Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
Precise Fiber Test
Solutions:
CHROMATIC DISPERSION
TRAINING
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
1
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
1. Cơ bản về sợi quang :
1.1. Phản xạ và khúc xạ
Trong chuyển động sóng, phản xạ là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc
của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới. Các
ví dụ về phản xạ đã được quan sát với các sóng như ánh sáng, âm thanh hay sóng nước.
Sự phản xạ của ánh sáng có thể là phản xạ định hướng (như phản xạ trên gương) hay
phản xạ khuếch tán (như phản xạ trên tờ giấy trắng) tuỳ thuộc vào bề mặt tiếp xúc. Tính
chất của bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ, pha hay trạng thái phân cực của
sóng.
Trong nhiều quá trình vật lý, sóng phẳng lan truyền theo hướng PO đi tới bề mặt phản xạ
(gương) thẳng đứng tại điểm O, và bị phản xạ theo hướng OQ. Dựng tia vuông góc với
mặt phẳng gương tại O, có thể đo góc tới, θi và góc phản xạ, θr. Công thức cho sự phản
xạ định hướng nói rằng:
ri
θθ
=
tức là góc tới bằng góc phản xạ.
Normal
φ
Incident Ray
Refracted Ray
Reflected Ray
n

khúc xạ ánh sáng có dạng:
với:
• i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp tuyến
của mặt phẳng phân cách hai môi trường.
• r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt
phẳng phân cách hai môi trường.
• n1 là chiết suất môi trường 1.
• n2 là chiết suất môi trường 2.
Tỉ số n2/n1 không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường được gọi là chiết
suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới
(môi trường 1). Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới, ta nói môi
trường 2 chiết quang hơn môi trường 1. Ngược lại nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 thì góc khúc
xạ lớn hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang kém môi trường 1.
Trong trường hợp chiết suất n2>n1,
θ
>
θ
c
θ
c
θ
φ
= 90
o
φ
n
2
e.g.Glass
n
2

Góc tới hạn được tính theo công thức sau :
Nếu góc tới đúng góc tới hạn thì tia khúc xạ sẽ tiếp tuyến với bề mặt phân cách.
1.2 Ánh sáng truyền trong sợi quang:
H1.3 Ánh sáng truyền trong sợi quang
Khẩu độ (numerical aperture) NA:

sinNA n
θ
=
n
là chiết suất của môi trường đặt nguồn phát quang.
Ánh sáng đưa vào sợi quang sẽ theo một một góc nón nhất định gọi là góc nón cho phép
và một nữa góc này gọi là góc cho phép θ. Đối với sợi quang đa mode, góc cho phép sẽ
được xác định thông qua các thông số chiết suất
2 2
1 2
sinn n n
θ
= −
Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết suất n sang môi trường chiết suất
1
n
ta sẽ có :
1
sin sin
i r
n n
θ θ
=
(1)

=
(3)
Bình phương hai vế ta sẽ có:
2
2
2 2 2
2
2 2
1 1
sin os 1 sin 1
i c c
nn
c
n n
θ θ θ
= = − = −
Do đó ta có :
2 2
1 2
sinn n n
θ
= −
Chỉ số bình thường hóa xung nhip (normalized rap frequence) Vnumber được tính :

2 r NA
V
π
λ
=
Đối với sợi quang đơn mode : 0<V<2.405

. /N n dn d
λ λ
= −
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
5
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
H1.4 Đồ thị của chiết suất và chiết suất nhóm theo bước sóng
1.3 Quá trình hình thành sợi quang
H1.5 Sử dụng lửa làm lắng động bồ hóng trong ống silica
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
6
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
H1.6 Quá trình kéo sợi quang
H1.7 Lõi sợi quang sẽ gần bằng sợi tóc
2. Tán sắc
2.1 Cơ bản về tán sắc
Như chúng ta đã biết, tốc độ ánh sáng trong vật liệu phụ thuộc vào bước sóng, do đó sự
khúc xạ cũng phụ thuộc vào bước sóng. Khi ánh sáng đi qua lăng kính, những bước sóng
khác nhau sẽ rẽ theo những góc khác nhau. Hiện tượng đó người ta gọi là tán sắc. Do ta
chỉ quan tâm đến sợi đơn mode, nên trong sợi đơn mode có hai loại tán sắc chính : Tán
sắc sắc thể và tán sắc mode phân cực
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
7
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
H2.1 Ánh sáng bị tán sắc
Vậy trong sợi quang hiện tượng tán sắc sắc thể xảy ra như thế nào ?
Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường
truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi
quang. Nó sẽ mở rộng xung của ánh sáng ngõ vào tùy thuộc vào bề rộng các bước sóng
(độ rộng phổ), độ tán sắc D, và chiều dài L.

H2.5 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong quang sợi đơn một thông
thường.
Chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận tốc nhóm tỷ lệ nghịch
với bước sóng của ánh sáng. Như chúng ta đã biết, trên thực tế không thể có một nguồn
sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhất định. Giả sử một
xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ
0
λ
∆
truyền qua một sợi
cáp quang đơn mode. Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền chậm hơn
các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng đường truyền đủ dài, độ
rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị chèn lên nhau . Hậu quả
là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2 xung riêng biệt. Để thiết bị thu được
tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc rút ngắn khoảng cách giữa bên phát
và bên thu.
H2.6 Hậu quả của tán sắc đối với tốc độ truyền của mạng
a) xung tại đầu phát b) xung thu được tại đầu thu và thiết bị thu không thể phân biệt
được hai xung kế tiếp
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
10
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
1 0 1 0 0 1 1 DATA IN
1
0
1
1
0 1 1 DATA OUT
BIT ERRORS
THE PULSE

Mẫu mắt được gọi là còn mở nếu eye opening còn lớn hơn 0. Mẫu mắt được gọi là đóng
nếu eye opening bằng 0, khi đó dự trữ tạp âm bằng 0 và chẳng cần có tạp âm thì hệ thống
đã có tỷ lệ lỗi quá lớn. Mẫu mắt chỉ cần nhỏ thôi (thí dụ: < 20-30%, tùy theo hệ thống có
mã chống nhiễu hay không, tín hiệu nhị phân hay nhiều mức ) thì hệ thống đã đứt liên
lạc. Mẫu mắt được xem là bình thường, chấp nhận được nếu > 50%, trong thực tế thì còn
yêu cầu lớn hơn nữa, thí dụ > 75-80%.
2.3 Tán sắc vật liệu trong sợi quang:
Thời gian trễ trong sợi quang chiều dài L do tán sắc vật liệu :

m
L dn
τ n λ
c dλ
 
= −
 ÷
 

2
2
m
m
d
L d n
d c d
λ λ
τ
σ σ σ λ
λ λ
≈ =

Dưới đây là ba loại sợi quang thường được sử dụng:
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
13
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
H2.11 Tán sắc trong các loại sợi quang khác nhau
3. Tán sắc sắc thể và WDM
3.1 Truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision
Multiplexing):
Ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc độ
truyền dẫn trên một bước sóng. Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện
nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại. Thứ nhất nó vẫn giữ được tốc độ xử lý của các
linh kiện điện tử ở mức 10G, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại. Thay vào đó công
nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong
khoảng 1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bước sóng được chia làm nhiều băng sóng. Thoạt
tiện hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng
này). Về sau EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM
hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L. Nếu theo tiêu chuẩn ITU-
T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100Ghz, sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt
động trên mỗi băng. Như vậy nếu giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công
nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông trên sợi quang lên gấp 64 lần.
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
14
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
Các dải băng hoạt động của WDM
Mô hình hệ thống WDM :
H3.1 Mô hình hệ thống WDM
Để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi quang hệ thống WDM phải
thực hiện các chức năng sau :
- Phát tín hiệu : Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser. Yêu cầu
đối với nguồn phát quang là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định,

Sự tán sắc tác động lên tín hiệu theo hai cách. Đầu tiên, tán sắc không được quá 10%
chu kỳ bit, đây là sai số cho phép của hầu hết các hệ thống. Vì thế khi tốc độ bit tăng thì
tán sắc sẽ giảm theo tỉ lệ là 1/10.
H3.3 Chu kì bit
Thêm vào đó, chúng ta phải thực hiện điều chế tín hiệu laser, khi tốc độ điều chế càng
nhanh thì độ rộng phổ càng lớn điều đó đồng nghĩa chúng ta đã kích hoạt sự tán sắc và
làm cho xung bị mở rộng, điều đó có nghĩ chúng ta phải giới hạn tốc độ truyền. Như vậy
sự tác động của tán sắc lên tín hiệu sẽ tỉ lệ với bình phương tốc độ bit.
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
16
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
H3.4 Băng thông điều chế

Sự tán sắc thay đổi với các dạng dữ liệu điều chế khác nhau nhưng luôn có giới hạn,
thường là 1000ps/nm hay tại 10Gbit/s. PMD cũng có những hạn chế tương tự.
Giới hạn tán sắc

Độ tán sắc cho phép (dựa vào giới hạn tán sắc):
2
. 104000 / ( / )D L B ps nm=
Từ công thức trên ta có thể tính được giới hạn về chiều dài của sợi quang phụ thuộc vào
giới hạn tán sắc:
2
ax
104000 / ( )( )
m
L DB m=
Như vậy sợi quang càng ít tán sắc thì có thể truyền dữ liệu đi xa hơn.
H3.5 Tương quan giữa tán sắc và tốc độ
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông


H3.7 Độ dốc tán sắc không được quản lý và độ dốc tán sắc được quản lý
3.5 Cân bằng tán sắc (bù tán sắc)
Một đặc tính quan trọng của tán sắc đó là nó có tính chất tuyến tính, do đó ta có thể cộng
gộp các tán sắc khi cùng bước sóng, ta sẽ có các công thức sau:
1 1 2 2
( ). ( ). ( ).
tot tot
D L D L D L
λ λ λ
= +
1 1 2 2
( ). ( ). ( ).
tot tot
slope L slope L slope L
λ λ λ
= +
1 1 1 2 2 2
( ) ( ) / ( ) ( ) ( ) / ( )KAPPA D slope KAPPA D slope
λ λ λ λ λ λ
= = =
Dựa vào đặc tính trên người ta dễ dàng thực hiện bù tán sắc bằng cách sử dụng một sợi
quang khác có tán sắc theo chiều ngược lại. Và việc quản lý độ dốc tán sắc sẽ giúp chúng
ta thực hiện việc bù tán sắc một cách chính xác trên tất cả các bước sóng. Ngoài ra do có
thể điều khiển được độ dốc tán sắc, ta có thể đưa các tán sắc tốt qua toàn bộ băng hữu ích
dành cho sợi quang. Đồng thời cũng có thể kiểm soát được hiệu ứng phi tuyến bằng tán
sắc.
Khi chiều dài đường truyền tăng lên, tổng lượng tán sắc sẽ rất lớn do đó việc bù tán sắc
khó có thể đáp ứng được hoàn toàn. Điều này có nghĩa là một vài điểm tán sắc không xác
định được chính xác để có thể thực hiện bù tán sắc đúng. Như vậy chúng ta phải đưa ra

- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại
quang bán dẫn
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
20
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion

H3.10 EDFA
H3.11 Tín hiệu được khuếch đại
Tuy nhiên nó cũng có một số khuyết điểm :
- Quá trình khuếch đại tạo ra nhiễu
- Khuếch đại sự phát xạ tự phát
- Nền nhiễu rộng – 50nm
- Tạo ra sự bảo hòa trong thiết bị thu, nhiễu
- Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu giảm khi tăng số bộ khuếch đại trong hệ thống
- Các bộ khuếch đại sẽ tạo ra tán sắc do các ion Erbium trong sợi thủy tinh có độ tán
sắc cao
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
21
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
H3.12 Tỉ số OSNR
H3.13 Tán sắc sắc thể

3.7 Bộ khuếch đại Raman
Hiện tượng tán xạ do kích thích Raman SRS có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu
quang. Sử dụng nguồn laser với công suất cao sẽ cung cấp độ lợi cho các tín hiệu khác
với đỉnh độ lợi đạt được 13THz dưới tần số bơm.
Bộ khuếch đại Raman khác bộ EDFA ở một số đặc điểm sau:
- Khuếch đại Raman được sử dụng để cung cấp độ lợi cho bất kỳ bước sóng nào.
EDFA chỉ cung cấp độ lợi trong băng C và băng L. Vì vậy bộ khuếch đại Raman có
thể mở rộng cho các băng khác trong EDFA. Có thể bơm đồng thời nhiều bước sóng

=
Tổ Viễn Thông Xưởng Viễn Thông
23
Đặng Hồng Phong Chromatic Dispersion
Trong không khí là :

0 air air air
/ .c n c f
λ
= =
Do đó ta sẽ có :

air
/ 1.00027
vac
n
λ λ
= =
H4.2 Đồ thị của tán sắc trong chân không và trong không khí
Lamda zero thay đổi theo nhiệt độ :
Khi thay đổi
0
1 C
thì lamda zero thay đổi 0.025nm, và tán sắc cũng sẽ thay đổi
0.0025ps/nm/km/
0
C
. Tuy nhiên độ dốc không thay đổi theo nhiệt độ. ( ở đây ta đang xét
trong sợi NDS)
H4.3 Sự phụ thuộc của tán sắc vào nhiệt độ. Độ dốc tán sắc tại 50 độ chính là độ dốc tại