BÁO cáo môn học sáng chế optical fibers for single mode and few sáng chế optical fibers for single mode and few mode VCSEL based optical fiber transmission systems

  ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BỘ MÔN VIỄN THÔNG MẠNG     o0o - BÁO CÁO MÔN HỌC Sáng chế: Optical fibers for single mode and few mode VCSEL-based optical fiber transmission systems Môn học: Truyền thông quang Giáo viên hướng dẫn: Ths Ngơ Đắc Thuần  Nhóm thực hiện: Nhóm Năm học 2022-2023   DANH SÁCH THÀNH VIÊN STT Họ tên MSSV Nguyễn Thanh Trung 19200539 Nguyễn Anh Khánh 17200125 Lương Thanh Tùng 18200280 Nguyễn Thị Lan Anh 19200237 Trần Ngọc Ánh 19200242 Nguyễn Gia Bảo 19200247   I Bối cảnh sáng chế Sợi đơn mode ưa dùng trung tâm liệu lớn có băng thông nhiều sợi multimode, multimode, cung cấp tốc độ truyền cao xa Tuy nhiên trung tâm sử dụng đường truyền tương đối ngắn 1-100m nên việc dùng sợi MM với MM VCSEL transceiver có phần hợp lý giải pháp cho phép chi phí công suất tiêu thụ thấp  Nhưng thực tế SM dùng cho đường truyền dài hay ngắn dễ quản lý Ngày SM FM VCSEL cho hiệu suất hệ thống tốt, chi phí … MM VCSEL II Giới thiệu chung Tên sáng chế: Optical fibers for single mode and few mode VCSEL-based optical fiber transmission systems Số sáng chế: US11099321 Chủ sở hữu: CORNING INCORPORATED , Corning , NY ( US )  Nhà sáng chế: Xin Chen , Painted Post , NY ( US ) ; Ming - Jun Li , Horseheads Horseheads , NY ( US )  Ngày nộp sáng chế: 20/1/ 2020  Ngày cấp c ấp sáng chế: 24/08/2021   Sáng chế nói sợi quang truyền dẫn quang đơn mode few mode hệ thống truyền dẫn quang tảng VCSEL Sợi quang có bước sóng cắt lớn 1260nm hoạt động đơn mode bước sóng dải  bước sóng lớn 1260nm few mode hoạt động bước sóng ở   bước sóng thứ t hai khoảng 840nm-1060nm Mode - Field Diameter (MFD) khoảng 8.6-11μm bước sóng 1550nm khoảng 8-10.1μm ở   bước sóng 1310nm Các phương pháp hệ thống truyền thông quang dựa VCSEL sử dụng sợi đơn lõi đa lõi III Yêu cầu bảo hộ Claim 8: Sợi SM tương thích với sợi SM tiêu chuẩn sử dụng truyền dẫn đường dài Để chế tạo sợi SM, người ta dùng kĩ thuật vẽ tiêu chuẩn có chi phí chế tạo Claim : An optical fiber for short - length data transmission systems , comprising : lõi xếp dọc theo đường trung tâm AC có số khuất xạ tương đối định định nghĩa tham số α khoả khoảng ng ≤ α ≤ với số chiết suất tối đa đa nằm trong khoảng 0.3% 0.3% ≤ ∆_1max ∆_1max ≤ 0.5% một bán kính r1 r1 khoảng 5μm ≤ r_1 ≤ 10μm Một vùng lớp phủ bên bao quanh lõi có số khúc xạ tương đối ∆_2 trong khoảng từ -0.5% ≤ ∆_2 ≤ 0%, thể tíc tíchh rãnh (trench) (trench) V trong khoảng 15% μm2 μm2 ≤ |V| ≤ 75 75% % μm2 vvàà có bán bán kính rr22 khoảng khoảng μm ≤ r2 ≤ 25 μm Một vùng phủ bên bao quanh vùng phủ bên có số khúc xạ tương tươ ng đối ∆_ ∆_4≥ 4≥∆_2 ∆_2 tron trongg khoả khoảng ng 0% ≤ ∆_4 ∆_4 ≤ 0.2% 0.2% có bán bán kính r4 tron trongg khoảng kho ảng từ từ 40 μm ≤ r_4 ≤ 100 μm μm Các sợi quang có điểm cut_off wavelength ( điểm mà sợi quang trở  thành đơn mode) :    Wavelength lớn 1260 nm đơn mode    Wavelength từ 840 nm - 1060 nm few mode Mode - Field Diamete Diameterr (MFD (MFD)) khoảng từ 8.6 μm μm ≤ MFD ≤ 11 μm tại 1550 nm nm Overfilled Overfilled Bandwidth Bandwidth ((OFL OFL BW) trong khoảng khoảng từ GHz.km GHz.km ≤ OFL BW ≤ 50 GHz km một bước sóng trong dải bước sóng thứ hai hai Claim 15: Hệ thống truyền dẫn liệu sợi quang bao gồm: Sợi quang có đầu vào đầu với độ dài sợi  →  sợi quang có băng thông cao * Ưu điểm graded index profile design giúp chuyển đổi dần chiết suất tương đối  ∆  từ lõi sang lớp phủ => Giảm thiểu suy hao    Figure 2: Relative refractive index profiles sợi đơn lõi Sợi 6S có cấu hình vật lý ( relative refractive index profile) FIG 3A mơ tả cấu mơ hình cấu hình vật lý sợi quang 6S hình vẽ cho thấy mối quan hệ relative refractive index denta r với radial coordinate r Sợi 6S SM cho bước sóng lớn 1260nm để giảm suy hao uốn cong (Bending Loss) Đơn lõi (Single core) 6C cấu hình để có few mode có băng thơng cao cho khoảng cách truyền ngắn khoản khoảngg bước sóng 800nm-1100nm Sợi 6S bao gồm miền lõi thủy tinh 10 , bên đường tâm (Centerline)  tốii AC ,và có khoảng bán kính r1 triết suất phản xả tương đối  ∆1  với giá trị  ∆1  tố da đường tâm AC (r=0) Lõi 10 có chiết suất biến đổi , hệ số alpha đoạn từ tới Lõi 10 bao quang lớp bọc thủy tinh mà khoảng bán kính từ r1 tới lớp bọc  bên ngồi r4 Theo hình 3A lớp bọc 50 bao gồm lớp bọc bên 20 gần lõi có khoảng khoảng bán kính từ r1 tới r2 có chiết suất phản xạ tương đối   ∆2   ≤ ∆1 ; lớp bọc trung gian (còn gọi lớp trench) liền kề với lớp bọc bên , khoảng bán kính r2 tới r3 chiết suất phản xạ tương đối  ∆   ≤ ∆2   Lớp bọc bên liền kế lớp trung gian , khoảng bán kính r3 tới t ới r4 hệ số ∆3  ≤ ∆4 Cách xem hình tương tự cho hình 3B 3C Tuy nhiên để đạt băng thơng cao bước sóng 850nm với refractive index profile tương đương hình 3A, 3B, 3C yêu thơng số khác cho mơ hình    Figure 3: Hình chiếu mặt bên sợi quang đa lõi tăng cường hiệu suất  quang học cho việc giao tiếp liệu khoảng cách ngắn tận dụng công  nghệ VCSELs Multicore 6M thường bao gồm : Trục trung tâm ACM nhiều cấu trúc lõi 10M nhúng Cladding matrix (40M) Mỗi cấu trúc lõi (10M) phải có : Ít có lõi (10) Vùng phủ bên (20) Lớp phủ trung gian (30) => Để kết nối với sợi quang đơn lõi Lớp ma trận phủ bên (Outer Cladding matrix) (40M) : Được xem lớp phủ bên phổ biến cho cấu trúc lõi (10M) Sợi đa lõi 6M tập hợp sợi đơn lõi 6S mà có chung lớp  phủ bên (40) Sợi đa lõi 6M trường hợp bao gồm lớp phủ  bảo vệ non-glass non-glas s bên Cladding matrix (40M) Mỗi cấu trúc đa lõi (10 Multicore) hỗ trợ: + Single Mode Mode bước sóng tro ng khoảng 1310nm 1310nm - 1550nm 1260nm + Few Mode Mode bước bước sóng 850nm 850nm    Figure 4: Mặt cắt ngang ví dụ cách cấu hình sợi quang đa lõi Tận dụng SDM (Space - division multiplexer) : Tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn giữ nguyên Sử dụng tuyến truyền ngắn để không cần  bộ lặp, b ộ khuếch đại FIG 5A : Có lõi xếp thành hình vng cách trục trung tâm ACM FIG 5B : Có lõi xếp theo dạng tuyến tính 2x4 ( hàng hàng lõi) FIG 5C : Có lõi, với lõi xếp hình lục giác lõi thứ xếp ở  trục trung tâm ACM FIG 5D : Có 12 lõi xếp dạng hình trịn xung quanh trục trung tâm ACM Khoảng cách các lõi nhỏ (S) nằm khoảng từ 20 μm - 45 μm để tránh tượng nhiễu xuyên âm lõi với Nên chọn S cho nhiễu xuyên âm: Tốt : nhỏ -30 dB/km Tốt : nhỏ -35 dB/km Tốt : nhỏ -40 dB/km  Nhiễu xuyên âm phụ thuộc t huộc vào: thiết kế lõi, khoảng cách lõi liền kề    Figure 5: Hệ thống kéo sợi quang single mode multi- mode Chú thích : SP ( single Preform), MP ( Muti preform ) , 10P (10 preform) - Sợi quang Single Mode 6.A với sợi quang 6.B chế tạo hệ thống 100 kĩ thuật mơ tả hình - Hệ thống 100 bao gồm: + Giá đỡ phơi 116 + lị nung chảy thuỷ tinh 102 (nhiệt độ nung chảy thuỷ tinh trường hợp 1800 -1900 đôc C) + Các cảm cảm biến đo 104A 104B 104B để kiểm sốt kí kích ch thước thước sợi kéo 6S 6M khỏi lị nung + Sau qua kéo sợi xong tới trạm 107 bọc lớp phủ  bảo vệ lên sợi quang + Bộ kéo căng 200 230 250 dù dùng ng để kéo sợi quang quang đến ống nạp sợi quang quang 250 Hình 6A: Phần L1 Cho ta thấy mặt cát phôi sợi quang đơn lõi 6SP (single core  preform), bao gồm :   + Lõi (preform core ) 10P + Vỏ bọc bọc lõi (20 (20P) P) + Rãnh (30P) + Vỏ bọc Phần L2 Cho ta thấy mặt cắt sợi quang phủ lớp bảo vệ (vật liệu  phủ bảo vệ 61 polyme pol yme acrylat) Hình 6B : Cũng hình 6.A hình 6.B sử phơi sợi quang đa lõi để chế tạo sợi quang đa lõi Phần L1 : cho ta thấy mặt cắt phôi sợi quang đa lõi 6MP bao gồm: + Nhiều Lõi 10 PM + Lớp phủ bên lõi  Figure 6: Biểu đồ mắt  Hình 8A ví dụ biểu đồ mắt hệ thống khơng có tính deemphasis (giảm cường), 8B có Trong ví dụ hệ thống SM VCSEL điều 25GB/s Để cải thiện độ mở biểu đồ mắt tính de- emphasis áp dụng- thấy qua 8A 8B, hình 8B biểu đồ mắt cải thiện đáng kể độ mở, nhiễu rõ rệt Hình 8C ví dụ SM VCSEL điều chế 25GB/s 25GB/s ghép quang với ví dụ “Fiber 1” bảng 3, 8D 8E 8F tương tự 8C độ dài sợi quang tăng lên 500m hình, tương ứng 500m 8D, 1000m 8E 1500m   8F Qua hình ta rút kết luận độ dài sợi quang tăng lên  biểu đồ mắt m khép trở nên nhiễu Hình 8G tương tự dành cho tiêu chuẩn step- index sợi quang có độ dài 15m, 8H giống 8G với sợi quang có độ dài 35m Cũng tương tự độ dài tăng lên mắt trở nên nhiễu khép  Figure 7: Biểu đồ hiệu suất truyền Hình biểu đồ hiệu suất truyền ví dụ Fiber có băng thơng EMB đối cao 48,3GHz km, đo với số cấu hình khác Trong hình có cột biểu thị BER- tỉ lệ lỗi bit P (dBm)- công suất quang nhận Ở hình 9A kết thu với độ dài sợi quang khác bao gồmcác sợi sợi b-bcòn tạmlại gọilần lượt sợi lýlàthuyết thuyế để dùng dùn so sánh sánhTheo với 3lýsợi lại dài 1m, 500, t1000 vàg1500m thuyết có hệ độ thống truyền dẫn đạt hiệu suất khơng có lỗi khoảng -7.8 dBm, tương đương với cấu hình b-b (back to back) với sợi quang dài 1m hình Khi tăng lên 500m, hệ thống cho thấy lỗi cơng suất, nhiên tăng tiếp chiều dài sợi lên 1000m lỗi bắt đầu xuất hiều biểu đường đồ thị xa khỏi đường lý thuyết Ở độ dài 1500m, hiệu suất giảm mạnh, nhiên hệ thống đạt đến BER   10−2 thấp ngưỡng sửa lỗi chuyển tiếp dùng cho thơng tin liên lạc quang khoảng cách ngắn Hình 9B giống 9A với hệ thống thiết kế kiểu cũ (prior art) với độ dài sợi dây 15m dùng so sánh với sợi lý thuyết Trong hình ta với độ dài 15m hệ thống cho lỗi cơng suất lớn đường đồ thị   xa so với đường lý thuyết Với hầu hết điểm liệu có lỗi cơng suất lớn 2dB so với trường hợp b-b → Từ ta đưa kết luận cuối, sáng chế hệ thống cải thiện hiệu suất truyền tải tín hiệu xa đáng kể, so sánh hình 9A 9B  Figure 8: Sơ đồ kỹ thuật hệ thống truyền dẫn liệu sợi quang dùng   sợi quang đơn lõi để hình thành kết nối sợi quang VCSEL transmiter receiver  FIG 10A: 300: hệ thống truyền thông quang bao gồm đầu phát 310 đầu thu 410 kết nối mạng sợi quang 500 Mạng sợi quang 500 bao gồm sợi đơn lõi 6S, có điểm đầu vào đầu cuối (502 504) có LL ( độ dài đường dây sợi quang đầu phá phátt đầu thu) 1000m Ở phía đầu phát 310 bao gồm VCSE: 320 thành phần điện truyền phát (transmitter electronics unit) dùng để hỗ trợ cho vận hành VCSEL 330 gồm IC diện diện tích hợp mạch mạch điện (PCB) (PCB) phía phát phát IC điện (340) làm với VCSEL driver thành phần điện tử có liên quan    Nhìn phần IN2 fig 10A, VCSEL 320 có đầu 322 nơi mà ánh sáng 324 phát Ánh sáng 324 nối tới đầu vào 502 mạng quang 500 có sợi quang 6S (sử dụng hệ thống quang nối 360) Hệ thống quang nối 360 bao gồm thấu kính 362a,b  Nhìn vào IN3 cho thấy ánh sáng 324 gồm tính hiệu quang optical signal OS Đầu thu 410 bao gồm photodetector 420 nối quang học tới đầu 504 sơi quang 500 Photodetector 420 hỗ trợ đơn vị điển tử đầu thu 430 430 gồm IC thu 440 nằm bo mạch thu 450 Photodetector dùng để giải mã tín hiệu quang thành tín hiệu điện ES ( xem IN4) IC thu 440 dùng để nhận sử lí tín hiệu điện Cho việc truyền quang đơn mode ánh sáng 324 có bước sóng 1260nm truyền tru yền few mo mode de trong hệ thống thống 300 tương thíc thíchh với bước sóng cắt mode mode filed diameter MFD sợi đơn mode tiêu chuẩn 1310 nm 1550nm cho vận hành SM tối ưu cho băng thông bước sóng 850nm 1060nm cho truyền few mode với SM hay few mode VCSELs 320 FIG 10B: Cho 10B:  Cho thấy hệ thống 300 gồm transceivers 610 truyền thông quang qua hai mạng sợi quang 500 Mỗi transceiver 410 gồm đầu phát thu 310 410 Hệ thống 610 cho phép giao tiếp hai chiều tr transce ansceiver  iver  nhóm quang học qua đường cáp quang Figure 9: Sơ đồ kỹ thuật hệ thống truyền dẫn liệu sợi quang dùng sợi quang đa lõi để hình thành kết nối sợi quang có mảng VCSEL transceiver    Hệ thống sử dụng sợi qua đa lõi 6M, phía phát 310 gồm mảng VCSEL 320A gồm nhiều VCsel VCSEl phát ánh sáng 324 với bước sóng khác khoảng tầm 800nm – 1100nm Các bước sóng khác lệch vài nm Mảng VCSEL hợp lại tới sợi quang đa lõi 6M qua thiết bị nhóm quan học(víbao dụ gồm fan-in 700Fan-inModule Module700-fi 700 gồm cáckết sợihợp quang FS sợimodule đơn lõi700-Fi 6s).Fi Fan-in cácngắn ánh sáng từ VCSEL thành cấu trúc lõi tương ứng sợi đa lõi 10M mạng sợi quang đa lõi 500 500 dùng sợi đa lõi với cấu trúc n lõi 10M truyền nhiều gấp n lần liệu cấu trúc sợi đơn lõi 6S  Note: Fan- in- Module: module cho phép ghép nhiều tín hiệu thành luồng (như multiplexer) Fan- out- Mod Module: cho phé hépp chia luồng thành ành nhiề iềuu luồn (như Demultiplexer) V Tổng kết Ưu điểm: Tiết kiệm chi phí Cơng suất truyền hiệu Dùng khoảng cách truyền xa SM VCSEL làm giảm ảnh hưởngcủa tán sắc Hết −−−−−−−−−− −−−−−−−−−− ... hệ thống tốt, chi phí … MM VCSEL II Giới thiệu chung Tên sáng chế: Optical fibers for single mode and few mode VCSEL- based optical fiber transmission systems Số sáng chế: US11099321 Chủ sở hữu:... 5: Hệ thống kéo sợi quang single mode multi- mode Chú thích : SP ( single Preform), MP ( Muti preform ) , 10P (10 preform) - Sợi quang Single Mode 6.A với sợi quang 6.B chế tạo hệ thống 100 kĩ... US )  Nhà sáng chế: Xin Chen , Painted Post , NY ( US ) ; Ming - Jun Li , Horseheads Horseheads , NY ( US )  Ngày nộp sáng chế: 20/1/ 2020  Ngày cấp c ấp sáng chế: 24/08/2021   Sáng chế nói sợi