luận văn thạc sĩ hệ thống truyền dẫn quang tốc độ

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñề tài luận văn thạc sỹ khoa học: "Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của GS.TS. Trần ðức Hân. ðây không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào. Các số liệu, kết quả trong luận văn ñều do tôi làm thực nghiệm, xác ñịnh và ñánh giá. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi ñã trình bày trong Luận văn này. Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2011 HỌC VIÊN Nguyễn Thành Vinh Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ðẦU 1 CHƯƠNG 1: SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG QUANG TỐC ðỘ CAO 3 1.1 Các sợi quang ñơn mode dùng trong hệ thống quang tốc ñộ cao 3 1.2. Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang. 6 1.2.1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi dẫn quang 7 1 2.2. Suy hao do tán xạ 8 1.2.3. Suy hao uốn cong sợi 9 1.3 Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang 9 1.3.1. Tán sắc vật liệu 10 1.3.2. Tán sắc dẫn sóng 11 1.3.3. Tán sắc vận tốc nhóm 13 1.3.4. Tán sắc bậc cao 14 1.3.5.Tán sắc phân cực mode 15 CHƯƠNG 2: NGUỒN PHÁT VÀ NGUỒN THU QUANG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO 17 2.1. Nguồn phát quang dùng cho hệ thống 40Gbit/s 17 2.1.1. Laser phản hồi phân tán DFB 18 2.1.2. Phương thức ñiều chế nguồn phát hệ thống 40Gb/s 19 2.2. Bộ thu quang dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s 25 CHƯƠNG 3: KHUẾCH ðẠI QUANG SỢI EDFA DÙNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ðỘ CAO 29 3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt ñộng 29 3.2. Các ñặc tính cơ bản của EDFA 31 3.2.1. Nguồn bơm quang 31 3.3.2 Hệ số khuếch ñại 35 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh 3.3. Bão hoà hệ số khuếch ñại. 38 3.3.4. Hấp thụ và bức xạ giữa các phần 40 3.3.5. Các phương trình tốc ñộ hạt mang và khuếch ñại 41 3.3.6. ðộ ñài tối ưu của EDFA 43 3.3.7. Tạp âm và hệ số tạp âm 44 3.4. Các ứng dụng của EDFA 50 3.4.1. Bộ khuếch ñại công suất (BA-Hooster Amplifier) 50 3.4.2. Tiền khuếch ñại (PA: Pre-Amplifer) 51 3.4.3. Khuếch ñại ñường dây(La-Line Amplifier) 52 3.4.4. Lựa chọn hệ thống sử dụng EDFA 53 CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC PHI TUYẾN ðẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 40 Gb/s VÀ GIẢI PHÁP BÙ TÁN SẮC 54 4.1. Ảnh hưởng của tán sắc ñến hệ thống 54 4.1.1. Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) 54 4.1.2. Tán sắc giới hạn tốc ñộ truyền dẫn 56 4.1.3. Ảnh hưởng của chirp tần số 58 4.2. Các kỹ thuật bù tán sắc 58 4.2.1. Bù tán sắc bằng sùi tán sắc cao 60 4.2.2. Kỹ thuật bù trước 62 4.3. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ñến hệ thống thông tin quang 64 4.3.1. Các hiệu ứng liên quan ñến hiệu ứng KERR 64 4.3.2. Các hiệu ứng liên quan ñến tán xạ 71 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG 40Gb/s 75 5.1. Sơ lược về hệ thống 75 5.2. Phương pháp ñánh giá hoạt ñộng của hệ thống 76 5.3. Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ trên tuyến có ñộ tán sắc ñược quản lý (DM line) 77 5.3.1. Giải pháp xung ổn ñịnh (DM soliton) 77 5.3.2. Các ñặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với giải pháp xung DM. 81 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh 5.4.Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ với ñiều chế ñồng bộ thông thường 83 5.4.1.Cấu trúc hệ thống 40Gb/s sử dụng giải pháp ñiều chế ñồng bộ thông thường 83 5.4.2. ðặc trưng của hệ thống truyền dẫn 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ thông thường 85 5.5. Hệ thống truyền dẫn RZ 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ cải tiến 87 5.5.1. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s sử dụng công nghệ ñiều chế ñồng bộ cải tiến 87 5.5.2. ðặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với ñiều chế ñồng bộ cải tiến. 88 CHƯƠNG 6: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG ðIỀU CHẾ ðẾN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ðỘ CAO 92 6.1. Ảnh hưởng của các dạng ñiều chế trong các sợi quang khác nhau . 92 6.1.1. Nguyên lý. 92 6.1.2. Giản ñồ của hệ thống 92 6.1.3. Các kết quả mô phỏng 96 6.1.4 Tổng kết. 99 6.2. Ảnh hưởng của dạng ñiều chế trên các hệ thống quang ñược quản lý tán sắc 100 6.2.2. Thiết lập hệ thống và mô hình toán học 100 6.2.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận 103 6.2.4. Ảnh hưởng của nhiễu ASE 105 CHƯƠNG 7: BÀI TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 108 7.1. Sơ ñồ thuật toán của chương trình 108 7.2. Các chức năng chính của phần mềm 108 7.3. Các form chính của phần mềm 109 7.4. Các hàm thiết kế chính 114 7.4.1. Hàm nhập thiết bị EDFA 114 7.4.4. Hàm mô phỏng hệ thống trình bày trong chương 6 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh CÁC TỪ VIẾT TẮT APD : Avalanche Photodiode ASE : Amplified Spontaneous Emission BA : Booster Amplifier BER : Bit Error Rate DFB : Distributed Feedback DM : Dispersion Management DSF : Dispersion Shifted Fiber EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier ESA : Excited State Absorption FWHM : Full Width Half Max FWM : Four Wave Mixing GVD : Group Velocity Dispersion LA : Line Ampifier LD : Laser Diode LEAF : Lerger Effective Area Fiber MZ : Mach - Zehnder MMF : Multi-Mode Fiber NRZ : Non-Return to Zero NZ-DSF : Nonzero Dispersion Shifted Fiber NEP : Noise Equivalent Power NF : Noise Figure O/E : Optical- Electric converter OEIC : Optoelectronic Intergrated Circuit PA : Power Amplifier PMD : Polarization Mode Dispersion Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh PRBS : Psedo-Random Bit Sequences PIN : P type Intrinsic N type SBS : Simulated Brilium Scanering SOA : Semiconductor Optical Amplifier SNR : Signal to Noise Rate SMF : Single Mode Fiber SPM : Selfphase Modulation SRS : Stimulated Raman Scanering TL : Teralight RZ : Return to Zero WDM : Wevelength Division Multiplexing XPM : Cross Phase Modulation Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tán sắc của các loại sợi SMF. DSF và NZ-DSF 4 Hình 1.2 Các ñặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế 8 Hình 1.3. Sự suy hao do uốn cong thay ñổi theo bán kính R 9 Hình 1. 4. Chỉ số chiết suất và chỉ số nhóm 11 Hình 1.5. Tham số b và các vi phân của nó d (Vb) và Vd 2 thay ñổi theo V 12 Hình 1.6. Các loại tán sắc cho sợi ñơn mode. M: tán sắc vật liệu G: tán sắc dẫn sóng; T: tán sắc tổng P: tán sắc do mặt cắt gây ra, R: tán sắc dư 12 Hình 1.7. Tán sắc phân cực mode trong sợi quang 15 Hình 2.1. Cấu trúc của DFB 19 Hình 2. 2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật ñiều chế ngoài 20 Hình 2.3. Bộ ñiều chế Mach-zehnder 22 Hình. 2.4. Sơ ñồ nguyên lý của một bộ biến ñiệu ñiện quang Mach-zehnder 22 Hình 2. 5. Bộ ñiều chế âm quang 25 Hình 2.6. Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs 27 Hình 3.1: Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch ñại quang EDFA 31 Hình 3.2: Các mức năng lượng trong EDFA 31 Hình 3.3. Giản ñồ năng lương của Er 3+qe 32 Hình 3.4. Bơm 1540nm, do ảnh hưởng Stark nên xảy ra sự tách biệt trong mức cơ bản và mức gần ổn ñịnh ra nhiều mức nhỏ riêng biệt 33 Hình 3.5. Hai loại bơm (a)bơm dọc (b) bơm ngang 34 Hình 3.6. Tính năng của 3 phương thức bơm 35 Hình 3.7. Phổ khuếch ñại của EDFA ở bước sóng bơm 980nm 35 Hình 3.8. Quan hệ giữa hệ số khuếch ñai và nồng ñộ trộn Er 3+ 36 Hình 3.9 miêu tả sự thay ñổi hệ số khuếch ñại, mức nhiễu, công suất bão hòa 37 Hình. 3.10. ðặc tuyến vào ra của EDFA 39 Hình 3.11.Phổ hấp thụ của Er ở bước sóng 1540 nm 41 Hình 3.12. ñộ dài sợi EDF 43 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh Hình 3.13. Hàm mật ñộ phổ công suất của tạp âm ASE 47 Hình 3.14. Minh họa cách tính NF 48 Hình 3.15. Hệ số tạp âm của EDFA 49 Hình 3 16: Các ứng dụng của EDFA 50 Hình 4.1. Hệ số giãn xung phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn ñối với các xung Gaussian 55 Hình 4. 2 Giới hạn tốc ñộ bít của sợi ñơn mode phụ thuộc vào cự ly 57 Hình 4.3. ðặc tính tán sắc của hai sợi DCF 61 Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 62 Hình 4.4 Sự phụ thuộc của FWM vào D trong sợi quang 68 Hình 4. 5. Sự tương tác giữa photon và phonon quang 71 Hình 4. 6. Hiện tượng Raman nghiêng 72 Hình 4 .7. Phổ khuếch ñại Ra man của silic ở bước sóng bơm p 1 m λ = µ 73 Hình 5.1. Cấu hình của hệ thống 40Gb/s RZ trên tuyến Dm gồm SMF và DCF 76 Hình 5. 2. Sự phát triển của ñộ rộng xung quang phổ và D chirp ñược ño tại EDFA (a) ðộ rộng phổ; (b) D chirp 78 Hình 5. 3: ðộ rộng phổ và D chirp xung DM ñươc ño ở một EDFA như một hàm của năng lương xung 80 Hình 5.4: Khoảng cách truyền dẫn qua ñó hệ số Q>7 trong hệ thống 40Gb/s trong tuyến DM gồm SMF. 82 Hình 5.5. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s RZ dùng công nghệ ñiều chế ñồng bộ ñội tuyến thông thường và cấu trúc cua bộ ñiều chế ñồng bộ 84 Hình 5.6 chỉ ra khoảng cách truyền dẫn cho hệ số Q >7 trong hệ thống 40Gb/s với sự ñiều chế ñồng thông thường như ñược chỉ ra ở hình 5.5 85 Hình 5.7. Dạng sóng của xung 86 Hình 5.8 Cấu trúc của hệ thống 40 Gb/s RZ sử dụng công nghệ ñiều chế ñồng bộ nội tuyến cải tiến 87 Hình.5.9. Khoảng cách truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s RZ với Q> 7 trên tuyến 88 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh Hình 5.10. Sự phát triển ñộ rộng xung, ñộ rộng phổ và Dchirp khi một xung ñơn ñược truyền trên tuyến DM với ñiều chế ñồng bộ cải tiến 89 Hình 5.11. Sự phát triển dạng sóng của xung trên tuyến DM với ñiều chế ñồng bộ cái tiến (a)sự truyền dẫn xung ñơn; truyền dẫn 2 xung 90 Hình 6.1. Mô tả hệ thống WDM 92 Hình 6.2. Quản lý tán sắc trên mô phỏng 94 Hình 6.3. NRZ trong các hệ thống 40 GHz; công suất trung bình mỗi kênh là 3dB 97 Hình 6.4: CS-RZ trong các hệ thống 40GHz, công suất trung bình của mỗi kênh là 3dB 97 Hình 6. 5. Hệ thống 40 Gb/s NRZ-DPSK, công suất trung bình mỗi kênh là 0dBm98 Hình 6.6. Hệ thống 40 Gb/s RZ-DPSK~ công suất trung bình mỗi kênh là 0dB 99 Hình 6.7. Sơ ñồ khối của hệ thống 101 Hình 6.8. Quảng lý tán sắc trong mô phỏng 102 Hình 6. 9. EOP (eye-opening-penalty) dọc theo ñường truyền bao gồm cả SSMF và DCF) khi công suất vào trung bình tà 12dBm và mã hóa quang theo kiểu NRZ 103 Hình 6.10. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ñối với tốc ñộ dữ liệu 10 Gb/s 104 Hình 6.11. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ñối với tốc ñộ dữ liệu 40 Gb/s 105 Hình 6.12: Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ở tốc ñộ dữ liệu 10Gb/s. 106 Hình 6.13. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM thông qua công suất quang ở tốc ñộ dữ liệu 40 Gb/s. ðường ñặc 107 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số loại sợi NZ-DSF 5 Bảng 3.1.So sánh các công nghệ ghép bước sóng: 34 Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 62 Bảng 6.1: Các thông số của hệ thống 95 Bảng 6. 3: Các thông số của SSMF và DCF 101 [...]... trong h th ng quang t c ñ cao Chương 2: Ngu n phát và ngu n thu quang trong h th ng quang t c ñ cao Chương 3: Khu ch ñ i quang s i EDFA dùng trong h th ng quang t c ñ Chương 4: nh hư ng c a tán s c phi tuy n ñ n ch t lư ng c a h th ng thông tin quang 40 Gb/s và gi i pháp bù tán s c Chương 5: H th ng truy n d n quang t c ñ cao Chương 6: nh hư ng c a các d ng ñi u ch ñ n h th ng truy n d n quang t c ñ... tin s i quang ho t ñ ng t i bư c sóng g n v i bư c sóng tán s c b ng không HVTH: Nguy n Thành Vinh 16 Lu n văn cao h c H th ng truy n d n quang t c ñ cao CHƯƠNG 2 NGU N PHÁT VÀ NGU N THU QUANG TRONG H TH NG THÔNG TIN QUANG T C ð CAO 2.1 Ngu n phát quang dùng cho h th ng 40Gbit/s Ngu n phát là m t trong nh ng thi t b quan tr ng nh t trong m ng truy n d n quang ð c bi t ñ i v i m ng truy n d n quang t... chung A nhi u hơn công su t ñưa ra c a ñ u phát như trư c chúng ta ñã nói suy hao th p nh t -O,2dB/km x y ra 1550nm Trên m t tuy n thông tin quang, các suy hao ghép n i gi a ngu n phát quang và s i quang, gi a s i quang và s i quang và gi a s i quang v i ñ u thu quang cũng có th coi là suy hao trên tuy n truy n d n Quá trình s i b u n cong quá gi i h n cho phép cũng t o ra suy hao Các suy hao này là... vùng bư c sóng 1500nm - 1600nm S i này ñư c coi là ưu trong các h th ng thông tin quang ho t ñ ng t i các bư c sóng n m trong vùng bư c sóng 1500nm- 1600nm, khi k thu t ghép kênh quang theo bư c sóng trên 1 s i quang, lúc này HVTH: Nguy n Thành Vinh 3 Lu n văn cao h c H th ng truy n d n quang t c ñ cao phi tuy n c a s i quang l i c n ph i xem xét kĩ lư ng ðáp ng phi tuy n này gây ra thêm m t lo t các... i quang ñư c s d ng r ng rãi và là môi trư ng truy n d n lí tư ng C nh quang chung v m ng quang qua các giai ño n như sau: Th h quang th nh t ñư c thương m i hóa t năm 1980, ho t ñ ng bư c sóng 800nm và s d ng laser bán d n GaAs T c ñ d li u c a h th ng kho ng 45Mb/s v i kho ng l p là 10km Th h quang th 2 ñư c thương m i hóa t sau nh ng năm 1980, ho t ñ ng bư c sóng g n l.3 µm , trong ñó suy hao quang. .. Nguy n Thành Vinh 6 Lu n văn cao h c H th ng truy n d n quang t c ñ cao T phương trình trên ta có suy hao là A = P (0) 10 log10 A Pr (1.3) 1.2.1 H p th tín hi u trong s i d n quang H p th ánh sáng trong s i d n quang là y u t quan tr ng trong vi c t o nên b n ch t suy hao c a s i quang H p th này sinh do 3 cơ ch sau: H p th do t p ch t: Nhân t h p th n i tr i trong s i d n quang là s có m t c a t p... quang M c dù ñã có nhi u c g ng trong quá trình nghiên c u, hoàn thành ñ tài song do trình ñ và th i gian có h n nên không tránh kh i nh ng sai sót, r t mong nh n ñư c ý ki n ñóng góp quý báu c a các th y cô giáo, chuyên gia chuyên nghành, ñ ng nghi p HVTH: Nguy n Thành Vinh 2 Lu n văn cao h c H th ng truy n d n quang t c ñ cao CHƯƠNG 1 S I D N QUANG DÙNG TRONG H TH NG QUANG T C ð CAO 1.1 Các s i quang. .. ñ sâu ñi u ch l n và hi u su t cao, b ñi u ch ngoài ph i có ñáp ng t i môi trư ng d hư ng l n 2.2 B thu quang dùng cho h th ng quang 40Gbit/s B thu quang là m t trong nh ng b ph n quan tr ng nh t trong h th ng thông HVTH: Nguy n Thành Vinh 25 Lu n văn cao h c H th ng truy n d n quang t c ñ cao tin quang S dĩ như v y vì b ph n này là nơi thu nh n m i ñ c tính tác ñ ng trên toàn tuy n ñưa t i, ho t ñ... ng v dung lư ng truy n d n quang Th i gian này, ngư i ta ñã có th truy n qua kho ng cách 11.300km s d ng cáp quang vư t bi n t c ñ d li u 5Gb/s M ng quang th h ti p theo, th h 5, h th ng quang l i ti p t c phát tri n và t p trung vào 2 n i dung chính sau M t là ñ tăng bư c sóng ñ n d i L (1570nm 1610nm) và d i S (1485nm - 1520nm) ñ tăng s kênh WDM Hi n nay, h th ng sóng quang ñư c ho t ñ ng c a s bư... 120 70 ÷ 120 63 Lu n văn cao h c H th ng truy n d n quang t c ñ cao 1.2 Suy hao tín hi u truy n trong s i quang Vi c truy n tín hi u t phía phát t i phía thu s b suy hao và méo tín hi u, ñây là hai y u t quan tr ng, nó tác ñ ng vào toàn b quá trình thông tin, ñ nh c v kho ng cách và t c ñ tuy n truy n d n cũng như xác ñ nh c u hình c a h th ng thông tin quang S suy hao trong s i quang d n ñ n vi c gi . Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan ñến hệ thống truyền dẫn tốc ñộ cao, ñặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 40 Gb/s. Cụ thể như sau: Chương 1: Sợi dẫn quang dùng trong hệ thống quang. Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao HVTH: Nguyễn Thành Vinh 3 CHƯƠNG 1 SỢI DẪN QUANG DÙNG TRONG HỆ THỐNG QUANG TỐC ðỘ CAO 1.1 Các sợi quang ñơn mode dùng trong hệ thống. của hệ thống thông tin quang 40 Gb/s và giải pháp bù tán sắc. Chương 5: Hệ thống truyền dẫn quang tốc ñộ cao Chương 6: Ảnh hưởng của các dạng ñiều chế ñến hệ thống truyền dẫn quang tốc