Đang tải... (xem toàn văn)
đồ án :Các phương pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống thông tin quang tốc độ caoNội dung đồ án của em bao gồm ba chương: Chương I: Tổng quan về công nghệ WDMTrong chương này tìm hiểu một số nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM, các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM. Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDMTìm hiểu các loại tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến cũng như những ảnh hưởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến đối với hệ thống WDM. Chương III: Các phương pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong hệ thống WDMĐưa ra sự cần thiết phải quản lý tán sắc. Tìm hiểu các phương pháp bù tán sắc như các mô hình bù trước, các kỹ thuật bù sau, các sợi bù tán sắc, các bộ lọc quang, các cách tử Bragg sợi, sự kết hợp pha quang. Ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống sóng ánh sáng đường dài, các hệ thống dung lượng lớn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án của em không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo Lê Thanh Thủy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Công nghệ mạng quang WDM đời tạo nên bước phát triển lớn cho mạng truyền tải Với đời công nghệ WDM đáp ứng nhu cầu tăng lên lớn băng thông Ngày hệ thống thông tin quang đường trục, hệ thống dung lượng lớn sử dụng công nghệ WDM, với tuyến liên kết điểm điểm, đến liên kết cấu trúc mạng phức tạp để phù hợp với yêu cầu đáp ứng mạng đặt Tuy nhiên, số ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên nhà khai thác mạng chưa tận dụng hết ưu điểm vượt trội hệ thống Những ảnh hưởng phải kể đến ảnh hưởng tán sắc hệ thống WDM Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn tốc độ hệ thống WDM, gây lỗi bit làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính hệ thống WDM Do vấn đề quản lý tán sắc hệ thống WDM quan tâm Vì em lựa chọn nội dung đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu Các phương pháp bù tán sắc ứng dụng bù tán sắc hệ thống thông tin quang tốc độ cao Nội dung đồ án em bao gồm ba chương: Chương I: Tổng quan công nghệ WDM Trong chương tìm hiểu số nguyên lý cơng nghệ WDM, cấu hình mạng chế bảo vệ cho mạng WDM Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM Tìm hiểu loại tán sắc hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng tán sắc hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Chương III: Các phương pháp bù tán sắc ứng dụng bù tán sắc hệ thống WDM Đưa cần thiết phải quản lý tán sắc Tìm hiểu phương pháp bù tán sắc mơ hình bù trước, kỹ thuật bù sau, sợi bù tán sắc, lọc quang, cách tử Bragg sợi, kết hợp pha quang Ứng dụng bù tán sắc hệ thống sóng ánh sáng đường dài, hệ thống dung lượng lớn Mặc dù có nhiều cố gắng song thời gian trình độ có hạn nên đồ án em tránh khỏi sai sót, mong nhận đóng góp ý Quách Bá Lâm – Đ04VT1 i Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu kiến thầy giáo bạn để đồ án hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo Lê Thanh Thủy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008 Sinh viên thực Quách Bá Lâm Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ii Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .vii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 10 1.1 Nguyên lý WDM .10 1.1.1 Giới thiệu WDM 10 1.1.2 Sự phát triển công nghệ WDM 12 1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM 14 1.2 Các cấu hình mạng chế bảo vệ cho mạng WDM 16 1.2.1 Cấu hình điểm – điểm 16 1.2.2 Cấu hình vịng Ring 17 1.2.3 Cấu hình Mesh 19 CHƯƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM .11 2.1 Tán sắc 11 2.1.1 Giới thiệu chung 11 2.1.2 Tán sắc vật liệu .12 2.1.3 Tán sắc dẫn sóng 14 2.1.4 Tán sắc bậc cao .16 2.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD 18 2.2 Các hiệu ứng phi tuyến 21 2.2.1 Giới thiệu chung 21 2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 22 2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM .23 2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM .24 2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS ) 25 2.4.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin ( SBS ) 27 CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG WDM 29 3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc 29 3.2 Các mơ hình bù trước 31 3.2.1Kỹ thuật dịch tần trước 31 3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa 35 3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trước phi tuyến 37 3.3 Các kỹ thuật bù sau 39 3.4 Các sợi bù tán sắc 41 3.5 Các lọc quang 43 3.6 Các cách tử Bragg sợi 47 3.6.1 Cách tử chu kỳ .48 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ii Đồ án tốt nghiệp Mục lục 3.6.2 Cách tử sợi dịch tần 51 3.6.3 Bộ nối mode dịch tần 55 3.7 Sự kết hợp pha quang 56 3.7.1 Nguyên lý hoạt động 56 3.7.2 Bù tự điều chế pha SPM 57 3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha .59 3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đường dài .63 3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ 63 3.8.2 Nguyên lý đơn 65 3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến kênh 68 3.9 Các hệ thống dung lượng lớn 70 3.9.1 Bù tán xạ băng rộng 70 3.9.2 Bù tán sắc điều hướng 73 3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao .76 3.9.4 Bù PMD 79 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iii Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lượng thoại số liệu theo thời gian 10 Hình 1.2 Ghép kênh theo bước sóng WDM 12 Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh 13 Hình 1.4 Sự phát triển công nghệ WDM 13 Hình 1.5 Sự tăng nên dung lượng sợi 14 Hình 1.6 Màu chức WDM .14 Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm .17 Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring .18 Hình 1.9 UPSR bảo vệ vòng ring WDM 19 Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh 20 Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n số nhóm ng thay đổi theo bước sóng sợi thủy tinh 14 Hình 2.2 Tham số b vi phân d(Vb)/dV V[d2(Vb)/dV2] thay đổi theo tham số V 15 Hình 2.3 Tán sắc tổng D tán sắc vật liệu DM, DW cho sợi đơn mode thông dụng 16 Hình 2.4 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D sợi tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, sợi tán sắc phẳng 18 Hình 2.5 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD .19 Hình 2.6 : Ảnh hưởng hiệu ứng tự điều chế pha SPM 22 Hình 2.7 Ảnh hưởng hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 23 Hình 2.8 Hiệu ứng FWM .24 Hình 2.9 Giản đồ lượng trình tán xạ Raman 25 Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman sợi Silic bước sóng bơm λp=1μm 26 Hình 2.11 Ảnh hưởng tán xạ Raman .27 Hình 3.1 Sự thay đổi tham số mở rộng với khoảng cách truyền cho xung đầu vào Gaussian dịch tần 32 Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trước sử dụng để bù tán sắc: (a) đầu FM laze DFB (b) dạng xung điều chế tạo c) xung dịch tần trước sử dụng truyền tín hiệu 34 Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số công suất quang tín hiệu truyền dẫn.(b) Tần số cơng suất tín hiệu thu liệu giải mã điện 36 Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc tín hiệu 16 Gb/s truyền 70 km chiều dài sợi tiêu chuần: (a) có (b) khơng có SOA gây dịch tần.Vạch tuyến đáy cho biết mức trường hợp 36 Hình 3.5: Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho vài giá trị Ein/Esat Một xung đầu vào Gaussian thừa nhận G0 = 30 dB βc = 38 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iv Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn hàm công suất phát xung Gaussian(m=1) siêu Gaussian ( m=3 ) tốc độ bit Gb/s Các đường ngang tương ứng với trường hợp tuyến tính 40 Hình 3.7: (a) Biểu đồ DCF có sử dụng sợi mode bậc cao (HOM) hai cách tử chu kỳ dài (LPG) (b) Phổ tán sắc DCF .43 Hình 3.8 Quản lý tán sắc đường truyền sợi đường dài có sử dụng lọc quang sau khuếch đại Các lọc bù GVD giảm nhiễu khuếch đại 45 Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa MachZehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng 46 Hình 3.10: (a) Cường độ (b) pha hệ số phản xạ mô tả thành hàm điều hướng δ Lg cách tử sợi với κLg = ( đường cong liền ) κLg = 49 ( đường cong đứt quãng ) .49 Hình 3.11: GVD cách tử tạo mô tả hàm δ cho vài giá trị hệ số ghép κ .50 Hình 3.12: Hệ số truyền (đường nét đứt ) độ trễ thời gian (đường nét liền) hàm bước sóng cách tử κ(z) biến thiên tuyến tính từ đến cm-1 độ dài 11 cm 51 Hình 3.13: Bù tán sắc cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) số n(z) dọc theo chiều dài cách tử.(b) độ phản xạ tần số cao thấp vị trí khác cách tử biến thiên bước sóng Bragg 53 Hình 3.14: Hệ số phản xạ độ trễ thời gian cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thơng 0,12 nm 54 Hình 3.15: Mơ hình bù tán sắc hai lọc truyền dạng sợi: (a) ghép hai mode dịch tần (b) sợi hai lõi thon 55 Hình 3.16: Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ nhịp sợi dịch tán sắc dài 21 km .60 Hình 3.17: Vịng lặp sợi xoay vịng sử dụng để truyền tín 10 Gb/s 10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn sở áp dụng DCF theo chu kỳ Các phận sử dụng bao gồm laze điốt (LD), điều chế hấp thụ điện (EA), hệ chuyển mạch quang (SW), khuếch đại sợi (EDFA), sợi đơn mode (SMF), DCF 64 Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng sử dụng để bù tán sắc 72 hệ thống WDM .72 Hình 3.19: (a) Mơ tả phổ phản xạ (b) toàn GVD hàm điện áp cho cách tử sợi với gradient nhiệt độ .75 Hình 3.20: Độ nhạy máy thu thí nghiệm 160 Gb/s, hàm tán sắc dự trước có (hình vng) khơng có (hình trịn) cách tử Bragg dạng sợi (CFBG) Sự tăng đồ thị theo dõi mơ tả cho 110 ps/nm hình bên phải 76 Hình 3.21: Dạng xung sau xung đầu vào 2,6 ps truyền 300 km sợi dịch tán sắc (β2 = 0) Hình trái phải so sánh cải thiện thu bù tán sắc bậc ba 77 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 v Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Hình 3.22: Mơ hình bù PMD quang (a) điện (b) 80 Hình 3.23: Bù PMD điều hưởng cách tử sợi dịch tần lưỡng chiết 81 (a) Căn nguyên trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng căng cách tử 81 Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung hàm DGD trung bình bốn trường hợp Đường chấm mô tả tăng sử dụng bù PMD bậc Các vịng trịn bơi đen rỗng mô tả kết mô số 83 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vi Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AM APS ATM BER BLSR BPF CD DBR DCF DDF DEMUX DFB DSF DWDM EA EDFA FBG FM FP FSK FWM GVD IOF IP LASER MESH MMF Amplitude Modulation Automatic Protection Switching Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Bidirectional Line Switched Ring Bandpass filter Chromatic Dispersion Distributed Bragg Reflection Dispersion Compensating Fiber Dispersion Decreasing Fiber Demultiplexer Distributed Feedback Dispersion Shifted Fiber Dense WDM Electroabsorption Modulator Erbium Dopped Fibre Amplifier Fiber Gragg Grating Frequency Modulation Fabry-Perot Frequency Shift Keying Four-Wave Mixing Group Velocity Dispersion Inter-Office Facility Internet Protocol Light Amplified and Stimulated Emission of Radiation Mesh Multimode Fibre Quách Bá Lâm – Đ04VT1 Điều chế biên độ Chuyển mạch bảo vệ tự động Chế độ chuyển tải bất đồng Tỷ lệ lỗi bit Vịng ring chuyển mạch đường hai chiều Bộ lọc thơng dải Tán sắc sắc thể Phản xạ phân bố Bragg Sợi bù tán sắc Sợi giảm tán sắc Bộ giải ghép kênh Hồi tiếp phân tán Sợi quang dịch tán sắc WDM mật độ cao Bộ điều chế hấp thụ điện Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium Cách tử Bragg sợi Điều tần Khoang cộng hưởng Khóa dịch pha tần số Trộn bốn sóng Tán sắc vận tốc nhóm Thiết bị văn phòng Giao thức Internet Khuếch đại ánh sáng xạ kích thích Dạng lưới Sợi đa mode vii Đồ án tốt nghiệp MUX MZ NLS NZDSF OADM OPC PC PDH PMD PSP RING RMS RZ SBS SDH SMF SOA SONET SOP SPM SRS SW TDM UPSR WDM XPM ZD Multiplexer Mach-Zehnder Interferometer Nonlinear Schroedinger None-Zero Dispersion Shifted Fiber Optical Add/Drop Multiplexer Optical Phase Conjugation Polarization Controller Plesiochronous Digital Hierachy Polarization Mode Dispersion Principal State of Polarization Ring Root-Mean-Square Return to Zero Stimulated Brillouin Scattering Synchronous Digital Hierachy Single Mode Fibre Semiconductor Optical Amplifier Synchronous Optical Network State of Polarization Self of Polarization Stimulated Raman Scattering Optical Switch Time Division Multiplexing Unidirectional Path Switched Ring Wavelength Division Multiplexing Cross Phase Modulation Zero-Dispersion Quách Bá Lâm – Đ04VT1 Thuật ngữ viết tắt Bộ ghép kênh Bộ giao thoa kế Mach-Zehner Schroedinger phi tuyến Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Kết hợp pha quang Bộ điều khiển phân cực Phân cấp cận đồng Tán sắc mode phân cực Trạng thái phân cực Dạng vịng Trị hiệu dụng Trở khơng Tán xạ Brillouin kích thích Phân cấp số đồng Sợi quang đơn mode Bộ khuếch đại quang bán dẫn Mạng quang đồng Trạng thái phân cực Tự điều chế pha Tán xạ Raman kích thích Hệ chuyển mạch quang Ghép kênh theo thời gian Vòng ring chuyển mạch tuyến chiều Ghép kênh theo bước sóng Điều chế chéo pha Tán sắc không viii Đồ án tốt nghiệp Quách Bá Lâm – Đ04VT1 Thuật ngữ viết tắt ix Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng sử dụng để bù tán sắc hệ thống WDM Việc sử dụng DCF hệ số góc âm giải pháp đơn giản để kiểm soát tán sắc hệ thống WDM dung lượng lớn với số lượng nhiều kênh Thực vậy, DCF phát triển thương mại hóa năm 1990 sử dụng hệ thống WDM mật độ cao Việc phải có hệ số góc tán sắc âm điều dễ hiểu xét điều kiện ( 3.20a ), Mục 3.4 dành cho kênh đơn Phải thỏa mãn điều kiện cho tất kênh, tức là: D1(λn)L1 +D2(λn)L2 = ( 3.58 ) Trong λn bước sóng kênh thứ n Do hệ số góc tán sắc S tán sắc cấp ba β3 có giá trị dương hữu hạn nên D1 tăng với bước sóng sợi dịch tán sắc sợi tiêu chuẩn Do đó, tán sắc tích lũy D1L1 khác kênh Nếu DCF phải làm việc cho tất kênh hệ số góc tán sắc phải mang dấu âm có giá trị cho Phương trình (3.58) thỏa mãn cho tất kênh Với Dj(λn) = Dj + Sj(λn−λc) phương trình (3.58), Dj ( j = 1,2) giá trị bước sóng λc kênh trung tâm, hệ số góc tán sắc DCF là: S2 = −S1(L1/L2) = S1(D2/D1) ( 3.59 ) Trong áp dụng điều kiện ( 3.20a ) cho kênh trung tâm Phương trình cho biết tỷ lệ S/D, gọi hệ số góc Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc tán sắc tương đối, có giá trị hai loại sợi sử dụng để thiết lập ánh xạ tán sắc Đối với sợi chuẩn có D ≈ 16 ps/ (km-nm) S ≈ 0.05 ps/(km-nm2), tỷ lệ vào khoảng 0.003 nm−1 Do vậy, DCF có D≈−100 ps/(km-nm), hệ số góc tán sắc vào khoảng −0.3 ps/(km-nm2) Các DCF thương mại hóa Trong trường hợp sợi dịch tán sắc tỷ lệ S/D vượt mức 0.02 nm−1 Sẽ khó khăn việc chế tạo DCF có giá trị hệ số góc tán sắc tương đối lớn đến cho dù DCF hai mode tạo giá trị 0.01 nm−1 (xem Hình 3.7) Các sợi tán sắc nghịch đảo chế tạo để dấu D S đảo chiều so với sợi dịch tán sắc thường Ánh xạ tán sắc trường hợp lập sở chiều dài cân hai loại sợi Có nhiều thí nghiệm năm 1990 chứng minh tính hữu dụng DCF cho hệ thống WDM Trong thí nghiệm năm 1995, kênh với cự ly 1,6 nm, tốc độ bit 20 Gb/s truyền 232 km chiều dài sợi tiêu chuẩn thông qua DCF Tán sắc dư kênh tương đối nhỏ (≈ 100 ps/nm cho toàn nhịp) kênh bù đồng thời DCF Cịn thí nghiệm năm 2001, DCF băng rộng sử dụng để truyền tín hiệu WDM 1Tb/s (101 dải tần, tốc độ 10Gb/s) 9000 km Tốc độ lớn 11 Tb/s thực cách sử dụng sợi tán sắc nghịch đảo thí nghiệm truyền tín hiệu 273 kênh, tốc độ kênh 40 Gb/s qua đồng thời băng tần C, L S (kết tồn băng thơng 100 nm) 3.9.2 Bù tán sắc điều hướng Sẽ khó khăn phải đảm bảo bù GVD toàn diện cho tất kênh hệ thống WDM Một lượng nhỏ tán sắc dư tồn vấn đề cần phải giải hệ thống đường dài Trong nhiều thí nghiệm, kỹ thuật bù sau thơng qua Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc tán sắc dư thừa kênh riêng bù cách bổ sung chiều dài DCF (hoặc cách tử sợi) đầu cuối máy thu (tinh chỉnh tán sắc) Kỹ thuật không phù hợp với hệ thống WDM thương mại số lý Thứ nhất, tốc độ bit kênh đơn tăng lên 40 Gb/s giá trị cho phép tán sắc dư nhỏ đến mức thay đổi nhiệt độ GVD trở nên đáng kể Vì vậy, cách tốt phải thực mơ hình bù tán sắc điều hướng để kiểm sốt GVD cho kênh theo phương thức động lực Đã có số kỹ thuật bù tán sắc điều hưởng xây dựng sử dụng việc thực nghiệm hệ thống Hầu hết tận dụng hệ cách tử Bragg sợi tán sắc hệ thống điều hưởng cách thay đổi chu kỳ lưới ňΛ Ở mơ hình, cách tử thiết kế có dịch tần phi tuyến (bước sóng Bragg tăng phi tuyến dọc theo chiều dài cách tử) thay đổi cách kéo căng cách tử chuyển đổi điện áp Ở cách khác, cách tử khơng có dịch tần hay dịch tần tuyến tính mà sử dụng gradient nhiệt độ để tạo dịch tần kiểm sốt Ở hai trường hợp biến đổi nhiệt độ hay ứng suất số mode ň làm thay đổi bước sóng Bragg nội λ B(z) = 2ň(z)Λ(z) Đối với hệ cách tử này, phương trình ( 3.34 ) thay bằng: Lg d n ( z )dz D g (λ ) = = dλ c dλ ∫ 0 dτ g ( 3.60 ) Trong τg độ trễ nhóm Lg chiều dài cách tử Giá trị Dg bước sóng thay đổi cách điều chỉnh số mode ň (bằng cách đốt nóng kéo căng), nhờ tạo đặc tính tán sắc điều hướng cho cách tử Bragg Phân tán nhiệt hệ cách tử Bragg yêu cầu phải có gia nhiệt màng mỏng bố trí bề mặt ngồi sợi với cách tử lõi Độ dày màng thay đổi theo chiều dài cách tử tạo gradient nhiệt độ suốt q trình gia nhiệt khơng màng tích hợp điện áp Có thể sử dụng gia nhiệt màng mỏng phân đoạn để phục vụ cho mục đích Hình 3.19 mơ tả phổ Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc phản xạ cách tử dài cm với ba mức điện áp tổng tán sắc DgLg hàm điện áp Cách tử ban đầu khơng dịch tần có dải dừng hẹp dịch chuyển mở rộng cách tử dịch tần qua hệ gia nhiệt không Về mặt vật lý, bước sóng Bragg λ B thay đổi theo chiều dài cách tử chu kỳ quang ň(z)Λ đại lượng phụ thuộc vào z gradient nhiệt độ hình thành dọc theo cách tử Có thể thay đổi tổng tán sắc DgLg khoảng −500 đến −2200 ps/nm phương thức Các hệ cách tử sử dụng để tạo tán sắc điều hưởng cho hệ thống 10 Gb/s Hình 3.19: (a) Mơ tả phổ phản xạ (b) toàn GVD hàm điện áp cho cách tử sợi với gradient nhiệt độ Khi tốc độ bit đạt 40 Gb/s lớn cần phải dịch tần cách tử để dải dừng đủ rộng cho phổ tín hiệu truyền qua Dịch tần phi tuyến có tăng cường kiểm soát thiết bị Những hệ cách tử dịch tần chế tạo sử dụng để bù tán sắc điều hưởng có tốc độ bit 160 Gb/s Hình 3.20 mơ tả tính nhạy máy thu đo thí nghiệm 160 Gb/s hàm tán sắc định sẵn có khơng có cách tử dịch tần tán sắc điều hưởng Khi khơng có cách tử, độ nhạy tối thiểu vào khoảng 91 ps/nm DCF sử dụng biến tán sắc thành số Một lỗi công suất dB xuất GVD thừa biến đổi vào khoảng ps/nm Có thể giảm xuống mức 0,5 dB có bù tán sắc điều hưởng Từ đồ thị theo dõi tán sắc định sẵn Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc vào khoảng 110 ps/nm ta thấy hệ thống hoạt động khơng có cách tử theo dõi trì độ mở rộng sử dụng bù tán sắc điều hưởng Thí nghiệm sử dụng xung quang ps khe bit rộng 6,25 ps tốc độ bit vào khoảng 160 Gb/s Các tác động tán sắc bậc ba đáng phải quan tâm xung ngắn Hình 3.20: Độ nhạy máy thu thí nghiệm 160 Gb/s, hàm tán sắc dự trước có (hình vng) khơng có (hình tròn) cách tử Bragg dạng sợi (CFBG) Sự tăng đồ thị theo dõi mô tả cho 110 ps/nm hình bên phải 3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao Khi tốc độ bit kênh đơn vượt mức 40 Gb/s (có thể ứng dụng ghép kênh phân chia theo thời gian) tác động tán sắc bậc ba bậc cao bắt đầu ảnh hưởng tới tín hiệu quang Ví dụ, khe bit tốc độ 100 Gb/s có độ rộng 10 ps, tín hiệu quang RZ bao gồm xung có độ rộng < ps Để tính khoảng truyền dẫn cực đại L, giới hạn tán xạ bậc ba β3, tán xạ bậc hai bù Ta có: L ≤ 0.034(|β3|B3)−1 ( 3.61 ) Với tốc độ bit 200 Gb/s, L giới hạn 50 km 3,4 km tốc độ 500 Gb/s thay giá trị cụ thể β3 = 0.08 ps3/km Rõ ràng phải sử dụng kỹ thuật bù đồng thời tán sắc bậc hai bậc ba tốc độ bit kênh đơn lớn 100 Gb/s Đã có số kỹ thuật xây dựng Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc Cách đơn giản để bù tán sắc bậc ba sử dụng DCF có hệ số góc tán sắc âm để β2 β3 có dấu ngược với dấu sợi tiêu chuẩn Có thể biết điều kiện cần để chế tạo loại sợi cách giải phương trình (3.3) sở áp dụng phương pháp biến đổi Fourier Đối với đường truyền sợi quang có chiều dài sợi khác L1 L2 điều kiện bù tán sắc là: β21L1+β22L2 = β31L1+β32L2 = ( 3.62 ) Trong β2jvà β3j tham số tán sắc bậc hai bậc ba sợi có chiều dài Lj Điều kiện thứ tương tự phương trình (3.20a) Áp dụng phương trình ( 3.20b ), ta sử dụng điều kiện thứ hai để tìm tham số tán sắc bậc ba cho DCF: β32 = (β22/β21)β31 = −(L1/L2)β31 ( 3.63 ) Hình 3.21: Dạng xung sau xung đầu vào 2,6 ps truyền 300 km sợi dịch tán sắc (β2 = 0) Hình trái phải so sánh cải thiện thu bù tán sắc bậc ba Yêu cầu tương tự với yêu cầu đặt từ phương trình (3.51) DCF sử dụng hệ thống WDM β có liên hệ đến hệ số góc tán sắc S thơng qua phương trình (2.11) Đối với hệ thống kênh đơn, băng thơng tín hiệu phải đủ nhỏ tốc độ bit vào khoảng 500 Gb/s để thỏa mãn phương trình (3.62) băng thơng nm Có thể đáp ứng u cầu lọc quang cách tử sợi dịch tần Trước hết ta xét trường hợp lọc quang Các mạch sóng ánh sáng phẳng đo từ lọc giao thoa MZ (xem phần 3.5) chứng minh tính hữu dụng lọc có khả lập trình Ở thí nghiệm, lọc thiết kế để tạo hệ số góc tán sắc –15,8 ps/nm2 băng thơng 170 GHz Nó sử dụng để bù tán sắc bậc ba với chiều dài sợi dịch tán sắc 300 km, β ≈ 0.05 ps/(km-nm2) bước sóng Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc hoạt động Hình 3.21 so sánh dạng xung điểm đầu sợi có khơng có bù β3 xung 2,6 ps truyền với khoảng cách 300 km Bộ bù làm loại bỏ đuôi dao động giảm thiểu độ rộng đỉnh từ 4,6 xuống cịn 3,8 ps Xung tăng độ rộng từ giá trị đầu vào 2,6 ps hệ tán sắc phân cực mode (PMD) Các cách tử sợi dịch tần thường ưu tiên thực tiễn chúng có chất sợi Các cách tử sợi dài (≈1m) đến năm 1997 nghiên cứu phát triển để phục vụ cho mục đích Trong năm 1998, cách tử sợi dịch tần phi tuyến bù tán sắc bậc ba nm cho khoảng cách dài 60 km Việc xếp tầng cách tử dịch tần biến thành bù tán sắc có đặc tính tán sắc ngẫu nhiên có khả bù tán sắc cho bậc cao Một cách tử có đường sóng xếp thành dãy cách tử sợi dạng mẫu bù đồng thời tán sắc bậc hai bậc ba Mặc dù cách tử sợi dạng mẫu dịch tần phi tuyến điều hướng tán sắc đồng thời cho số kênh lại bị giới hạn băng thơng Một cách tử có đường sóng dãy kết hợp với lọc pha khơng gian bù hệ số góc tán sắc băng thông rộng THz thích hợp cho hệ thống đa kênh 40 Gb/s Tính khả thi việc truyền tín hiệu 100 Gb/s qua quãng đường dài 10.000 km nghiên cứu sở sử dụng kết hợp pha quang kết hợp với bù tán sắc bậc ba Đã có số thí nghiệm kênh đơn nghiên cứu khả truyền kênh đơn có tốc độ bit 200 Gb/s Giả sử hệ thống RZ yêu cầu phải có khe bit ps để tận dụng xung ps việc truyền dẫn tốc độ bit 500 Gb/s khả thi sử dụng DCF cách tử sợi dịch tần thiết kế tạo bù β băng thơng nm Trong thí nghiệm năm 1996, tín hiệu 400 Gb/s truyền cách quản lý tán sắc sợi quang phát xung 0,98 ps bên khe thời gian 2,5 ps Nếu không bù tán sắc bậc ba, xung tăng lên 2,3 ps sau hết chiều dài 40 km tạo đuôi dao động dài – ps, đặc trưng tán sắc bậc ba Trong trường hợp bù phần tán sắc bậc ba, đuôi dao động biến độ rộng xung giảm xuống 1,6 ps, đảm bảo đủ khả phục hồi liệu 400 Gb/s với độ xác cao Các xung quang ngắn vào khoảng 0,4 ps năm 1998 sử dụng để tạo tốc độ bit 640 Gb/s Trong thí nghiệm năm 2001, tốc độ bit tăng lên 1,28 Tb/s cách truyền xung 380 fs qua 70 km chiều dài sợi quang Việc truyền Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc xung ngắn đòi hỏi phải bù đồng thời tán sắc cấp hai cấp bốn Có nghĩa q trình điều chế pha hình sin dạng góc vng áp dụng cho xung dịch tần tuyến tính trước truyền qua sợi bù GVD Xung dịch tần bù tán sắc cấp ba cấp bốn 3.9.4 Bù PMD Như biết phần 2.3.5, PMD làm mở rộng xung quang ảnh hưởng biến thiên ngẫu nhiên đặc tính lưỡng chiết sợi quang dọc theo chiều dài Sự tăng tăng bổ sung xung tạo GVD Việc quản lý tán sắc loại bỏ tượng tăng GVD lại khơng có tác dụng với tượng tăng PMD Vì lẽ đó, PMD vấn đề đáng phải quan tâm hệ thống quản lý tán sắc đại Trước xét đến kỹ thuật ứng dụng để bù PMD dự đoán thứ tự chiều dài hệ thống chưa bù Phương trình ( 2.16 ) cho thấy xung RMS tăng lên để liên kết có chiều dài L xác định cơng thức σT ≡((ΔT)2)1/2 =Dp L Dp tham số PMD ΔT hệ số trễ tương đối theo hai trạng thái phân cực (PSPs) Lưu ý, σ T giá trị trung bình Giá trị tức thời ΔT dao động theo thời gian ảnh hưởng nhiệt độ yếu tố môi trường khác Nếu ΔT lớn khe bit khoảng thời gian cho dù ngắn hệ thống ngừng hoạt động; giống tượng fađing ngưng thường xuất hệ thống radio gặp phải tác động tương tự Tính hiệu hệ thống PMD giới hạn xác định sở áp dụng khái niệm xác suất ngừng Xác suất phải thấp so với giá trị định mức (thường gần 10-5 phút/năm) hệ thống Có thể tính xác suất sở hiểu ΔT hệ phân bố Maxwell Nhìn chung, giá trị RMS σT chiếm tỷ lệ nhỏ khe bit T B tốc độ bit B ≡ 1/TB Giá trị xác tỷ lệ dao động khoảng 0,1 – 0,15 tùy theo dạng điều chế (RZ, CRZ, NRZ) đặc điểm xung đầu vào Nếu đặt 10% tiêu chí bảo tồn chiều dài hệ thống tốc độ bit thỏa mãn điều kiện: B2L < (10Dp)−2 ( 3.64 ) Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc Hình 3.22: Mơ hình bù PMD quang (a) điện (b) Xét số ví dụ liên quan Trong trường hợp đường truyền sợi quang “cũ” lắp đặt với sợi quang tiêu chuẩn điều kiện ( 3.64 ) trở thành B2L < 104 (Gb/s)2-km chúng lấy giá trị đại diện D p = ps/ km Loại sợi đòi hỏi bù PMD B = 10 Gb/s chiều dài đường truyền vượt 100 km Ngược lại, sợi quang đại có Dp < 0,1 ps/ km Đối với hệ thống thiết kế có sử dụng loại sợi B2L lớn 106 (Gb/s)2-km Do vậy, bù PMD không thiết phải mức 10 Gb/s phải mức 40 Gb/s chiều dài đường truyền lớn 600 km Cần phải lưu ý liệu mang tính ước đốn Những thảo luận trước cho thấy PMD gây hạn chế tới hiệu hệ thống tốc độ bit kênh đơn lớn 10 Gb/s Đã có số kỹ thuật nghiên cứu để bù PMD hệ thống sóng ánh sáng quản lý tán sắc; phân loại chúng thành quang điện Hình 3.22 mơ tả ngun lý mơ hình bù PMD quang điện Một bù PMD điện hiệu chỉnh tác động PMD máy thu lọc ngang Bộ lọc tách tín hiệu điện x(t) thành nhánh có sử dụng đường trễ phân nhánh sau tổng hợp đầu sau: N −1 y (t ) = ∑ cm x(t − mτ ) m =0 ( 3.65 ) Trong N tổng số nhánh, τ thời gian trễ cm trọng lượng nhánh thứ m Các trọng lượng nhánh điều chỉnh động lực sở sử dụng thuật toán điều khiển cho làm tăng hiệu hệ thống Tín hiệu lỗi để thiết bị điện điều khiển thường dựa sở “theo dõi” máy thu bị đóng Kỹ thuật điện khơng có khả loại bỏ hồn tồn tác động PMD Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc khơng xét đến độ trễ PMD gây hai PSP Tuy vậy, lại xác định xác nguồn suy biến dẫn tới “theo dõi” bị đóng Một bù PMD quang tận dụng tính đường trễ Bộ bù tích hợp theo chu kỳ dọc theo chiều dài đường truyền quang (có thể vị trí đặt khuếch đại) phía trước máy thu Tín hiệu bị méo PMD chia làm hai phần theo PSP sở sử dụng điều khiển phân cực (PC) với tách tia phân cực; hai phần kết hợp lại sau tạo độ trễ hiệu chỉnh nhánh xuyên suốt đường trễ biến thiên (xem hình 3.22) Vẫn cần phải có vịng lặp hồi tiếp để thu tín hiệu lỗi cho việc hiệu chỉnh điều khiển phân cực tùy theo biến đổi môi trường PSP sợi quang Sự thành công kỹ thuật phụ thuộc vào tỷ số L/LPMD sợi có chiều dài L, LPMD = (T0/Dp)2 chiều dài PMD xung có chiều rộng T0 Do LPMD gần 10.000 km DP ≈ 0.1 ps/ km T0 = 10 ps nên bù PMD thích hợp với khoảng cách vượt đại dương hệ thống 10 Gb/s Hình 3.23: Bù PMD điều hưởng cách tử sợi dịch tần lưỡng chiết (a) Căn nguyên trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng căng cách tử Ngồi có số giải pháp khác ứng dụng để bù PMD Ví dụ, bù Soleil-Babinet sử dụng chất LiNbO có khả kiểm sốt phân cực vơ hạn Các phần khác bao gồm tinh thể lỏng sắt điện, sợi trì phân cực xoắn, lọc tồn thơng quang cách tử sợi dịch tần lưỡng chiết Hình 3.23 mô tả cách Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc thức hoạt động bù PMD dựa vào cách tử Do có tính lưỡng chiết cao nên hai thành phần trường phân cực dọc theo trục nhanh chậm phản xạ vị trí khác cách tử gặp phải độ trễ nhóm vi phân bù độ trễ nhóm PMD gây Độ trễ đại lượng phụ thuộc vào bước sóng đặc tính dịch tần cách tử Ngồi ra, hiệu chỉnh vài nanomet cho độ trễ cách kéo căng cách tử Loại thiết bị có khả bù PMD điều hướng phù hợp với hệ thống WDM Xin lưu ý bù PMD quang mơ tả Hình 3.22 3.23 có tác dụng loại bỏ tác động PMD bậc Ở tốc độ bit cao, xung quang đủ ngắn phổ chúng đủ rộng để PSP đại lượng bất biến toàn phổ xung Cần phải lưu ý tới tác động PMD bậc cao hệ thống sóng ánh sáng 40 Gb/s để qua đưa giải pháp bù hợp lý Có thể đánh giá tính hiệu khả bù PMD bậc cách xét xem mở rộng xung PMD gây giảm chịu tác động bù Phần lý thuyết giải tích trình bù PMD cho thấy giá trị định mức trung bình hệ số mở rộng, b =σ2/σ20, xác định xung Gauss chưa dịch tần có chiều rộng To: b2c = b2u +2x/3−4[(1+2x/3)1/2−1] ( 3.66 ) Trong đó, x = /4T20, ΔT độ trễ nhóm vi phân dọc theo PSP b2u giá trị trước bù PMD: b2u = 1+x− 1/2 [(1+4x/3)1/2−1] ( 3.67 ) Hình 3.24 mô tả hệ số mở rộng bu (đường nét liền) bc (đường nét chấm) hàm /T0 Hình mơ tả trường hợp xấu lý tưởng liên quan đến hai lựa chọn trạng thái phân cực đầu vào (SOP) Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung hàm DGD trung bình bốn trường hợp Đường chấm mô tả tăng sử dụng bù PMD bậc Các vịng trịn bơi đen rỗng mơ tả kết mơ số Có thể sử dụng hình 3.24 để dự đốn hiệu tăng lên bù PMD bậc Như trình bày trước đó, DGD trung bình khơng phép lớn 10% khe bit hệ thống không bù để trình xác suất ngắn mức 10 -5 Do vậy, giá trị cho phép độ mở rộng xung PMD tạo phải xấp xỉ b = 1,02 Từ phương trình ( 3.66 ) ( 3.67 ) dễ thấy giá trị trì hệ thống bù PMD σT vượt 30% Do đó, bù PMD bậc làm tăng giá trị cho phép DGD lên lớn hệ số Kết khoảng truyền hệ thống bù PMD tăng lên nhiều Lưu ý, sử dụng bù PMD đơn cho tất kênh WDM Đúng là, kênh phải có bù PMD riêng biệt Một bù quang bố trí trước máy thu bù PMD điện tích hợp bên máy thu giải pháp mang tính thực tiễn; hai nghiên cứu năm 2001 để phục vụ cho mục đích ứng dụng thương mại Đồ án tốt nghiệp Kết luận KẾT LUẬN Nhằm hạn chế loại bỏ ảnh hưởng tán sắc đến hệ thống thông tin quang tốc độ cao, dung lượng lớn nên em chọn nghiên cứu đề tài “ Bù tán sắc hệ thống thông tin quang tốc độ cao ” Sau thời gian tìm hiểu, em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học với nội dung sau: Chương I: Giới thiệu chung WDM, q trình phát triển cơng nghệ WDM, chức hệ thống WDM cơng nghệ cho phép hỗ trợ cho phát triển hệ thống WDM Đưa cấu hình mạng điểm điểm, vòng ring, mesh chế bảo vệ cho cấu hình mạng áp dụng mạng WDM ứng dụng mạng khu vực đô thị, vị trí tổ chức kinh doanh, thiết bị văn phịng, khu dân cư Chương II: Trình bày hai tham số ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM tán sắc hiệu ứng phi tuyến + Tán sắc: Tìm hiểu loại tán sắc sợi dẫn quang đưa cơng thức tính tham số tán sắc dãn xung cuối sợi quang loại tán sắc như: tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng, tán sắc bậc cao tán sắc mode phân cực Trong tán sắc bậc cao tán sắc mode phân cực tán sắc gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng hệ thống WDM + Các hiệu ứng phi tuyến: Có năm hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM Đó hiệu ứng tự điều chế pha SPM gây biến đổi pha sóng quang dẫn đến tần phổ giãn rộng Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM sinh kênh khác hệ thống đa kênh WDM tác động vào Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM tạo tần số tổ hợp tần số tín hiệu lân cận làm hạn chế dung lượng cự li truyền dẫn hệ thống WDM Hiệu ứng tán xạ Raman SRS gây ảnh hưởng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng cách kênh, công suất kênh gây xuyên âm kênh Hiệu ứng tán xạ Brillouin SBS gây ảnh hưởng đến mức công suất kênh khoảng cách kênh mà không phụ thuộc vào số kênh bước sóng Đồ án tốt nghiệp Kết luận Chương III: Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp bù tán sắc mơ hình bù trước, kỹ thuật bù sau, sợi bù tán sắc, lọc quang, cách tử Bragg sợi, kết hợp pha quang đồng thời đưa ưu, nhược điểm phương pháp bù tán sắc tính ứng dụng chúng hệ thống thông tin quang Đồng thời nghiên cứu ứng dụng phương pháp bù tán sắc cho hai hệ thống thông tin quang phổ biến hệ thống sóng ánh sáng đường dài hệ thống dung lượng lớn Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang – tập 1” Nhà xuất bưu điện, Hà nội 7-2003 Nguyễn Đức Nhân, “Bài giảng kỹ thuật thông tin quang I”, Học viện công nghệ bưu viễn thống Bass M - 2002 - Fiber Optics Handbook Fiber, Devices, And Systems For Optical Communications - Osa - Mc Graw Hill Introduction to DWDM technology, June 4-2001, Cisco Systems Fiber-Optic Communication Systems, Third Edition Govind P.Agrawal ... ứng, để áp dụng vào hệ thống WDM phát triển ứng dụng nhiều giới Đồ án tốt nghiệp Chương III: Các phương pháp bù tán sắc CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ... tính hệ thống Chúng ta nghiên cứu phương pháp bù tán sắc nói chung ứng dụng phương pháp bù tán sắc vào hệ thống WDM chương III Đồ án tốt nghiệp Chương II: Một số ảnh hưởng đến hệ thống WDM 2.2 Các. .. sánh sáng Stoke trình tán xạ gọi tán xạ Stoke Ngược lại ánh sáng tán xạ có tần số lớn ánh sáng tới ánh sáng tán xạ gọi ánh sáng phản Stoke trình tán xạ gọi tán xạ phản Stoke Hình 2.9 Giản đồ lượng