƣờng bao S bởi biểu thức 3.15 và sử dụng một tham số A(z, t) gọi là biên độ biến đổi chậm của đƣờng bao xung với quan hệ sau:       tzitzAtzB 00exp,,   ( 3.7) Biên độ A(z, t) đƣợc xác định nhƣ sau                     tiz i z i ziAdtzA  33221 62exp,0~21, ( 3.8) ở đây  ,0 ~ A = G(0,  - 0) là biến đổi Fourier của A(0,t) Bằng việc tính toán A/z và lƣu ý rằng  đƣợc thay thế bởi i(A/t) trong miền thời gian, thì biểu thức 3.7 có thể đƣợc viết là: 0 6 1 2 3 3 32 2 21             t A t Ai t A z A  (3.9) Đây là phƣơng trình truyền dẫn cơ bản mà nó chi phối sự tiến triển của xung bên trong sợi đơn mode. Khi không có tán sắc (2 = 3 = 0), xung quang sẽ đƣợc truyền đi mà không thay đổi dạng của nó nghĩa là A(z, t) = A(0,t - 1z). Thực hiện biến đổi dịch chuyển đối với xung và đƣa ra các trục tọa độ mới: ztt 1 và z’=z Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 73 Thì phƣơng trình 2.36 có thể viết nhƣ sau: 0 6 1 2 3 3 32 2 2          t A t Ai z A  (3.10) 3.1.2.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét hiện tƣợng chirp xảy ra đối với các xung quang trong thông tin quang. Khi áp dụng phƣơng trình 3.10 ở trên, ta hãy phân tích sự lan truyền của các xung Gaussian đầu vào trong sợi quang bằng cách thiết lập biên độ ban đầu nhƣ sau:                    2 0 0 2 1 exp,0 T tiC AtA (3.11) Trong đó A0 là biên độ đỉnh. Tham số T0 biểu thị là một nửa độ rộng tại điểm cƣờng độ 1/e. Nó có mối liên hệ với độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWHM (full width at half maximum) của xung bởi biểu thức sau: 00 665,12ln2 TTTFWHM  (3.12) Tham số C sẽ tạo nên sự lệch tần số tuyến tính tác động vào xung. Xung đƣợc gọi là bị chirp nếu nhƣ tần số mang của nó thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi tần số có liên quan đến pha và đƣợc viết nhƣ sau:   t T C t t 0 2      (3.13) Ở đây  là pha của A(0,t). Sự dịch tần số theo thời gian  đƣợc gọi là chirp. Nhìn chung đây là một vấn đề quan trọng vì các laze bán dẫn thƣờng phát ra các xung bị chirp một cách đáng kể. Phổ Fourier của xung chirp bị dãn nhiều hơn so với phổ của xung không bị chirp. Điều này có thể nhận ra bằng việc tiến hành biến đổi Fourier biểu thức 3.11 để có:                    iC T iC T AA 12 exp 1 2 ,0 ~ 2 0 2 2/1 2 0 0  (3.14) Nửa độ rộng phổ tại điểm cƣờng độ 1/e đƣợc cho là: Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 74 0 2 0 1 T C  (3.15) Khi không có chirp tần số (C = 0), thì độ rộng phổ thỏa mãn quan hệ 0T0=1. Một xung nhƣ vậy sẽ có phổ hẹp nhất và đƣợc gọi là biên độ giới hạn. Từ biểu thức 3.15 ta thấy có độ rộng phổ đƣợc tăng bởi hệ số (1 + C2)1/2 khi có chirp xuất hiện. Phƣơng trình truyền dẫn xung 3.10 có thể đƣợc giải dễ dàng trong miền Fourier. Lời giải của nó có dạng nhƣ sau:               dtiz i z i AtzA 33 2 2 62 exp,0 ~ 2 1 , (3.16) Trong đó  ,0 ~ A đƣợc cho từ biểu thức 3.14 đối với xung Gaussian đầu vào. Trƣớc hết chúng ta hãy xem xét trƣờng hợp mà bƣớc sóng mang ở xa bƣớc sóng có tán sắc bằng không để sao cho có sự tham gia của số hạng 3 là không đáng kể. Việc tích phân biểu thức 3.16 có thể đƣợc thực hiện bằng giải tích toán học, và sẽ thu đƣợc kết quả là:                        iCziT tiC iCziT TA tzA 12 1 exp ]1[ , 2 2 0 2 2/1 2 2 0 00  (3.17) Biểu thức 3.17 chỉ ra rằng các xung Gaussian duy trì dạng Gaussian trong quá trình lan truyền. Độ rộng xung thay đổi theo z nhƣ sau: 2/1 2 2 0 2 2 2 0 2 0 1 1                          T z T C T T z  (3.18) Ở đây T1 là một nửa độ rộng đƣợc xác định tƣơng tƣ nhƣ T0. Đƣờng cong biểu diễn hệ số dãn T1/T0 là một hàm số của cự ly truyền dẫn z/ LD, trong đó LD đƣợc gọi là độ dài tán sắc và đƣợc viết là: 2 2 0  T LD  (3.19) Xung không bị chirp (C = 0) sẽ dãn một lƣợng [1 + (z/LD)2] 1/2 và độ rộng của nó tăng theo hệ số 21/2 tại z = LD. Mặt khác, các xung bị chirp có thể dãn hoặc bị nén tùy thuộc vào 2 và C có Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 75 cùng dấu hay không. Khi 2 và C cùng dấu, xung Gaussian bị chirp sẽ dãn một cách đều đặn với mức độ nhanh hơn xung không bị chirp. Khi 2 và C khác dấu, độ rộng xung sẽ giảm và trở nên nhỏ nhất tại cự ly: DL C C z         2min 1 (3.20) Giá trị nhỏ nhất phụ thuộc vào tham số chirp nhƣ sau:48 2 0min 1 1 C T T   (3.21) Việc làm xung bị chirp hẹp lại một cách hợp lý có thể tạo nên đặc tính tiên tiến rất có lợi khi chúng ta thiết kế các hệ thống thông tin quang. Điều này đã đƣợc nghiên cứu trong tài liệu. Biểu thức 3.20 có thể bao quát gồm cả tán sắc bậc cao hơn là 3 trong biểu thức 3.21. Tích phân này vẫn có thể biểu diễn ở dạng khép kín dƣới dạng hàm Airy. Tuy nhiên xung Gaussian đầu vào không duy trì Gaussian trong khi truyền và tạo ra đuôi dài có dạng dao động. Những xung nhƣ vậy không thể đƣợc đặc trƣng đúng bởi FWHM của chúng. Giá trị đúng của độ rộng xung là độ rộng RMS của xung đƣợc xác định nhƣ sau 22 tt  (3.22) ở đây các dấu móc nhọn ký hiệu giá trị trung bình có liên quan đến cƣờng độ, có nghĩa là:          dttzA dttzAt t m m 2 2 , , (3.23) Hệ số dãn đƣợc xác định là /0, ở đây 0 là độ rộng RMS của xung Gaussian đầu vào(với 0 = T0/2 1/2) và đƣợc viết nhƣ sau:   2/1 2 2 0 32 2 2 0 2 2 0 2 0 42 1 1 22 1                                    L C LLC (3.25) Việc phân tích ở trên giả thiết rằng nguồn phát quang đƣợc dùng để phát các Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 76 xung gần nhƣ đơn sắc để sao cho độ rộng phổ của nó thỏa mãn L<< 0 (với sóng liên tục hay hoạt động ở chế độ CW), trong đó 0 đƣợc cho từ biểu thức 3.43. Điều kiện này thƣờng không thỏa mãn trong thực tế. Để tính cho độ rộng phổ nguồn phát, ngƣời ta coi trƣờng quang nhƣ là một quá trình ngẫu nhiên và nghiên cứu các đặc tính kết hợp của nguồn thông qua chức năng tƣơng tác qua lại. Tính trung bình trong biểu thức 3.25 sẽ bao gồm cả tính trung bình trên bản chất thống kê của nguồn. Đối với phổ Gaussian có độ rộng phổ RMS là  thì có thể thu đƣợc hệ số dãn nhƣ sau:     2/1 2 3 0 322 2 2 0 22 2 2 0 2 0 42 1 1 2 .1 2 1                                     L VC L V LC (3.26) Ở đây V đƣợc xác định là V = 20. Biểu thức 3.26 thể hiện dạng diễn giải cho sự dãn do tán sắc của xung Gaussian đầu vào dƣới các điều kiện chung hoàn toàn. Sự dãn xung sẽ dẫn đến làm giới hạn tốc độ bit của các hệ thống thông tin quang mà ta sẽ xem xét trong phần sau đây. - Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn. Tán sắc đã làm hạn chế đặc tính hệ thống và trƣớc hết cần thấy rằng ảnh hƣởng đáng cân nhắc nhất là làm hạn chế tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Sự giới hạn đặt lên tốc độ bit do tán sắc có thể phụ thuộc hoàn toàn khác với đặt trên độ rộng phổ nguồn phát. Vì thế ta có thể thảo luận vấn đề này theo hai trƣờng hợp tách biệt sau đây. Trƣờng hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ lớn. Trong trƣờng hợp hệ thống sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ lớn thì ở biểu thức 3.26 sẽ ứng với V>>1. Trƣớc hết ta hãy xem xét hệ thống thông tin quang hoạt động ở bƣớc sóng chệch khỏi bƣớc sóng có tán sắc bằng không nhằm để số hạng 3 có thể đƣợc bỏ qua. Các ảnh hƣởng của lệch tần số là không đáng kể đối với các nguồn có độ rộng phổ lớn. Thay C = 0 vào biểu thức 3.26 ta sẽ có: 2 0 2 0 2 0 11                     DLL (3.27) Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 77 ở đây  là độ rộng phổ RMS của nguồn. Độ rộng xung đầu ra sẽ đƣợc viết nhƣ sau: 22 0 D  (3.28) Trong đó D  DL là độ dãn do tán sắc gây ra. Với diễn giải này, chúng ta có thể liên hệ  với tốc độ bit bằng cách sử dụng quy định rằng xung bị dãn nên nằm ở bên trong khe bit (khe thời gian) đã định, Tb = 1/B, trong đó B là tốc độ bit Rb. Một quy định chung thƣờng đƣợc sử dụng là   Tb/4. Đối với các xung Gaussian thì có ít nhất 90% năng lƣợng xung nằm trong khe bit. Tốc độ bit giới hạn đƣợc cho là 4B  1. Trong phạm vi D >> 0,   D = DL, và điều kiện trở thành nhƣ sau: 4/1DBL (3.29) Đối với hệ thống thông tin quang hoạt động chính xác tại bƣớc sóng có tán sắc bằng không 2 = 0 trong biểu thức 3.26. Ta thiết lập C = 0 nhƣ trƣớc đây và cho V >> 1, thì biểu thức 3.26 có thể xác định xấp xỉ nhƣ sau:                  0 2 2 0 2 3 0 2 1 1 2 1 1        SL (3.30) Nhƣ vậy, độ rộng xung đầu ra đƣợc viết nhƣ sau:   22 0 22 2 0 2 D SL    (3.31) ở đây bây giờ có thể viết: 2 2  LS D  (3.32) Cũng nhƣ trƣớc đây, ta có thể liên hệ  với tốc độ bit giới hạn bởi điều kiện 4B  1. Khi D >> 0, giới hạn về tốc độ bit đƣợc viết nhƣ sau: 8 12 SBL (3.33) Trƣờng hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 78 Trƣờng hợp này tƣơng ứng với V << 1 trong biểu thức 3.26. Nhƣ trƣớc đây, nếu chúng ta bỏ qua số hạng 3 và cho C = 0, thì biểu thức 3.26 có thể xấp xỉ bằng: 22 0 2 0 22 0 2 D L            (3.34) So sánh với biểu thức 3.31 sẽ thấy xuất hiện sự khác nhau chủ yếu giữa hai trƣờng hợp. Đối với phổ nguồn phát hẹp, dãn xung do tán sắc gây ra sẽ phụ thuộc vào độ rộng ban đầu 0, trái lại nó không phụ thuộc vào 0 khi độ rộng phổ của nguồn phát là lớn. Trong thực tế,  có thể giảm nhỏ tối thiểu bằng cách chọn giá trị tối ƣu của 0. Giá trị tối ƣu của  đƣợc tìm thấy xảy ra đối với 0= D=(L/2) 1/2 . Giới hạn tốc độ bit có thể nhận đƣợc khi sử dụng 4B  1 và dẫn tới điều kiện sau: 2 1 4 B L  (3.35) Sự khác nhau chính từ biểu thức 3.33 là B tỷ lệ với L-1/2 chứ không phải L-1. Đối với hệ thống thông tin quang hoạt động ở bƣớc sóng rất gần với bƣớc sóng có tán sắc bằng không, 2  0 trong biểu thức 3.26. Sử dụng V << 1 và C = 0, độ rộng xung lúc này đƣợc cho là: 22 0 2 2 0 32 0 42 1 D L            (3.36) Tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp của biểu thức 2.57, có thể tối thiểu đƣợc  bằng cách tối ƣu độ xungđầu vào 0. Giá trị nhỏ nhất của 0 đƣợc tìm thấy xảy ra đối với 0 = (L/4) 1/3 và đƣợc cho nhƣ sau: 3/1 3 2/1 42 3                L  (3.37) Giới hạn tốc độ bit sẽ đƣợc thu bằng cách áp dụng điều kiện 4B  1, hoặc là:   324,03/13 LB  (3.38) Các ảnh hƣởng tán xạ hầu hết đƣợc bỏ qua trong trƣờng hợp này. Đối với giá trị tiêu biểu 3 = 0,1 ps 3/km, tốc độ bit có thể lớn tới 150 Gbít/s với L = 100km. Nó chỉ Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 79 giảm tới 70Gbít/s ngay cả khi L tăng 10 lần do sự phụ thuộc của tốc độ bit vào cự ly L -1/3. Rõ ràng rằng đặc tính của các hệ thống thông tin quang có thể đƣợc cải thiện đáng kể khi hoạt động ở bƣớc sóng gần bƣớc sóng có tán sắc bằng không của sợi quang và sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ tƣơng đối hẹp. - Tán sắc giới hạn cự ly truyền dẫn. Trong phần trên, chúng ta đã xem xét tới ảnh hƣởng của tán sắc làm hạn chế năng lực của truyền dẫn của hệ thống. Qua đó có thể thấy rằng ảnh hƣởng của tán sắc vận tốc nhóm GVD có thể đƣợc giảm nhỏ tối thiểu bằng việc sử dụng các nguồn phát laze bán dẫn có độ rộng phổ hẹp và có bƣớc sóng gần với bƣớc sóng có tán sắc bằng không ZD của sợi quang. Tuy nhiên, vấn đề này không phải lúc nào cũng thực hiện đƣợc trong thực tế, và việc tạo ra các laze có bƣớc sóng ZD là không dễ dàng. Trong các hệ thống thông tin quang thế hệ thứ ba có bƣớc sóng tại vùng 1550 nnm sử dụng loại nguồn phát laze DFB đây là các hệ thống đang đƣợc khai thác phổ biến trên thế giới. Tham số tán sắc sợi D của hệ thống này vào khoảng 17 ps/km .nm và đã hạn chế đáng kể đặc tính hệ thống khi mà tốc độ bit vƣợt quá 2.5 Gbít/s. Đối với các hệ thống điều chế trực tiếp laze DFB thì cự ly truyền dẫn L bị giới hạn bằng biểu thức sau: 1 4 L B D   (3.39) Ở đây B là tốc độ bit truyền dẫn của hệ thống,  là độ rộng phổ RMS có giá trị tiêu biểu vào khoảng 0,15 nm do có sự giãn phổ sinh ra từ chirp tần số. Nếu nhƣ giá trị tham số tán sắc D = 17 ps/km .nm thì cự ly truyền dẫn tối đa chỉ có thể đạt đƣợc L  39 km cho tốc độ bit 2.5 Gbít/s, và trong thực tế thì khoảng lặp cũng là nhƣ vậy. Khi độ rộng  vào khoảng 0,1 nm thì cự ly đƣợc cải thiện khoảng 62 km, và nếu cự ly là cố định cho các khoảng cách trên thực tế giữa hai điểm nhƣ vậy thì ta không thể nâng cấp tốc độ cao hơn 2.5 Gbít/s. Năng lực hệ thống có thể đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng điều chế ngoài, và trong trƣờng hợp này có thể tránh đƣợc sự giãn phổ do chirp tần số gây ra. Kỹ thuật điều chế ngoài hiện nay đã đƣợc thƣơng mại trên thực tế, các thiết bị phát quang đã có cấu trúc tổ hợp cả laze DFB và bộ điều chế ngoài thành một thiết bị đơn khối. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 80 Cự ly truyền dẫn khi đó phụ thuộc vào tham số vận tốc nhóm 2 và đƣợc giới hạn nhƣ sau: 2 2 1 16 L B  (3.40) Nếu nhƣ tham số 2 có giá trị tiêu biểu bằng -20 ps 2/km .nm tại bƣớc sóng gần 1550 nm thì cự ly lớn nhất vào khoảng 500 km tại tốc độ bit 2.5 Gbít/s. Mặc dù cự ly truyền dẫn đã đƣợc cải thiện đáng kể so với trƣờng hợp điều chế trực tiếp laze DFB, nhƣng sự hạn chế hệ thống do tán sắc gây ra vẫn là mối quan tâm khi hệ thống có sử dụng khuếch đại đƣờng truyền LA. Hơn thế nữa, khi mà tốc độ bit tăng cao hơn, chẳng hạn tới 10 Gbít/s đơn kênh thì cự ly truyền dẫn do GVD gây ra chỉ còn khoảng 30 km. Với khoảng lặp ngắn nhƣ vậy thì có sử dụng bộ khuếch đại quang cũng không giải quyết đƣợc vấn đề gì. Bằng chứng ở đây cho thấy rằng giá trị GVD của sợi đơn mode khá lớn đã giới hạn nghiêm trọng chất lƣợng của hệ thống 1,55 m đƣợc thiết kế cho các mạng thông tin quang tốc độ 10 Gbít/s trở lên. 3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC VÀ DẢI THÔNG SỢI QUANG. Các ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống truyền dẫn sợi quang đƣợc xác định bằng việc thực hiện các phép đo thử đáp ứng xung trong miền thời gian hoặc hàm truyền đạt công suất trong miền tần số. Mối quan hệ theo thời gian giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra sợi quang nhƣ sau: (3.41) Trong đó: : Công suất đầu ra của sợi quang. : Công suất đầu vào của sợi quang. : Đáp ứng xung. Gọi: , , H lần lƣợt là các biến đổi Fourier của công suất đầu ra của sợi quang , công suất đầu vào của sợi quang , đáp ứng xung . Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 81 Thì ta có biểu thức sau: (3.42) Trong đó hàm truyền là biến đổi Fourier của đáp ứng xung, h(t) là hàm tích chập với công suất ở đầu vào sẽ cho công suất đầu ra của sợi. là tỷ số giữa công suất quang điều chế sin ở đầu ra và công suất điều chế hình sin ở đầu vào của sợi. Nếu chúng ta đo đƣợc đáp ứng xung thì sẽ có thể tính đƣợc hàm truyền và ngƣợc lại. 3.2.1 Phƣơng pháp đo đáp ứng xung. Phƣơng pháp này để đo độ dãn xung khi phóng vào sợi một xung ánh sáng hẹp và đo xung ở ngõ ra. Nguyên lý của phƣơng pháp này đƣợc trình bày ở hình(3.1). Ở sơ đồ này, ta có một xung ngắn từ bộ phát xung laser đƣợc đƣa vào sợi (vài trăm ps) và đƣợc tách ra bằng một photodiode tốc độ cao, rồi đƣa tín hiệu hiển thị trên bộ chỉ báo dao động lấy mẫu. Sau đó dạng xung này đƣợc đƣa vào máy tính và vẽ ra giấy. Để khắc phục ảnh hƣởng của thiết bị đo ta sử dụng thêm một phép đo khác, sử dụng một sợi quang tham khảo dài vài mét. Đáp ứng xung đƣợc đặc trƣng bởi giá trị trung bình bình phƣơng độ rộng xung . Hình 3.1 Nguyên lý đo đáp ứng xung. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 82 ∫ (3.43) Trong đó: ∫ (3.44) : Là độ trễ xung. ∫ (3.45) Nếu xung đƣợc gần đúng cho dƣới dạng phân bố luật Gauss thì đáp ứng xung có thể đƣợc xác định từ độ rộng xung và độ rộng xung . (3.46) Độ tán xạ T cũng có thể đƣợc xác định từ độ rộng xung vào và xung ra: √ (3.47) Với: L là chiều dài sợi quang. Gọi hàm mô tả dạng xung đầu vào là và đáp ứng xung của sợi đo và thiết bị đo là h(t) và h’(t). Khi đó ta có mô tả của dạng xung đầu ra: (3.48) Đối với sợi chuẩn ( ta có: (3.49) : Là công suất xung ra của sợi tham khảo, ở biểu thức (3.48) không có mặt đáp ứng xung của đoạn sợi chuẩn vì nó ảnh hƣởng đến công suất ra rất bé nên có thể bỏ qua. Biến đổi Fourier của biểu thức (3.48) và (3.49) ta có: Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 83 (3.50) (3.51) Nhƣ vậy ta có: (3.52) Sơ đồ đo. Nhƣ vậy hàm truyền đạt của sợi quang có thể đƣợc hiểu nhƣ tỉ số biến đổi Fourier của dạng xung đo ở đoạn sợi cần đo dài với dạng xung đo ở dạng sợi chuẩn ngắn. Từ hàm chuyển đổi ta có độ rộng băng B có thể đƣợc xác định về lƣợng là bẳng tần số thấp nhất mà tại đó biên độ của hàm chuyển đổi giảm một phần nhất định (khoảng ½) của giá trị tần số chuẩn. Ở sơ đồ này, một bộ tạo xung laser phát ra các xung ngắn, qua bộ tách luồng nó đƣợc chia làm 2 Luồng. Một luồng qua vi thấu kính hội tụ, qua bộ trôn mode và đƣợc ghép vào sợi quang cần đo. Một luồng qua thấu kính tới Camera thu hình, Camera này đƣợc nối với màn hình quan sát, màn hình này sẽ giúp ta quan sát đƣợc điều kiện bơm năng lƣợng quang vào trong sợi. Các xung ra từ đầu sợi đo đƣợc tách bằng 1 photodiode tốc độ cao và đƣợc hiển thị trên màn hình của thiết bị chỉ báo dao động. Ở trong sơ đồ, bộ trễ dung để tạo tín hiệu đóng mở bộ chỉ báo thời gian tại thời điểm thích hợp. Dạng xung đƣợc đƣa đến máy tính và ghi vào băng từ, phép đo đƣợc lặp lại với sợi tham khảo ngắn. Máy tính sẽ xử lý kết quả và cho biết độ tán xạ nhƣ theo các công thức. Nếu dạng xung vào và ra của sợi quang gần giống với dạng Gauss, thì độ rộng băng của sợi tại giá trị suy giảm 3dB công suất quang thu đƣợc tính bằng: hay (3.53) Với [B] = Ghz, [ ] = ns, [T] = ns. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 84 Tuy nhiên giá trị của B trên đây là giá trị gần đúng, để đo kết quả chính xác hơn ta phải tính chuyển đổi Fourier của các xung vào và ra, để từ đó tính đƣợc B tại giá trị biên độ giảm 3dB so với giá trị biên độ ở tần số 0. Trong khi đo để ấn định độ chính xác của máy đo thì chuỗi xung phát phải có độ rộng phù hợp với đáp ứng xung dự tính của sợi quang. Nếu độ rộng băng của sợi lớn, xung đo phải hẹp hơn nhiều so với đáp ứng xung của sợi và ngƣợc lại. 3.2.2 Phƣơng pháp đo ong miền tần số. Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung Hình 3.3 Nguyên lý của phương pháp quét tần số Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 85 Hàm truyền đạt của một sợi quang có thể đƣợc đo trực tiếp trong miền tần số. Nguyên lý của phƣơng pháp quét tần số đƣợc trình bày nhƣ hình 3.3. Nguồn quang có thể là Laser hoặc LED đƣợc điều chế bằng một tín hiệu hình sin từ bộ tạo sóng quét. Tín hiệu quang đƣợc bơm vào sợi đo và tín hiệu ra đƣợc thu bằng một diode có thể là PIN hoặc APD, diode đƣợc nối với bộ phân tích phổ, tần số tín hiệu từ bộ tạo sóng quét cũng đƣợc nối trực tiếp vào bộ phân tích phổ. (3.54) (3.55) Trong đó: : Hàm truyền đạt của máy đo. : Hàm truyền đạt khi đo sợi dài. : Hàm truyền đạt khi đo sợi đo ngắn. : Hàm truyền đạt của sợi cần đo. Lấy (3.54) chia cho (3.55) ta đƣợc: (3.56) Hàm truyền đạt có thể đƣợc viết dƣới dạng: H(w) = | | (3.57) Trong đó: | | Là đáp ứng biên độ và là đáp ứng pha. Nhƣ vậy, hàm truyền đạt của sợi quang có thể đƣợc đo trong cả miền thời gian và tần số bằng phƣơng pháp dãn xung và phƣơng phƣơng pháp quét tần số. Tùy vào mức độ trang bị của máy đo mà ngƣời ta chọn phƣơng pháp đo thích hợp. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 86 Kỹ thuật đo trong miền thời gian đòi hỏi phải có phƣơng tiện để tạo và tách các xung hẹp. Một máy tính cũng phải cần đến để tính toán các biến đổi Fourier. Mặt khác đáp ứng pha là hoàn toàn tự động. Kĩ thuật đo trong miền tần số thì việc tính toán đơn giản hơn vì hàm truyền đạt có thể sử dụng bằng cách chỉ thực hiện các phƣơng pháp chia hoặc phép trừ nếu đơn vị là dB. Trái lại việc khó khăn ở đây là phải có bộ tạo tín hiệu hoạt động ở dải tần lên đến hàng Ghz. Khi ta đã đo độ rộng băng của sợi quang ta cần phải nhớ rằng nó bao gồm cả 2 loại: độ méo mode và độ tán sắc. Độ rộng tổng có thể đƣợc biểu diễn bằng biểu thức sau: √ (3.58) Trong đó: : Độ rộng tổng đo đƣợc. : Độ rộng méo mode. : Độ rộng băng tán sắc. : Hệ số tán sắc (méo sắc) (ps/nm.km) : Độ rộng đƣờng gốc. L: độ dài của đoạn (km). Nếu cần, độ rộng mode có thể thu đƣợc nhƣ sau: nếu nhƣ cả hai đáp ứng băng cơ bản sợi mode và phổ của nguồn đều coi là dạng Gauss thì có thể tìm đƣợc từ phƣơng trình (3.58) vì độ rộng băng của sợi thu đƣợc đã biết và độ rộng băng cũng có thể tính đƣợc. Sơ đồ đo. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 87 Đây là sơ đồ hệ thống đo đƣợc xây dựng bởi phòng thí nghiệm truyền dẫn bƣu điện Phần Lan. Nguồn quang là một diode laser CW GOANA hoạt động ở bƣớc sóng 857 nm (hay có thể là một laser khác hoạt động ở bƣớc sóng 1320 nm). Vì hàm chuyển đổi của sợi quang phụ thuộc mạnh vào điều kiện bơm. Bởi vậy khả năng tái tạo lại của phép đo là có chất lƣợng rất kém. Để tăng chất lƣợng phép đo, ngƣời ta sử dụng bộ ngẫu nhiên mode. Thƣờng ngƣời ta ghép nó vào đoạn sợi đuôi của laser và có thể dụng các loại sợi SI hoặc GI. Độ dài của sợi đa thƣờng là 2m. Để đo độ rộng băng ta cần quan tâm tới đáp ứng biên độ của hàm chuyển đổi chứ không cần quan tâm tới đáp ứng pha của nó. Do vậy ta có thể dung bộ phân tích phổ để đo đáp ứng biên độ của sợi. Bộ phân tích phỏ đƣợc sử dụng ở đây là bộ phân tích phổ kiểu HP – 8568A, với dải tần 100Hz đến 1500 MHz, trong hệ thống nó đƣợc nối với bộ quét và đồng chỉnh cùng với bộ quét. Bộ quét có dải tần từ 0,5 – 1500 MHz. Máy tính đƣợc dùng ở đây là HP – 85 để điều khiển bộ phân tích phổ laser đƣợc điều chế bằng tín hiệu hình sin lấy từ bộ phát đồng chỉnh, tín hiệu quang sau Hình 3.4 Sơ đồ khối của hệ thống đo quét tần số Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 88 khi đƣợc điều chế sẽ đƣợc bơm vào sợi quang cần đo. Bộ phát tín hiệu quét đồng chỉnh, dải tần chọn lọc và bộ phận phân tích phổ sẽ đo mức tín hiệu. Đáp ứng biên độ của sợi đo có đƣợc là nhờ chia kết quả đo với sợi đo cho kết quả đo với sợi chuẩn. Độ rộng băng của sợi đo đƣợc xác định là tần số thấp nhất mà tại đó biên độ của đáp ứng biên độ cảu sợi suy giảm 3 dB. Kết quả đo của cả hai phép đo đều đƣợc ghi lại trên máy tính và vẽ ra đáp ứng biên độ và độ rộng băng của sợi đó. Trong thực tế ta có một khó khăn là máy phân tích phổ không thể nối đồng chỉnh với bộ tạo sóng quét vì chúng ở hai đầu khác nhau của hai đoạn bằng bộ tạo sóng quét HP 6820 A với dải tần từ 10 – 1300 MHz. Bộ tạo sóng này dung ở chế độ chạy tự do với độ phân tích lớn, toàn bộ đáp ứng biên độ sẽ có đƣợc sau 5 – 8 phút lƣu trữ. Phạm vi dải tần của hệ thống đo này có thể hoạt động từ 10 – 1200 MHZ với cả hai miền bƣớc sóng là 850 nm – 1300 nm. Với hệ thống này có thể đo đƣợc các loại sợi có suy hao khoảng 20 – 25 dB. Một trở ngại chủ yếu của phép đo không đồng chỉnh là nó làm tăng thời gian đo và quan hệ dải thông sẽ thấp, do đó yêu cầu của bộ lọc trung tần IF trong máy phân tích phổ là phải có dải rộng nhằm hạn chế hai nhƣợc điểm trên. 3.2.3 Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang. Bằng các phƣơng pháp trên ta có thể tính đƣợc độ rộng băng của các sợi riêng lẻ. Trong thực tế khi đo tại hiện trƣờng, ta phải đo các tuyến cáp gồm nhiều sợi riêng lẻ hàn nối với nhau. Nếu biết tất cả các hàm chuyển đổi của các sợi ta không thể tính hàm chuyển đổi của tuyến một cách đơn giản là nhân tất cả chúng với nhau đƣợc. Vì kết quả này liên quan nhiều đến hiện tƣợng phát sinh khi hàn nối cáp, mà ảnh hƣởng chủ yếu là do hiện tƣợng đảo mode. Ta có sự phụ thuộc của băng B vào độ dài của sợi có thể có trong biểu thức sau: (3.59) Trong đó: Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 89 B: Độ rộng băng tần của sợi dài L km (MHz). : Tích số độ rộng băng và độ dài hay chính là độ rộng băng của sợi dài 1 km (MHz.km). L: Độ dài sợi (km). : hệ số ghép nối độ rộng băng. Giá trị tiêu biểu của ở phạm vi 0.5 – 1 phụ thuộc vào hiện tƣợng đảo mode tại các mối hàn, vào tham số mặt cắt , bƣớc sóng của độ rộng băng lớn nhất. Cũng có thể có các giá trị nhỏ hơn giới hạn trên, nói chung với sợi GI ngắn và với sợi GI dài. Độ rộng băng tổng của một phần sợi cơ bản có thể có đƣợc từ công thức sau: (∑ ) (3.60) Ở đây: : Độ rộng băng tổng. : Độ rộng băng thức i trong phần sợi. : Hệ số ghép nối độ rộng băng. : Thƣờng nằm trong khoảng 0,5 – 1 và đƣợc các nhà cung cấp ghi trên sợi. 3.2.4 Sai số ong đo đặc. Nhìn chung, trong đo đặc, hai nguyên nhân chính dẫn tới sai số đó là: sai số do máy đo, sai số do phƣơng pháp đo. a) Sai ố do máy đo. Đặc điểm chung của các loại máy đo quang phổ: - Trong phân tích quang phổ ngƣời ta các hệ thống thiết bị chia thành 3 khối chức năng sau: hệ thống chiếu sáng, hệ thống tán sắc, và hệ thống ghi phổ. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 90  Hệ thống chiếu sáng bao gồm: nguồn kích thích và hệ thống tụ quang để chiếu sáng vào khe máy quang phổ.  Hệ thống tán sắc gồm có: khe quang phổ,hai hệ thống vật kính chuẩn trực và buồng ảnh,và chủ yếu là phần tử tán sắc.  Hệ thống nhận – ghi phổ đƣợc đặt đúng vào mặt tiêu cự của máy. Trong các máy nhìn bằng mắt thì ở mặt tiêu cự ngƣời ta đặt thị kính. Với các máy quang phổ chụp ảnh ngƣời ta đặt kính ảnh còn với các máy quang phổ điện ngƣời ta đặt khe ra có lắp tế bào quang điện hoặc nhãn quang điện và cấu trúc ghi phổ cần thiết. Nguyên nhân gây sai số do dụng cụ: • Do thay đổi công suất của nguồn. • Các đặc tính của detector nhiễu điện • Các vị trí cuvet • Ngoài ra luôn luôn xuất hiện sai số chủ quan của ngƣời đo máy có liên quan đến việc tính các chỉ số theo thang mật độ quang hay độ truyền quang . Nguồn sai số này thƣờng là từ 0,2 – 1%. b) Sai ố do phƣơng pháp đo. Loại sai số này chủ yếu là do ngƣời thực hiện đo chƣa nắm vũng các thao tác, các bƣớc tiến hành từ đó dẫn tới sai số. 3.2.5 Giới thiệu về máy phân tích quang phổ. Hình 3.5 Các thành phần chính trong máy phân tích phổ Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 91 - Bộ lọc trung tần (IF Filter): Bộ lọc IF là 1 bộ lọc thông dải, lựa chọn thành phần tín hiệu mong muốn sau bộ mixer và loại bỏ các thành phần khác. Hình 3.5 Lọc trung tần RBW điều chỉnh băng thông của bộ lọc trung tần, do đó điều chỉnh độ phân giải của máy phân tích phổ. - Bộ lọc thông thấp (Low pass filter (Preselector): Loại bỏ tín hiệu tần số cao, tín hiệu không mong muốn vào bộ mixer. - Detector – Bộ nhận dạng đƣờng bao: Các máy phân tích phổ hiện đại sử dụng công nghệ số ( ADC ) để xử lý tín hiệu do đó loại máy này có thêm nhiều chế độ tách đƣờng bao :  Gồm có: 1 diode, 1 điện trở và 1 bộ lọc thông thấp  Có tác dụng biến đổi tín hiệu qua bộ lọc IF thành tín hiệu hiển thị hình ảnh.  Diode có tác dụng chỉ cho thành phần 1 chiều đi qua.  Cần chú ý đặt RBW đủ nhỏ để tách đƣợc 2 tín hiệu gần nhau.  Độ phân giải của bộ lọc trung tần IF quyết định độ thay đổi max của bộ tách đƣờng bao. - Bộ lọc video: Có tác dụng làm giảm nền nhiễu, làm mƣợt tín hiệu hiển thị trên màn hình  Là 1 bộ lọc thông thấp nằm ở phía sau bộ lọc IF, quyết đinh băng thông của tín hiệu video sẽ đƣợc lƣợng tử hoá và hiển thị mức biên độ. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 92  Băng thông nhỏ hơn của VBW so với IF sẽ làm cho bộ lọc video ko theo kịp sự biến đổi nhanh của tín hiệu lối ra IF, cắt bỏ và làm mƣợt tín hiệu hiển thị.  Khi giảm VBW, biên độ peak-to-peak của nền nhiễu giảm đi, sự giảm đi này là 1 hàm của tỉ số VBW:RBW  Ở chế độ tách sóng positive peak, khi: VBW>RBW peak-to-peak nền nhiễu gần nhƣ ko đổ ivà VBW<RBW peak-to-peak nền nhiễu giảm đi nhƣng không đáng kể (bởi vì ở chế độ tách sóng này, máy chọn hiển thị mẫu có mức biên độ cao nhất)  Ở chế độ tách sóng Average, VBW không làm thay đổi mức peak-to- peak hiển thị nền nhiễu. - Preamplifier: NF cho ta biết công suất nhiễu qua máy thu sẽ bị khuyếch đại thêm bao nhiêu. Một máy thu có chất lƣợng tốt fải có NF thấp. Và khuyếch đại cả tín hiệu nhiễu làm cho nền nhiễu hiển thị cao hơn mức nhiễu lối vào. 3.2.6 Yêu cầu kĩ hậ ƣớc khi đo. Để đảm bảo cho quá trình chất lƣợng trƣớc khi đo thì tối thiểu hải đáp ứng các yêu cầu sau: - Các thiết bị dung để đo phải đảm bảo có đủ chức năng để cho kết quả đo chính xác và trung thực. - Các dụng cụ đo cần thiết nhƣ các đầu nối thiết bị, các dây đo, và đặc biệt là bộ nối quang cần phải đƣợc làm sạch trƣớc khi đo. - Các thiết bị đo phải sử dụng cho quy trình đo nghiệm thu tuyến thông tin quang phải đƣợc qua kiểm chuẩn hoặc đƣợc cơ quan có thẩm quyền cấp ngành cho phép. - Trƣớc khi tiến hành đo thử phải kiểm tra lại thiết bị đo, nếu có vấn đề nghi ngờ thì không đƣợc phép sử dụng thiết bị đo đó. - Phải đảm bảo các điều kiện đo trƣớc khi tiến hành đo cần kiểm tra các điều kiện về môi trƣờng nơi nắp đặt các thiết bị, các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, không đƣợc vƣợt quá mức giới hạn cho phép của các thiết bị sử dụng. - Ngƣời tham gia đo trực tiếp cần phải nắm đƣợc các quy tác đo, phải nắm đƣợc quy trình đo, thao tác thành thạo các thiết bị đo và có khả năng vận hành và khai thác tốt các hệ thống. Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 93 - Ngƣời đo phải thực hiện đúng quy định về đo thử quy trình, đảm bảo an toàn khi đo cả thiết bị và ngƣời. * * * Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 94 KẾT LUẬN Đồ án đã trình bày sự ảnh hƣởng của tán sắc lên hệ thống thông tin quang, đƣa ra một số phƣơng pháp đo lƣờng tán sắc trong sợi quang. Với nhƣng kết quả, ƣớc lƣợng về tán sắc trong sợi quang sẽ giúp cho ta có thể dễ dàng đánh giá đƣợc chất lƣợng của hệ thống thông tin quang, đánh giá đƣợc mức độ ảnh hƣởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang, chất lƣợng của sợi quang khi vừa đƣợc chế tạo …. Đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn nhƣ G.652 thì ảnh hƣởng của tán sắc là rất lớn và đặc biệt là tác động của tán sắc mode phân cực. Vì thế việc xác định một cách định lƣợng giá trị của loại tán sắc này là rất quan trọng và đòi hỏi nhƣng phƣơng pháp đo chuyên biệt. * * * Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 95 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Chu Công Cẩn – giáo viên của Đại học Giao Thông Vận Tải, là ngƣời trực tiếp giảng dạy và hƣớng dẫn tôi môn học thông tin quang và làm đồ án tốt nghiệp này. Đồ án này là kết quả của quá trình học tập suốt 4 năm liên tục. Do đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể tất cả các thầy, cô (cả giáo viên của trƣờng Giao Thông Vận Tải, và các thầy, cô trong bộ môn và khoa điện-điện tử….) – những ngƣời đã tham gia vào quá trình giảng dạy và trang bị cho tôi những kiến thức để tôi có thể hoàn thiện đƣợc đồ án tốt nghiệp này. Tiếp đến là lời cảm ơn tới ngƣời thân, bạn bè đã động viên tôi trong suốt thời gian làm đồ án cũng nhƣ thời gian học tập. Họ là những ngƣời luôn cho tôi những góp ý về nội dung cũng nhƣ giúp tôi thu thập những tài liệu cần thiết phục vụ cho đồ án tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Văn Đức * * * Đồ án nghiên cứu các phƣơng pháp đo tán sắc trong sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ths. Chu Công Cẩn, 2007, “Bài giảng cơ sở thông tin sợi quang”, đại học giao thông vận tải. 2. TS. Lê Quốc Cƣờng “Kĩ thuật thông tin quang”, học viên công nghệ bƣu chính viễn thông. 3. Vũ Văn San, Đinh Thị Thu Phong “ xác định ảnh hƣởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao” 4. John M.Senior, Myousif Jamro(2009); “optical fiber communications principles and practice”, GTU 3rd Sem electronics & communication Engineering books. 5. Rongqing Hui and Maurice O'Sullivan (2009); “fiber optical measurement techniques”, Technology & Engineering. 6. Nguồn internet. * * *