nghiên cứu và thảo luận phương pháp bù tán sắc DCF

nghiên cứu và thảo luận phương pháp bù tán sắc DCF

LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời biết ơn chân thành đến người thân, đến quý Thầy Cô khoa Điện Tử- Viễn Thông, đặc biệt giáo viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Văn Nhị - người dìu dắt em suốt trình làm báo cáo Xin cảm ơn bạn sinh viên lớp giúp đỡ nhiều mặt như: phương tiện, sách vở, ý kiến …… MỤC LỤC 2.2 Các loại tán sắc 2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion): 2.2.2 Tán sắc sợi đơn mode .12 2.2.3 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion) 13 2.2.4 Tán sắc vật liệu (Material Dispersion) .15 2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion) .15 2.2.6 Tán sắc bậc cao (Higher-Order Dispersion) 18 2.2.7 Tán sắc phân cực mode (Polarization – Mode Dispersion) 18 2.3 Ảnh hưởng tán sắc hệ thống thông tin quang: 20 3.1 Sự cần thiết việc quản lý tán sắc 23 3.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation) 25 3.3 Kỹ thuật bù tán sắc đường dây (In-line) .26 3.3.1 Bù tán sắc sợi quang DCF .26 3.3.2 Bù tán sắc lọc quang 29 3.3.3 Bù tán sắc tín hiệu quang liên hợp pha OPC 30 3.3.4 Bù tán sắc cách tử Bragg(có tài liệu khác) .30 3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation) 32 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt BER DW DM DCF DFB Tiếng Anh Tiếng Việt Bit Error Rate Dispersion Wave Dispersion-managed Dispersion-Compensating Fiber Distributed Feedback Tốc độ lỗi Bit Tán sắc ống dẫn sóng Quản lý tán sắc Sợi quang bù tán sắc Phân bố hồi tiếp EDFA Erbium FSK GVD IL LED MD MFD MD S/N SMF TF WD WDM OPC OA PC PC Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang pha trộn Frequency Sequency Key Khóa dịch tần Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm In-line Kỹ thuật bù tán sắc đường dây Light Emitted Diode Nguồn phát dạng LED Material Dispersion Tán sắc vật liệu Mode Field Diameter Đường kính trường mode Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode Signal to noise Tín hiệu nhiễu Single Mode Fiber Sợi đơn mode Transversal Filter Bộ lọc ngang Waveguide Dispersion Tán sắc ống dẫn sóng Wavelength-Division Multiplexing G.kênh p.chia theo bước sóng Optical phase conjugation Liên hợp pha quang Optical Amplifer Bộ khuếch đại Post Compensation Kỹ thuật bù sau Precompensation Kỹ thuật bù tán sắc trước DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: danh sách đặc tính loại sợi có thị trường Đặc tính số loại sợi quang có tính thương mại thị trường Bảng 2: Cự ly bị hạn chế tán sắc trạm lặp (trị số lý thuyết) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Minh họa mở rộng xung tán sắc Hình 2: Tán sắc gây tăng BER Hình 3:Sơ đồ loại tán sắc sợi quang Hình 4: Cách thức luồng sang tương ứng với mode sợi quang Hình 5: Tán sắc mode sợi SI GI Hình 6: Sự phân bố cường độ ánh sáng sợi đơn mode MFD đường kính trường mode Hình 7: Tần số chuẩn hóa V Hình 8:cho thấy DM, DW tổng chúng D = DM + DW sợi quang đơn mode thông thường Hình 9: Sự phụ thuộc vào bước sóng hệ số tán sắc D sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc sợi san tán sắc Hình 10: Minh họa tán sắc phân cực mode Hình 11: kết tính toán xác định lượng công suất tín hiệu bị mát cho hệ thống thông tin quang 2,5Gbit/s Hình 12: Công suất quang bị tăng cự ly truyền dẫn hệ thống 2,5 Gbit/s Hình 13 : Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang công suất tín hiệu phát; b) Tần số công suất tín hiệu thu liệu điện giải mã Hình 14: Sử dụng sợi DCF tuyến quang Hình 15:Nguyên lý phương pháp bù tán sắc cách tử sợi Bragg CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUYÊN ĐỀ Viễn thông Việt Nam có bước phát triển mạnh mẽ vượt bậc, trở thành ngành kinh tế kỹ thuật mũi nhọn, đóng góp mạnh mẽ vào phát triển kinh tế xã hội nói chung đất nước Ngành Viễn thông ngành tiên phong đạt thành công lớn việc “mang chuông đánh xứ người” việc Tập đoàn viễn thông Quân đội Viettel mở rộng đầu tư kinh doanh thị trường nước Lào, Campuchia, Mozambique, Haiti, Peru tới Ucraina, Argentina, Cuba….Vai trò ngành Viễn Thông quan trọng việc phát triển kinh tế đảm bảo an ninh Quốc phòng Cuộc sống ngày nâng cao, nhu cầu trao đổi thông tin công việc giải trí người ngày cao, không đơn giản việc truyền thoại truyền thống, nhu cầu truyền liệu ngày đòi hỏi băng thông dung lượng đường truyền.Trong Viễn thông, hệ thống truyền dẫn có hai dạng vô tuyến hữu tuyến Do hệ thống vô tuyến có hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữu tuyến hình thức truyền dẫn hiệu quan trọng Trong truyền dẫn hữu tuyến sử dụng cáp đồng cáp quang Cáp đồng đảm trách băng thông dung lượng đường truyền lớn từ nhu cầu người Truyền thông sợi quang đời đánh dấu bước phát triển mạnh mẽ công nghệ truyền dẫn, với ưu điểm trội băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp…truyền dẫn quang trở thành công nghệ truyền dẫn ứng dụng tốc độ cao mạng truyền dẫn đường trục Truyền dẫn thông tin quang cáp sợi quang từ dời đến trải qua nhiều thời kỳ phát triển Ban đầu sợi quang đa mode có suy hao cao, với cự ly truyền dẫn vài km đến sợi quang đơn mode có suy hao thấp với cự ly truyền dẫn tăng lên hàng chục, chí hàng trăm km Cáp quang giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài quốc tế có tốc độ truyền dẫn cao cao, sử dụng đất liền vượt đại dương Tuy nhiên hệ thống thông tin quang dung lượng lớn gặp phải vấn đề lớn cần quan tâm : Suy hao, tán sắc hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng cự ly truyền dẫn hệ thống Vấn đề suy hao giải đơn giản việc sử dụng khuếch đại quang EDFA mạng WDM Ngày nay, hầu hết hệ thống truyền dẫn quang thiết kế hoạt động băng C, vùng bước sóng 1530nm – 1565nm, ưu điểm suy hao thấp vùng Các hiệu ứng phi tuyến bỏ qua hệ thống thông tin quang hoạt động mức công suất vừa phải khoảng vài mW với tốc độ bit lên đến 2,5 Gbps Tuy nhiên tốc độ bit cao 10 Gbps phải xem xét ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến Các ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến giảm sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn Vì vấn đề tán sắc vấn đề lớn hệ thống thông tin quang Khi sử dụng khuếch đại quang EDFA để bù suy hao lại gia tăng tán sắc, khuếch đại quang không khôi phục tín hiệu khuếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu Do tán sắc tích lũy qua khuếch đại làm giảm khả truyền tín hiệu Như biết, ảnh hưởng tán sắc đến tốc độ bit truyền tối đa sợi quang sau: Với dt tán sắc sợi quang Từ công thức ta dễ dàng nhận thấy mối quan hệ nghịch đảo tốc độ bit cự ly truyền dẫn sợi quang có tán sắc dt Do để tăng tốc độ bit truyền dẫn tăng cự ly truyền dẫn phải giảm thông số tán sắc dt xuống mức thấp Đã có nhiều mô hình điều khiển tán sắc nghiên cứu suốt thập niên 1990 để hạn chế tác động tán sắc hệ thống thông tin quang Trong chuyên đề giới thiệu phương pháp bù tán sắc nghiên cứu từ trước đến Có thể phân loại thành phương pháp bù tán sắc gồm kỹ thuật bù trước (Precompensation), kỹ thuật bù tán sắc đường dây (In-line) kỹ thuật bù sau (post compensation) Trong kỹ thuật bù đường dây có loại : bù tán sắc sợi quang DCF, lọc quang, cách tử Bragg hay tín hiệu quang liên hợp pha Trong hai phương pháp bù trước bù sau tỏ hạn chế chiều dài tuyến quang lớn, đòi hỏi phải bù tán sắc theo chặng phương pháp bù tán sắc đường truyền tỏ hiệu sử dụng phổ biến thực tế Mặc dù phương pháp dùng sợi bù tán sắc (DCF) bị hạn chế suy hao ghép lớn, công suất sợi quang phải đảm bảo đủ nhỏ để hiệu ứng phi tuyến không xảy giá thành để lắp đặt cao, nhiên DCF sử dụng rộng rãi dải bước sóng hoạt động rộng hay khắc phục thời gian trễ nhóm tốt, đặc biệt tính đơn giản phương pháp Do chuyên đề Nhóm định chọn DCF phương pháp bù tán sắc để nghiên cứu thảo luận chi tiết chương báo cáo Trong kỹ thuật sử dụng DCF này, tán sắc dương sợi truyền dẫn bù với tán sắc âm DCF xen đường truyền DCF thiết kế module kích thước nhỏ gọn có nhiều mức chọn lựa tán sắc Yêu cầu phải có DCF suy hao xen thấp, suy hao phụ thuộc phân cực thấp, tính phi tuyến thấp DCF phải có đường kính lõi nhỏ kích thước module nhỏ lại module DCF nên chiếm không gian nhỏ Bài báo cáo chia thành chương sau: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Khái niệm tán sắc, loại tán sắc ảnh hưởng tán sắc hệ thống thông tin quang Chương 3: Giới thiệu loại kỹ thuật bù tán sắc trước, bù tán sắc sau hay bù tán sắc đường dây CHƯƠNG HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC 2.1.Khái niệm tán sắc Tán sắc tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn Nếu xung giãn lớn chu kỳ bít dẫn tới chồng lấp bít kế cận Kết đầu thu không nhận diện bít hay bít truyền đầu phát, dẫn tới định đầu thu định sai, tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm chất lượng hệ thống giảm Hình (1) minh họa cho mở rộng xung tán sắc Gọi D độ tán sắc tổng cộng sợi quang, đơn vị giây (s) Khi D xác định Ti, T0 độ rộng điểm công suất cực đại xung ngõ vào ngõ sợi quang (đơn vị s) Độ tán sắc qua km sợi quang tính ns/km ps/km Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào bề rộng phổ nguồn quang lúc đơn vị tính ps/km-nm Hình (2)Tán sắc gây tăng BER 2.2 Các loại tán sắc Trong Thông Tin Quang người ta chia thành loại tán sắc sau: tán sắc mode,tán sắc phân cực mode tán sắc sắc thể (trong tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc ống dẫn sóng tán sắc vật liệu) Khi sợi truyền dẫn đa mode (tức loại sợi quang truyềncùng lúc nhiều mode sóng khác lõi) ta có tất loại tán sắc nói Nhưng công nghệ chế tạo sợi phát triển sợi đơn mode đời khắc phụcđược tán sắc mode sợi đa mode Tuy nhiên, chất chiết suất Silica phụ thuộcvào bước sóng, nguồn phát phát ánh sáng đơn sắc (ánh sáng cómột bước sóng) mà chùm tia sáng với độ rộng phổ Chính sợi đơn mode tồn tán sắc, tán sắc phân cực mode tán sắc sắc thể Ngày nay, với công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ người ta chế tạo loại sợi quang có mức tán sắc giảm đáng kể Những sợi dùng để lắp đặt mạng cần tốc độ bít cao cự ly lớn Sau ta tìm hiểu khái niệm loại tán sắc sợi quang Hình (3) sau mô tả sơ đồ loại tán sắc sợi quang 2.2.1 Tán sắc mode (Modal Dispersion): Một mode sóng xem trạng thái truyền ổn định ánh sáng sợi quang Khi truyền sợi quang, ánh sáng theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn định đường gọi Mode sóng Có thể hình dung gần mode sóng ứng với tia sáng.Tán sắc mode lượng ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu mode khác khác gây tán sắc Rõ ràng ta thấy tán sắc mode tồn sợi đa mode, muốn loại bỏ tán sắc mode ta phải sử dụng sợi đơn mode Vì xét đến tán sắc mode ta xét sợi đa mode Như ta biết, độ số (NA) biểu diễn khả thu ánh sáng sợi quang Khẩu độ số lớn dễ hướng ánh sáng vào sợi quang Như ta có cảm giác độ số lớn tốt Nhưng điều không đúng, có trở ngại khiến ta tăng độ số lớn Để hiểu điều ta xem xét mode sợi quang Sự thật ánh sáng truyền sợi quang tập hợp luồng sáng tia sáng riêng lẻ Nói cách khác, ta có khả nhìn vào sợi quang ta thấy tập hợp luồng sáng truyền với góc α biến thiên từ đến αc minh họa hình sau: Hình (4) Cách thức luồng sáng tương ứng với mode sợi quang Những luồng sáng khác gọi mode Ta phân biệt mode góc truyền chúng, hay đánh số thứ tự để mode riêng biệt Nguyên tắc là: góc truyền mode nhỏ số thứ tự mode thấp Như mode truyền dọc theo tâm sợi mode (hay gọi mode bản) mode truyền góc truyền tới hạn (α c) mode có số thứ tự lớn sợi quang Nhiều mode tồn sợi quang, sợi quang có nhiều mode truyền gọi sợi đa mode Số lượng mode: số lượng mode sợi quang phụ thuộc vào đặc tính quang hình học sợi Nếu đường kính lõi lớn, lõi chứa nhiều mode sóng Và bước sóng ánh sáng ngắn sợi quang chứa nhiều mode sóng Nếu độ số lớn số lượng mode sóng sợi thu nhiều Như kết luận số lượng mode sóng sợi quang tỉ lệ thuận với đường kính sợi (d), độ số (NA)và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng (λ) Gọi V tần số chuẩn hóa, ta có: số lượng mode tính sau: N=V2/2 (đối với sợi SI), N= V2/4(đối với sợi GI) 10 2.3 Ảnh hưởng tán sắc hệ thống thông tin quang: Khi sử dụng EDFA tuyến vấn đề suy hao giải quyết, cự ly truyền dẫn nâng lên rõ rệt, tổng tán sắc tăng lên Do đó, lại yêu cầu phải giải vấn đề tán sắc, không, thực việc truyền thông tin tốc độ cao truyền dẫn cự ly dài Bây giờ, ảnh hưởng hiệu ứng tán sắc sợi quang lại yếu tố hạn chế chủ yếu, hệ thống tốc độ cao lại thể rõ rệt Ví dụ, sợi quang G 652 tán sắc tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chế khoảng 928 km, tốc độ tăng lên 10 Gbit/s cự ly truyền dẫn bị hạn chế 58 km Bảng 2.4 nói cự ly bị hạn chế tán sắc trạm lặp.Bản chất tán sắc giãn rộng xung tín hiệu truyền dẫn sợi quang Tán sắc ảnh hưởng đến sợi đơn mode bao gồm: tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc phân cực mode, tán sắc bậc cao tán sắc dẫn sóng Phương pháp xác định ảnh hưởng tán sắc đến hệ thống thông tin quang thông qua tính toán quỹ công suất hệ thống P B việc thiết kế độ dài tuyến thiết lập theo công thức (14) 20 (14) Trong Pt(t) : công suất tín hiệu phát có tính ảnh hưởng chirp phi tuyến G: độ khuếch đại EDFA PM : công suất dự phòng hệ thống PD : công suất tổn thất tán sắc, công suất tương đương lượng phổ xung tín hiệu bị dãn khe thời gian định sinh Pp : công suất đền bù lượng công suất mát Ps (G,NF): độ nhạy thu có tính ảnh hưởng khuếch đại nhiễu EDFA Ns , Nc số mối hàn số mối nối quang Hình sau kết tính toán tìm thấy mát công suất hệ thống tán sắc gây hệ thống Gbit/s 2,5 Gbit/s Kết cho thấy hệ thống 2,5 Gbit/s bị tổn thất công suất hệ thống nhiều so với hệ thống Gbit/s với giá trị tán sắc Đối với tốc độ bít 2,5 Gbit/s, công suất bị mát không đáng kể tán sắc nhỏ 100ps/nm Tuy nhiên, mát công suất tăng khoảng từ 100ps/nm đến200ps/nm Khi tán sắc vượt 200ps/nm, lượng công suất quang bị tổn thất nhanh Ở giá trị 300ps/nm công suất mát lên tới 4dB Trong tốc độ Gbit/s, mát công suất trường hợp gần tán sắc nhỏ 100ps/nm, tới giátrị 760ps/nm thi công suất mát dB Như vậy, rõ ràng tán sắc làm giới hạn đáng kể tốc độ truyền dẫn hệ thống thông tin quang Hình (11) Kết tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc cho hệ thống 1Gbit/s 2,5 Gbit/s 21 Hình kết tính toán xác định lượng công suất tín hiệu bị mát cho hệ thống thông tin quang 2,5Gbit/s với Laser có phổ rộng 0,1 nm, 0,2 nm, 0,3 nm Từ kết thu thấy nhìn chung, lượng công suất bị tổn thất tăng nhanh cự ly truyền dẫn tăng Hình (12) Công suất quang bị tăng cự ly truyền dẫn hệ thống 2,5 Gbit/s Như vậy, hệ thống bị công suất cự ly truyền dẫn tăng Tuynhiên, nguồn phát khác gây tín hiệu khác Khi độ rộng phổnguồn phát 0,1 nm, mát công suất xảy 4,5 dB cự ly truyền dẫn dài 52 km Đối với hệ thống có phổ nguồn phát phát rộng 0,2 nm 0,3 nm, công suất bị tổn thấttương ứng 4,5 dB 26 km 6,2 dB cự ly 18 km Khi tăng cự ly vượt giá trị trên, tín hiệu bị lớn thiết kế hệ thống thực tiễn kể cảcó sử dụng khuếch đại quang sợi Đây hệ thống sử dụng sợi G.652 có hệ tán sắcD=18ps/km.nm Như vậy, hệ thống thông tin quang, suy hao quang, có nhiều tham số tương tác tới tán sắc sợi gây ảnh hưởng tới hệ thống làm đáng kể lượng công suất tín hiệu Đó tham số: Cự ly truyền dẫn, tham số tán sắc, tốc độ bít hệ thống phổ nguồn phát 22 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC TRONGTHÔNG TIN QUANG 3.1 Sự cần thiết việc quản lý tán sắc Như xem xét Chương ảnh hưởng tán sắc có tác động lớn đếnchất lượng hệ thống thông tin quang nói chung hệ thống thông tin quang tốc độ caoWDM nói riêng Tán sắc gây tượng dãn rộng xung, gây méo tín hiệu, làm tăng cáclỗi bit xảy ra, ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền dẫn hệ thống Có thể giảm thiểu ảnhhưởng tán sắc vận tốc nhóm ( GVD ) sử dụng laser phổ hẹp gần với bước sóng tán sắc zero λZD sợi quang Tuy nhiên lúc kết hợp bước sóng hoạt động λ λZD Có thể lấy ví dụ hệ thống mặt đất thuộc hệthứ ba hoạt động gần bước sóng λ=1,55 µm.Và sử dụng thiết bị phát quang laze hồitiếp phân tán ( DFB ) Những hệ thống nhìn chung sử dụng mạng lưới cápquang xây dựng năm 1980 bao gồm 50 triệu km chiều dài sợiđơn mode “ tiêu chuẩn ” với λZD ≈1,31µm Do tham số tán sắc D ≈ 16 ps/(km.nm) dải bước sóng 1,55µmcủa sợi đơn mode, GVD hạn chế tính tốc độ bitvượt 2Gb/s Để điều biến trực tiếp laze DFB, sử dụng phương trình:B.L.| 23 D|.σλ ≤1/4 (với σλ độ rộng phổ nguồn RMS nguồn) để ước tính khoảngcách truyền dẫn tối đa sau: (1) Trong sλ độ rộng RMS phổ xung dãn rộng đáng kể dịch tầnsố Khi sử dụng D = 16 ps/(km.nm) s λ = 0,15 nm phương trình (1), hệ thống sóng ánh sáng hoạt động tốc độ 2,5 Gb/s bị giới hạn mức L≈ 42 km Thực tế,những hệ thống thường sử dụng thiết bị tái tạo điện tử nằm cách 40 km,và không tận dụng tính khả dụng khuếch đại quang Ngoài ra, tốc độ bitcủa chúng vượt 2,5 Gb/s lý cự ly thiết bị tái tạo nhỏ đểcó thể đảm bảo khả thi mặt kinh tế Tính hệ thống cải thiện đáng kể cách sử dụng thiết bị điềuchế ngoài, tránh tượng dãn rộng phổ dịch tần số Cách nàyđược ứng dụng loại máy phát laze DFB thương mại với điều chế tích hợp gắnliền Với s λ = hạn chế hạn chế máy phát sử dụng loại sợi tiêu chuẩn Khoảngcách truyền giới hạn tính sau: (2) Trong β2 hệ số GVD liên quan tới D Nếu thay giá trị β2 = -20 ps /km, bướcsóng 1,55µm, L < 500 km đạt tốc độ 2,5 Gb/s Mặc dù cải thiện đáng kể sovới laze DFB điều chế trực tiếp, giới hạn tán sắc đáng lưu tâm cácthiết bị khuếch đại đường truyền sử dụng để bù suy hao Hơn nữa, tốc độ bit đạt10 Gb/s, khoảng cách truyền giới hạn GVD giảm xuống 30 km, mức quáthấp để thiết bị khuếch đại quang sử dụng việc thiết kế hệ thống bước sóng ánh sáng Từ phương trình ta thấy giá trị GVD tương đốilớn sợi đơn mode tiêu chuẩn làm hạn chế tính hệ thống 1,55µm đượcthiết kế để sử dụng mạng lưới viễn thông có tốc độ bit đạt 10 Gb/s caohơn Đã có số mô hình quản lý tán sắc đưa để giải vấn đề mang tínhthực tiễn Nền tảng mô hình đơn giản hiểu dựa phương trình lan truyền viết sau: (3) 24 Trong A biên độ bao xung Những ảnh hưởng tán sắc bậc ba ký hiệulà β3 Trong thực tế, ký hiệu không sử dụng |β2| lớn 0,1 ps2/km.Giải phương trình (3) kết sau : (4) Xét β3= 0, ta có kết sau: Vvv (5) Trong đó, Ã (0, ω)là khai triển Fourier A (0, t) Sự suy biến gây tán sắc tín hiệu quang hệ số pha đạt giá trị exp(iβ2zω/2) thành phần phổ xung trình lan truyền sợi Tất mô hìnhquản lý tán sắc cố gắng loại bỏ hệ số pha nhằm phục hồi lại tín hiệu đầu vào,đã áp dụng máy phát, máy thu dọc theo đường truyền sợi quang 3.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation) Kỹ thuật dựa nguyên lý chung sửa đặc tính xung ngõ vào phát trước đưa vào sợi, thay đổi biên độ phổ xung ngõ vào Ā(0,ω) sau: L chiều dài sợi Khi tán sắc vận tốc nhóm (GVD) bù chínhxác xung giữ nguyên dạng ngõ ra.Kỹ thuật gồm có kỹ thuật Prechirp, kỹ thuật mã hóa Novel kỹ thuật Prechirp phi tuyến Điều chế FM AM tín hiệu quang lúc không cần thiết việc bùtán sắc, nên người ta dùng khóa dịch tần (FSK) cho việc truyền tín hiệu Tín hiệu FSK đượcthực việc chuyển mạch bước sóng Lazer lệch lượng Δλ bít0 bít Hai bước sóng lan truyền sợi với tốc độ khác Thời gian trễ bít bít phụ thuộc vào việc dịch bước sóng Δλ tínhtheo công thức: ta chọn Δλ cho Sự trễ tạo tín hiệu quang ba mức đầu thu Hình sau cho ta thấy trìhoãn bít tạo tín hiệu quang ba mức Do tán sắc sợi nên tín hiệu FSK chuyển sang tín hiệu có biên độ điều chế Và tín hiệu giải mã đầuthu nhờ sử dụng tích phân điện kết hợp với mạch định bít 25 Hình (13) Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang công suất tín hiệu phát; b) Tần số công suất tín hiệu thu liệu điện giải mã Một phương pháp khác mã hóa cặp nhị phân làm giảm băng thông tínhiệu 50% Trong phương pháp mã hóa này, hai bít chuỗi nhị phângộp lại hình thành mã cặp nhị phân ba mức tốc độ bít Vì tán sắcvận tốc nhóm (GVD) phụ thuộc vào độ rộng băng tín hiệu, nên khoảng cách truyền cóthể tăng nhờ giảm băng tần tín hiệu.Tốc độ bít 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân cự ly truyền dẫn tăngthêm 30 đến 40km so với mã hóa nhị phân.Mã hóa cặp nhị phân kết hợp với kỹ thuật lệch tần trước.Trong thực tế truyền tín hiệu tốc độ bít 10Gbps qua cự ly 160km sợi thườngnhờ kết hợp mã hóa cặp nhị phân với điều chế có C > 3.3 Kỹ thuật bù tán sắc đường dây (In-line) 3.3.1 Bù tán sắc sợi quang DCF Các kỹ thuật bù tán sắc trước tăng khoảng cách lên gấp đôi nókhông thích hợp cho hệ thống có cự ly lớn, tán sắc vận tốc nhóm (GVD) phảiđược bù dọc theo đường dây truyền dẫn theo chu kì Các kỹ thuật bù hệ thống nhưthế phải đảm bảo chế độ toàn quang, đặt sợi (chứ đặt phát hay thu) Và loại sợi biết đến sợi bù tán sắc.Trong thực tế để nâng cấp hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn có,người ta thêm vào đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ đến 8km) bộkhuếch đại quang đặt cách 60 đến 80km Sợi bù tán sắc bù tán sắc vận tốc nhóm(GVD), khuếch đại đảm đương nhiệm vụ bù suy hao cho sợi Người ta thường sử dụng sợi DCF kết hợp với khuếch đại OA (thường sửdụng EDFA) để bù tán sắc tuyến quang, tùy vào vị trí đặt DCF mà có kiểu bù sau: 26 Hình (14) Sử dụng sợi DCF tuyến quang Chi tiết sợi DCF nói rõ chương sau Kỹ thuật bù cách sử dụng bù tán sắc quang điện tử tăng khoảngcách truyền lên lần, nhiên lại không phù hợp với hệ thống đường dài, hệ thốngnày yêu cầu GVD phải bù liên tục theo chu kỳ dọc theo đường truyền Đặc biệt trongcác hệ thống toàn quang việc sử dụng bù tán sắc quang điện tử không phù hợp Vìthế người ta nghĩ sợi quang đặc biệt gọi sợi quang bù tán sắc (DCF :Dispersion Compensating Fiber) Việc sử dụng sợi DCF cho hệ thống toàn quang bù GVD cách đáng kể công suất quang trung b?nh giữ đủ nhỏ thể hiệuứng phi tuyến bên sợi không đáng kể Việc sử dụng sợi DCF để bù tán sắc đơn giản cần đặt sợi DCF xen vàogiữa, đặc điểm sợi DCF có độ tán sắc âm, nghĩa tín hiệu xung ánh sáng điqua sợi xung ánh sáng co lại dần, tượng ngược với sợi SMF – xungánh sáng bị giãn tán sắc, việc xung ánh sáng bị giãn giải Sợi quang DCF phải có hệ số tán sắc GVD(Group-Velocity Dispersion ) 1,55µmlà D20 Hơn chiều dài sợi quang đượclựa chọn thỏa điều kiện : Trong thực tế người ta cố gắng để chọn L nhỏ có thể, trường hợp xảykhi sợi DCF có giá trị âm D2 nhỏ (hay |D2| lớn) 27 Hệ số tán sắc D có giá trị -420ps /(nm.km) bước sóng 1550nm thay đổi nhiềuở bước sóng khác Đây đặc tính quan trọng cho phép bù tán sắc băng rộng Nóimột cách tổng quát sợi DCF thiết kế để D tăng theo bước sóng Sự phụ thuộc vào bước sóng hệ số tán sắc D đặc tính quan trọng để DCF hoạt động trongcác hệ thống WDM Phổ tán sắc sợi DCF Đây phương pháp đơn giản đế quản lý tán sắc hệ thống WDM dunglượng cao với số lượng kênh lớn nghĩa đường bao tán sắc hiểu từ điều kiện Nhưng áp dụng cho kênh, có nhiều kênh để thỏa mãn cho tất kênhthỉ cần điều kiện : Trong đó: λn bước sóng kênh thứ n D1 tăng với bước sóng tăng cho hai sợi chuẩn sợi dịch tán sắc, kết tánsắc tích lũy D1L1 khác cho kênh Nếu DCF phải làm việc cho tất cảcác kênh, đường bao tán sắc nên âm có giá trị để thỏa mãn cho tất kênh.Đường bao tán sắc DCF: Trong : S đường bao tán sắc (ps/(nm2km)Tỷ số S/D đường bao tán sắc quan hệ (1/nm)Với sợi chuẩn D≈16ps/nm.km S≈0.05ps/nm.km, tỷ số khoảng 0.003nm-1.Vìthế, cho DCF với D≈- 100ps/nm.km đường bao tán sắc khoảng -0.3 ps/nm2km 28 Để bù tán sắc cho khoảng cách 90 Km cho sợi G.652 ta cần phải sử dụng xấp xỉ9 Km DCF Thông số suy hao điển hình DCF thông thường gấp tới lần so với sợiquang chuẩn, hệ số tán sắc phân cực mode PMD gấp đôi, diện tích hiệu dụngcủa DCF vô nhỏ 3.3.2 Bù tán sắc lọc quang Nguyên lý phương pháp sau: giả sử hàm truyền đạt lọc quang làH(ω) ảnh hưởng pha xung tín hiệu thể công thức Bằng cách triển khai pha H(ω) theo chuỗi Taylor giữ số hạng bậc hai có: m = 0, 1, ước lượng tần số sóng mang quang ω0 Pha số trễ thời gian không ảnh hưởng đến dạng xung bỏ qua Pha phổdo sợi sinh bù cách chọn lọc quang cho có xung cóthể phục hồi hoàn toàn 29 Có nhiều loại lọc quang có hàm truyền đạt phù hợp với yêu cầu có thểđược sử dụng làm bù tán sắc đặc biệt bật loại lọc cấu trúc buồng cộng hưởng Fabry Perot lọc giao thoa kế Mach Zehnder 3.3.3 Bù tán sắc tín hiệu quang liên hợp pha OPC Kỹ thuật OPC (Optical phase conjugation) – liên hợp pha quang đòi hỏi phần từquang phi tuyến mà tạo tín hiệu pha liên hợp Thông thường người ta dùng phương pháp trộn bước sóng (FWM- Four wave mixing) vùng phi tuyến, bảnthân sợi quang tự môi trường phi tuyến, (cách đơn giản dùng sợi quang dàivài km thiết kế cách đặc biệt để tối đa hiệu ứng FWM).Tiềm kỹ thuật OPC chứng minh thử nghiệm 1999 với bộkết hợp FWM sử dụng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD tốc độ 40 Gb/s trênchiều dài 140 km sợi quang tiêu chuẩn Hầu hết thí nghiệm bù tán sắc nghiên cứu khoảng cách truyềnlà vài trăm km Đối với đường truyền dài đặt vấn đề kỹ thuật OPC bù tánsắc vận tốc nhóm GVD cho chiều dài lên đến hàng ngàn km sợi quang mà dùng khuếch đại bù suy hao hay không Trong thử nghiệm mô phỏng, tín hiệu tốc độ10 Gb/s truyền 6000 km sử dụng công suất trung b?nh mức3mW để giảm hiệu ứng phi tuyến sợi quang Trong nghiên cứu khác cho thấy khuếch đại đóng vai trò quan trọng Với khoảng cách truyền 9000 km thực cách giữ khuếch đại cho đoạn 40 km Sự lựa chọn bước sóng hoạt động, đặc biệt bước sóng tán sắc ý nghĩa then chốt Trong vùng tán sắc dị thường, công suất tín hiệu biến đổi tuần hoàn dọc chiều dài sợi quang Điều dẫn tới việc tạo (dải biên) sideband tượng bất ổn điều chế Tính không ổn định tránh thông số tán sắc tương đối lớn(D>10 ps/(km-nm)) Đây trường hợp sợi quang chuẩn bước sóng gần 1.55μm Hiển nhiên khoảng cách truyền tối đa vấn đề quan trọng nhiều hang sảnxuất, kỹ thuật trộn bước sóng FWM, khoảng cách dùng khuếch đại giảm xuống 3000 km 3.3.4 Bù tán sắc cách tử Bragg(có tài liệu khác) Nguyên lý chế tạo sợi cách tử để bù tán sắc dựa điều kiện phản xạ Bragg: 2nΛ = λ 30 Trong đó: n = 1, 2, 3, Λ bước cách tử λ bước sóng ánh sáng Hình (15) Nguyên lý phương pháp bù tán sắc cách tử sợi Bragg Sợi cách tử Bragg chế tạo cách dùng tia tử ngoại chiếu qua mặt nạ ánh sáng vào sợi quang đơn mode chuẩn để tạo vùng có chiết suất khác phân bố dọc theo chiều dài z sợi Để bù lại tán sắc vận tốc nhóm GVD, chu kỳ quang cách tử chế tạo cho nΛ giảm dọc theo độ dài GVD chuẩn (β2>0) Trong sợi quang đơn mode tiêu chuẩn, thành phần tần số cao xung lan truyền nhanh thành phần tần số thấp Vì bước sóng Bragg giảm dọc theo độ dài cách tử thành phần tần số cao di chuyển thêm vào cách tử trước phản xạ phải chịu trễ nhiều thành phần tần số thấp Như trễ tương đối xuất cách tử bù lại GVD sợi bù tán sắc sợi Tham số tán sắc D g cách tử có độ dài Lg xác định mối liên hệ sau TR = Dg Lg ∆λ Trong TR thời gian vòng bên cách tử ∆λ sai khác bước sóng Bragg hai đầu cách tử Vì tử cho biểu thức sau Dg = Tg = 2π Lg c tán sắc cách TR 2n = Lg ∆λ c∆λ Trên thực tế loại sợi bù tán sắc cách tử Bragg thương mại hóa rộng rãi thị trường chúng có ưu điểm thiết bị hoàn toàn thụ động, kích thước nhỏ gọn bù lượng tán sắc lớn, dễ dàng việc ghép nối với sợi quang suy hao xen nhỏ Tuy nhiên chúng có nhược điểm cần ổn định nhiệt độ cao thay đổi nhỏ chiều dài sợi cách tử làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc chúng 31 3.4 Kỹ thuật bù sau (post compensation) Các kỹ thuật miền điện dùng để bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD) máy thu Ta dễ dàng cân ảnh hưởng tán sắc kỹ thuật điện sợi quang hoạt động hệ thống tuyến tính Việc bù dễ dàng thu Heterodyne sử dụng để tách tín hiệu: thu chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tần số trung tần IF ωIF giữ thông tin biên độ pha Một lọc thông dải hoạt động tần số vi ba với đáp ứng xung có hàm truyền đạt là: L chiều dài sợi Bộ lọc khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu tín hiệu nhận Kỹ thuật thực tế hệ thống Coherent Nhưng ta biết thu Coherent thường không thực tế (vì số lý do) so với tách sóng trực tiếp, mạch điện tuyến tính bù GVD trường hợp Vấn đề thông tin pha bị tách sóng trực tiếp tách sóng đáp ứng biên độ quang Khi kỹ thuật cân không tuyến tính sử dụng Một phương pháp khác việc định bít thực sau xem xét dạng sóng (dạng tương tự) qua khoảng nhiều bít xung quanh bít ta cần định Khó khăn kỹ thuật đòi hỏi mạch điện logic hoạt động tốc độ bít tín hiệu tính phức tạp tăng theo hàm mũ số lượng bít qua (số lượng bít mà xung quang bị trải rộng GVD).Kỹ thuật cân mặt điện thường bị giới hạn tốc độ bít đạt thấp khoảng cách truyền ngắn Một kỹ thuật cân quang – điện dựa lọc ngang (transversal filter) đưa Trong kỹ thuật chia công suất máy thu chia tín hiệu quang nhận thành nhiều nhánh, nhánh có độ trễ khác Tín hiệu quang nhánh chuyển sang dòng điện nhờ sử dụng photodetector có độ nhạy thay đổi, tổng dòng điện quang sử dụng cho mạch định bít Kỹ thuật tăng khoảng cách truyền dẫn lên gấp ba lần hệ thống hoạt động tốc độ 5Gbps 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Lê Quốc Cường, ThS Đỗ Việt Em, ThS Phạm Quốc Hợp, ThS Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, “ Hệ Thống Thông Tin Quang – Tập tập ”, năm 2009, Nhà xuất Thông Tin Truyền Thông [2] Rajiv Ramaswami, Kumar N Sivarajan, “Optical Networks A Practical erspective”, Second Edition, Morgan KaufMann Publishers [3] Govind P.Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc,2002 33 34 [...]... các loại án sắc khác như tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode Trong đó tán sắc sắc thể là nguyên nhân chính gây hạn chế tốc độ bít Bây giờ ta sẽ đi khảo sát hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi quang Ở đây không mất tính tổng quát khi ta xét tán sắc sắc thể trong sợi đơn mode Có thể nói nguyên nhân sâu xa của tán sắc sắc thể là do bộ phát quang (LED, LAZER) không phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng... thường Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu (DM) và tán sắc ống dẫn sóng (DW) của sợi đơn mode thường Bước sóng tán sắc 0 (λZD) dịch đến giá trị cao hơn nhờ sự phân bố ống dẫn sóng Ta thấy tán sắc ống dẫn sóng (DW) làm cho bước sóng tán sắc 0 (λZD) dịch khoảng 30 đến 40nm để tán sắc tổng (D) bằng 0 ở gần bước sóng 1,31µm Ngoài ra, tán sắc ống dẫn sóng còn làm giảm tán sắc. .. thuộc vào bán kính lõi (a) và bước nhảy chiết suất (Δ) của sợi quang 2.2.5 Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion) 15 Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắc tổng, do đó thường thấy thuật ngữ tán sắc sắc thể và tán sắc chất liệu có thể sử dụng hoán chuyển cho nhau khi xét sợi đa mode Nhưng đối với sợi đơn mode thì tán sắc ống dẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan... 1,6µm, sợi loại này gọi là sợi san bằng tán sắc Hình sau đây cho thấy các ví dụ tiêu biểu về sự phụ thuộc bước sóng của D đối với sợi chuẩn (sợi thường), sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc 17 2.2.6 Tán sắc bậc cao hơn (Higher-Order Dispersion) Từ phương trình (6) ta thấy giá trị B.L của... phân bố năng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền β cũng thay đổi Đây chính là sự giải thích cho tán sắc ống dẫn sóng Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còn tồn tại một loại tán sắc không kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm Như ta đã biết, ưu điểm chính của sợi đơn mode là không có tán sắc mode bởi vì năng lượng đưa vào xung chỉ được chuyên chở bởi... chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp.Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang Tán sắc ảnh hưởng đến các sợi đơn mode bao gồm: tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc phân cực mode, tán sắc bậc cao và tán sắc dẫn sóng Phương pháp xác định ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang thông qua tính toán quỹ công suất hệ thống P B bằng việc thiết kế độ dài tuyến được... có nhiều tham số tương tác tới tán sắc sợi gây ảnh hưởng tới hệ thống và làm mất đi đáng kể lượng công suất tín hiệu Đó là các tham số: Cự ly truyền dẫn, tham số tán sắc, tốc độ bít của hệ thống và phổ nguồn phát 22 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC TRONGTHÔNG TIN QUANG 3.1 Sự cần thiết của việc quản lý tán sắc Như chúng ta đã xem xét ở Chương 2 ảnh hưởng của tán sắc có tác động rất lớn đếnchất... trên bộ phát hay bộ thu) Và một loại sợi được biết đến đó là sợi bù tán sắc. Trong thực tế để nâng cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có,người ta thêm vào một đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ 6 đến 8km) đối với các bộkhuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến 80km Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm(GVD), trong khi đó bộ khuếch đại sẽ đảm đương nhiệm vụ bù suy hao cho sợi Người... sắc, kết quả là tánsắc tích lũy D1L1 là khác nhau cho mỗi kênh Nếu cùng một DCF phải làm việc cho tất cảcác kênh, đường bao tán sắc của nó nên âm và có giá trị để thỏa mãn cho tất cả các kênh.Đường bao tán sắc của DCF: Trong đó : S là đường bao tán sắc (ps/(nm2km)Tỷ số S/D là đường bao tán sắc quan hệ (1/nm)Với sợi chuẩn D≈16ps/nm.km và S≈0.05ps/nm.km, tỷ số này khoảng 0.003nm-1.Vìthế, cho DCF với D≈-... 100ps/nm.km thì đường bao tán sắc khoảng -0.3 ps/nm2km 28 Để bù tán sắc cho một khoảng cách 90 Km cho sợi G.652 ta cần phải sử dụng xấp xỉ9 Km DCF Thông số suy hao điển hình của DCF thông thường gấp tới trên 3 lần so với sợiquang chuẩn, hệ số tán sắc phân cực mode PMD cũng gấp đôi, do đó diện tích hiệu dụngcủa DCF là vô cùng nhỏ 3.3.2 Bù tán sắc bằng bộ lọc quang Nguyên lý của phương pháp này như sau: giả ... giản phương pháp Do chuyên đề Nhóm định chọn DCF phương pháp bù tán sắc để nghiên cứu thảo luận chi tiết chương báo cáo Trong kỹ thuật sử dụng DCF này, tán sắc dương sợi truyền dẫn bù với tán sắc. .. chế tác động tán sắc hệ thống thông tin quang Trong chuyên đề giới thiệu phương pháp bù tán sắc nghiên cứu từ trước đến Có thể phân loại thành phương pháp bù tán sắc gồm kỹ thuật bù trước (Precompensation),... quản lý tán sắc 23 3.2 Kỹ thuật bù tán sắc trước (Precompensation) 25 3.3 Kỹ thuật bù tán sắc đường dây (In-line) .26 3.3.1 Bù tán sắc sợi quang DCF .26 3.3.2 Bù tán sắc lọc