Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi

ống thông tin sợi quang TÓM TẮT Tên đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang” LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌ.

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Giới thiệu chương

Trong chương này, đồ án sẽ tập trung giới thiệu tổng quát về hệ thống thông tin sợi quang, chương bao gồm các nội dung chính như sau:

- Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang.

- Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin sợi quang.

- Các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin sợi quang.

- Bộ khuếch đại quang, tập trung về bộ khuếch đại quang EDFA.

Giới thiệu về thông tin sợi quang

Thông tin sợi quang là một hệ thống truyền tin độc đáo, nơi thông tin được chuyển đổi thành ánh sáng và truyền qua sợi quang Tại điểm nhận, ánh sáng này được chuyển đổi trở lại thành thông tin ban đầu Hệ thống này khác biệt so với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian Hình 1.1 minh họa mô hình hệ thống thông tin quang tiêu biểu với trạm trung tâm (CS) và đơn vị kết nối quang ONU.

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang tiêu biểu với trạm trung tâm (CS) và đơn vị kết nối quang ONU

Đặc điểm của hệ thống thông tin sợi quang

1.3.1 Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang

Sợi quang mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong việc truyền dẫn thông tin, bao gồm độ suy hao thấp và băng thông lớn Chúng có khả năng thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không gây ra hiện tượng xuyên âm với các sợi quang lân cận và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu sóng điện từ Nhờ vào những đặc tính này, sợi quang trở thành phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay.

Băng thông quang có dung lượng vượt trội, gấp khoảng 10.000 lần so với băng thông vi ba, với tần số sóng mang ánh sáng đạt khoảng 200 THz, trong khi tần số vi ba chỉ khoảng 20 GHz.

 Thứ hai, độ tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2 dB/km, so với cáp đồng trục 10 - 30 dB/km.

Cáp quang có kích thước nhỏ gọn và nhẹ, với nhiều sợi quang bên trong, như cáp Corning tiêu biểu với 144 sợi quang, giúp tiết kiệm không gian và dễ dàng trong việc lắp đặt.

Sợi quang, được làm từ thủy tinh oxit với SiO2 là thành phần chính, có khả năng chống nhiễu cao Điều này giúp sợi quang không bị ảnh hưởng bởi điện từ trường bên ngoài cũng như các loại nhiễu từ nhà máy điện nguyên tử và sấm sét.

Giá thành sản xuất sợi quang vào thứ năm được giảm thiểu nhờ vào việc sử dụng thạch anh, một nguyên liệu chính có sẵn trong thiên nhiên So với các kim loại khác, nguồn nguyên liệu thạch anh dồi dào hơn, giúp tối ưu hóa chi phí trong quá trình sản xuất.

Vào thứ sáu, khoảng cách truyền dẫn quang đã được mở rộng đáng kể nhờ vào sự kết hợp giữa khả năng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang, sự suy hao thấp của cáp quang và độ nhạy thu cao của máy thu Hiện nay, nhiều hệ thống cáp sợi quang vượt đại dương đã được triển khai, cho phép truyền dẫn khoảng cách lên tới hàng chục ngàn km với dung lượng lên đến hàng ngàn Gb/s.

Vào thứ bảy, các linh kiện thu và phát quang nổi bật với tốc độ cao và hiệu suất lớn, cho phép điều chế tín hiệu nhanh chóng Chúng có kích thước nhỏ gọn và hiệu suất biến đổi quang điện cao, đáp ứng nhu cầu công nghệ hiện đại.

Khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau là một trong những ưu điểm nổi bật của công nghệ sợi quang Thông qua việc cho phép truyền đồng thời nhiều tín hiệu với các bước sóng khác nhau, công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu suất truyền dẫn mà còn tăng cường dung lượng mạng một cách đáng kể.

1.3.2 Nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang quang

Hệ thống thông tin sợi quang có chi phí lắp đặt ban đầu cao, vì vậy chúng thường được sử dụng trong các mạng có khoảng cách lớn và dung lượng cao để tối ưu hóa hiệu quả đầu tư.

Sợi quang được làm từ vật liệu điện môi trong suốt như thủy tinh, điều này khiến việc hàn nối trở nên khó khăn và yêu cầu kỹ năng cao để đảm bảo chất lượng mối hàn.

 Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nên đòi hỏi cần phải chú ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng.

Mặc dù hệ thống thông tin sợi quang vẫn còn một số nhược điểm, nhưng những lợi ích mà nó mang lại là rất lớn Trong lĩnh vực viễn thông, hệ thống này đã trở thành nền tảng cơ bản cho hạ tầng mạng truyền tải, từ mạng quốc tế liên lục địa đến mạng quốc gia và mạng truy cập Sự phát triển nhanh chóng của Internet hiện nay cũng nhờ vào thành công của công nghệ thông tin sợi quang.

Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin sợi quang

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin sợi quang.

Hệ thống thông tin sợi quang hoạt động thông qua quá trình chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang nhờ bộ biến đổi điện-quang (E/O) Tín hiệu quang này được truyền qua sợi dẫn quang và được khuếch đại bởi các bộ khuếch đại EDFA để giảm thiểu suy hao Tại phía thu, tín hiệu quang lại được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua bộ biến đổi quang-điện (O/E).

Phần phát quang bao gồm nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều khiển, với các thành phần như mã hóa, điều khiển và nguồn phát quang Nguồn phát quang sử dụng diode phát quang LED cho hệ thống truyền dẫn ngắn và dung lượng thấp, trong khi Laser Diode được sử dụng cho các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn dài và dung lượng cao.

Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang Các loại sợi được sử dụng là sợi đơn mode hay đa mode

Bộ khuếch đại EDFA là thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang, giúp khắc phục suy hao tín hiệu trên sợi quang theo bước sóng Khi truyền tải thông tin với khoảng cách lớn, suy hao giữa nguồn phát và nguồn thu có thể tăng cao, do đó việc lắp đặt các trạm khuếch đại là cần thiết để bù đắp cho sự suy giảm này EDFA hiện đang được sử dụng rộng rãi để đảm bảo hiệu suất truyền dẫn tối ưu.

Phần thu quang bao gồm các khối tách quang, mạch khuếch đại và điều khiển giải mã Các bộ tách quang phổ biến như Photodiode PIN và diode thác quang APD đều có hiệu suất cao và tốc độ chuyển đổi nhanh.

Hệ thống thông tin sợi quang được phân loại thành hai loại chính: hệ thống dài và hệ thống ngắn, dựa trên khoảng cách truyền dẫn so với tiêu chuẩn 100 km Hệ thống dài thường được sử dụng cho các tuyến đường trục mặt đất lớn, kết nối giữa các thành phố, quốc gia, hoặc cáp biển xuyên đại dương Ngược lại, hệ thống ngắn thường là các tuyến và vòng lặp trong thành phố, với dung lượng thấp hơn và khoảng cách dưới 10 km.

Những nội dung chính của hệ thống thông tin sợi quang

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm[2]:

 Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau Ví dụ :

- Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao.

- Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc.

- Đối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến.

1.5.1 Suy hao trên sợi quang

Suy hao là đặc tính quan trọng của sợi quang, ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống thông tin quang, vì nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang Cơ chế suy hao chủ yếu trên sợi bao gồm suy hao hấp thụ, tán xạ và bức xạ năng lượng ánh sáng Công thức tính suy hao công suất tín hiệu trên sợi quang có chiều dài L sẽ giúp xác định hiệu suất truyền dẫn trong hệ thống.

Công suất quang đầu vào và đầu ra của sợi quang là yếu tố quan trọng, trong khi suy hao tín hiệu trên 1km của sợi quang cũng cần được xem xét Biểu thức suy hao tín hiệu có thể được suy ra từ các thông số này.

 Các loại suy hao trong sợi quang:

- Suy hao tín hiệu do hấp thụ.

- Suy hao do tán xạ Rayleigh.

- Suy hao do uốn cong sợi.

- Suy hao lớp vỏ và lõi.

1.5.2 Tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang

Hình 1.3 Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng được truyền trong sợi.

Hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang xảy ra khi xung ánh sáng bị giãn ra theo thời gian sau khi truyền đi một khoảng cách nhất định Sự giãn nở này khiến tín hiệu bị méo dạng, làm cho các xung ánh sáng chồng chéo lên nhau, dẫn đến việc thiết bị thu không còn phân biệt được các xung kề nhau khi vượt quá một giới hạn nhất định Kết quả là, lỗi bít xuất hiện và dung lượng truyền dẫn của sợi quang bị hạn chế Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu là D, được đo bằng đơn vị giây (s) và xác định theo một công thức cụ thể.

Độ tán sắc của sợi quang được xác định bằng độ rộng xung vào và xung ra, với đơn vị tính là ns/km hoặc ps/km cho mỗi km sợi Đối với tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn quang, đơn vị được sử dụng là ps/nm.km.

Hình 1.4 Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang[1]

Tán sắc mode là hiện tượng xảy ra trong sợi đa mode khi nhiều mode truyền cùng một tín hiệu nhưng với vận tốc khác nhau Điều này không xảy ra trong sợi đơn mode.

Tán sắc vật liệu, hay còn gọi là tán sắc màu, xảy ra khi chỉ số khúc xạ là một hàm của bước sóng trong môi trường tán sắc Điều này dẫn đến việc các bước sóng khác nhau sẽ truyền với vận tốc không đồng nhất, với một số bước sóng di chuyển nhanh hơn những bước sóng khác Do đó, vì không có laser nào có thể phát tín hiệu với một bước sóng chính xác, hiện tượng tán sắc màu thường xảy ra trong hầu hết các hệ thống quang học.

Tán sắc ống dẫn sóng xảy ra khi ánh sáng được truyền qua sợi quang, với phần lớn ánh sáng di chuyển trong lõi sợi và một phần nhỏ trong lớp vỏ Sự khác biệt về chiết suất giữa lõi và vỏ khiến ánh sáng truyền đi với vận tốc khác nhau, dẫn đến hiện tượng tán sắc trong ống dẫn sóng.

Tán sắc mode phân cực xảy ra trong sợi quang đơn mode khi có hai mode sóng điện từ được truyền đồng thời Các mode này là sóng được phân cực tuyến tính và truyền trong các mặt phẳng vuông góc với nhau Hiện tượng này xảy ra khi chỉ số chiết suất của sợi quang không đồng nhất theo phương truyền của hai mode.

Trong các tuyến thông tin quang có cự li và dung lượng lớn, việc tăng công suất quang trên đường truyền là cần thiết để đảm bảo máy thu nhận được tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy theo yêu cầu khi tốc độ bít tăng Tuy nhiên, công suất quang không thể vượt quá giới hạn cho phép do sự xuất hiện của các hiệu ứng phi tuyến quang, có thể gây ra sự xuyên âm giữa các kênh, méo tín hiệu và suy hao công suất quang, từ đó làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang được chia thành hai loại chính: tán xạ cưỡng bức (bao gồm tán xạ kích thích Raman - SRS và tán xạ kích thích Brillouin - SBS) và các hiệu ứng Kerr (như tự điều chế pha - SPM, điều chế pha chéo - XPM, và trộn bốn bước sóng - FWM) Các hiệu ứng tán xạ cưỡng bức phụ thuộc vào cường độ quang, ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại và suy hao, trong khi các hiệu ứng Kerr thay đổi pha của trường quay mà không có ngưỡng công suất Sự khác biệt chính là các hiệu ứng tán xạ kích thích chỉ xuất hiện khi cường độ quang vượt quá ngưỡng nhất định, trong khi các hiệu ứng Kerr không bị giới hạn bởi ngưỡng công suất.

Tổng quan về khuếch đại quang

1.6.1 Giới thiệu về khuếch đại quang

Suy hao của sợi quang là yếu tố hạn chế cự ly truyền của hệ thống thông tin quang Để khắc phục giới hạn này trong các hệ thống truyền dẫn cự ly dài, người ta sử dụng trạm lặp quang điện (Optoelectronic Repeater) Mặc dù trạm lặp quang điện đã được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn một bước sóng, nhưng trong hệ thống truyền dẫn đa bước sóng như WDM, cần nhiều trạm lặp để khuếch đại và tái tạo các kênh quang khác nhau, dẫn đến tăng độ phức tạp và chi phí Để giải quyết nhược điểm của trạm lặp quang điện, các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) được sử dụng, cho phép khuếch đại tín hiệu ánh sáng trực tiếp trong miền quang mà không cần chuyển đổi sang miền điện.

Hình 1.5 Mô hình tổng quan của một bộ khuếch đại quang[3]

Trong bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng diễn ra trong vùng tích cực, nơi các tín hiệu quang được khuếch đại với độ lợi khác nhau tùy thuộc vào năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài Tính chất của các nguồn bơm này phụ thuộc vào loại khuếch đại quang và cấu tạo của vùng tích cực.

Có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA.

 Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn.

Cấu trúc vùng tích cực của Amplifier quang bán dẫn (SOA) tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động dưới mức ngưỡng phát xạ.

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện

 Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier)

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, OFA còn được gọi là

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại.

Tùy thuộc vào loại đất hiếm được sử dụng trong lõi sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ có sự thay đổi Một số loại OFA tiêu biểu bao gồm

 EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm - 1565nm

 PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm

 TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm – 1520nm

 NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm hoặc

Trong các loại khuếch đại quang (OFA), EDFA đang được ưa chuộng nhờ những ưu điểm kỹ thuật vượt trội so với SOA, cùng với vùng ánh sáng khuếch đại lý tưởng từ 1530nm đến 1565nm EDFA hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích Bên cạnh đó, khuếch đại Raman cũng là một lựa chọn phổ biến trong các hệ thống WDM hiện nay.

Trong báo cáo này sẽ chỉ tập trung vào khuếch đại quang sợi EDFA để mô phỏng hệ thống truyền dẫn sợi quang.

1.6.2 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA)

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA[3]

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA bao gồm:

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium (EDF) là thành phần chính trong hệ thống khuếch đại quang EDFA, thường có độ dài từ 50m trở lên, nơi diễn ra quá trình khuếch đại ánh sáng.

Laser bơm (Pumping Laser) là thiết bị cung cấp năng lượng ánh sáng nhằm tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Thiết bị này phát ra ánh sáng với bước sóng 980nm hoặc 1480nm, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng quang học và viễn thông.

Bộ ghép (Coupler) là thiết bị quan trọng trong việc ghép tín hiệu quang, giúp khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vào sợi quang WDM coupler được sử dụng để kết hợp các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm, đảm bảo hiệu suất truyền dẫn tối ưu trong hệ thống quang học.

Bộ cách ly quang (Optical Isolator) là thiết bị quan trọng trong hệ thống quang học, giúp ngăn chặn tín hiệu quang bị khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát Nó cũng bảo vệ các tín hiệu quang trên đường truyền khỏi hiện tượng phản xạ ngược về EDFA, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền dẫn quang.

1.6.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Hình 1.7 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980nm và

Nguyên lý hoạt động của EDFA dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích, cho phép khuếch đại tín hiệu quang thông qua một quy trình gồm nhiều bước.

Khi áp dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion trong vùng nền hấp thụ năng lượng từ các photon, dẫn đến việc chuyển đổi chúng lên trạng thái năng lượng cao hơn trong vùng bơm (Pumping Band).

Tại vùng bơm, các ion phân rã không bức xạ rất nhanh và chuyển xuống vùng giả bền (2).

Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion trong vùng nền hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền.

Các ion trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4).

Sau khoảng 10ms sống, nếu không nhận được kích thích từ các photon có năng lượng phù hợp, các ion sẽ giảm xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và phát xạ photon một cách tự phát.

Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

- Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion ở vùng nền (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao.

Các photon tín hiệu kích thích các ion trong vùng giả bền, dẫn đến hiện tượng phát xạ kích thích Khi các ion này chuyển trạng thái năng lượng từ mức cao xuống mức thấp, chúng phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, phân cực, pha và bước sóng Quá trình này giúp khuếch đại tín hiệu ánh sáng Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép phát xạ kích thích diễn ra trong khoảng bước sóng 1530nm-1565nm, đây cũng là vùng hoạt động của EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng ở các bước sóng lớn hơn 1565nm và đạt 0dB tại bước sóng 1616nm.

Nhiễu trong EDFA

Nhiễu trong bộ khuếch đại là yếu tố giới hạn quan trọng cho hệ thống truyền dẫn, với nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) là loại nhiễu chính Nhiễu này phát sinh từ sự tái hợp của electron và lỗ trống trong đoạn sợi khuếch đại, làm tăng độ rộng phổ nền của photon Nhiễu ASE xuất hiện khi các ion Erbium trong sợi EDF của EDFA phát xạ tự phát khi nhảy từ mức năng lượng cao xuống thấp mà không cần ánh sáng tín hiệu kích thích, tạo ra các photon có hướng và pha ngẫu nhiên Một số photon này được giữ lại trong các mode của sợi quang và được khuếch đại, dẫn đến sự hình thành bức xạ tự phát được khuếch đại ASE.

Tất cả các bộ khuếch đại đều làm giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu được khuếch đại, do sự phát xạ tự phát làm tăng thêm nhiễu trong quá trình khuếch đại Nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) dẫn đến sự suy giảm SNR, và mức độ suy giảm này được xác định thông qua tham số gọi là hệ số nhiễu khuếch đại (amplifier noise figure) Hệ số nhiễu là tỉ số giữa SNR đầu vào và SNR đầu ra của bộ khuếch đại.

Xét một bộ khuếch đại với độ lợi G, công suất đầu vào và đầu ra có mối quan hệ rõ ràng Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của tín hiệu đầu vào được xác định bằng một biểu thức cụ thể.

(1.8) Trong đó: : dòng quang trung bình.

Hệ số chuyển đổi quang điện (η) là tỷ lệ giữa năng lượng của một photon (hv) và hằng số Planck (h), liên quan đến tần số sóng mang của tín hiệu được khuếch đại.

Và nhiễu bắn (shot noise):

(1.9) Với: : dòng photon trung bình được tạo ra từ luồng ánh sáng đến

: dòng tối (dark current) q: điện tích của điện tử

: băng thông điện của máy thu Đặt , suy ra nhiễu bắn bằng:

Để đánh giá tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu khuếch đại, cần xem xét sự đóng góp của nhiễu phát sinh tự động (ASE) vào nhiễu tại máy thu Mật độ phổ công suất của nhiễu ASE, được gọi là nhiễu trắng, có thể được biểu diễn một cách cụ thể.

(1.11) Trong đó: là hệ số phát xạ tự phát

: Độ lợi của bộ khuếch đại là hệ số phát xạ tự phát hoặc gọi là hệ số nghịch đảo mật độ tích lũy và được xác định:

Nồng độ ion Erbium được xác định ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích, ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại Tỷ lệ này được tính toán thông qua một công thức cụ thể.

(1.13) Với là phương sai của dòng quang:

(1.14) Suy ra SNR đầu ra của bộ khuếch đại bằng:

Từ hai công thức SNR đầu vào (1.8) và SNR đầu ra (1.15) của bộ khuếch đại ta tính được hệ số nhiễu của bộ khuếch đại quang bằng:

Khi hệ số khuếch đại G lớn, bộ khuếch đại lý tưởng sẽ có SNR giảm xuống 2 lần, tương đương với 3 dB Việc sử dụng bộ thu lý tưởng kết hợp với bộ khuếch đại lý tưởng dẫn đến SNR đầu vào bị giảm khoảng 4 lần, tương đương với 6-8 dB Trong thực tế, bộ EDFA có SNR khoảng 2 và hơn nữa.

Vậy mật độ phổ công suất của nhiễu ASE được biểu diễn:

Trong đó là công suất nhiễu ASE ứng với băng thông quang

Kết luận chương

Chương này tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang, trình bày nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm trong việc truyền dẫn tín hiệu toàn cầu Nó cũng đề cập đến các hiệu ứng suy hao, tán sắc và phi tuyến, cùng tác động của chúng đến chất lượng tín hiệu Chương 1 đưa ra giải pháp hạn chế ảnh hưởng của các hiệu ứng này và nhấn mạnh tầm quan trọng của bộ khuếch đại quang, đặc biệt là khuếch đại EDFA, để nâng cao cự ly truyền dẫn Với những lợi ích vượt trội, việc áp dụng hệ thống sợi quang trong đời sống là điều tất yếu.

TRUYỀN SÓNG TRONG SỢI QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI FOURIER TÁCH BƯỚC

Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày phương trình Schrödinger dùng để mô tả trường điện từ của sóng ánh sáng lan truyền trong sợi quang Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ giới thiệu phương pháp biến đổi Fourier tách bước (Split-Step Fourier Method - SSFM) nhằm giải quyết phương trình này.

Schrödinger đã nghiên cứu sự lan truyền ánh sáng qua sợi quang bằng phương pháp biến đổi Fourier tách bước, sử dụng chương trình mô phỏng Matlab Chương này sẽ trình bày các kết quả và phân tích liên quan đến hiện tượng này.

- Các phương trình Maxwell và phương trình truyền sóng trong sợi quang.

- Phương pháp biến đổi Fourier tách bước.

- Giới thiệu về bộ tạo xung cosine nâng và bộ điều chế M-QAM.

Mô phỏng sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (SSMF) kết hợp với bộ tạo xung cosine nâng (RRC-Root Raised Cosine) và bộ điều chế biên độ trực giao M-QAM giúp khảo sát chất lượng truyền dẫn quang Nghiên cứu này sử dụng bộ khuếch đại EDFA để cải thiện hiệu suất truyền tín hiệu trên đường truyền quang.

Các phương trình Maxwell

Để nắm bắt bản chất của chế độ truyền ánh sáng và các đặc tính dẫn truyền trong sợi quang, đặc biệt là trong sợi đơn mode, cần áp dụng lý thuyết truyền sóng thông qua hệ phương trình Maxwell.

Sự lan truyền sóng ánh sáng trong sợi quang tuân theo các phương trình Maxwell, đặc biệt trong môi trường điện môi không có điện tích tự do Hệ phương trình này mô tả cách sóng ánh sáng di chuyển và tương tác trong sợi quang.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các vectơ trường điện và từ, bao gồm vectơ cảm ứng điện và cảm ứng từ Bên cạnh đó, vectơ mật độ dòng điện và mật độ điện tích đóng vai trò đại diện cho các nguồn trường điện từ Đặc biệt, trong môi trường không có điện tích tự do, như trong sợi quang, các vectơ này sẽ bằng 0.

Các đại lượng và liên hệ với các vectơ và theo biểu thức sau:

Hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường ảnh hưởng đến phân cực điện và từ Đối với sợi quang, hằng số điện môi bằng 0 do bản chất của thủy tinh không nhiễm từ Vectơ phân cực điện trong điều kiện tuyến tính có mối liên hệ với các yếu tố khác.

Hệ số cảm ứng điện P(r,t) = (2.7) cho phép sử dụng đại lượng điện trường để đơn giản hóa các biến đổi Bằng cách lấy rot phương trình (2.1) và áp dụng các phương trình (2.2), (2.5), (2.6), ta có thể tính toán được phương trình liên quan đến tốc độ ánh sáng trong chân không, ký hiệu là c.

(2.8) Lấy khai triển fourier E(r,t) qua hệ thức

(2.9) Cũng tương tự đối với P(r,t) và sử dung phương trình (2.7), (2.8) có thể viết được trong miền tần số như sau

(2.10) Trong đó hằng số điện môi phụ thuộc tần số được định nghĩa như sau:

Khai triển Fourier của một hàm phức có thể được biểu diễn qua các thành phần thực và ảo, liên hệ chặt chẽ với chiết suất n và hệ số hấp thụ.

Sử dụng các phương trình (2.10), (2.11), n và liên hệ với như sau :

Trong bài viết này, Re và Im đại diện cho phần thực và phần ảo tương ứng, với cả hai đại lượng n và phụ thuộc vào tần số Sự phụ thuộc này liên quan đến hiệu ứng tán sắc vật liệu trong sợi quang Để đơn giản hóa việc giải phương trình (2.10), ta có thể áp dụng công thức gần đúng, trong đó phần thực có thể được thay thế bằng giá trị do suy hao nhỏ trong sợi quang thủy tinh Hơn nữa, vì n(r) độc lập với tọa độ không gian r ở cả lõi và vỏ trong sợi SI, chúng ta có thể sử dụng đẳng thức phù hợp.

Phương trình (2.15) và hệ thức được áp dụng để đặt bằng 0, cho thấy rằng phương trình này vẫn có thể đúng cho các sợi GI khi sự biến đổi chiết suất diễn ra ở cỡ độ dài lớn hơn bước sóng Sử dụng các phương trình (2.15) và (2.10) sẽ mang lại những kết quả quan trọng trong nghiên cứu này.

(2.16) Trong đó hệ số sóng không gian tự do được định nghĩa như sau:

(2.17) λ là bước sóng của trường quang trong chân không dao động tại tần số

Phương trình truyền sóng trong sợi quang

Từ phương trình (2.16) bằng phương pháp tách biến ta được[5]:

Với là thành phần biên độ biến đổi chậm của xung và là số bước sóng Từ phương trình (2.16) ta có hai phương trình sau và

Phương trình truyền sóng trong sợi quang ta chỉ quan tâm đến thành phần biên độ biến đổi chậm của xung trong phương trình (2.19) xấp xỉ bằng:

Có giá trị như sau :

Qua đó ta được phương trình truyền xung như sau :

Chúng ta áp dụng phương trình (2.23) và nhận thấy rằng các ý nghĩa vật lý của phương trình (2.24) rất rõ ràng Mỗi thành phần quang phổ trong xung thu được khi truyền qua sợi quang đều có sự dịch pha cường độ phụ thuộc vào cả tần số và cường độ Để quay lại miền thời gian, có thể sử dụng biến đổi Fourier của phương trình (2.24) nhằm thu được phương trình lan truyền cho A(z, t) Tuy nhiên, do độ chính xác thấp, thường chỉ mở rộng trong chuỗi Taylor về tần số sóng mang.

Các phương trình bậc ba và bậc cao hơn trong chuỗi này thường không quan trọng nếu độ rộng phổ không đáng kể Để tiếp tục, hãy thay thế phương trình (2.25) vào phương trình (2.24) và thực hiện nghịch đảo biến đổi Fourier.

(2.26) Trong biến đổi Fourier, được thay thế bằng i Phương trình kết quả cho A (z; t) trở thành:

(2.27) bao gồm ảnh hưởng của suy hao và phi tuyến Bằng cách sử dụng phương trình

(2.28) Trong đó tham số phi tuyến được xác định bởi công thức:

Khi áp dụng phương trình (2.28), biên độ xung A được chuẩn hóa để đại diện cho công suất quang, với số lượng được đo bằng đơn vị cụ thể Tham số này được gọi là diện tích hiệu dụng của vùng lõi sợi và được xác định dựa trên các yếu tố liên quan.

(2.30) Lưu ý rằng tán sắc bậc ba rất nhỏ được bỏ qua Sử dụng khung tham chiếu chuyển động với xung ở vận tốc nhóm z/ (2.31)

Phương trỡnh (2.28) được viết thành phương trỡnh phi tuyến Schrửdinger

Tóm lại: Với phương trình truyền sóng trong sợi quang có các thông số là:

A = A(z,t): là đường bao xung thay đổi chậm của điện trường z/ ( t là thời gian vật lý, là vận tốc nhóm)

: là hệ số suy hao (dB/km)

: là tham số tán sắc vận tốc nhóm()

Hệ số phi tuyến () là yếu tố quan trọng trong việc diễn giải truyền sóng trong sợi quang Để làm điều này, chúng ta áp dụng phương trình Maxwell Tuy nhiên, việc giải phương trình Maxwell một cách lý thuyết gặp nhiều khó khăn Do đó, phương pháp biến đổi Fourier tách bước được sử dụng để mô tả chính xác quá trình truyền sóng trong sợi quang.

Phương pháp biến đổi Fourier tách bước

Để hiểu sâu hơn về phương pháp Fourier tách bước, phương trình (2.32) chính thức ở dạng[5] :

Toán tử vi phân mô tả sự tán sắc và suy hao trong môi trường tuyến tính, trong khi toán tử phi tuyến điều chỉnh ảnh hưởng của sợi phi tuyến lên quá trình lan truyền xung Các toán tử này được xác định thông qua một công thức cụ thể.

Sự tán sắc và phi tuyến hoạt động đồng thời dọc theo chiều dài của sợi quang Phương pháp biến đổi Fourier tách bước cung cấp giải pháp gần đúng bằng cách giả định rằng trong quá trình truyền quang qua khoảng cách nhỏ h, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến có thể xem như độc lập Cụ thể, quá trình truyền từ z đến z+h diễn ra qua hai bước: đầu tiên, phi tuyến tính hoạt động một mình theo biểu thức (2.33), sau đó, tán sắc hoạt động độc lập trong biểu thức (2.33).

Có thể đánh giá toán tử toán tử mũ (h) trong miền Fourier theo quy tắc như sau: exp( (2.37)

Biểu thị hoạt động biến đổi Fourier được thực hiện bằng cách thay thế toán tử vi phân ∂ /∂T bằng iω, với ω là tần số trong miền Fourier Việc đánh giá phương trình (2.37) trở nên đơn giản vì chỉ là một số trong không gian Fourier Sử dụng thuật toán FFT giúp đánh giá phương trình số (2.38) một cách nhanh chóng, khiến phương pháp biến đổi Fourier tách bước trở nên nhanh hơn so với hầu hết các sơ đồ sai phân hữu hạn Để ước tính độ chính xác của phương pháp biến đổi, cần xem xét các yếu tố liên quan.

Fourier bước tách ,phương trình (2.33) được đưa ra như sau :

Phương pháp biến đổi Fourier tách bước chia đối xứng cho mô phỏng số có thể được cải thiện độ chính xác bằng cách áp dụng quy trình khác nhau để truyền xung quang qua đoạn từ z đến z+h Điều này được thể hiện qua việc thay thế phương trình (2.36) bằng một phương trình mới.

Và nếu h đủ nhỏ thì biểu thức trên được xấp xỉ:

Phương pháp này chia thành hai phần tuyến tính ở hai bên và phần phi tuyến ở giữa, với phần tuyến tính đầu tiên phân tích tác động trong miền tần số tại đoạn z+ Sau đó, tác động của yếu tố phi tuyến được xem xét trong miền thời gian trên toàn đoạn Cuối cùng, xung quang được truyền qua đoạn còn lại, chỉ chịu ảnh hưởng của phần tuyến tính trong miền tần số Tín hiệu quang đầu ra sẽ trở thành tín hiệu vào cho đoạn tiếp theo, và việc chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số được thực hiện bằng biến đổi Fourier Các biểu thức sẽ được tính toán theo các bước từ (2.34) và (2.35) vào (2.40).

Bước tuyến tính đầu tiên:

(2.41) Bước phi tuyến tiếp theo:

(2.42) Bước tuyến tính thứ hai:

(2.43) Trong đó, F và F -1 là phép biến đổi Fourier thuận và ngược.

Trong mô phỏng đề tài, các công thức trên được sử dụng để mô tả sự lan truyền sóng trong sợi quang và được viết trong phần mềm Matlab.

2.5 Mô phỏng truyền sóng trong sợi quang dùng phương pháp biến đổi Fourier tách bước

2.5.1 Tiêu chuẩn Nyquist cho truyền tin băng cơ sở và đáp ứng xung Cosine nâng

Trong quá trình truyền dữ liệu qua các kênh thực tế, hiện tượng nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) xảy ra khi các ký hiệu chồng lấn lên nhau, gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Để giảm thiểu ISI, cần tính toán thời gian lấy mẫu một cách chính xác, nhằm đảm bảo rằng năng lượng phổ của các xung bên cạnh không làm ảnh hưởng đến giá trị của xung đang được lấy mẫu Một giải pháp hiệu quả để hạn chế dải thông tín hiệu và giảm nhiễu ISI là sử dụng bộ lọc RC (Raised-cosine filter), được thiết kế theo tiêu chuẩn Nyquist với đáp ứng xung dạng cosine nâng, giúp xấp xỉ đặc tuyến dạng mong muốn Băng thông của Nyquist W được định nghĩa rõ ràng trong việc tối ưu hóa quá trình truyền tín hiệu.

Đặc trưng biên độ - tần số H(f) của bộ lọc RC phụ thuộc vào hai tham số chính: chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu (T) và hệ số uốn cong (roll-off factor) Các tham số này xác định khoảng vượt quá băng thông của bộ lọc (BW), so với giải thông chiếm giữ Nyquist, với hệ số nằm trong dải từ 0 đến 1.

(2.45) (2.46) Biến đổi Fourier ngược của H(f), chúng ta nhận được đáp ứng xung của bộ lọc RC

Hình 2.2 Đặc tuyến biên độ - tần số của bộ lọc RC[6]

Đáp ứng xung của bộ lọc RC bao gồm hai thành phần chính: thành phần đầu tiên đảm bảo rằng bộ lọc có các cực không tại những thời điểm bội lần chu kỳ lấy mẫu, giúp dễ dàng trích mẫu thông tin theo thời gian Thành phần thứ hai là hàm cosine, được sử dụng để hiệu chỉnh cho thành phần đầu tiên nhằm cải thiện đặc tuyến tần số của bộ lọc Khi chọn giá trị nhỏ hơn, đặc tuyến biên độ - tần số của bộ lọc sẽ tiến gần hơn đến hình vuông, trong khi đáp ứng xung trở nên dao động mạnh hơn và kéo dài hơn.

Trong hệ thống thông tin quang, nhiễu trắng ảnh hưởng đến hiệu suất, do đó cần sử dụng bộ lọc phối hợp để giảm thiểu nhiễu ISI Để đạt được điều này, đáp ứng xung phối hợp của hai bộ lọc (một ở phía phát và một ở phía thu) phải thỏa mãn đáp ứng của bộ lọc RC.

(2.48) Để thỏa mãn điều kiện phối hợp, đáp ứng của hai bộ lọc này là giống nhau:

Hình 2.4 Đáp ứng xung của bộ lọc RRC[6]

Bộ lọc RC có thể được phân tách thành hai bộ lọc có đặc trưng biên độ - tần số giống nhau, với giá trị bằng căn bậc hai của bộ lọc gốc Loại bộ lọc này được gọi là bộ lọc RRC (Root-Raised-Cosine).

2.5.2 Điều chế M-QAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation) Điều chế M-QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha Tên gọi điều chế biên độ trực giao hay cầu phương xuất phát từ thực tế là tín hiệu M-QAM được tạo ra bằng cách cộng các tín hiệu điều chế biên độ mức có các sóng mang trực giao (vuông góc) với nhau.

Quá trình điều chế M-QAM bắt đầu bằng việc chia dòng m bít đã mã hóa thành hai tín hiệu I (đồng pha) và Q (lệch pha), mỗi tín hiệu mang m/2 bít tương ứng với trạng thái Các bậc tín hiệu I và Q được thể hiện qua giản đồ chòm sao, giúp quan sát trực quan chất lượng và sự méo của tín hiệu Sau khi chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (DAC), hai tín hiệu I và Q được đưa qua bộ điều chế, tạo ra các chùm điểm trong chòm sao Giản đồ chòm sao biểu diễn biên độ và pha của sóng mang đã được ánh xạ trong mặt phẳng phức, cho thấy rõ ràng quá trình điều chế M-QAM là phương pháp điều chế tín hiệu hai chiều, trong đó biên độ của hai sóng mang trực giao được thay đổi để mang thông tin.

STT Loại điều chế Số bit/I(Q) Số bit/ký hiệu Số trạng thái

Bảng 2.1 Phân loại các loại điều chế QAM

Điều chế QAM mang lại lợi ích lớn bằng cách tăng dung lượng bít của kênh truyền mà không làm tăng dải thông của nó Chính vì vậy, QAM là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.

 Nhược điểm: khi cùng công suất phát nếu tăng mức điều chế có thể tăng thêm lỗi.

2.5.3 Kỹ thuật bù tán sắc trong miền điện (Electrical Dispersion Compensation - EDC)

Kỹ thuật bù tán sắc trong miền điện được áp dụng để xử lý các biến dạng tuyến tính trong miền quang, như sự tán sắc màu, thông qua việc phát hiện trực tiếp tại máy thu Quá trình chuyển đổi quang điện dẫn đến các biến dạng phi tuyến, do đó, khái niệm loại bỏ phi tuyến và mô hình kênh phi tuyến được triển khai Tuy nhiên, EDC làm chậm tốc độ truyền thông do làm chậm quá trình chuyển đổi từ kỹ thuật số sang tương tự.

Dựa trên mô hình Gaussian-noise (GN) và mở rộng của nó, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) trong hệ thống thông tin truyền dẫn bằng sợi quang có bộ khuếch đại EDFA lý tưởng và bù tán sắc trong miền điện hoàn toàn (EDC) có thể được ước tính.

Kết quả mô phỏng và nhận xét

2.7.1 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống truyền dẫn thông tin quang

Quá trình giãn nở xung gây ra méo dạng tuyến tính do tán sắc ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, được mô phỏng qua hình 2.8 và 2.9 Tín hiệu sợi quang 25 Gbaud 16 QAM được truyền qua hai loại sợi: sợi tán sắc dich chuyển không về 0 và sợi đơn mode tiêu SSFM Chiều dài đường truyền là 8km, sau đó có bộ khuếch đại EDFA Do khoảng cách truyền ngắn, nhiễu tự phát ASE và hiệu ứng phi tuyến không đáng kể sẽ được đề cập trong các phần sau với khoảng cách truyền dài lớn.

Hình 2.7 Giản đồ chòm sao tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM khi truyền qua 8km sợi quang NZ-DFS chưa có kỹ thuật bù

Hình 2.8 Giản đồ chòm sao tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM khi truyền qua 8km sợi quang

SSFM chưa có kỹ thuật bù

Hình 2.9 Giản đồ mắt tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM khi truyền qua 8km sợi quang SSFM chưa có kỹ thuật bù

Hình 2.8 minh họa chòm sao tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM khi truyền qua 8 km sợi quang NZ DSF với công suất phát 0 dBm và chưa áp dụng kỹ thuật bù Kết quả cho thấy, với sợi quang có hệ số tán sắc thấp, méo do tán sắc trong khoảng truyền ngắn là không đáng kể, với EVM đạt 2.8% Ngược lại, khi sử dụng sợi quang đơn mode tiêu chuẩn, cùng tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM và khoảng cách truyền tương tự, hệ số tán sắc lớn gây ra hiện tượng méo, làm giãn nở phổ tín hiệu và tạo ra nhiễu giữa các ký tự ISI.

Sự giãn nỡ các xung ở phía thu được thể hiện qua giản đồ mắt, cho thấy con mắt bị thu hẹp khi độ giãn nỡ xung lớn, với EVM đạt 16.1% Khi khoảng cách truyền hoặc băng thông tăng, thành phần tuyến tính sẽ cộng dồn, làm trầm trọng thêm sự giãn nở xung và dẫn đến trạng thái đóng của con mắt, khiến tín hiệu không được khôi phục chính xác Méo do tán sắc gây ra là dạng méo tuyến tính với các điểm trên chòm sao phân bố đều Để truyền xa hiệu quả, cần áp dụng các kỹ thuật bù tán sắc, trong đó kỹ thuật bù tán sắc số ở phía thu EDC giúp co lại xung đã bị giãn nở do tán sắc trong quá trình truyền dẫn.

2.7.2 Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống truyền

Trong quá trình vận hành hệ thống, sợi quang thường bị lão hóa, dẫn đến sự gia tăng thông số suy hao, có thể lên đến hoặc vượt quá mức tiêu chuẩn ở một số tuyến Đây là yếu tố quan trọng cần xem xét khi vận hành các tuyến đường trục dài Hệ thống mô phỏng truyền dẫn thông tin có chiều dài 800 km, với thông số suy hao của sợi quang đơn mode lần lượt là và Mỗi 80 km, một bộ khuếch đại EDFA được lắp đặt, tổng cộng có 10 bộ khuếch đại EDFA, với độ suy hao tương ứng là 16 dB.

Tín hiệu được khuếch đại bởi các bộ khuếch đại EDFA với mức tăng 20 dB và 24 dB, cùng với hệ số nhiễu tín hiệu là 6 dB Ở phía thu, kỹ thuật bù tắn sắc số được áp dụng để cải thiện chất lượng tín hiệu.

Hình 2.10 SNR là hàm của công suất phát khi truyền 25 Gbaud 16QAM qua 800 km sợi quang đơn mode với suy hao 0.2 dB/km, 0.25 dB/km và 0.3 dB/km.

Hình 2.11 EVM là hàm của công suất phát khi truyền 25 Gbaud 16QAM qua 800 km sợi quang đơn mode với suy hao 0.2 dB/km, 0.25 dB/km và 0.3 dB/km.

Hình 2.10 và hình 2.11 mô tả tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR (dB) và

Trong nghiên cứu 16QAM với chiều dài tuyến 800 km qua ba sợi quang có độ suy hao khác nhau, kết quả cho thấy SNR giảm đáng kể khi suy hao sợi tăng lên Khoảng cách giữa hai điểm cực đại đạt 2.2 dB và 4.4 dB khi suy hao sợi tăng lên Điều này được giải thích qua phương trình (1.17), khi độ suy hao lớn, khuếch đại của bộ EDFA cũng phải tăng theo, dẫn đến công suất nhiễu tự phát trong các bộ EDFA tăng lên Kết quả là công suất nhiễu cộng dồn trong quá trình truyền gia tăng, làm giảm tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu một cách mạnh mẽ.

2.8 Ảnh hưởng của hiện tượng phi tuyến đến hệ thống truyền

Hình 2.12 SNR là hàm của công suất phát khi truyền 25 Gbaud và 50 Gbaud

Hình 2.12 cho thấy mối quan hệ giữa SNR (dB) và công suất phát khi truyền tín hiệu quang 25 Gbaud và 50 Gbaud 16QAM qua sợi quang đơn mode tiêu chuẩn Khi công suất phát tăng, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu cũng tăng theo, nhưng nếu tiếp tục tăng mạnh, SNR sẽ giảm do hiện tượng phi tuyến trong sợi quang, đặc biệt là hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM Giá trị cực đại của SNR, được gọi là đỉnh phi tuyến, cho thấy rằng khi dung lượng kênh truyền tăng, quá trình phi tuyến diễn ra nhanh hơn và đỉnh phi tuyến có giá trị nhỏ hơn, với khoảng cách giữa các đỉnh phi tuyến là 0.92 dB khi chuyển từ 25 Gbaud sang 50 Gbaud Hiện tượng phi tuyến này làm giảm chất lượng hệ thống khi tăng chiều dài tuyến và dung lượng kênh truyền, do đó, các kỹ thuật bù méo phi tuyến tiên tiến sẽ được áp dụng để tăng giới hạn khoảng cách truyền dẫn trong chương tiếp theo.

Kết luận chương

Chương này đã cung cấp cái nhìn tổng quan về phương trình truyền sóng trong sợi quang thông qua phương pháp biến đổi Fourier tách bước, cùng với việc hiểu rõ về bộ tạo xung cosine nâng và bộ điều chế M-QAM Qua mô phỏng, chúng em nhận thấy rằng tán sắc là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang ở cự li ngắn và băng thông nhỏ, trong khi suy hao và phi tuyến không đáng kể Tuy nhiên, với cự li dài và băng thông lớn, khi đã áp dụng kỹ thuật bù tán sắc, suy hao và phi tuyến trở nên quan trọng hơn, đặc biệt là nhiễu tự phát từ các bộ khuếch đại EDFA làm giảm chất lượng tín hiệu Việc lựa chọn thông số suy hao của sợi quang cũng rất quan trọng Ngoài ra, khi tăng công suất phát, phi tuyến, đặc biệt là hiện tượng trộn bốn bước sóng, cũng ảnh hưởng mạnh đến chất lượng tín hiệu Do đó, kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP sẽ được nghiên cứu trong chương tiếp theo nhằm nâng cao khoảng cách truyền dẫn và băng thông của hệ thống thông tin sợi quang.

KỸ THUẬT LAN TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN SỐ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT LAN TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN SỐ