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 STTT MSSV 19922000055339 17722000011225 18822000022880 19922000022337 19922000022442 19922000022447 I Bối cảnh sáng chế Sợi đơn mode ưa dùng trung tâm liệu lớn có băng thơng nhiều sợi 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 cơng 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 , NY ( US ) Ngày nộp sáng chế: 20/1/ 2020 Ngày cấp 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 bước sóng thứ hai khoảng 840nm1060nm Mode - Field Diameter (MFD) khoảng 8.6-11μm bước sóng 1550nm khoảng 810.1μm 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 nghĩa tham số α khoảng ≤ α ≤ với số chiết suất tối đa nằm khoảng 0.3% ≤ ∆_1max ≤ 0.5% bán kính r1 khoảng 5μm ≤ r_1 ≤ 10μm Một vùng lớp phủ bên bao quanh lõi có số khúc xạ tương đối ∆_2 khoảng từ -0.5% ≤ ∆_2 ≤ 0%, thể tích rãnh (trench) V khoảng 15% μm2 ≤ |V| ≤ 75% μm2 có bán kính r2 khoảng μm ≤ r2 ≤ 25 μm Một vùng phủ bên bao quanh vùng phủ bên có số khúc xạ tương đối ∆_4≥∆_2 khoảng 0% ≤ ∆_4 ≤ 0.2% có bán kính r4 khoảng từ 40 μm ≤ r_4 ≤ 100 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 Diameter (MFD) khoảng từ 8.6 μm ≤ MFD ≤ 11 μm 1550 nm Overfilled Bandwidth (OFL BW) khoảng từ GHz.km ≤ OFL BW ≤ 50 GHz km bước sóng dải bước sóng thứ 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 thơng 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 khoảng bước sóng 800nm-1100nm Sợi 6S bao gồm miền lõi thủy tinh 10 , bên đường tâm (Centerline) AC ,và có khoảng bán kính r1 triết suất phản xả tương đối ∆1 với giá trị ∆1 tối 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 r4 Theo hình 3A lớp bọc 50 bao gồm lớp bọc bên 20 gần lõi có khoảng bán kính từ r1 tới r2 có chiết suất phản xạ tương đối ∆1 ∆2 ≤ ; 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 ∆3 ≤ ∆2 Lớp bọc bên liền kế lớp trung gian , khoảng bán kính r3 tới r4 hệ số ∆3 ≤ ∆4 Cách xem hình tương tự cho hình 3B 3C Tuy nhiên để đạt băng thông cao bước sóng 850nm với refractive index profile tương đương hình 3A, 3B, 3C u 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 ngồi (40) Sợi đa lõi 6M trường hợp bao gồm lớp phủ bảo vệ non-glass bên Cladding matrix (40M) Mỗi cấu trúc đa lõi (10 Multicore) hỗ trợ: Single Mode bước sóng khoảng 1310nm - 1550nm 1260nm + + Few Mode bước sóng 850nm Figure 4: Mặt cắt ngang ví dụ cách cấu hình sợi quang đa lõ i 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 lặp, 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 trục trung tâm ACM FIG 5D : Có 12 lõi xếp dạng hình trịn xung quanh trục trung tâm ACM Khoảng cách 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 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 biến đo 104A 104B để kiểm sốt kích 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 dùng để kéo sợi quang đến ống nạp sợi 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 lõi (20P) + Rãnh (30P) + Vỏ bọc Phần L2 Cho ta thấy mặt cắt sợi quang phủ lớp bảo vệ (vật liệu phủ bảo vệ 61 polyme acrylat) Hình 6B : Cũng hình 6.A hình 6.B sử phôi 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 ngồi lõi Figure 6: Biểu đồ mắt Hình 8A ví dụ biểu đồ mắt hệ thống khơng có tính de-emphasis (giảm cường), 8B có Trong ví dụ hệ thống SM VCSEL điều 25GB/s Để cải thiện độ mở biểu đồ mắt tính deemphasis 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 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 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 gồm sợi b-b tạm gọi sợi lý thuyết để dùng so sánh với sợi cịn lại có độ dài 1m, sợi lại 500, 1000 1500m Theo lý thuyết hệ 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 thông 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 công suất lớn đường đồ thị xa so với đường lý thuyết Với hầu hết điểm liệu có lỗi công 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: hệ thống truyền thông quang bao gồm đầu phát 310 đầu thu 410 kết nối mạng sợi quang 500 300: 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 phát 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 tích hợp mạch điện (PCB) phía 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 few mode hệ thống 300 tương thích với bước sóng cắt mode filed diameter MFD sợi đơn mode tiêu chuẩn 1310 nm 1550nm cho vận hành SM tối ưu cho băng thơng bước sóng 850nm 1060nm cho truyền few mode với SM hay few mode VCSELs 320 FIG 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 transceiver 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 ví dụ fan- in module 700-Fi Fan- in Module 700 gồm sợi quang ngắn FS ( bao gồm sợi đơn lõi 6s) Fan-in Module 700-fi kết hợp 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) Faan- ouut- Modduullee: chho phép chia mộột luuồng thành nhhiềiều luuồồn (nnhhư 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 thuật... Corning , NY ( US ) Nhà sáng chế: Xin Chen , Painted Post , NY ( US ) ; Ming - Jun Li , Horseheads , NY ( US ) Ngày nộp sáng chế: 20/1/ 2020 Ngày cấp sáng chế: 24/08/2021 Sáng chế nói sợi quang truyền