Tài liệu Nghiên cứu bù tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang

TRẦN HỮU LỘC ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU LỘC TRẦN HỮU LỘC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ C C R L T. NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NĂM 2019 Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU LỘC C C R L T. NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG U D Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn khoa hoc: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Đà Nẵng – Năm 2019 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung công trình luận văn “NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THÔNG THÔNG TIN SỢI QUANG”. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn (ký tên và ghi rõ họ tên) C C U D R L T. Trần Hữu Lộc 2 MỤC LỤC TRANG PHỤ LỤC BÌA ................................................................................................ 1 LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 1 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ 6 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................................... 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... 9 DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... 10 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 14 CHƢƠNG 1: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM ............................................................. 17 C C 1.1. Khái niệm về tán sắc......................................................................................... 17 R L T. 1.2. Các loại tán sắc ................................................................................................. 17 1.2.1. Tán sắc mode MD ....................................................................................... 18 1.2.2. Tán sắc trong sợi đơn mode ........................................................................ 20 1.2.2.1. Tán sắc vận tốc nhóm GVD .................................................................. 21 1.2.2.2. Tán sắc vật liệu ..................................................................................... 22 1.2.2.3. Tán sắc ống dẫn sóng ........................................................................... 23 1.2.2.4. Tán sắc bậc cao hơn ............................................................................. 24 1.2.2.5. Tán sắc phân cực mode ........................................................................ 25 U D 1.3. Ảnh hƣởng tán sắc trên hệ thống WDM ........................................................ 26 1.4. Kết luận chƣơng................................................................................................ 28 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC .......................... 29 2.1. Giới thiệu chƣơng ............................................................................................. 29 2.2. Sự cần thiết phải quản lý tán sắc .................................................................... 29 2.3. Kỹ thuật bù tán sắc trƣớc ................................................................................ 30 2.4. Kỹ thuật bù tán sắc sau .................................................................................... 31 2.5. Bù tán sắc bằng sợi quang DCF ...................................................................... 32 2.6. Bù tán sắc bằng các bộ lọc quang.................................................................... 34 2.7. Bù tán sắc bằng Cách tử Bragg sợi ................................................................. 37 2.7.1. Cách tử chu kỳ đều ...................................................................................... 38 2.7.2. Cách tử sợi dịch tần ..................................................................................... 41 3 2.8. Kết luận chƣơng................................................................................................ 44 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÙ TÁN SẮC SỢI DCF ......................... 45 3.1. Giới thiệu chƣơng ............................................................................................. 45 3.2. Bù tán sắc sợi DCF ........................................................................................... 45 3.2.1. Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc sợi DCF ..................................................... 49 3.2.2. Mô hình tỉ lệ của chỉ số ba lớp của sợi bù tán sắc DCF .............................. 52 3.2.3. Sợi bù tán sắc DCF có hệ số cộng hưởng cao ............................................. 54 3.2.3.1. Suy hao sợi bù tán sắc DCF ................................................................ 55 3.2.3.2. Suy hao tán xạ của sợi bù tán sắc DCF .............................................. 55 3.2.3.3. Suy hao ống dẫn sóng của sợi bù tán sắc DCF ................................... 57 3.2.3.4. Tăng giá trị hệ số tán sắc âm của sợi bù tán sắc DCF ....................... 59 3.2.4. Sợi bù tán sắc DCF có hệ số độ dốc tán sắc cao ......................................... 62 3.2.4.1. Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc DCF có độ dốc tán sắc cao............... 63 3.2.4.2. Mô đun bù tán sắc DCF sợi kết hợp .................................................... 65 3.2.5. Mô đun bù tán sắc DCF có kích thước vật lý nhỏ gọn ................................ 66 3.2.5.1. Suy hao uốn cong................................................................................. 66 3.2.6. Dịch pha phi tuyến của sợi bù tán sắc DCF ................................................ 69 C C R L T. 3.3. Các thông số đặc tính sợi DCF ........................................................................ 70 3.3.1. Đặc tính sợi DCF nguyên mẫu của mô đun thông thường .......................... 71 3.3.2. Đặc tính của mô đun DCF thông thường .................................................... 72 3.3.3. Hệ số độ tin cậy của môđun DCF thông thường ......................................... 73 3.3.4. Đặc tính sợi DCF của mô đun thu nhỏ kích thước ...................................... 74 3.3.5. Đặc tính của mô đun thu nhỏ kích thước .................................................... 75 3.3.6. Độ tin cậy của module FC-DCF thu nhỏ kích thước................................... 76 U D 3.4. Mô hình thiết kế vị trí đặt Môđun DCF trong hệ thống WDM ................... 76 3.4.1. Bù Trước ...................................................................................................... 77 3.4.2. Bù Sau ......................................................................................................... 77 3.4.3. Bù đối xứng ................................................................................................. 77 3.5. Các kết quả thử nghiệm bù tán sắc bằng DCF .............................................. 77 3.6. Kết luận chƣơng................................................................................................ 78 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VIỆC SỬ DỤNG KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC DCF VÀ FBG TRÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM............................................................................................................................. 79 4.1. Giới thiệu chƣơng ............................................................................................. 79 4.2. Các mô hình mô phỏng dùng các kỹ thuật bù tán sắc .................................. 79 4.2.1. Mô hình mô phỏng dùng kỹ thuật bù tán sắc DCF ..................................... 79 4.2.2.1. Mô hình chỉ dùng sợi SMF ................................................................... 80 4 4.2.1.2. Mô hình bù trước DCF ......................................................................... 80 4.2.1.3. Mô hình DCF bù sau ............................................................................ 81 4.2.1.4. Mô hình bù đối xứng DCF.................................................................... 81 4.2.3. Mô hình dùng kỹ thuật bù tán sắc FBG....................................................... 81 4.2.3.1. Mô hình FBG đặt ở đầu phát ............................................................... 82 4.2.3.2. Mô hình FBG đặt ở đầu thu ................................................................. 82 4.2.3.3. Mô hình FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu .......................................... 83 4.3. Kết quả thu đƣợc của các mô hình ................................................................. 83 4.3.1. Ở tốc độ 2.5Gb/s cự ly truyền 900km và 1200km ...................................... 83 4.3.1.1. Mô hình chỉ dùng sợi SMF ................................................................... 83 4.3.1.1. Bù trước DCF ....................................................................................... 84 4.3.1.2. Bù sau DCF .......................................................................................... 84 4.3.1.3. Bù đối xứng DCF.................................................................................. 84 4.3.1.4. Bù FBG đặt ở đầu phát ........................................................................ 85 4.3.1.5. Bù FBG ở đầu thu ................................................................................. 85 4.3.1.6. Bù FBG ở cả hai đầu phát và thu ......................................................... 86 4.3.2. Ở tốc độ 10Gb/s cự ly truyền 900km và 1200km ....................................... 87 4.3.2.1. Mô hình chỉ dùng sợi SMF ................................................................... 87 4.3.2.2. Bù trước DCF ....................................................................................... 87 4.3.2.3. Bù sau DCF .......................................................................................... 87 4.3.2.4. Bù đối xứng DCF.................................................................................. 88 4.3.2.5. Bù FBG ở đầu phát ............................................................................... 88 4.3.2.6. Bù FBG tại đầu thu............................................................................... 89 4.3.2.7. Bù FBG ở cả hai đầu phát và thu ......................................................... 89 4.3.3.1. Bù trước DCF ....................................................................................... 90 4.3.3.2. Bù sau DCF .......................................................................................... 91 4.3.3.3. Bù đối xứng DCF.................................................................................. 91 4.3.2.4. Bù FBG ở đầu phát ............................................................................... 92 4.3.2.4. Bù FBG ở đầu thu ................................................................................. 92 4.3.2.4. Bù FBG tại cả hai đầu phát và thu ....................................................... 93 C C R L T. U D 4.4. Mô hình và kết quả của việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc FBG kết hợp với kỹ thuật bù tán sắc DCF ......................................................................................... 93 4.4.1. Mô hình bù trƣớc DCF kết hợp với FBG ở đầu thu .................................. 94 4.4.2. Kết quả thu đƣợc của mô hình ở 40Gb/s ..................................................... 94 4.4.2.1. Bù trước DCF ....................................................................................... 94 4.4.2.2. Bù trước DCF kết hợp FBG đặt ở đầu thu ........................................... 95 4.5. Kết luận chƣơng................................................................................................ 95 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................... 96 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 97 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ................................................................................... 98 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 99 C C U D R L T. 6 TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG Học viên: Trần Hữu Lộc. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: CH680. Khóa: 36. Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt: Công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao WDM có vai trò rất quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu tăng lên về tốc độ, dung lượng và băng thông rộng cho các dịch vụ hiện tại như: kênh thoại, kênh dữ liệu hình ảnh đa phương tiện, dữ liệu phim ảnh video, hội nghị truyền hình, video call, kênh data tốc độ cao,… Tuy nhiên, có một số ảnh hưởng tác động lên hệ thống quang WDM, kể đến trước tiên là ảnh hưởng của tán sắc, tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit, làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM. Hơn thế nữa, vấn đề quản lý tán sắc trong hệ thống WDM là vấn đề rất được quan tâm hiện nay. Vì vậy, em đã lựa chọn nội dung tán sắc làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học, tập trung vào nghiên cứu tán sắc, kỹ thuật bù tán sắc, mô phỏng kỹ thuật bù tán sắc DCF và một số kỹ thuật bù tán sắc khác trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao WDM để đánh giá chất lượng hệ thống do ảnh hưởng của tán sắc. C C R L T. Từ khóa: Tán sắc, Sợi quang bù tán sắc (DCF), Sợi quang cách tử Bragg (FBG), công nghệ kỹ thuật WDM, Pre/Post DCF, phần mềm mô phỏng OptiSystem 7.0 của Optiwave Photonic Softwave. U D STUDY ON DISPERSION COMPENSATION TECHNIQUES TO IMPROVE THE QUALITY OF FIBER-OPTIC COMUNICATIONS SYSTEMS Student: Tran Huu Loc. Major of Master program: Electronic Engineering. Student code: CH680. Course: K36. The University of Da Nang - University of Science and Technology. Abstract: WDM high-speed optical communication technology plays a very important role in meeting the increased requirements for speed, capacity and bandwidth for current services such as voice channel, multimedia image data channel, video film data, video conferencing, video call, high-speed data channel, etc. However, there are some influences on optical WDM system, first of all The effect of dispersion, that limits the transmission distance as well as the speed of the WDM system, causing bit errors, and seriously degrading the characteristics of the WDM system. Moreover, the problem of dispersive management in WDM system is a matter of great concern today. Therefore, I selected the content of dispersion as a master's thesis, focusing on dispersion research, dispersion compensation technique, simulating DCF dispersion compensation technique and some diffusion techniques. Other colors in WDM high-speed optical information systems to assess system quality due to the effect of dispersion. Key words: Dispersion, Dispersion compensation Fiber (DCF), Fiber Bragg Grating (FBG), WDM technologies, Pre/Post-Compensation, OptiSystem 7.0 of Optiwave Photonic Softwave. 7 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AM APS ATM BER BLSR Amplitude Modulation Automatic Protection Switching Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Bidirectional Line Switched Ring BPF CD DBR DCF DCM DDF DEMUX DFB DSF DWDM EA EDFA FBG FM FP FOM FSK FWM GI GVD HFOM KERR IOF IP LASER Bandpass filter Chromatic Dispersion Distributed Bragg Reflection Dispersion Compensating Fiber Dispersion Compensating Module Dispersion Decreasing Fiber Demultiplexer Distributed Feedback Dispersion Shifted Fiber Dense WDM Electroabsorption Modulator Erbium Dopped Fibre Amplifier Fiber Bragg Grating Frequency Modulation Fabry-Perot Figure Of Merit Frequency Shift Keying Four-Wave Mixing Graded index Group Velocity Dispersion High Figure Of Merit Magneto-optic Kerr effect Inter-Office Facility Internet Protocol Light Amplified and Stimulated Emission of Radiation Modified Chemical Vapor Deposition Modal Dispersion Mode Field Diameter MCVD MD MFD Điều chế biên độ Chuyển mạch bảo vệ tự động Chế độ chuyển tải bất đồng bộ Tỷ lệ lỗi bit Vòng ring chuyển mạch đường hai chiều Bộ lọc thông dải Tán sắc sắc thể Phản xạ phân bố Bragg Sợi bù tán sắc Mô đun bù tán sắc Sợi giảm tán sắc Bộ giải ghép kênh Hồi tiếp phân bố Sợi quang dịch tán sắc WDM mật độ cao Bộ điều chế hấp thụ điện Bộ khuếch đại quang sợi Erbium Cách tử Bragg sợi Điều tần Khoang cộng hưởng Hệ số cộng hưởng Khóa dịch pha tần số Trộn bốn sóng Chỉ số giảm dần Tán sắc vận tốc nhóm Hệ số cộng hưởng cao Hiệu ứng quang từ Kerr Thiết bị văn phòng Giao thức Internet Khuếch đại ánh sáng bức xạ kích thích C C U D R L T. Lắng đọng hóa chất biến đổi Tán sắc mode Đường kính trường mode 8 MMF MPI MUX MZ NA NLS NZDF NZDSF OA OADM OPC PC PDH PMD PSP RC RDS RING RMS RZ SBS SDH SI SMF SNR SOA SONET SOP SPM SRS SW TDM TEC TF WDM XPM ZD Multimode Fibre Multi Path Interference Multiplexer Mach-Zehnder Interferometer Numerical Aperture Nonlinear Schroedinger Non-zero dispersion-shifted singlemode optical fiber None-Zero Dispersion Shifted Fiber Optical Amplifier Optical Add/Drop Multiplexer Optical Phase Conjugation Polarization Controller Plesiochronous Digital Hierachy Polarization Mode Dispersion Principal State of Polarization the Radiation Caustic the Relative Dispersion Slope Ring Root-Mean-Square Return to Zero Stimulated Brillouin Scattering Synchronous Digital Hierachy Step index Single Mode Fibre Signal to Noise Ratio Semiconductor Optical Amplifier Synchronous Optical Network State of Polarization Self of Polarization Stimulated Raman Scattering Optical Switch Time Division Multiplexing Thermally Expanded Core Transmission Fiber Wavelength Division Multiplexing Cross Phase Modulation Zero-Dispersion Sợi đa mode Nhiễu giao thoa đa đường Bộ ghép kênh Bộ giao thoa kế Mach-Zehner Khẩu độ số Schroedinger phi tuyến Sợi đơn mode dịch chuyển tán sắc không trở về không Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Khuếch đại quang Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Kết hợp pha quang Bộ điều khiển phân cực Phân cấp số cận đồng bộ Tán sắc mode phân cực Trạng thái phân cực chính Lớp ăn mòn bức xạ Tán sắc tương đối. Dạng vòng Trị hiệu dụng Trở về không Tán xạ Brillouin kích thích Phân cấp số đồng bộ Chỉ số nhảy bậc Sợi quang đơn mode Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu Bộ khuếch đại quang bán dẫn Mạng quang đồng bộ Trạng thái phân cực Tự điều chế pha Tán xạ Raman kích thích Chuyển mạch quang Ghép kênh phân chia theo thời gian Lõi mở rộng bằng nhiệt Sợi truyền Ghép kênh phân chia theo bước sóng Điều chế chéo pha Tán sắc bằng không U D R L T. C C 9 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Bảng 1.1. Bảng 1.2. Bảng 3.1. Bảng 3.2. Bảng 3.3. Bảng 3.4. Bảng 3.5. Bảng 3.6. Bảng 3.7. Bảng 3.8. Bảng 3.9. Bảng 3.10. Bảng 3.11. Bảng 3.12. Tên bảng Trang Đặc tính của một số sợi quang có tính thương mại trên thị trường Cự ly truyền bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp Hệ số tán sắc, độ dốc tán sắc và độ dốc tán sắc tương đối (RDS) của các sợi truyền ở bước sóng 1550nm Số mũ cho biểu thức suy hao tán xạ bất thường Đặc tính quang đo được ở 1550nm đối với 3 sợi bù tán sắc có độ dốc khớp với sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (RDS = 0,0035 nm-1) Đặc tính quang được đo ở 1550nm đối với sợi bù tán sắc có độ dốc khớp với sợi quang đơn mode chuẩn (RDS = 0,0035nm-1) và giảm kích thước vật lý Đặc tính sợi bù tán sắc đo ở 1550nm, có độ dốc khớp với sợi NZDF (RDS = 0,01nm-1) Mô tả đặc tính sợi SMF, tiêu chuẩn sợi DCF trong môđun thường và tiêu chuẩn sợi DCF trong môđun có kích thước thu gọn Các đặc tính quang của sợi DCF nguyên mẫu trong mô đun DCF thường Các đặc tính của Mô-đun DCF thường: Trong đó, PMD* là hệ số tán sắc phân cực mode Mục kiểm tra và điều kiện kiểm tra độ tin cậy Việc thay đổi đo lường của phép đo quang học sau mỗi thí nghiệm Đặc tính sợi quang FC-DCF mô đun thu nhỏ gồm: đường kính 90µm sợi thường; 80µm cho sợi FC-DCF mục tiêu và 80µm mẫu đầu tiên FC-DCF thiết kế thực nghiệm Đặc tính quang của module FC-DCF thu gọn C C U D R L T. 25 27 47 56 61 68 70 70 71 72 74 74 74 75 10 DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Hình 1.1. Hình 1.2. Hình 1.3. Hình 1.4. Hình 1.5. Hình 1.6. Hình 1.7. Hình 1.8. Hình 1.9. Hình 1.10. Hình 1.11. Hình 1.12. Hình 1.13. Hình 2.1. Hình 2.2. Hình 2.3. Hình 2.4. Hình 2.5. Hình 2.6. Hình 2.7. Hình 2.8. Tên hình Trang Tán sắc gây giãn xung và tăng tỉ số BER Thể hiện các loại tán sắc trong sợi quang Thể hiện phương thức truyền các luồng ánh sáng tương ứng với các mode truyền trong sợi quang Thể hiện công suất quang được mang bởi 4 mode truyền và gây tán sắc Tán sắc mode trong sợi quang SI và GI Mô tả sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước sóng của Silica nóng chảy Mô tả sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode. MFD là đường kính trường mode Mô tả sự thay đổi của b (tần số lan truyền chuẩn hóa) và đạo hàm của nó là d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 và theo tham số V Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu (DM) và tán sắc ống dẫn sóng (DW) của sợi đơn mode thường Mô tả sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc Minh họa tán sắc phân cực mode Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc cho hệ thống 1Gbps và 2,5 Gbps Công suất quang bị tổn hao khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống 2,5Gbps. Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a)Tần số và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã (a) Biểu đồ của sợi DCF có dùng sợi quang mode bậc cao HFOM và hai cách tử chu kỳ dài LPG ; (b) Phổ tán sắc của DCF; (c) Dùng sợi DCF trên tuyến quang; (d) Độ dốc tán sắc theo khoảng cách Quản lý tán sắc trong đường truyền sợi đường dài dùng các bộ lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại có tác dụng bù GVD và giảm nhiễu (a) Mạch sóng quang phẳng dùng chuỗi giao thoa Mach-Zehnder. (b) Thiết bị quang trải rộng Nguyên lý kỹ thuật bù tán sắc bằng cách tử Bragg Mô tả mối quan hệ giữa cường độ và pha của hệ số phản xạ theo hàm điều hướng trong cách tử đều GVD do cách tử tạo ra mô tả là hàm của  cho vài giá trị của hệ số ghép  Mô tả mối quan hệ giữa hệ số truyền và độ trễ thời gian là một hàm bước sóng đối với cách tử đều C C U D R L T. 17 18 18 19 20 23 23 24 24 24 26 27 28 31 33 34 36 37 39 39 40 11 Hình 2.9. Hình 2.10. Hình 2.11. Hình 3.1. Hình 3.2. Hình 3.3. Hình 3.4. Hình 3.5. Hình 3.6. Hình 3.7. Hình 3.8. Hình 3.9. Hình 3.10. Hình 3.11. Hình 3.12. Hình 3.13. Hình 3.14. Hình 3.15. Hình 3.16. Hình 3.17. Hình 3.18. Hình 3.19. Hình 3.20. Hình 3.21. Hình 3.22. Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thông 0,12nm Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) Bộ ghép hai mode dịch tần; (b) Sợi hai lõi thon Hai mô-đun sợi bù tán sắc DCF Tuyến truyền gồm sợi cáp truyền dẫn sợi chuẩn và bộ khuếch đại với sợi bù tán sắc Tán sắc sợi truyền và sợi bù tán sắc Việc thay đổi độ dư tán sắc và băng thông có thể sử dụng của 4 tuyến quang kết nối gồm một NZDF và sợi bù tán sắc Cấu hình chỉ số ba lớp; (a) Lõi được bao quanh bởi rãnh pha tạp sâu đi xuống ; (b) Cấu hình chỉ số cho vùng dẫn mode lõi; (c) Cấu hình chỉ số cho vùng dẫn mode vòng Chệnh lệch về chỉ số hiệu dụng cho các mode core (mode lõi), mode ring (mode vòng) , LP01 và LP02 Chênh lệch chỉ số hiệu dụng của mode vòng và mode lõi và LP01 cho ra kết quả tán sắc Tán sắc, độ dốc tán sắc và độ uốn cong tán sắc cho sợi bù tán sắc Cấu hình chỉ số không bị biến dạng và tương đương của sợi uốn Tán sắc, RDS, chênh lệch chỉ số hiệu dụng và diện tích hiệu dụng của sợi A và B Cấu hình đặc trưng cho sợi A và B RDS cho sợi A và sợi B là hàm của các biến đổi của bán kính lõi Độ dư tán sắc cho SMF được bù bằng các sợi A, B hoặc C C C R L T. U D Ảnh hưởng trên chỉ số hiệu dụng, độ tán sắc, RDS và tổn hao uốn cong vĩ mô của việc thay đổi diện tích rãnh của cấu hình chỉ số ba lớp. (a) Tăng diện tích rãnh làm giảm sự chồng chéo giữa mode lõi và mode vòng; (b) với độ dốc tán sắc cao và do đó RDS cao hơn; (c) Tăng diện tích rãnh làm giảm bước sóng cho RDS tối đa; (d) băng thông, trong đó sợi có cả RDS cao và tổn hao uốn vĩ mô thấp, rất hẹp. Biến đổi tán sắc tại điểm uốn cho hai tỷ lệ sai lệch về chiều rộng của rãnh Phân phối các giá trị RDS cho sợi tán sắc âm và cho mô đun kết hợp Mô phỏng hệ số tổn hao uốn cong vi mô như là một hàm của đường kính bọc sợi (thủy tinh) Các đặc tính tán sắc và chênh lệch chỉ số hiệu dụng của sợi bù tán sắc được chia tỷ lệ Tỷ lệ của sự dịch pha phi tuyến với công suất đầu ra là một hàm của chiều dài của sợi truyền được bù tán sắc do các mô đun bù tán sắc cho sợi SSMF và NZDF. (a) Đặc tính tán sắc và (b) Phổ suy hao của sợi DCF nguyên mẫu trong môđun DCF thường Độ dư tán sắc sau khi bù tán sắc cho 80km sợi SMF Sự phụ thuộc nhiệt độ vào suy hao chèn của mô-đun số 4 42 42 43 45 46 47 48 50 50 51 53 58 60 61 61 62 63 64 66 68 68 70 71 73 73 12 Hình 3.23. Hình 3.24. Hình 3.25. Hình 3.26. Hình 3.27. Hình 3.28. Hình 4.1. Hình 4.2. Hình 4.3. Hình 4.4. Hình 4.5. Hình 4.6. Hình 4.7. Hình 4.8. Hình 4.9. Hình 4.10. Hình 4.11. Hình 4.12. Hình 4.13. Hình 4.14. (a) Phổ suy hao và (b) Phân bố Weibull theo chiều dọc sợi của sợi DCF đường kính 80µm Độ dư tán sắc thu được sau khi bù tán săc 100km sợi SMF Sự phụ thuộc nhiệt độ của tổn hao chèn mô-đun ở bước sóng đo 1550nm Mô hình kỹ thuật bù trước Mô hình kỹ thuật bù sau Mô hình kỹ thuật bù đối xứng Mô hình chỉ dùng sợi SMF Mô hình bù trước DCF Mô hình bù sau DCF Mô hình bù đối xứng DCF Mô hình FBG đặt ở đầu phát Mô hình FBG đặt ở đầu thu Mô hình FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu Kết quả thu được có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s Kết quả bù trước DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s Kết quả bù sau DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s C C R L T. Kết quả bù đối xứng DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s Kết quả FBG đặt ở đầu phát có cự ly 900km (a) và 1200km (b ) ở 2.5Gb/s Kết quả FBG đặt ở đầu thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s Kết quả FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s U D 75 76 76 77 77 77 80 80 81 81 82 82 83 83 84 84 84 85 85 86 Hình 4.15. Kết quả mô hình chỉ dùng sợi SMF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s. 87 Hình 4.16. Kết quả bù trước DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s Kết quả bù sau DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s 87 Hình 4.17. Hình 4.18. Hình 4.19. Hình 4.20. Hình 4.21. Hình 4.22. Hình 4.23. Hình 4.24. Hình 4.25. Kết quả bù đối xứng DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s Kết quả FBG đặt ở đầu phát có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s Kết quả FBG đặt ở đầu thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s Kết quả FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s Kết quả bù trước DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s Kết quả bù sau DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s Kết quả bù đối xứng DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s Kết quả FBG đặt ở đầu phát có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s 87 88 88 89 89 90 91 91 92 13 Hình 4.26. Kết quả FBG đặt ở đầu thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s 92 Hình 4.27. Kết quả FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s Mô hình mô phỏng dùng kỹ thuật bù trước DCF kết hợp FBG ở đầu thu Kết quả bù trước DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s Kết quả FBG đặt ở đầu thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s 93 Hình 4.28. Hình 4.29. Hình 4.30. C C U D R L T. 94 94 95 14 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Công nghệ truyền dẫn tốc độ cao đóng vai trò rất quan trọng trong mạng xương sống “Backbone” của các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông trong nước cũng như quốc tế. Hệ thống mạng truyền dẫn đường trục Backbone là yếu tố hàng đầu quyết định cho sự thành công hay thất bại của nhà mạng. Sự ra đời của công nghệ kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh WDM đã đáp ứng được những yêu cầu tăng lên rất lớn để cải thiện đáng kể tốc độ, dung lượng và băng thông rộng. Đáp ứng được tất cả các yêu cầu của dịch vụ hiện tại như: kênh thoại, internet, kênh thuê riêng, kênh dữ liệu hình ảnh đa phương tiện, dữ liệu phim ảnh video, hội nghị truyền hình, video call, kênh data tốc độ cao, … Công nghệ quang ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ra đời tạo ra xu hướng phát triển chung đối với các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông trong nước nói chung, đồng thời cũng là nhu cầu cấp thiết và xu hướng chung phát triển, nâng cao chất lượng truyền dẫn trong ngành viễn thông nói chung. Tuy nhiên, do một số những ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên những nhà khai thác mạng viễn thông vẫn chưa tận dụng được hết những ưu điểm vượt trội của hệ thống này. Những ảnh hưởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hưởng của tán sắc đối với hệ thống WDM. Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit, làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM. Do đó vấn đề tán sắc trong hệ thống WDM là vấn đề rất được quan tâm. Vì vậy, tác giả chọn nội dung “ Nghiên cứu tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang” làm luận văn tốt nghiệp cao học. C C R L T. U D 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: - Nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc tác động lên hệ thống quang WDM gây suy giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống. - Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật bù tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang WDM như kỹ thuật bù tán sắc sợi DCF và kỹ thuật bù tán sắc sợi FBG. - Xây dựng mô hình thiết kế, tính toán và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Optisystem của hãng OptiWave nhằm so sánh đánh giá chất lượng (BER, Q-Factor) của hệ thống. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: a) Đối tƣợng nghiên cứu: - Nghiên cứu tán sắc và nguyên nhân của ảnh hưởng tán sắc tác động lên hệ thống gây suy giảm chất lượng hệ thống. 15 - Các kỹ thuật bù tán sắc. - Tính toán thiết kế sợi bù tán sắc sợi DCF. - Ứng dụng chương trình“OptiSystem” để mô phỏng. b) Phạm vi nghiên cứu: - Hệ thống thông tin sợi quang WDM. - Nguyên nhân của ảnh hưởng tán sắc. - Các kỹ thuật bù tán sắc. - Tập trung vào thiết kế sợi bù tán sắc DCF. - Mô phỏng kỹ thuật bù tán sắc DCF và FBG nhằm so sánh đánh giá chật lượng hệ thống. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Phương pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau: - Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. - Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc. - Tập trung vào kỹ thuật bù tán sắc bằng sợi DCF và thiết kế sợi bù tán sắc DCF. - Tính toán, thiết kế và xây dựng mô hình kỹ thuật bù tán sắc DCF và FBG. - Sử dụng phần mềm “OptiSystem” để thực hiện mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ thống quang WDM dưới ảnh hưởng của tán sắc khi sử dụng kỹ thuật bù tán sắc sợi DCF và FBG. - Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên kết quả mô phỏng. C C R L T. U D 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI: Vấn đề tán sắc gây ảnh hưởng đến suy giảm chất lượng hệ thống quang WDM cũng như giới hạn khoảng cách truyền. Đây là vấn đề lớn rất được quan tâm hiên nay. Thực tế làm thế nào để đánh giá chất lượng hệ thống và nâng cao cải thiện chất lượng mạng truyền dẫn thông tin sợi quang WDM khi đã và đang vận hành trong nước cũng như ngoài nước. Do vậy, bù tán sắc là vấn đề thực tiễn đang được quan tâm hiện nay, nhằm nâng cao chất lượng hệ thống. 6. KẾT CẤU LUẬN VĂN: Nôi dung luận văn gồm các chƣơng: - Chƣơng 1: Nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang WDM. - Chƣơng 2 : Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc. - Chƣơng 3: Tính toán thiết kế bù tán sắc DCF. 16 - Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc DCF và FBG trên hệ thống thông tin quang WDM. Tìm hiểu nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc. Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc nhằm để quản lý tán sắc và tập trung nghiên cứu kỹ thuật bù tán sắc DCF. Hơn nữa, mô phỏng và nhận xét đánh giá kỹ thuật bù tán sắc DCF với một số kỹ thuật bù tán sắc khác trên hệ thống quang WDM. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn của em không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy PGS.TS Tăng Tấn Chiến đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. C C U D R L T. 17 CHƢƠNG 1: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM 1.1. Khái niệm về tán sắc Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền dọc trong sợi quang bị giãn xung. Nếu xung giãn lớn hơn chu kì bit, gây ra sự chồng lấp giữa các bit kế cận nhau. Kết quả đầu thu không nhận biết được bit 1 hay bit 0 đã truyền đi ở đầu phát, đồng nghĩa bộ chọn tại đầu thu sẽ chọn sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỉ số S/N giảm và chất lượng hệ thống suy giảm. Hình 1.1 minh họa tán sắc gây giãn xung. [1] C C R L T. U D Hình 1.1. Tán sắc gây giãn xung và tăng tỉ số BER Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi, đơn vị là giây (s). Khi đó D được xác đinh bởi công thức: D= 𝑇02 − 𝑇𝑖2 (1.1) Trong đó: Ti, To lần lượt là độ rộng xung tại đỉnh bằng một nữa công suất cực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi, đơn vị là giây (s). Độ tán sắc qua mỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Với loại tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát quang thì lúc đó đơn vị tính là ps/km-nm.[1],[4],[5][6] 1.2. Các loại tán sắc Trong hệ thống thông tin quang có thể có 3 loại tán sắc: tán sắc mode, tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể (gồm tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu). Với sợi quang đa mode thì có tất cả các loại tán sắc nói trên. Khi công nghệ chế tạo sợi quang phát triển thì sợi quang đơn mode ra đời, khắc phục được tán sắc mode của sợi đa mode. Tuy nhiên, vì bản chất chiết suất Silica phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thể phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có 1 bước sóng) mà là một chùm tia sáng với một độ rộng phổ dải bước sóng hẹp nào đó. Chính vì vậy trong sợi đơn mode vẫn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể. Ngày nay, công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ, chế tạo ra được các loại sợi quang mới cần 18 tốc bit cao và cự ly lớn. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về các loại tán sắc trong sợi quang như hình 1.2:[1],[4],[5],[6] Hình 1.2. Thể hiện các loại tán sắc trong sợi quang 1.2.1. Tán sắc mode MD Khi truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi quang, thì tín hiệu ánh sáng truyền đi theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode sóng. Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang và có thể xem gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng. Tán sắc mode do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode được truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khác nhau là khác nhau, gây ra tán sắc. Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi sợi. Tán sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode. Do đó loại bỏ tán sắc mode thì dùng sợi quang đơn mode. Thật vậy ánh sáng truyền trong sợi quang gồm tập hợp những tia sáng riêng lẻ. Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi ta sẽ thấy tập hợp những tia ánh sáng truyền với góc α biến thiên từ 0 đến αc thể hiện ở hình 1.3 sau: C C R L T. U D Hình 1.3. Thể hiện phương thức truyền các luồng ánh sáng tương ứng với các mode truyền trong sợi quang[1],[4][5][6] Các luồng tia sáng khác nhau được định nghĩa là các mode truyền. Ta phân biệt các mode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để phân biệt các mode riêng biệt. Nguyên tắc, góc truyền của mode càng nhỏ thì thứ tự mode càng thấp. Vì vậy, mode truyền dọc theo tâm sợi quang mode 0 (mode cơ bản) và mode truyền ở góc tới hạn αc là mode có thứ tự lớn nhất có thể khi truyền vào sợi quang. Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyền gọi là sợi đa mode. Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính và dạng hình học của sợi quang. Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi sợi quang càng truyền được nhiều mode sóng. Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng trong sợi thu được