Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao luận án thạc sĩ

Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Đoàn Thị Hồng ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO ĐOÀN THỊ HỒNG TN 2012 THÁI NGUYÊN 2012 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: ĐOÀN THỊ HỒNG Người HD Khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI THÁI NGUYÊN – 2012 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: "Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào. Các số liệu, kết quả trong luận văn đều do tôi làm thực nghiệm, xác định và đánh giá. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong Luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 HỌC VIÊN Đoàn Thị Hồng Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………….1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 3 1.1. Khái quát chung 3 1.2. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống thông tin quang 4 1.2.1. Ưu điểm 4 1.2.2. Nhược điểm 4 1.3. Cấu hình hệ thống thông tin quang 4 1.4. Các thông số truyền dẫn quang cơ bản 5 1.4.1. Các sợi quang đơn mode dùng trong hệ thống quang tốc độ cao. 5 1.4.2. Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang. 8 1.4.2.1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi quang 9 1.4.2.2. Suy hao do tán xạ 10 1.4.2.3. Suy hao uốn cong sợi 10 1.4.3. Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang 11 1.4.3.1. Tán sắc vật liệu 12 1.4.3.2. Tán sắc dẫn sóng 13 1.4.3.3. Tán sắc vận tốc nhóm 14 1.4.3.4. Tán sắc bậc cao 15 1.4.3.5.Tán sắc phân cực mode 16 CHƢƠNG 2: TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO………….18 2.1. Nguồn phát quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống 40Gbit/s) 18 2.1.1. Laser phản hồi phân tán DFB 19 2.1.2. Phương thức điều chế nguồn phát quang tốc độ cao(hệ thống 40Gb/s) 20 2.1.2.1. Ưu điểm của nguồn điều chế ngoài. 21 2.1.2.2. Nguyên lý điều chế ngoài. 22 2.2. Bộ thu quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s) 25 CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỄU TRONG TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO 28 3.1. Khuêch đại đƣờng truyền. 28 3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 28 3.1.2. Các đặc tính cơ bản của EDFA 30 3.1.2.1. Nguồn bơm quang 30 3.1.2.2. Hệ số khuếch đại 33 3.1.3. Bão hoà hệ số khuếch đại. 36 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 3.1.3.1. Hấp thụ và bức xạ giữa các phần: 38 3.1.3.2. Các phương trình tốc độ hạt mang và khuếch đại. 39 3.1.3.3. Độ đài tối ưu của EDFA: 40 3.1.3.4. Tạp âm và hệ số tạp âm 41 3.2. Các ứng dụng của EDFA. 45 3.2.1. Bộ khuếch đại công suất (BA-Booster Amplifier): 45 3.2.2. Tiền khuếch đại (PA: Pre-Amplifer) 46 3.2.3. Khuếch đại đường dây(LA-Line Amplifier) 47 3.2.4. Lựa chọn hệ thống sử dụng EDFA. 48 3.3. Một số hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (40Gb/s)……………….48 3.3.1. Sơ lược về hệ thống 48 3.3.2. Phương pháp đánh giá hoạt động của hệ thống. 49 3.3.3. Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ trên tuyến có độ tán sắc được quản lý (DM line). 51 3.3.3.1. Giải pháp xung ổn định (DM soliton) 51 3.3.3.2. Các đặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với giải pháp xung DM. 55 3.3.4. Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ với điều chế đồng bộ thông thường. 57 3.3.4.1.Cấu trúc hệ thống 40Gb/s sử dụng giải pháp điều chế đồng bộ thông thường. 57 3.3.4.2. Đặc trưng của hệ thống truyền dẫn 40Gb/s với điều chế đồng bộ thông thường. 58 3.3.5. Hệ thống truyền dẫn RZ 40Gb/s với điều chế đồng bộ cải tiến. 61 3.3.5.1. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s sử dụng công nghệ điều chế đồng bộ cải tiến. 61 3.3.5.2. Đặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với điều chế đồng bộ cải tiến. 62 CHƢƠNG 4: ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐN QUANG TỐC ĐỘ CAO 66 4.1. Ảnh hƣởng của tán sắc đến hệ thống 66 4.1.1. Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) 66 4.1.2. Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn 68 4.1.3. Ảnh hưởng của chirp tần số 70 4.2. Bù tán sắc trong hệ thống 70 4.2.1. Bù tán sắc bằng sùi tán sắc cao 71 4.2.2. Kỹ thuật bù trước 74 4.3. Ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến đến hệ thống thông tin quang.76 4.3.1. Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng KERR 76 4.3.1.1. Hiệu ứng Self-phase ModulatioD (SPM) 76 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 4.3.1.2. Hiệu ứng Cross-phase Modulation (XPM) 79 4.3.1.3. Hiệu ứng Four-wave Mixing (FWM) 81 4.3.2. Các hiệu ứng liên quan đến tán xạ 83 4.3.2.1. Hiệu ứng Raman (SRS) 83 4.3.2.2. Hiệu ứng Brillouin (SBS) 86 CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CHO TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG 88 5.1. Sơ đồ thuật toán của chƣơng trình 88 5.2. Các chức năng chính của phần mềm: 88 5.2. Các chức năng chính của phần mềm: 89 5.3. Các form chính của phần mềm 89 5.4. Các hàm thiết kế chính: 94 5.4.1. Hàm nhập thiết bị EDFA: 94 5.4.2. Hàm xoá thiết bị EDFA 96 5.4.3. Hàm thiết kế tuyến 96 5.4.4. Hàm tính toán thông số hệ thống 98 5.4.5. Hàm mô phỏng hệ thống trình bày trong chương 6 101 KẾT LUẬN ………………………………………………………………….103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 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 PRBS : Psedo-Random Bit Sequences PIN : P_type Intrinsic N_type Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ SBS : Simulated Brilium Scattering SOA : Semiconductor Optical Amplifier SNR : Signal to Noise Rate SMF : Single Mode Fiber SPM : Self Phase Modulation SRS : Stimulated Raman Scattering TL : Teralight RZ : Return to Zero WDM : Wavelength Division Multiplexing XPM : Cross Phase Modulation Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tán sắc của các loại sợi SMF. DSF và NZ-DSF 6 Hình 1.2 Các đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế 10 Hình 1.3. Sự suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R 11 Hình 1. 4. Chỉ số chiết suất và chỉ số nhóm 12 Hình 1.5. Tham số b và các vi phân của nó d (Vb) và Vd 2 thay đổi theo V 13 Hình 1.6. Các loại tán sắc cho sợi đơn 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 14 Hình 1.7. Tán sắc phân cực mode trong sợi quang 16 Hình 2.1. Cấu trúc của DFB 19 Hình 2. 2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật điều chế ngoài. 20 Hình 2.3. Bộ điều chế Mach-zehnder 22 Hình. 2.4. Sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu điện quang Mach-zehnder 23 Hình 2. 5. Bộ điều 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 đại quang EDFA 29 Hình 3.2: Các mức năng lượng trong EDFA 30 Hình 3.3. Giản đồ năng lương của Er 3+qe 31 Hình 3.4. Bơm 1540nm, do ảnh hưởng Stark nên xảy ra sự tách biệt trong mức cơ bản và mức gần ổn định ra nhiều mức nhỏ riêng biệt 31 Hình 3.5. Hai loại bơm (a)bơm dọc (b) bơm ngang 33 Hình 3.6. Tính năng của 3 phương thức bơm 33 Hình 3.7. Phổ khuếch đại của EDFA ở bước sóng bơm 980nm 34 Hình 3.8. Quan hệ giữa hệ số khuếch đai và nồng độ trộn Er 3+ 34 Hình 3.9 miêu tả sự thay đổi hệ số khuếch đại, mức nhiễu, công suất bão hòa 35 Hình. 3.10. Đặc tuyến vào ra của EDFA 37 Hình 3.11.Phổ hấp thụ của Er ở bước sóng 1540 nm 39 Hình 3.12. độ dài sợi EDF 41 Hình 3.13. Hàm mật độ phổ công suất của tạp âm ASE 42 Hình 3.14. Minh họa cách tính NF 43 Hình 3.15. Hệ số tạp âm của EDFA 44 Hình 3 16: Các ứng dụng của EDFA 45 Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Hình 3.17. Cấu hình của hệ thống 40Gb/s RZ trên tuyến Dm gồm SMF và DCF. 49 Hình 3.18. Sự phát triển của độ rộng xung quang phổ và D chirp được đo tại EDFA (a) Độ rộng phổ; (b) D chirp 52 Hình 3.19. Độ rộng phổ và D chirp xung DM đươc đo ở một EDFA như một hàm của năng lương xung 54 Hình 3.20. Khoảng cách truyền dẫn qua đó hệ số Q>7 trong hệ thống 40Gb/s trong tuyến DM gồm SMF. 56 Hình 3.21. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s RZ dùng công nghệ điều chế đồng bộ đội tuyến thông thường và cấu trúc cua bộ điều chế đồng bộ 58 Hình 3.22. Chỉ ra khoảng cách truyền dẫn cho hệ số Q >7 trong hệ thống 40Gb/s với sự điều chế đồng thông thường như được chỉ ra ở hình 5.5 59 Hình 3.23. Dạng sóng của xung 60 Hình 3.24.Cấu trúc của hệ thống 40 Gb/s RZ sử dụng công nghệ điều chế đồng bộ nội tuyến cải tiến 61 Hình.3.25. Khoảng cách truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s RZ với Q> 7 trên tuyến 62 Hình 3.26. Sự phát triển độ rộng xung, độ rộng phổ và Dchirp khi một xung đơn được truyền trên tuyến DM với điều chế đồng bộ cải tiến. 63 Hình 3.27. Sự phát triển dạng sóng của xung trên tuyến DM với điều chế đồng bộ cái tiến (a)sự truyền dẫn xung đơn; truyền dẫn 2 xung ………………………………… 64 Hình 4.1. Hệ số giãn xung phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn đối với các xung Gaussian 67 Hình 4. 2 Giới hạn tốc độ bít của sợi đơn mode phụ thuộc vào cự ly 69 Hình 4.3. Đặc tính tán sắc của hai sợi DCF 73 Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 74 Hình 4.4 Sự phụ thuộc của FWM vào D trong sợi quang 80 Hình 4. 5. Sự tương tác giữa photon và phonon quang 84 Hình 4. 6. Hiện tượng Raman nghiêng 85 Hình 4 .7. Phổ khuếch đại Ra man của silic ở bước sóng bơm p 1m 86 [...]... quan trọng Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan đến hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 40 Gb/s Cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang Chương 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chương 4: Ảnh hưởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao Chương... Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao CHƢƠNG 2: TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO 2.1 Nguồn phát quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống 40Gbit/s) Nguồn phát là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong mạng truyền dẫn quang Đặc biệt đối với mạng truyền dẫn quang tốc độ 40Gbit/s đòi hỏi phải có nguồn phát có thông số vượt trội, thoả mãn được yêu cầu của hệ thống Một số điều kiện được cân... phân tán bậc cao hơn được cho bởi đường bao tán sắc được viết như sau: S S dD 1.18 d 2 c d 2 2 4 c 3 3 HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu 2 1.19 15 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao S: Tham số tán sắc bậc 2 1.4.3.5.Tán sắc phân cực mode Tán sắc phân cực mode là hệ số cần được quan tâm ở hệ thống truyền dẫn đường dài tốc độ 40Gb/s Tán sắc phân.. .Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số loại sợi NZ-DSF 7 Bảng 3.1.So sánh các công nghệ ghép bước sóng: 32 Bảng 4.1 Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng 74 HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao LỜI NÓI ĐẦU Trong... hoạt động ở cửa sổ bước sóng truyền thống là dải C (1530nm HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu 1 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao 1565nm) Hai là tập trung vào việc tăng tốc độ dữ liệu của mỗi kênh Rất nhiều thí nghiệm đã thành công ở tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s từ năm 2000 Ở tốc độ cao như thế, việc quản lý bù tán sắc và chống lại các hiệu ứng... phân tán trong khi lan truyền trong sợi quang và không đến HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu 14 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao đồng thời một lúc tại đầu ra của sợi Khoảng thời gian của độ dãn xung khi truyền qua sợi có độ dài L được viết như sau: dT d T d d L vg L d2 d 2 L (1.13) 2 : độ rộng xung 2 d2 / d 2 : tham số tán sắc vận tốc nhóm... trường âm quang có thể trở thành dị hướng Tán xạ BRAGG: Với bộ điều chế quang âm, một tia sáng tới có thể bị tán xạ ra nhiều hướng Quan hệ giữa góc tới và góc ra dựa vào sự bảo toàn mo men: out in K HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu 24 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao Hình 2.5 Bộ điều chế âm quang (a) Tán xạ Bragg dịch chuyển xuống, bộ Tán xạ... không lợi dụng luôn được đường truyền như ở trong các hệ thống thông tin điện 1.3 Cấu hình hệ thống thông tin quang Thông tin quang có thể tổ chức hệ thống cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung như hình 1 Nơi tín hiệu Thiết bị phát phát đi Môi trường truyền dẫn Phía phát tín hiệu Thiết... nhất = 0,2dB/km xảy ra ở 1550nm Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang và sợi quang, giữa sợi quang và sợi quang với đầu thu quang cũng có thể coi là suy hao trên HV: Đoàn Thị Hồng Số hóa bởi trung tâm học liệu 8 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao tuyến truyền dẫn Quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo... trị SMSR điển hình khoảng 30dB) 2.1.2 Phương thức điều chế nguồn phát quang tốc độ cao (hệ thống 40Gb/s) Đối với các hệ thống tốc độ l0Gb/s trở lên người ta sử dụng nguồn điều chế ngoài Vì vậy, đối với mạng truyền dẫn quang tốc độ 40Gb/s, nguồn phát được sử dụng là nguồn phát được điều chế ngoài Nguồn phát trong hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài bao gồm các phần tử chính là: Bộ . 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chương 4: Ảnh hưởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao Chương. chọn hệ thống sử dụng EDFA. 48 3.3. Một số hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (40Gb/s)……………….48 3.3.1. Sơ lược về hệ thống 48 3.3.2. Phương pháp đánh giá hoạt động của hệ thống. 49 3.3.3. Hệ. Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan đến hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 40 Gb/s. Cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang