bù tán sắc dùng cách tử bragg

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -# " - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Hệ: Đại học quy Niên khóa: 2004 – 2009 Đề tài: BÙ TÁN SẮC DÙNG CÁCH TỬ BRAGG Mã số: 08404160306 Giáo viên hướng dẫn : Ths Phạm Quốc Hợp Sinh viên thực : Võ Ngọc Thanh Tùng Mã số sinh viên : 404160074 Lớp : Đ04VTA1 Năm: 2008     Nhận xét giáo viên hướng dẫn Tp Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm ….…     Nhận xét giáo viên phản biện Tp Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm ……     Lời cảm ơn Đ ầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy Phạm Quốc Hợp, người giúp đỡ em nhiều trình làm luận văn Bằng nhiệt tình với gợi ý gợi mở, kiến thức quý báu từ Thầy giúp em có hiểu biết sâu sắc vấn đề học trường, từ giúp em hoàn thành tốt luận văn Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy Đỗ Văn Việt Em giúp đỡ em tài liệu tham khảo Những tài liệu quý báu từ Thầy giúp em có thông tin hữu ích cần thiết để hoàn thành tốt luận văn Ngoài ra, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy, Cô giáo Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – sở Thành Phố Hồ Chí Minh, người tận tình dạy bảo truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập Học Viện Những kiến thức quý báu từ Thầy, Cô giúp em tự tin công việc, sống sau Xin cám ơn bạn học lớp, người bên cạnh giúp đỡ Tùng suốt trình học tập Mặc dù cố gắng nhiều trình hoàn thành luận văn, thời gian có hạn nên tránh khỏi sai sót Mong nhận góp ý chân thành từ quý Thầy, Cô bạn Một lần em xin chân thành cám ơn nhiều Trân trọng, VÕ NGỌC THANH TÙNG     MỤC LỤC Trang Mục lục hình i Mục lục bảng .iii Từ viết tắt iv Chương 1: GIỚI THIỆU Chương 2: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG 2.1 Khái niệm tán sắc 2.2 Các loại tán sắc 2.3 Tán sắc mode 2.4 Tán sắc sợi đơn mode 2.4.1 Tán sắc vận tốc nhóm 10 2.4.2 Tán sắc vật liệu 12 2.4.3 Tán sắc ống dẫn sóng 13 2.4.4 Tán sắc bậc cao .16 2.4.5 Tán sắc phân cực mode 17 2.5 Các giới hạn tán sắc .18 2.5.1 Phương trình lan truyền 18 2.5.2 Các xung Gaussian lệch tần 20 2.5.3 Sự giới hạn tốc độ bít .22 2.6 Tổng kết 27     Chương 3: KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG 28 3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc 28 3.2 Các kỹ thuật bù tán sắc trước .29 3.2.1 Kỹ thuật lệch tần trước 30 3.2.2 Kỹ thuật mã hoá Novel .32 3.3 Kỹ thuật bù tán sắc sau .33 3.4 Kỹ thuật bù tán sắc đường truyền (dùng sợi quang DCF) 34 Chương 4: CÁCH TỬ BRAGG VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG 37 4.1 Giới thiệu 37 4.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cách tử Bragg .38 4.2.1 Điều kiện Bragg 39 4.2.2 Chiết suất cách tử 40 4.2.3 Nguyên lý hoạt động 40 4.3 Cách tử Bragg lệch tần (Chirped Bragg Gratings) .42 4.4 Ứng dụng cách tử Bragg để bù tán sắc sắc thể sợi quang 43 4.5 Bù tán sắc hệ thống dung lượng lớn dùng cách tử Bragg 46 4.5.1 Bù tán sắc hệ thống WDM 47 4.5.2 Bù tán sắc điều chỉnh 48 4.5.3 Bù tán sắc bậc cao 50 4.5.4 Bù tán sắc phân cực mode 51 4.6 Một số ứng dụng khác cách tử Bragg Thông Tin Quang 55 4.6.1 Giới thiệu 55     4.6.2 Nguồn bơm Lazer .55 4.6.3 Bộ lọc xen/rẽ hệ thống WDM băng hẹp .56 4.6.4 Bộ lọc có độ lợi phẳng 56 4.7 Ưu điểm tồn 57 Chương 5: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 58 5.1 Giới thiệu 58 5.2 Mô hình mô .58 5.3 Mô hình toán học 59 5.3.1 Tín hiệu phát .59 5.3.2 Hàm truyền sợi quang 59 5.3.3 Cách tử Bragg .60 5.4 Sơ đồ giải thuật 63 5.5 Kết mô 64 5.5.1 Ảnh hưởng tốc độ bít đến tán sắc sắc thể 65 5.5.2 Ảnh hưởng chiều dài tuyến quang đến tán sắc sắc thể 67 5.5.3 Sự thay đổi chiết suất hiệu dụng cách tử theo chiều dài cách tử 69 5.5.4 Sự thay đổi chu kỳ cách tử theo chiều dài cách tử .69 5.5.5 Sự thay đổi bước sóng Bragg dọc theo chiều dài cách tử 70 5.5.6 Kết mô kỹ thuật bù tán sắc sắc thể dùng cách tử Bragg 71 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 74 Tài liệu tham khảo   # Mục lục hình mục lục bảng MỤC LỤC HÌNH Hình Tên Hình Trang Hình 2.1 Minh họa mở rộng xung tán sắc Hình 2.2 Sơ đồ loại tán sắc sợi quang Hình 2.3 Cách thức luồng sáng tương ứng với mode sợi quang Hình 2.4 Cách thức công suất quang mang mode truyền sợi quang gây tán sắc Hình 2.5 Sự thay đổi chiết suất n chiết suất nhóm ng theo bước sóng Silica nóng chảy 13 Hình 2.6 Sự phân bố cường độ ánh sáng sợi đơn mode 14 Hình 2.7 Sự thay đổi b (tần số lan truyền chuẩn hóa) đạo hàm d(Vb)/dV V[d2(Vb)/dv2] theo V 15 Hình 2.8 Tán sắc tổng cộng (D) phân bố tương đối tán sắc chất liệu (DM) tán sắc ống dẫn sóng (DW) sợi đơn mode thường 15 Hình 2.9 Sự phụ thuộc vào bước sóng hệ số tán sắc D sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc sợi san tán sắc 16 Hình 2.10 Sự thay đổi hệ số mở rộng theo khoảng cách lan truyền xung ngõ vào dạng Gaussian lệch tần 22 Hình 2.11 Giới hạn tốc độ bít sợi quang đơn mode hàm chiều dài sợi 25 Hình 2.12 Tích B.L bị giới hạn tán sắc hàm tham số lệch tần C 26 Hình 3.1 Sơ đồ kỹ thuật lệch tần trước dùng để bù tán sắc 31 ‐ i ‐   # Mục lục hình mục lục bảng Hình 3.2 Bù tán sắc dùng mã hóa FSK 32 Hình 3.3 Sơ đồ sợi bù tán sắc sử dụng sợi mode bậc cao hai cách tử chu kỳ dài, với phổ tán sắc 36 Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị dùng để ghi nhận cách tử Bragg sợi quang 38 Hình 4.2 Hình minh họa cách tử Bragg 39 Hình 4.3 Cách tử Bragg có N gương phản xạ song song với chu kỳ Λ 40 Hình 4.4 Phổ tín hiệu truyền qua cách tử 42 Hình 4.5 Bù tán sắc cách tử lệch tần 43 Hình 4.6 Sự thay đổi vận tốc nhóm theo bước sóng sợi quang đơn mode thông thường 43 Hình 4.7 Nguyên lý bù tán sắc cách tử Bragg lệch tần 45 Hình 4.8 Mô hình thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg lệch tần tuyến tính 46 Hình 4.9 Sơ đồ nối tầng cách tử Bragg để bù tán sắc hệ thống WDM kênh 47 Hình 4.10 Phổ phản xạ tương ứng với mức điện áp tán sắc vận tốc nhóm hàm điện áp cách tử sợi có Gradient nhiệt 49 Hình 4.11 Độ nhạy đầu thu đo thử nghiệm tốc độ bít 160Gbps trường hợp có cách tử Bragg sợi lệch tần 50 Hình 4.12 Sự cải thiện xung tín hiệu nhờ việc bù tán sắc bậc ba 51 Hình 4.13 Bù tán sắc phân cực mode 53 Hình 4.14 Hệ số mở rộng xung hàm độ trễ nhóm vi sai trung bình 54 Hình 5.1 Mô hình mô kỹ thuật bù tán sắc sắc thể sử dụng cách tử Bragg lệch tần tuyến tính 58 Hình 5.2 Mô hình khối sơ đồ bù tán sắc dùng cách tử Bragg 59 ‐ ii ‐   # Mục lục hình mục lục bảng Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ma trận truyền 61 Hình 5.4 Ảnh hưởng tốc độ bít đến tán sắc sắc thể chiều dài tuyến quang 50 Km 65 Hình 5.5 Ảnh hưởng tốc độ bít đến tán sắc sắc thể chiều dài tuyến quang 500 Km 66 Hình 5.6 Ảnh hưởng chiều dài tuyến quang đến tán sắc sắc thể tốc độ bít 2,5Gbps 67 Hình 5.7 Ảnh hưởng chiều dài tuyến quang đến tán sắc sắc thể tốc độ bít 10Gbps 67 Hình 5.8 Sự thay đổi chiết suất hiệu dụng dọc theo chiều dài cách tử 69 Hình 5.9 Sự thay đổi chu kỳ cách tử dọc theo chiều dài cách tử 69 Hình 5.10 Sự thay đổi bước sóng Bragg dọc theo chiều dài cách tử 70 Hình 5.11 Kết bù tán sắc sắc thể tín hiệu quang tốc độ 10Gbps truyền qua khoảng cách 150 Km 71 Hình 5.12 Kết bù tán sắc sắc thể tín hiệu quang tốc độ 10Gbps truyền qua khoảng cách 250 Km 72 Hình 5.13 Kết bù tán sắc sắc thể tín hiệu quang tốc độ 40Gbps truyền qua khoảng cách 100 Km 72 MỤC LỤC BẢNG Bảng Tên bảng Trang Bảng 2.1 Đặc tính số loại sợi quang có tính thương mại thị trường 17 Bảng 5.1 Tỷ số To/Ti số tốc độ bít ứng với nhiều khoảng cách truyền khác 68 ‐ iii ‐   #.Chương 5: Chương trình mô với: +) δ điều hưởng bước sóng tín hiệu bước sóng Bragg ⎛1 ⎞ δ = 2πneff ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ λ λB ⎠ (5.3-11) phản xạ cực đại δ = +) σ = +) 2π λ δneff (5.3-12) dφ thay đổi pha tín hiệu dọc theo chiều dài cách tử [3] dz 4πneff z dλ B dφ =− dz λB dz - (5.3-13) γ B tính sau [3]: γ B = k − σˆ k > σˆ γ B = i σˆ − k σˆ > k (5.3-14) ‐ 62 ‐  #.Chương 5: Chương trình mô 5.4 Sơ đồ giải thuật Start Tín hiệu phát: λ0 , Δλ , B Khởi tạo giá trị ban đầu: tín hiệu phát, sợi truyền dẫn, cách tử Bragg Sợi quang: L, D Cách tử Bragg: N, ω = 2π c /( λ + Δ λ / ) ω = π c /( λ − Δ λ / ) Δ ω = 2π c / Δ λ ω i = ω1 y ct ( t ) = ; i=0 ω i = ω1 + i * Δω / N ; i = i + 1; ωi ≤ ω2   N Y Sợi quang Xác định tín Y hiệu phát: yth-i(t, ωi ) Xác định tín hiệu sau sợi quang: Hsq-i( ωi ) hàm truyền sợi quang ứng với ωi Fth-i( ωi ) = F[yth-i(t, ωi )] biến đổi Fourier yth-i(t, ωi ) Cách tử Brag Fsq-i( ωi ) = Fth-i( ωi ) *Hsq-i( ωi ) phổ tín hiệu sau sợi quang Xác định tín hiệu sau cách tử Bragg: Spx-i( ωi ) hệ số phản xạ gương phản xạ thứ i Fpx-i( ωi )=Fsq-i( ωi )*Spx-i( ωi ) ypx-i(t, ωi ) = F-1[Fpx-i( ωi )] tín hiệu phản xạ gương thứ i yct(t) = yct(t) + ypx-i(t, ωi ) tín hiệu sau bù tán sắc Plot(t,yct(t)); End ‐ 63 ‐  dn dz #.Chương 5: Chương trình mô Giải thích biến sử dụng sơ đồ giải thuật: o Tín hiệu phát: λ0 : bước sóng trung tâm tín hiệu Δλ : độ rộng phổ tín hiệu B: tốc độ bít o Sợi quang truyền dẫn: L: chiều dài tuyến quang D: tán sắc đơn vị sợi quang o Cách tử Bragg: N: số gương phản xạ cách tử dn/dz: độ thay đổi chiết suất cách tử dọc theo chiều dài cách tử 5.5 Kết mô Gọi Dt tán sắc tổng cộng tín hiệu sau truyền qua sợi quang B tốc độ bít tín hiệu, TB =1/B chu kỳ bít Ti, To độ rộng xung điểm công suất cực đại tín hiệu quang trước sau sợi truyền dẫn Khi ta có: Dt = To2 − Ti [5] Dt max = TB Ti [5] = = 4B Từ hai công thức ta tính tỷ số tán sắc là: (5.5-2) To lớn cho phép không bù Ti To ≈ 1,118 Ti Ta sử dụng tỷ số để có số nhận xét sau ‐ 64 ‐  (5.5-1) (5.5-3) #.Chương 5: Chương trình mô 5.5.1 Ảnh hưởng tốc độ bít đến tán sắc sắc thể Hình 5.4 Ảnh hưởng tốc độ bít đến tán sắc sắc thể chiều dài tuyến quang 50Km (các dấu * tương ứng với tốc độ bít 622Mbps, 2,5Gbps Từvàhình 5.4 ta thấy, chiều dài tuyến 50km tín hiệu quang tốc độ bít 10Gbps 10Gbps) cần phải bù tán sắc (vì tỷ số To >1,118) Trong tín hiệu với tốc độ 622Mbps Ti hay 2,5Gbps không cần bù ‐ 65 ‐  #.Chương 5: Chương trình mô Hình 5.5: Ảnh hưởng tốc độ bít đến tán sắc sắc thể chiều dài tuyến quang 500 Km (các dấu * tương tự hình 5.4) Từ hình 5.5 ta thấy tín hiệu quang có tốc độ bít 622Mbps chiều dài tuyến 500Km ta không cần bù tán sắc Tuy nhiên, tín hiệu quang có tốc độ bít 2,5Gbps chiều dài tuyến 500Km độ tán sắc đạt đến mức ngưỡng Nếu chiều dài tuyến vượt 500Km ta phải bù tán sắc Ngoài ra, chương trình mô ta thay đổi chiều dài tuyến quang để có kết mô nhiều chiều dài tuyến khác Từ hai hình ta thấy, tốc độ bít lớn ảnh hưởng tán sắc sắc thể lớn, khoảng cách truyền cực đại mà không cần bù tán sắc ngắn ‐ 66 ‐  #.Chương 5: Chương trình mô 5.5.2 Ảnh hưởng chiều dài tuyến quang đến tán sắc sắc thể Hình 5.6: Ảnh hưởng chiều dài tuyến quang đến tán sắc sắc thể tốc độ bít 2,5Gbps (các dấu * tương ứng 30;50;100;150;200 500km) Từ hình 5.6 ta thấy, tốc độ bít 2,5Gbps chiều dài tuyến quang từ 500km trở xuống ta không cần bù tán sắc (vì tỷ số To