Tài liệu Bài giảng mạng truyền tải quang chương 4

BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG CHƯƠNG 4 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 98 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  4.1. CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC  4.2. CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG  4.3. FTTx  4.4. THÔNG TIN QUANG COHERENT  4.5. RoF www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 99 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  4.1. CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC  HiÖn nay, trong c¸c hÖ thèng quang chñ yÕu sö dông sîi SSM, GVD lµ nh©n tè chÝnh ¶nh h­ëng ®Õn hiÖu n¨ng hÖ thèng  Xu h­íng c¸c hÖ thèng th«ng tin quang:  T¨ng tèc ®é truyÒn dÉn  T¨ng kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn  T¨ng sè l­îng kªnh quang  Bï t¸n s¾c lµ gi¶i ph¸p cÇn thiÕt ®Ó c¶i thiÖn hiÖu n¨ng hÖ thèng: t¨ng tèc ®é bit vµ kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn quang. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 100 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  Phương trình truyền xung: A j 2  2 A  3  3 A   0 2 3 z 2 t 6 t Trong đó: • d 2 2  d 2   0 2  D 2 c d 3 3  d 3 • •  0 2 2     2 D  2 2 c  A là biên độ đường bao  Giải phương trình 1.15 trong miền Fourier được: 1  ~ j  j  2 3 Az , t   A ( 0 ,  ) exp  z    z   j  t   d 2 3    2 6 2  • (1.16) Thực tế, khi | 2|>0,1ps2/km thì  3 được bỏ qua. Khi đó: A z , t   • (1.15) 1 2 ~ j  2 A ( 0 ,  ) exp  z   j  t   d 2  2    (1.17) ảnh hưởng của tán sắc biểu thị qua hệ số pha:  2  exp j 2 z  2   www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 101 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  Giới hạn tốc độ bit - Nguồn quang có độ rộng phổ lớn (ví dụ LED), V>>1.  Nếu 2 trội hơn và bỏ qua ảnh hưởng chirp (C=0): • Từ pt (1.23) tính được độ rộng xung đầu ra:    02   2 L  2   02  DL  2(1.24)   02   D2 Trong đó: D  D L  - để đo dãn xung do tán sắc. • Giới hạn chung đối với tốc độ bit là:  TB 1  4 4B (1.25) Đối với xung Gauss: điều này có nghĩa là 95% năng lượng của xung vẫn nằm trong khe bit. Do đó, khi dãn xung lớn (D>> 0) thì pt(1.25) trở thành: BL D    • Ví dụ: D=17ps/nm.km,  =15nm --> [BL]max1Gb/s.Km 1 4 (1.26)  Nếu 3 trội hơn và bỏ qua ảnh hưởng chirp (C=0): • Khi đó: • Giới hạn tốc độ bit:    02  1  3 L 2 2   2   02  2  BL S   • www.ptit.edu.vn 1 SL 2 2   2   02   D2 1 (1.27) (1.28) 8 Ví dụ: S=0,08ps/km.nm2,  =15nm --> [BL]max20Gbit/s.Km BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 102 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  Giới hạn tốc độ bit - Nguồn quang có độ rộng phổ nhỏ (ví dụ LD), V<<1.  Nếu 2 trội hơn và bỏ qua ảnh hưởng chirp (C=0): • Từ pt (1.23) tính được độ rộng xung đầu ra: 2      2 L / 2 0      2 0 • Giới hạn tốc độ bit là: B 2 L  2 0 (1.29) 2 D 1 4 (1.30) • Ví dụ: SMF  2=20ps2/km --> [B2L]max3000[(Gb/s)2.Km] 2,5 Gb/s truyền được 480 Km, 10Gb/s truyền được 30 Km  Nếu 3 trội hơn và bỏ qua ảnh hưởng chirp (C=0): • • Khi đó:      3 L / 4 2 0 Giới hạn tốc độ bit:  2 2 0 2 0 /2    B  3 L  1/ 3 2 D (1.31) (1.32)  0,324 • Ví dụ: SMF  3=0,1ps3/km --> [B3L]max3.108[(Gb/s)3.Km] 50 Gb/s truyền được 2700 Km, 100Gb/s truyền được 340 Km www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 103 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Sự cần thiết phải bù tán sắc  Để giảm ảnh hưởng của GVD:  Dùng Laser có phổ hẹp  Bước sóng hoạt động gần ZD.  Thực tế, các mạng TTQ hầu hết sử dụng SSMF có ZD1,31m. Trong khi các nguồn quang sử dụng có =1,55 m, khi truyền trong sợi SSMF có D 16ps/(km.nm). Khi tốc độ bít >2Gb/s thì GVD ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu năng hệ thống.  Các hệ thống quang hiện đại sử dụng các EDFA, nên GVD là nhân tố chính giới hạn hiệu năng hệ thống . Do đó, cần thiết phải thực hiện bù tán sắc trong các hệ thống quang để cải thiện hiệu năng của hệ thống. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 104 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Các kỹ thuật bù Rất nhiều kỹ thuật được sử dụng để giảm ảnh hưởng của tán sắc.  Các kỹ thuật điện:  Bù trước (trước khi truyền dẫn)  Bù sau (sau khi tách tín hiệu)  Các kỹ thuật quang:  Sợi bù tán sắc  Các bộ lọc  Cách tử sợi chirp  Kết hợp pha quang  Soliton Tất cả các kỹ thuật này có mục đích là khử tán sắc do hệ số pha gây ra khi tín hiệu truyền trong sợi: 1 A( z , t )  2 www.ptit.edu.vn  1 j   2 ~ 2 A ( 0 ,  ) e  2  z t   d (1.33)  BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 105 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG kỹ thuật bù sau  Sử dụng kỹ thuật điện để bù GVD tại máy thu.  Để bù tán sắc sử dụng máy thu heterodyne để tách tín hiệu: Đầu tiên, máy thu biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu vô tuyến tại tần số IF trong khi vẫn duy trì cả thông tin biên độ và pha.  Sau đó cho tín hiệu qua một bộ lọc băng có hàm truyền đạt như sau. (1.39)   Trong đó L là chiều dài sợi quang để khôi phục được dạng gốc của tín hiệu. H    exp  j    IF   2 L / 2 2  Kỹ thuật này để bù tán sắc trong hệ thống quang coherent www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 106 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG bù VớI sợi bù tán sắc  Nếu bỏ qua ảnh hưởng phi tuyến, thì tán sắc hoàn toàn được bù bằng một đoạn sợi quang thứ hai có D<0 (Sợi DCF). A( L, t )  1 2 ~ j 2  A ( 0 ,  ) exp    L   L   i  t 21 1 22 2  2 d    (1.39) Trong đó: L=L1+L2 và  2j là tham số GVD của đoạn sợi Lj (j=1,2).  Nếu: 21L1+22L2=0 hay D1L1=-D2L2 thì dạng xung đầu ra: A(L,t)=A(0,t)  Chiều dài của sợi DCF càng ngắn càng tốt, nên nó phải có giá trị âm lớn  Các DCF có D=-300-100ps/nm.km được chế tạo với tham số V nhỏ nhưng suy hao tương đối cao: 0,4 1 dB/km.  Các DCF thương mại, có L2=4km có thể bù L1=50km sợi SSMF www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 107 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG bù tán sắc VớI cách tử bragg sợi CHIRP  Chiết xuất trong sợi thay đổi theo chu kỳ dọc sợi.  Nếu n(z) thay đổi dọc sợi theo chu kỳ sẽ được cách tử sợi chirp - Bước sóng Bragg,  B=2TGB, tại đó tín hiệu phản xạ sẽ thay đổi dọc sợi. - Các thành phần tần số khác bị trễ với thời gian khác nhau - Kết quả tín hiệu quang ra sẽ bù được tán sác www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 108 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG bù tán sắc VớI kết hợp pha quang (OPC)  Trong hệ thống quang cự li dài, sử dụng kỹ thuật OPC để bù tán sắc.  Nguyên lý của OPC là thực hiện kết hợp trường phức tại chặng giữa của tuyến, kết quả là tại nữa sau ảnh hưởng của GVD sẽ trung hoà ảnh hưởng của GVD ở nữa đầu. Phương pháp này còn được gọi là đảo phổ giữa chặng.  Phương pháp sử dụng thông dụng nhất trong OPC là FWM trong môi trường phi tuyến: thường chọn bước sóng bơm trùng với bước sóng tán sắc không  Thí dụ về bù tán sắc: tín hiệu =1542,9nm được kết hợp pha nhờ FWM trong 21 km sợi DSF với sóng bơm ở =1546,7nm www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 109 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hệ thống quang cự li dài  Bỏ qua ảnh hưởng của phi tuyến, tán sắc GVD tổng được bù một lúc ở đầu thu.  Khi xét đến ảnh hưởng của phi tuyến thì phải sử dụng một giải phát khác: quản lý tán sắc theo chu kỳ.  Sử dụng các sợi quang có GVD dương và âm trong một chu kỳ, sao cho: D= (D1L1+D2L2)/Lm0  Thực tế, chu kỳ sắp xếp Lm=L1+L2 được chọn phụ thuộc vào hiệu năng hệ thống và thường được chọn = LA  Lm=LA 80km hệ thống quang đất liền nhưng giảm xuống 50km đối với hệ thống cáp biển. www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 110 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hệ thống quang cự li dài  Cho hệ thống sợi đơn mode chuẩn: Độ dư tán sắc (ps/nm) DCF Tx S-SMF OA LDCF Khoảng cách (km) Rx OA 0 LSSMF Một chu kì bù tán sắc Độ dư tán sắc (ps/nm) DCF S-SMF Tx OA Rx OA LDCF LSSMF 0 Một chu kì bù tán sắc S-SMF DCF Tx OA Khoảng cách (km) Độ dư tán sắc (ps/nm) DCF OA OA Rx 0 1/2LDCF LSSMF 1/2LDCF Một chu kì bù tán sắc www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Khoảng cách (km) Trang 111 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hệ thống quang bă băng rộng  Các hệ thống WDM yêu cầu bù tán sắc đồng thời cho tất cả các kênh: D1(n)L1+D2(n)L2=0  Đường cong tán sắc DCF phải thoả mãn: S2=-S1(L1/L2)=S1(D2/D1)  Tỉ số S/D phải phù hợp trên cả hai đoạn.  Nhiều cách tử sợi có thể được sử dụng: www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 112 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Bù tán sắc bậc 3  Với các xung hẹp truyền ở tốc độ cao thì yêu cầu phải bù cả tán sắc bậc 2 và bậc 3. 21L1+22L2=0 và 31L1+32L2=0  Thiết kế các DCF có đường cong tán sắc âm sao cho: 32=(22/ 21) 31=-(L1/L2) 31  Các dạng xung sau khi truyền xung 2,6ps qua 300km sợi dịch tán sắc (2=0). www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 113 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  4.2. CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 114 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  Hiệu ứng tự điều chế pha (SPM) - Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến NL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang.  2nL 2L n 0  n 2 E     www.ptit.edu.vn 2   const   BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 NL Trang 115 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  Hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM) - Là hiệu ứng pha phi tuyến gây ra do do tác động của các xung quang ở các kênh khác. Chỉ xẩy ra trong hệ thống đa kênh. - Trong hệ thống đa kênh, dịch pha phi tuyến của tín hiệu tại bước sóng trung tâm i được tính theo công thức sau:   2  NL  n2 zI i t   2 I j t  i i j   www.ptit.edu.vn BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 116 BÀI GIẢNG MÔN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG  Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) - Tần số sóng quang mới sinh ra khi 2 hoặc 3 sóng quang với các tần số khác nhau tương tác với nhau - Giả sử có 3 bước sóng với tần số i, j, k thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số ijk thoả mãn: ijk = i + j - k - Tổng số các thành phần mới được tạo ra có thể tính như sau: m = 1/2 (N3 - N2) www.ptit.edu.vn với N là số kênh ban đầu BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG - KHOA VT1 Trang 117