Tán sắc trong sợi quang–Dispersion

1Tán sắc trong sợi quang – Dispersion „ Tán sắc là hiện tượng dãn xung ánh sáng theo thời gian khi truyền tín hiệu, gây nên méo tín hiệu. Đây là vấn đề quan trọng với tuyến tốc độ cao, đường truyền dẫn dài. „ [ps.km-1.nm-1]: độ lệch thời gian lan truyền xung ánh sáng trên 1km sợi quang và với phổ bức xạ của nguồn phát quang rộng 1nm. „ Các loại tán sắc: ‰ Tán sắc mode ‰ Tán sắc dẫn sóng ‰ Tán sắc vật liệu ‰ Tán sắc mặt cắt (nhỏ) Tán sắc giữa các mode Tán sắc trong mode Hanoi University of Technology 2Tán sắc tổng (Dispersion) 3Tán sắc mode – Modal Dispersion „ Trong sợi đa mode, tốc độ lan truyền ánh sáng của các mode khác nhau. Sự chênh lệch thời gian đến điểm thu giữa các tia sáng gây trễ nhóm mode lan truyền→ dãn xung ánh sáng. „ Trong sợi đơn mode không có tán sắc mode 4Tán sắc mode 5‰ Các mode lan truyền bao gồm từ mode bậc 0 đến mode bậc (N – 1) „ Mode bậc 0 coi như truyền song song với trục của sợi quang với quãng đường ngắn nhất L (km) „ Mode bậc cao nhất (N – 1) truyền gần góc tới hạn θc với quãng đường dài nhất: „ Tán sắc mode: ( )kmL Cθsin cn NAD e ⋅⋅= 1 2 mod 2 6Tán sắc mode – Dmode Độ dãn xung tín hiệu – τmode „ Tán sắc mode sau quãng đường L (km) hay độ giãn xung tín hiệu quang sau khi truyền trong sợi quang dài L (km) đo bằng hiệu thời gian truyền giữa mode bậc cao nhất và mode bậc thấp nhất: ee c e DL c nL n nn c nL n n c nL c nL mod 1 mod 2 211 2 111 mod 11sin 1 ⋅=∆⋅≅ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= τ θτ 7Tán sắc đơn sắc Dchro(λ)– Chromatic Dispersion Những khái niệm cơ bản „ Trong thông tin quang, các xung ánh sáng được dùng để truyền thông tin. Chúng là những nhóm sóng ngắn trong đó có các sóng ánh sáng ở những bước sóng khác nhau. „ Bên trong những nhóm sóng như vậy, các sóng riêng biệt sẽ truyền với tốc độ khác nhau do chúng có các bước sóng khác nhau. „ Tốc độ truyền của một nhóm sóng gọi là vận tốc nhóm - Group velocity. 8Những khái niệm cơ bản (tiếp) ‰ Chiết xuất khúc xạ nhóm – Group refractive index: Chỉ số chiết xuất khúc xạ n và chiết xuất khúc xạ nhóm ng đều là hàm của bước sóng λ Ví dụ: (hình vẽ p20) Trong thủy tinh silica tinh khiết, n và ng đều giảm khi bước sóng tăng. λλ d dnnng −= 9Những khái niệm cơ bản (tiếp) ‰ Vận tốc nhóm – Group velocity: ‰ Khi truyền trong sợi quang L (km), xung ánh sáng có thời gian trễ nhóm hay độ dãn xung tín hiệu – Group delay time: → ng, τg phụ thuộc vào λ. g g g nc L v L ⋅==τ g g n cv = 10 Tán sắc vật liệu Dmat (Material Dispersion) „ Tán sắc vật liệu là phép đo những biến đổi của chiết xuất khúc xạ nhóm ng ở những bước sóng khác nhau. Tán sắc vật liệu được tính từ tích phân của ng theo bước sóng: ( ) ( ) ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⋅⋅= ⋅= kmnm ps d d L D d dn c D g mat g mat λ λτλ λ λλ 1)( 1 → sẽ tồn tại một giá trị của λ mà tại đó Dmat = 0 λZDmat 11 Tán sắc vật liệu Dmat „ Dmat = 0 tại λ = λZDmat ‰ λZDmat = 1,276µm là bước sóng có tán sắc vật liệu bằng không với thủy tinh thuần khiết, có thể thay đổi trong khoảng 1,27 – 1,29µm với lõi và vỏ có pha tạp. ‰ Dmat < 0 khi λ < λZDmat ‰ Dmat > 0 khi λ > λZDmat ‰ Trong dải 1,25 - 1,66µm có thể tính xấp xỉ Dmat theo công thức: )1(122 λ λZDmat matD −×≈ 12 Tán sắc dẫn sóng Dwg (Waveguide Dispersion) „ Dwg do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng trong lõi, còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng trong lõi. „ Dwg phụ thuộc vào hằng số lan truyền sóng β (hay phụ thuộc vào thiết kế sợi như các tham số a, n và λ) „ Trong vùng bước sóng 0 → 1,6µm : Dwg < 0 13 Tán sắc đơn sắc: Dchro(λ) = Dmat + Dwg λZD 14 Tán sắc đơn sắc Dchro „ Dchro = 0 tại λ = λZD ‰ λZD ≈ 1,31µm là bước sóng có tán sắc đơn sắc bằng không với thủy tinh thuần khiết. (dịch chuyển 30 - 40 nm so với λZDmat) ‰ Dchro < 0 khi λ < λZD ‰ Dchro > 0 khi λ > λZD 15 Độ dãn xung tín hiệu đơn sắc – τchro Độ dãn xung tín hiệu tổng – τ LDchrochro ⋅∆⋅= λτ 22 mod chroe τττ += 16 Ưu điểm của Dwg ‰ Giảm Dchro trong vùng bước sóng 1,3 – 1,6µm ‰ Dwg phụ thuộc vào tham số sợi quang như a, ∆ nên có thể thay đổi giá trị Dwg bằng cách chế tạo sợi có λZD nằm trong vùng bước sóng suy hao thấp 1550nm tạo nên các sợi tán sắc dịch chuyển 17 Nguyên tắc tạo sợi quang mới „ Điều chỉnh các tham số cơ bản trong cấu trúc loại sợi đơn mode nhằm dịch chuyển tán sắc tối thiểu ở vùng bước sóng 1300nm tới bước sóng có suy hao nhỏ quanh vùng 1550nm. ‰ Ví dụ: tán sắc vật liệu của sợi tiêu chuẩn SMF làm từ SiO2 có D=0 tại λZD=1270nm. Nếu pha thêm một số tạp chất như GeO2 và P2O5 vào lõi sợi, điểm D=0 sẽ chuyển đến các bước sóng lớn hơn. 18 Các sợi dẫn quang đơn mode mới „ Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF hay sợi không có tán sắc dịch chuyển DUF (G652 ) „ Sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion – Shifted Fiber) (G653): có λ0 nằm trong vùng 1550nm, tại đó giá trị D = 0. Được sử dụng vào hệ thống TTQ hoạt động ở vùng 1550nm, hệ thống có EDFA, hệ thống đơn kênh quang. „ Sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF (Non – Zero DSF) (G655): có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là 0,1ps/nm.km ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 6ps/nm.km trong vùng bước sóng 1530 – 1565nm. Thích hợp với hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa do giảm được các hiệu ứng phi tuyến. 19 Các sợi dẫn quang đơn mode mới