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

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

Đoàn Thị Hồng ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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

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

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ……….1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 3

1.1 Khái quát chung 3

1.2 Ưu nhược 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

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO 28

3.1 Khuêch đại đường 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

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

CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐN QUANG TỐC ĐỘ CAO 66

4.1 Ảnh hưởng 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 hưởng 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

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

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CHO TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG 88

5.1 Sơ đồ thuật toán của chương 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

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

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

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

RZ : Return to Zero WDM : Wavelength Division Multiplexing XPM : Cross Phase Modulation

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 Vd2 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 Er3+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 Er3+ 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

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 Dchirp được đo tại EDFA (a) Độ rộng phổ; (b) Dchirp 52

Hình 3.19 Độ rộng phổ và Dchirp 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 1 m 86

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

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành không ngừng giảm xuống tạo điều kiện cho việc sử dụng ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực Hiện nay, hệ thống thông tin quang đã nổi lên và là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất Trong tương lai, cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi và là môi trường truyền dẫn lí tưởng Cảnh quang chung về mạng quang qua các giai đoạn như sau:

Thế hệ quang thứ nhất được thương mại hóa từ năm 1980, hoạt động ở bước sóng 800nm và sử dụng laser bán dẫn GaAs Tốc độ dữ liệu của hệ thống khoảng 45Mb/s với khoảng lặp là 10km

Thế hệ quang thứ 2 được thương mại hóa từ sau những năm 1980, hoạt động ở bước sóng gần l.3 m, trong đó suy hao quang <l dB/km và sợi quang có tán sắc nhỏ nhất trong vùng này Năm 1987, hệ thống truyền dẫn quang thế hệ 2 đã có tốc độ bít 1.7 Gb/s và khoảng lặp 50km

Hệ thống quang thế hệ 3 có tốc độ bít 2.5Gb/s và được thương mại hóa từ năm

1990 Nó được biết đến với sợi quang silic có suy hao tối thiểu (0.2dB/km) ở gần bước sóng 1550nm Không may là sợi quang lại có tán sắc lớn ở vùng bước sóng 1550nm

Để giải quyết vấn đề này, người ta đã đưa ra loại sợi quang tán sắc dịch chuyển và laser đơn mode dọc Mặt hạn chế của mạng quang thế hệ 3 là tín hiệu phải được phát lại một cách tuần hoàn bằng điện khi qua các bộ lặp với khoảng cách lặp tiêu biểu là

60 -70km

Việc sử dụng EDFA và WDM là một đặc điểm nổi bật của mạng quang thế hệ thứ 4 được phát triển từ những năm 1985 và được thương mại hóa từ năm 1990 EDFA làm cho cho tín hiệu quang có thể truyền tới khoảng cách hàng nghìn km mà không cần sử dụng bộ tái tạo điện Việc phát minh ra kỹ thuật WDM đã mở ra một cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn quang Thời gian này, người ta đã có thể truyền qua khoảng cách 11.300km sử dụng cáp quang vượt biển ở tốc độ dữ liệu 5Gb/s

Mạng quang thế hệ tiếp theo, thế hệ 5, hệ thống quang lại tiếp tục phát triển và tập trung vào 2 nội dung chính sau Một là để tăng bước sóng đến dải L (1570nm 1610nm) và dải S (1485nm - 1520nm) để tăng số kênh WDM Hiện nay, hệ thống sóng quang được hoạt động ở cửa sổ bước sóng truyền thống là dải C (1530nm -

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 phi tuyến như SPM, XPM và FWM

là rất 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 5: Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành đề tài song do trình độ và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, chuyên gia chuyên nghành, đồng nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Khái quát chung

Cuộc sống ngày nay ngày càng phụ thuộc nhiều vào thông tin, yêu cầu chúng ta phải luôn nắm thông tin trong tay mình bất cứ lúc nào, bất cứ dạng thông tin nào chúng ta cần Thông tin được cung cấp thông qua mạng lưới có phạm vi toàn cầu của các mạng truyền tin, chúng được bổ xung liên tục hàng ngày bằng mạng internet và mạng truyền tin chế độ đồng bộ (ATM), nhưng thật không

may, không đử năng lực để chứa dung lượng (dải thông) đòi hỏi

Việc đi vào công nghệ sợi quang được xem như là một giải pháp cứu tinh cho việc đáp ứng những đòi hỏi trên bởi những tiềm năng vô hạn của nó:

Càng ngày càng có nhiều người sử dụng mạng dữ liệu, các loại hình sử dụng của họ cũng liên tục phát triển điều này dẫn tới dải thông càng ngày càng phải lớn, các ứng dụng mạng tập trung như lướt WEB, ứng dụng JAVA…Vấn đề nổi bật lên là các thiết bị truyền dẫn mạng có dung lượng cao, mà năng lực của nó có thể truyền tới các điểm ở xa với dòng tốc độ cao (ATM) mạng có thể cung cấp

Băng thông của một sợi đơn mode có thể đạt tới gần 50Tbps, có tốc độ lớn gấp nhiều lần tốc độ điện chỉ cỡ vài gigabit/1s(Gbps)

Sự thực rằng tốc độ lớn nhất ở các end_user có thể truy nhập vào mạng bị giới hạn bởi tốc độ điện ( khoảng vài Gbps ), vấn đề chính trong việc thiết kế mạng thông tin quang là yêu cầu khai thác được băng thông cực lớn để có thể đưa cùng một lúc nhiều sự truyền dẫn user vào trong các kiến trúc và các giao thức mạng Trong một mạng thông tin quang, sự đồng thời này có thể nhận được bằng bước song hay tần số(

bộ ghép kênh phân chia bước song WDM ), khe thời gian( bộ ghép kênh phân chia khe thời gian TDM ), hay dạng song( ghép kênh phân chia mã )

1.2 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống thông tin quang

1.2.1 Ưu điểm

+ Dải thông lớn

+ Độ suy giảm tín hiệu nhỏ

+ Méo tín hiệu nhỏ

+ Yêu cầu công suất nhỏ

+ Yêu cầu công suất nhỏ

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

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin

Đây là nguyên lý thông tin mà loài người đã sử dụng ngay từ khi khai sỉnha các hình thức thông tin Trong sơ đồ này, tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi

Nơi tín hiệu phát đi

Thiết bị phát

Môi trường truyền dẫn

Thiết bị thu

Nơi tín hiệu đến

Phía phát tín hiệu

Phía thu tín hiệu

trường truyền dẫn tương ứng, ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền Như vậy tín hiệu

đã được thông tin từ nơi gửi tín hiệu tới nơi gửi tín hiệu đến

1.4 Các thông số truyền dẫn quang cơ bản

1.4.1 Các sợi quang đơn mode dùng trong hệ thống quang tốc độ cao

Khi phân tích các sợi quang ta thấy rằng sợi đơn mode có suy hao nhỏ và có băng tần rất lớn Điều đó khẳng định vai trò và năng lực của nó trong mạng viễn thông hiện đại

và trong tương lai Tuy nhiên để nâng cao hơn nữa khả năng sử dụng sợi đơn mode thông thường người ta tiếp tục thay đổi một số tham số trong cấu trúc sợi này Nhờ tối ưu hoá sợi đơn mode, công nghệ quang sợi đã cho ra đã cho ra đời một loại sợi mới có suy hao rất nhỏ, có chất lượng truyền dẫn tốt hơn, tích băng tần cự li lớn và có tuổi thọ cao sẽ đáp ứng được yêu cầu cao của những hệ thống truyền dẫn tốc độ cao

Có thể nhận thấy rằng có thể tạo được các loại sợi quang dẫn mới khi thay đổi mặt cắt chỉ số chiết suất của lõi sợi Cho tới nay người ta đã thiết kế và chế tạo hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trong các hệ thống thông tin quang dựa theo nguyên tắc trên, đó là sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispertion-Shifted Fiber)

và sợi đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF(Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber)

Sợi DSF là sợi quang đơn mode có bước sóng λο nằm trong vùng bước sóng bước sóng 1550 nm (1525nm- 1575nm) mà tại đó giá trị tán sắc bằng không, và sợi này được sử dụng tối ưu cho các bước sóng nằm xung quanh 1550nm Do sợi quang đơn mode DSF có

cả suy hao nhỏ giống như sợi đơn mode SMF thông thường và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất

có hiệu quả trong việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier), trong đó hiệu quả nhất là đối với các hệ thống đơn kênh quang Như vậy, nhờ loại sợi này mà ta có thể xây dựng được các hệ thống thông tin quang có tốc độ cao, cự ly xa chẳng hạn như các hệ thống thông tin cáp quang biển

Sợi NZ-DSF là sợi quang đơn mode có giá trị tán sắc mà giá trị tuyệt đối của nó nhỏ nhưng không bằng không trong vùng bước sóng 1550nm, bước sóng mà tại đó tán sắc bằng không nằm ở ngoài vùng bước sóng 1500nm - 1600nm Sợi này được coi là tối ưu trong các hệ thống thông tin quang hoạt động tại các bước sóng nằm trong vùng bước sóng 1500nm - 1600nm, khi kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng trên 1 sợi quang, lúc này phi tuyến của sợi quang lại cần phải xem xét kĩ lưỡng Đáp ứng phi tuyến này gây

ra thêm một loạt các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM(Four Wave Mixing), tự điều chế pha SPM(Self Phase Modulation) Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM gây ra nhiều phức tạp hơn cả Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thích hợp với các hệ thống WDM có dung lượng vả cự ly xa Sự ra đời của sợi NZ-DSF vào năm 1994 đã giải quyết được vấn đề này Đặc tính suy hao của sợi này tương tự như sợi đơn mode thông thường SMF, nhưng điểm nổi bật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu

là 0,lps/km.nm Dmin Dmax 6 ps/km nm trong vùng bước sóng 1530nm- 1565nm

Có hai loại sợi NZ-DSF Loại sợi +NZ-DSF có điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng < 1500nm như được thể hiện trong hình 2.4 Loại sợi -NZ- DSF có điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng > 1600nm Ngoài ra còn có loại sợi NZ-DSF có hai điểm tán sắc bằng không thuộc loại sợi tán sắc phẳng

Hình 1.2 Tán sắc của các loại sợi SMF DSF và NZ-DSF

Ngoài các ưu điểm về suy hao và tán sắc như đã phân tích ở trên, sợi NZ-DSF còn có các đặc điểm rất mạnh khác như khả năng giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và giảm tán sắc phân cục mode Nhìn chung các sợi quang được thiết kế để dịch chuyển tán sắc thường có diện tích hiệu dụng Aeff khoảng 50-60 2

m Trong khi

đó ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tại tỉ lệ nghịch với Aeff đối với các hiệu ứng tán xạ Brillouin được kích thích SBS(Stimulated Brillouin Scattering), tán xạ Raman được kích thích SRS (Stimulate Raman Scattering), SPM, FWM Còn các ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lại tỉ lệ nghịch với (Aeff)2

đối với hiệu ứng XPM Do đó để

giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tích hiệu dụng của sợi Các sợi NZ-DSF đã sử dụng cơ chế này để nâng cao năng lực ứng dụng của chúng Cũng vì vậy mà sợi quang cho phép có thể tiếp nhận công suất tín hiệu quang lớn hơn

và làm cự ly truyền dẫn càng dài thêm, làm giảm tổng số thiết bị sử dụng trên tuyến Hiện nay đã có 1 số sợi tiên tiến thuộc loại NZ-DSF ra đời Tiêu biểu là sợi NZ-DSF của Corning có tên là SMF-LS ra đời năm 1997, LEAF ra đời năm 1998 Lucent thì sản xuất sợi True wave RS.Và đặc biệt Alcatel cho ra đời sợi Teralight năm 1999, tiếp đó Teralight metro và teralight Ultra, những loại cáp này hoàn toàn phù hợp với

hệ thống tốc độ cao 40Gb/s

Như vậy có thể thấy rằng loại sợi tán sắc dịch chuyển DSF ra đời với mục đích dịch chuyển vùng tán sắc tối ưu của sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF về vùng bước sóng 1550nm, còn sợi NZ-DSF tiếp tục hợp lý hoá sợi DSF để trở thành sợi có khả năng hạn chế hiệu ứng phi tuyến mà tiêu biểu là giảm FWM, để ứng dụng hiệu quả cho các hệ thống WDM mà vẫn đảm bảo cự ly truyền dẫn dài Về đặc tính suy hao của cả ba loại sợi SMF, DSF, NZ-DSF nhìn chung đều giống như nhau Tuy nhiên chỉ có tán sắc CD và tán sắc PMD là có sự khác nhau Từ các đặc tính của các loại sợi như vậy cho nên nếu sử dụng chúng phù hợp trong từng ứng dụng cụ thể sẽ có rất nhiều hiệu quả cả về mặt kỹ thuật và kinh tế

Bảng 1.1 Một số loại sợi NZ-DSF

Loại sợi

SMF-LS DSF

NS-Submarine SMF-LS NS-DSF

Enhanced

Teralight ultra

Đường kính vỏ phản xạ, m 125,0 1 125,0 1 125,0 1 125,0 1 125,0 1Đường kính vỏ phản xạ,

1.4.2 Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang

Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó tác động vào toàn bộ quá trình thông tin, định cỡ về khoảng cách

và tốc độ tuyến truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang

Sự suy hao trong sợi quang dẫn đến việc giảm công suất tín hiệu khi lan truyền

qua một khoảng cách nào đó Để xác định khoảng cách lớn nhất mà một tín hiệu có

thể truyền đối với một công suất phía phát đưa ra và độ nhạy máy thu thì phải xét tới

sự suy giảm tín hiệu Độ nhạy của máy thu là công suất nhỏ nhất mà máy thu yêu cầu

để nhận được tín hiệu Gọi P(L) là công suất của xung quang, L là khoảng cách (km)

từ đầu phía phát và A là hệ số suy giảm của sợi (dB/km) Sự suy giảm được đặc trưng bởi phương trình:

(1.2) Khoảng cách lớn nhất giữa đầu phát và đầu thu (hay khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại) phụ thuộc vào suy hao chung A nhiều hơn công suất đưa ra của đầu phát như trước chúng ta đã nói suy hao thấp 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

tuyến truyền dẫn Quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiêu biện pháp khác nhau Vấn đề ta xét ở đây là suy hao bản chất ở bên trong sợi Trong quá trình truyền ánh sáng bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao và làm cho tín hiệu bị yếu đi khi qua một cự ly lan truyền ánh sáng nào đó Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, do tán xạ hay do bức xạ năng lượng ánh sáng Trong các suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu sợi bao gồm hấp thụ do tạp chất hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện, còn suy hao do tán xạ có liên quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi Còn suy hao bức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra

Từ phương trình trên ta có suy hao là

10 r

P 0 10

(1.3)

1.4.2.1 Hấp thụ tín hiệu trong sợi quang

Hấp thụ ánh sáng trong sợi dẫn quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bản

chất suy hao của sợi quang Hấp thụ này sinh do 3 cơ chế sau:

Hấp thụ do tạp chất: Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi dẫn quang là sự có mặt

của tạp chất có trong vật liệu sợi Trong thuỷ tinh thông thường, các tạp chất như nước

và con kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion sắt, crôm, coban, đồng và các ion nước OH Các sợi dẫn quang trước đây với lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ(ppb) có suy hao vào khoảng 1 đến 10 db/km

Hấp thụ vật liệu: Có thể thấy rằng hoạt động ở bước sóng dài hơn sẽ cho suy hao

nhỏ hơn Nhưng các liên kết nguyên tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu

Hấp thụ điện tử: Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích

thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn Lúc này bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu không kết tinh và kết tinh có quan hệ sau đây:

Hình 1.3 Các đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi quang với các cơ chế

1.4.2.2 Suy hao do tán xạ

Suy hao tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi gây ra Đó là do có những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Như vậy trong cấu trúc lõi sợi

sẽ bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn và mật độ phân tử thấp hơn mật độ trung bình

Do các yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánh sáng gọi là tán xạ Rayleigh Thực tế thì suy hao này làm giảm đi 1/4 công suất của bước sóng Đối với thuỷ tinh thuần khiết:

3

2 2

1.4.2.3 Suy hao uốn cong sợi

-Vi uốn cong: Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy

hao sợi cũng tăng lên Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ uốn cong đó Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy cảm với những chỗ vi uốn cong, nhất là về phía bước sóng dài

-Uốn cong Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng

tăng Dĩ nhiên không thể tránh khỏi việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không đáng kể Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất

đề nghị thông thường từ 30mm đến 50 mm

Hình 1.4 Sự suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R

1.4.3 Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang

Khi ánh sáng truyền lan trong sợi dẫn quang, hiện tượng làm cho các xung ánh sáng phát dọc theo sợi bị rộng ra được gọi là tán sắc ánh sáng Các xung lân cận bị dãn

ra tới một mức độ nào đó sẽ phủ chùm lên nhau, lúc đó việc thu và tách các xung này

ra ở đầu thu sẽ gặp nhiều khó khăn Tín hiệu thu được sẽ sai lệch đi và dẫn tới lỗi bit (BER) Vì vậy tán sắc sẽ hạn chế cự ly đường truyền L (km) cũng như tốc độ truyền

dẫn B(Gb/s)

Tín hiệu truyền dọc theo sợi dẫn sẽ bị méo Hiện tượng méo này là do tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc ở đây được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn, mà

ở đây vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong các mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát Độ rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó Độ dãn xung có thể được mô tả bằng công thức như sau:

n s

d L

L: Độ dài sợi quang n: Sự trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài

s:Bước sóng trung tâm :Độ rộng trung bình bình phương của phổ nguồn phát

1.4.3.1 Tán sắc vật liệu

Tán sắc vật liệu xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thuỷ tinh, loại vật liệu dùng

để chế tạo ra sợi quang và những thay đổi của chúng theo tần số sợi quang Có thể viết tán sắc vật liệu như sau:

n 2g : chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi

Nguồn gốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hưởng mà tại

đó vật liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ điện tử Chỉ số chiết suất của lõi và vỏ sợi được làm xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier và được tính chung bằng công thức sau:

2 M

Các tham số Bj, jthu được từ kinh nghiệm thông qua việc điền các đường cong tán sắc đo được vào biểu thức trên với M=3 Chúng phụ thuộc vào hàm lượng các chất

kích tạp và được xếp thành vài loại sợi Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu Tán sắc vật liệu DM có ràng buộc với đường bao của ng bằng đẳng thức:

g M

dn 1 D

1.4.3.2 Tán sắc dẫn sóng

Tán sắc dẫn sóng Dw là một thành phần đóng góp vào tham số tán sắc tổng, nó

phụ thuộc vào tần số chuẩn hoá V của sợi quang và được viết như sau:

Hình 1.6 Tham số b và các vi phân của nó d (Vb)dV và Vd 2 (Vb) Vd 2 thay đổi theo V

Hình 1.7 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

Hình 1.6 mô tả các tán sắc Dw, DM và tán sắc tổng D= DW+DM cho sợi quang đơn mode tiêu biểu Tác động chính của tán sắc dẫn sóng là để dịch bước sóng ZD đi một một lượng 30-40nm nhằm để thu được tán sắc tổng D bằng không tại gần 1310nm Nó cũng làm giảm D từ giá trị tán sắc vật liệu DM trong vùng bước sông 1,3 - 1,6 m nơi rất hấp dẫn cho các hệ thống thông tin quang Giá trị tiêu biểu của tham số tán sắc D nằm

trong dải 15 20ps/km.nm ở gần bước sóng 1,55 m Vùng bước sóng này đang được

quan tâm rất nhiều vì có suy hao sợi nhỏ nhất Khi giá trị tán sắc D cao sẽ làm hạn chế đặc tính của các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm

1.4.3.3 Tán sắc vận tốc nhóm

Vận tốc nhóm kết hợp với mode cơ bản là một đặc trưng phụ thuộc tần số Vì vậy

mà các thành phần phổ khác nhau của xung sẽ lan truyền với các vận tốc nhóm hơi khác nhau, hiện tượng này được gọi là tán sắc vận tốc nhóm GVD(Group-Velocity Dispersion), tán sắc bên trong mode

Xét một sợi quang đơn mode có độ dài L Nguồn phát có thành phần phổ đặc trưng tại tần số sẽ đi từ đầu vào tới đầu ra của sợi sau một thời gian trễ T = L/vg với

vg là vận tốc nhóm được xác định:

1 g

dv

Việc vận tốc nhóm phụ thuộc tần số sẽ làm dãn xung là do các thành phần phổ khác nhau của xung đã bị phân tán trong khi lan truyền trong sợi quang và không đến

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:

2

2 2

D vào bước sóng hoạt động chi phối từ sự phụ thuộc vào tần số của chỉ số mode n D

có thể được viết như sau:

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 cực mode PMD(Polarization-mode dispersion) là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang đơn mode trong đó năng lượng tín hiệu tại bước sóng đã cho được chuyên vào hai mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền hơi khác nhau Tán sắc phân cực mode sẽ gây ra sự xuống cấp đặc tính dung lượng một cách nghiêm trọng Khi sợi quang đối xứng tròn và có một vài thay đổi có tính đối xứng trong khi chế tạo sợi quang ở mức độ nhỏ Điều này gây ra kết quả là trạng thái truyền lan của tín hiệu quang sẽ bị kích thích khi nó lan truyền dọc theo sợi và sự chênh lệch về trễ nhóm sẽ tồn tại dưới hai trạng thái truyền lan của

sợi đơn mode được gọi là tán sắc phân cực mode PMD

Hình 1.8 Tán sắc phân cực mode trong sợi quang

Thời gian trễ giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung với sợi quang

1: độ lệch trường liên kết trong sợi T / L: là đơn vị của PMD

Công thức trên không thể sử dụng trực tiếp xác định PMD cho sợi quang vì kết hợp của hai mode là ngẫu nhiên Vì vậy cần phải sử dụng một công thức khác để xác định PMD:

chiều dài sợi theo biểu thức:

Dp: tham số PMD

Sự dãn xung do PMD là nhỏ so với các hiệu ứng GVD Tuy nhiên PMD có thể trở thành nhân tố giới hạn cự ly xa của hệ thống thông tin sợi quang hoạt động tại bước sóng gần với bước sóng tán sắc bằng không

CHƯƠNG 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 nhắc khi đưa ra quyết định lựa chọn nguồn phát cho hệ thống quang sợi là:

- Đơn mode: Vì các lý do không tốt do các nguồn quang đa mode mang lại, rất nhiều laser đơn mode được chế tạo như laser phản hồi phân phối (DFB) và laser phản

xạ Bragg phân phối

- Nhiễu thấp: Có nhiều loại nhiễu trong thông tin quang như nhiễu pha, nhiễu cường

độ và nhiễu mode Nhiễu thấp rất quan trọng để giảm hệ số BER trong thông tin

- Phổ hẹp: Phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ đó dẫn đến giảm hiện tượng giãn xung ánh sáng do đó tăng được tốc độ truyền

- Công suất ra lớn: Công suất ra lớn làm tăng tỷ số (tín hiệu/tạp âm) và cho phép truyền được cự ly xa hơn

- Dòng ngưỡng nhỏ: Đối với diode laser, hiện tượng laser chỉ xảy ra khi dòng thiên áp lớn hơn một giá trị min gọi là dòng ngưỡng

Bước sóng: Các sóng ánh sáng tại các bước sóng khác nhau sẽ có các đặc tính lan truyền khác nhau

- Độ rộng phổ điều chế lớn: Trong thông tin quang có hai phương pháp điều chế: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Với mạng tốc độ cao phải thực hiện phương pháp điều chế ngoài

- Độ giãn phổ nhỏ: Giãn phổ là do chiết suất khúc xạ ánh sáng của nguồn quang Phổ lớn sẽ làm tăng hiện tượng tán xạ xung nên cần phải hạn chế nó

- Độ tuyến tính: Đối với thông tin tương tự, độ méo tín hiệu do sự không tuyến tính của nguồn sáng cần được giảm thiểu Độ không tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng sóng hài và xuyên âm

- Độ điều chỉnh được: Đối với các ứng dụng như ghép kênh theo bước sóng, khả năng điều chỉnh được bước sóng của diode laser là rất cần thiết Một diode laser điều chỉnh được cô hai đầu mối hoặc nhiều hơn cho phép người sử dụng điều chỉnh bước sóng ra Một diode laser điều chỉnh được gọi là tôi cần có vùng điều chỉnh tới vài nghìn GHZ

2.1.1 Laser phản hồi phân tán DFB

Mặc dù có công nghệ phức tạp nhưng laser DFB vẫn thường được sử dụng vì chúng thoả mãn được những yêu cầu cao về kĩ thuật Đặc điểm nổi bật của laser bán dẫn là thiết lập được sự cân bằng về tốc độ, khống chế được sự tương tác giữa photon

và điện tử trong vùng tích cực Khi dòng thiên áp nhỏ, bức xạ kích thích đều bị hấp thụ hết, lúc này ở đầu ra chỉ có bức xạ tự phát, phổ của bức xạ này rộng Cần phải điều chỉnh làm hẹp phổ đầu ra, điều này được thực hiện bằng cách tăng dòng thiên áp tới một mức nào đó, gọi là dòng ngưỡng

Dòng ngưỡng được xác định như sau:

)

Va: thể tích lớp tích cực (1,5 10-16) c: thời gian sống của hạt mang (3.10-10)

N0: mật độ hạt mang ở trạng thái trong suốt (1012

) : hệ số giam quang (0,4)

a0: hệ số tăng ích (3,2.10-20) Vg: vận tốc nhóm (7,5.107)

DFB laser có một đặc tính độc nhất được tạo thành từ cấu trúc của cách tử bên trong là có độ rộng tia hẹp, điều này làm cho băng tần truyền dẫn lớn hơn, làm giảm sự ảnh hưởng của nhiệt độ so với các loại diode laser bán dẫn khác Laser DFB cũng có đáp ứng tuyến tính hơn so với các loại khác Chính vì những lý do trên khiến cho laser DFB đã được sử dụng làm nguồn phát trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao 40Gb/s Hình dưới đây mô tả cấu trúc Laser DFB

Hình 2.1 Cấu trúc của DFB

Laser DFB:Dùng kiểu phản xạ Bragg để khử các mode không mong muốn Nguyên tắc của laser DFB gồm có sự hợp thành của cấu trúc gấp nếp (cách tử nhiễu

xạ) dọc theo hố có bề mặt phủ một lớp chống phản xạ, như trong hình trên.Sự thay đổi

có chu kỳ của chỉ số khúc xạ hiệu dụng dọc theo hướng truyền sóng xuất hiện hồi tiếp ánh sáng do hiện tượng nhiễu xạ Bragg Do vậy ngược với các laser FP thông thường thì hồi tiếp trong laser DFB không chỉ hạn chế tại bề mặt mà còn phân bổ dọc theo toàn hốc Hồi tiếp chỉ xảy ra đối với bước sóng B thoả mãn điều kiện Bragg:

n B

2

A 2.2m

với A: chu kỳ cách tử, m: số nguyên cho biết bậc của nhiễu xạ Bragg,

n: chỉ số khúc xạ hiệu dụng của môi trường nếp gấp

Hồi tiếp mạnh nhất chỉ xảy ra đối với nhiễu xạ Bragg bậc 1 (m=l) Vì vậy đối với laser DFB hoạt động tại bước sóng 1550 nm, thì (2.2) cho ta biết rằng A phải nhỏ bằng

230 nm (n=3,4) DFB cho thấy sự nổi bật về mật độ ổn định và tỷ lệ nén mode biên (SMSR).Hiện nay cấu trúc tốt nhất cho sự hoạt động đơn mode ổn định là laser DFB dịch một phần tư sóng, trong đó cách tử dịch được một khoảng n / 4 ở giữa hốc (cấu trúc như vậy cho giá 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 tạo xung, bộ điều chế xung mã, laser, bộ điều chế ngoài, các bộ lọc quang và điện Sơ đồ khối nguyên lí của nguồn phát được biểu diễn trên hình 2.2:

Hình 2.2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật điều chế ngoài

Để tránh các hiện tượng chirping và phân chia mode không mong muốn luôn xẩy

Bộ

tạo

xung

Bộ điều chế xung

Bộ lọc điện

Laser

Điều chế

Bộ lọc quan

g

Nguồn nhiễu

ra đối với các bộ phát sử dụng kĩ thuật điều chế trực tiếp thì kĩ thuật điều chế ngoài là một phương pháp thay thế hết sức hiệu quả Cấu trúc cơ bản của một bộ điều chế ngoài thông thường bao gồm một ống dẫn sóng quang có chiết suất phần dẫn quang có thể thay đổi được thông qua một sông mang chứa thông tin cần truyền tải Dựa trên cách thức biến đổi chiết suất môi trường dẫn sóng, người ta chia các bộ điều chế ngoài làm hai loại là điều chế điện quang (EO) và điều chế âm quang (AO) tuỳ thuộc vào tín hiệu đưa vào thay đổi chiết suất môi trường, là mức điện áp biến đổi hay sóng âm

Trong một hệ thống thông tin quang, bộ điều chế quang cần có những tính chất như băng thông rộng, độ sâu điều chế lớn, tổn hao tín hiệu nhỏ, công suất điện tiêu thụ thấp và mức điện áp hoạt động thấp

2.1.2.1 Ưu điểm của nguồn điều chế ngoài

- Băng tần điều chế rộng: một bộ điều chế chất lượng tốt cần có thời gian đáp ứng nhanh đối với tín hiệu đưa vào điều chế Tốc độ đáp ứng của bộ điều chế được đặc trưng bởi thông số độ rộng băng tần điều chế Độ rộng băng tần điều chế của một bộ điều chế quang bị giới hạn do các tính chất của bản thân vật liệu chế tạo và cấu trúc hình học của bộ điều chế

- Độ sâu điều chế cao: Để nâng cao hiệu suất truyền tải và tăng chất lượng thu nhận tín hiệu, tín hiệu điều chế (biên độ tín hiệu hoặc pha) cần có dải động lớn

- Độ tuyến tính cao: Đây là thông số hết sức quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu Để giảm thiểu độ méo tín hiệu yêu cầu các bộ điều chế phải có tính tuyến tính cao

- Kích thước nhỏ: Các bộ điều chế ngoài có kích thước tuỳ thuộc vào vật liệu được

sử dụng và yêu cầu về độ sâu điều chế Nhìn chung các bộ điều chế ngoài có kích thước tương đối nhỏ cho phép thiết lập hệ thống một cách linh hoạt trong thực tế

- Không phụ thuộc vào độ phân cực ánh sáng: nói chung các hệ số chuyển đổi điện quang trong bộ điều chế điện quang hay hệ số chuyển đổi âm quang trong bộ điều chế âm quang đều phụ thuộc vào độ phân cực của ánh sáng quang đưa vào điều chế

- Suy hao xen thấp: Suy hao xen bao gồm suy hao gây ra do ghép nối và do vật liệu chế tạo bộ điều chế quang Suy hao của các thiết bị đều ảnh hưởng tới quỹ công suất của hệ thống nên đòi hỏi các thiết bị đều phải có suy hao xen càng nhỏ càng tốt

- Công suất tiêu thụ thấp và điện áp hoạt động nhỏ, nhìn chung đối với các bộ điều chế ngoài, công suất tiêu thụ tỉ lệ với tốc độ điều chế tín hiệu, mức điện áp nuôi tỉ lệ với

độ sâu điều chế Tuỳ theo yêu cầu của hệ thống mà lựa chọn các thông số phù hợp Trong kĩ thuật điều chế ngoài, laser được thiết lập ở chế độ ban đầu hoạt động liên tục Khối điều chế ngoài nhận tín hiệu từ khối tạo xung và công suất quang từ laser để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang lối ra

2.1.2.2 Nguyên lý điều chế ngoài

Để hiểu được cơ sở vật lý và những thiết kế khác nhau của bộ điều chế ngoài, trước tiên ta tìm hiểu nguyên lý cơ bản của bộ điều chế ngoài Kỹ thuật điều chế này được chia ra làm hai loại là điều chế điện quang (EO) và điều chế âm quang (AO) Trong phương pháp điều chế điện quang, chỉ số chiết suất của môi trường được thay đổi bởi tín hiệu điện áp bên ngoài Còn trong điều chế âm quang, sự thay đổi chiết suất môi trường được thực hiện bởi một sóng âm

Điều chế điện quang (EO): Một bộ điều chế E0 có thể hiểu đơn giản như một kênh quang hay một ống dẫn sóng mà ánh sáng có thể truyền qua Sự thay đổi chiết suất môi trường trong điều chế EO làm cho ánh sáng tới khúc xạ khác nhau ở sự phân cực khác nhau Sự phân cực của sóng ánh sáng theo hướng của điện trường, nó có thể cùng hướng với hướng ban đầu hoặc bị quay đi như sự truyền sóng ánh sáng

Chiết suất môi trường sẽ thay đổi theo sự thay đổi điện trường tác động lên nó, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng điện quang và được sử dụng trong bộ điều chế điện quang Vận tốc của ánh sáng trong vật liệu sẽ được điều khiển bởi chỉ số chiết suất, tăng chỉ số chiết suất sẽ làm giảm vận tốc ánh sáng, giảm chiết suất sẽ tăng tốc độ ánh sáng Sự thay đổi đó tỉ lệ với điện thế của tín hiệu điều khiển Vật liệu chế tạo bộ điều chế EO thường

là LINBO3 Bộ điều chế đó thường được gọi là bộ điều chế Mac-Zehnder Ống dẫn sóng thường được làm với sự khuếch tán Titanium và Hydrogen vào LINBO3

Hình 2.3 Bộ điều chế Mach-Zehnder

Sau đây ta sẽ xem xét một số thông số của bộ biến điệu Mach-zehnder

Hình sau mô tả sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu biên độ Mach-zehnder:

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu điện quang Mach-Zehnder

Giả sử tỷ lệ liên kết ở đầu vào và ở đầu ra cửa 2 nhánh là không cân bằng Gọi a2

là tỷ lệ liên kết theo công suất của trường tới với kênh dẫn sóng ở bên trên, và b2

là tỷ

lệ liên kết theo công suất của kênh dẫn sóng ở bên ở đầu ra Gọi [l -a2

] và [l-b2] là các đại lượng tương ứng với kênh dẫn sóng bên dưới Gọi Eo lad điện trường tới trong kênh dẫn sóng ở đầu vào, 1, 2 là độ lệch pha tương ứng đối với mỗi nhánh do sự áp các hiệu thế điều khiển V1, V2 Người ta chứng minh được rằng trường trong kênh dẫn sóng ở đầu ra là:

1,2

V

Trong đó là bước sóng trong chân không ~l,5 m

N là chiết suất tuyến tính của mode ~2,2

G là khoảng cách giữa các điện cực ~l,5 m

Vl,2 là điện thế được áp vào điện cực 1 hoặc điện cực 2

là hệ số che phủ giữa trưởng quang và trường điện ~0,5

R là hệ số điện quang đối với cấu hình được xét (r33)~ 30pm/v

Người ta nhận thấy rằng cường độ sáng đạt tới giá trị cực đại Imax hoặc cực tiểu

Imin năm tuỳ theo giá trị của sự lệch pha giữa 2 nhánh của giao thoa kế Sự lệch pha tương ứng là , điều đó được thực hiện khi hiệu thế giữa các điện thế áp bằng hiệu thế

chuyển trạng thái V cần thiết để thu được sự lệch pha này:

3

GV

+ Một thông số quan trọng của bộ biến điệu là tỷ lệ dập tắt ext

m in ext

1 RI

(2.7)

R dis : là ty lệ bất đối xứng của sự liên kết giữa 2 nhánh của giao thoa kế

+ Hệ số liên kết pha-biên độ dư (hay thông số "chirp"): được định nghĩa như sau:

ddt2IdIdt

2

I là cường độ sáng tỷ lệ với bình phương của trường quang

- Điều chế âm quang (OA): trong điều chế âm quang, sự điều chế chu kì thay đổi của chỉ số khúc xạ bởi một cách tử Kết quả là ánh sáng tới bị nhiễu xạ Vì vậy cách tử

có thể điều khiển ánh sáng được truyền qua hay ánh áng sẽ bị nhiễu xạ Nhìn chung, cấu trúc của cách tử bên trong bộ điều chê OA giống như cấu trúc bộ phản xạ Bragg trong laser DFB Kết quả là có hai sóng bên trong bộ điều chế, một sóng cùng hướng với ánh sáng tới, sóng còn lại bị nhiễu xạ bởi cách tử Hai sóng sẽ tương tác, ảnh hưởng lẫn nhau trong bên trong bộ điều chế

Sự kết hợp giữa âm thanh và ánh sáng đã được Brillouin tiên đoán từ năm 1992 Điều chế âm quang sử dụng sóng âm để điều chế chỉ số khúc xạ của môi trường Sự biến đổi của sóng âm sẽ nén hoặc kéo dãn mẫu theo chu kỳ, kết quả tạo ra sự thay đổi chỉ số chiết suất của môi trường theo chu kỳ Sự thay đổi chiết suất môi trường theo chu kỳ sẽ tác động như 1 cách tử pha, nó sẽ làm nhiễu xạ 1 phần hay toàn bộ ánh sáng truyền qua

Sự tương tác giữa ánh sáng tới và sóng âm phụ thuộc vào sự phân cực của chúng bởi vì môi 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:

Hình 2.5 Bộ điều chế âm quang (a) Tán xạ Bragg dịch chuyển xuống, bộ Tán xạ Bragg dịch chuyển lên

Sự truyền dẫn sóng trong môi trường dị hướng: điều cần nói đến đầu tiên là môi trường có những đáp ứng khác nhau đối với sự phân cực ánh sáng tới gọi là môi trường

dị hướng (Anisotropic) Còn môi trường có những đáp ứng giống nhau đối với sự phân cực ánh sáng tới gọi là môi trường đẳng hướng (Isotropic) Khi môi trường của một bộ điều chế ngoài được điều chế thì nó có thể chuyển từ môi trường đẳng hướng sang môi trường dị hướng Trên thực tế, để đạt được độ sâu điều chế lớn và hiệu suất cao, bộ điều chế ngoài phải có đáp ứng tại môi trường dị hướng lớn

2.2 Bộ thu quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s)

Bộ thu quang là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang Sở dĩ như vậy vì bộ phận này là nơi thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới, hoạt động của nó có ảnh hưởng quan trọng tới chất lượng của toàn

bộ hệ thống truyền dẫn Chức năng chính của bộ thu quang là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Bộ thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và độ tin cậy cao

Yêu cầu xây dựng các tuyến thông tin cao đòi hỏi các thiết bị thu phải có độ nhạy thu cao và nhiễu rất thấp Vì thế công nghệ mạch tích hợp được đặt ra cho các thiết bị thu quang Trong các thiết bị thu quang, ngoại trừ photodiode thì tất cả các thành phần thiết bị đều là các thành phần điện chuẩn Các thành phần này đều có thể

dễ dàng được tổ hợp trên cùng một chip (hay mạch) bằng cách sử dụng công nghệ mạch tổ hợp IC (Integrated circuit) đã được phát triển cho các thiết bị vi mạch Gần đây những cố gắng đáng kể đã hướng trọng tâm vào việc phát triển các thiết bị thu

quang đơn khối nhằm tổ hợp toàn bộ các phần tử bao gồm cả bộ tách sóng quang trên cùng một chip nhờ việc áp dụng công nghệ OEIC (Optoelectronic Integrated circuit) Việc tổ hợp toàn bộ thiết bị như vậy là tương đối dễ với bộ thu GaAs, và công nghệ phía sau OEIC dựa trên GaAs là hoàn toàn tiên tiến Đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động tại vùng bước sóng 1,3 đến 1,6 m thì cần phải có các bộ thu OEIC dựa trên InP Vì công nghệ IC đối với GaAs đã thành thục hơn nhiều đối với InP cho nên đôi khi người ta thực hiện áp dụng cho bộ thu với công nghệ InGaAs Công nghệ này được gọi là công nghệ OEIC flip-chip, trong đó các thành phần điện được tổ hợp trên chíp GaAs, ngược lại photodiode được làm trên đỉnh của chíp InP Rồi sau đó hai chíp được ghép nối với nhau bằng cách đặt nhẹ chíp InP lên trên chíp GaAs Tính tiên tiến của công nghệ này là photodiode và các thành phần của bộ thu có thể được làm tối

ưu một cách độc lập trong khi vẫn giữ được tính chất kí sinh

Nhìn chung, trong việc thiết kế tổ hợp thiết bị thu quang, front-end của bộ thu quang là một bộ phận khó thiết kế nhất, đặc biệt trong hệ thống thông tin quang tốc độ bit cao và cự ly dài, bởi vì độ nhạy của các hệ thống này thường là bị giới hạn từ đặc tính của mạch front-end đòi hỏi một sự hài hoà giữa tốc độ bộ và độ nhạy thu Front-end bộ thu thường được phân cấp thành Hybrit IC (HIC), Microwave Monolithic IC (MMIC), và Optoelectronic (OEIC) bằng cách kết hợp bộ tách sóng quang và tiền khuếch đại với nhau Đối với hệ thống thông tin sợi quang nhiều Gb/s, HIC có thể được sử dụng Tuy nhiên, các đặc tính mâu thuẫn của từng thành phần thụ động tích cực riêng rẽ có vi hiệu chỉnh để đạt được độ nhạy cao nhất của nó Đây cũng là điểm yếu và hạn chế đối với các phần tử kí sinh Vì vậy, hiện nay các thiết kế MMIC và OEIC là thích hợp cho hệ thống tin cậy

Đối với mạng thông tin quang tốc độ 40Gb/s bộ thu quang bao gồm: một bộ tiền khuếch đại, một photodiode có cấu trúc đặc biệt với công suất cao, một đế InP đơn khối được tổ hợp trong mạch tích hợp quang điện OEICs (optoelectronic integrated circuits) OEICs được kết hợp các chức năng như tách sóng, khuếch đại và dẫn sóng OEICs sử dụng chất nền bán dẫn và lớp dẫn sóng quang bán dẫn

Cấu trúc 1 bộ thu quang tổ hợp OEICs được mô tả như hình sau:

Hình 2.6 Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs

Sự tích hợp bộ tách sóng được thực hiện bằng cách hình thành lớp MOVPE lên trên lớp dẫn sóng và lớp photodiode tích cực Mạch tích hợp sẽ hoạt động tốt khi được tích hợp bộ tách sóng kép Bước tiếp theo là tích hợp bộ khuếch đại điện, trên lớp đáy InP còn có thêm lớp khuếch đại sóng chạy HEMT OEICs được chế tạo trong 2 bước, lớp MOVPE/MBE enpitaxy tiếp xúc để ổn dẫn sóng kết hợp với photodiode và lớp HEMT, cho phép tối ưu sự độc lập của từng thiết bị Tất cả các thiết bị được tích hợp trên bề mặt của lớp nền bao gồm ba lớp dẫn quang gắn vào bên trong InP và một lớp dẫn sóng dầy phủ bên trên Photodiode kép được hình thành trên bề mặt khối trên Sau khi photodiode được hàn vào khối trên, suy giảm MBE được sử dụng để hình thành lớp AlInAs/GaInAs HEMT Tất cả các thiết bị đều được bảo vệ tốt bởi 1 chất điện môi được pha tạp sắt HEMT và photodiode đều được kết hợp bằng phương pháp khắc hoá học khô DCE (Dry Chemical Etching) Xử lý MMIC tiếp theo bao gồm việc tạo ra điện trở Nicr, tụ điện và kết nối kim loại với nhau Tụ điện MIM và màng điện trở kim loại được coi như thiết bị thụ động dùng để khuếch đại và định thiên trong photodiode

Có hai loại bộ tách sóng đem lại nhiều lợi ích nhất là bộ tách sóng Twin và bộ tách sóng Balance

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG TUYẾN TRUYỀN DẪN

QUANG TỐC ĐỘ CAO

Mặc dầu việc sử dụng ion đất hiếm làm môi trường khuếch đại cho khuếch đại quang đã được lưu y từ rất sớm (1964), EDFA vẫn chưa được thực hiện cho đến khi người ta chế tạo được sợi quang pha tạp tổn hao thấp EDFA hứa hẹn tạo ra một cuộc cách mạng trong công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang, với giá thành thấp, trong khi có thể tăng cường được khả năng và độ tin cậy của mạng EDFA có thể sử dụng làsm một

bộ khuếch đại công suất để tăng công suất truyền dẫn, làm trạm lặp quang để bù tín hiệu yếu và làm các bộ tiền khuếch đại quang để tăng độ nhạy máy thu Từ những thành công này, người ta đã sử dụng nó làm một trạm lặp thế hệ mới trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang xuyên ngầm dưới biển Điều đó đã chứng minh lợi ích và khả năng của EDFA trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang trong tương lai

3.1 Khuêch đại đường truyền

3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Ba dạng cấu trúc khác nhau của EDFA được mô tả qua hình (3.1) Sợi quang có pha trộn nguyên tố EDFA được ghép nối với sợi quang thông thường và có thể ghép với các thiết bị khác Ánh sáng bơm được kết hợp với tín hiệu và nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống Ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi có pha tạp Ethium và bị hấp thụ khi các ion Erbium được đưa lên trạng thái kích thích Khi tín hiệu được truyền vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu

EDFA là một thiết bị được bơm quang học, do đó năng lượng được cung cấp bởi một nguồn quang (một LD), để phun năng lượng vào sợi quang pha tạp ở bước sóng phù hợp với các đặc tính của Erbium (980 hoặc l480nm) Việc bơm có thể thực hiện theo hướng thuận (hình a), hướng ngược (hình b ) hoặc theo cả 2 hướng (hình c) Khuếch đại xảy ra bởi sự truyền năng lượng từ sóng bơm đến sóng tín hiệu khi nó truyền xuống sợi quang pha tạp Với hình (a) kết cấu này đưa tín hiệu quang và bơm quang vào sợi quang trộn Erbium trên cùng một chiều, còn gọi là bơm phía trước Còn bơm ngược thì tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn Erbium từ hai hướng khác nhau Hình (c) là kết cấu đồng thời bơm cùng chiều và ngược chiều EDFA hoạt động thông qua hệ thống 3 mức năng lượng Hình vẽ (3.2) miêu tả quá trình này

Hình 3.1 Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA

Các mức El, E2, E3, tương ứng là mức đất, mức gần ổn định và mức bơm Mật

độ của ion Er3+ được biểu thị bởi các Nl, N2, N3 trong đó Nl> N2> N3 khi hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt (không bơm) Khi bơm, những mật độ này thay đổi do các ion di chuyển qua lại giữa các mức năng lượng, kèm theo sự phát xạ hoặc hấp thụ photon ở các tần số được xác định bởi sự sai khác giữa các mức năng lượng Bước sóng đối với mỗi chuyển đổi được cho bởi quan hệ lượng tử: hc / E , trong đó

h là hằng số Planck và E là sự sai khác giữa các mức năng lượng Trong thực tế, ba

mức trong sơ đồ trên là các dải hẹp, do đó mỗi chuyển đổi thực tế được kết hợp với một dải bước sóng

Hai bước sóng bơm điển hình được sử dụng trong EDFA là 980nm và 1,480nm Như chỉ ra ở hình trên, bằng cách hấp thụ năng lượng từ một cái bơm 980nm, các con

Er+3 ở trạng thái đất nhảy lên đến trạng thái E3 Tốc độ mà ở đó xảy ra những dịch chuyển này tỷ lệ thuận với NlPp trong đó Pp là công suất bơm Các ion được kích thích này lại phân rã một cách tự phát xuống trạng thái gần ổn định E2 Và dịch chuyển này ở