KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN THU HƢƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG HẢI PHÒNG - 2016 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN THU HƢƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ: CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Nguyễn Thanh Vân HẢI PHÒNG - 2015 LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể Qúy thầy cô Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam, đồng kính gửi Qúy thầy cô khoa Điện – Điện Tử giúp đỡ, truyền đạt kho tàng kiến thức mẻ cho em suốt năm học tập, rèn luyện trƣờng Lời cảm ơn đặc biệt em muốn gửi đến cô giáo Nguyễn Thanh Vân, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn em cách nhiệu tình chu đáo suốt trình học tập thực đồ án tốt nghiệp Trong thời gian đƣợc hƣớng dẫn thầy, em học tập bổ sung đƣợc thêm nhiều kiến thức mẻ kinh nghiệm thực tế cho thân Với vốn kiền thức non nớt, hạn hẹp thiếu kinh nghiệm thực tế nên nội dung đề tài em khó tránh khỏi lỗi sai sót Em mong nhận đƣợc góp ý Qúy thầy cô cho đề tài đồ án em Những lời góp ý phê bình quý giá thầu cố lời nhắc nhở, dẫn hành trang vô quý báu giúp em hoàn thiện kiến thức thân tốt Em xin chân thành cảm ơn ! i LỜI CAM ĐOAN Trong nội dung đề tài em, em xin cam đoan nội dung có số liệu kết hoàn toàn trung thực Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng, theo nguyên tắc yêu cầu nhà trƣờng tổ môn cho phép Nội dung nhƣ hình thức trình bày hoàn toàn thiết kế thân hƣớng dẫn trực tiếp, cụ thể giáo viên hƣớng dẫn Em xin cam đoan, chép hay vấn đề vi phạm quy tắc hoàn toàn không có, em xin chịu trách nhiêm hoàn toàn với lời cam đoan Hải phòng, tháng 05 năm 2016 Sinh viên Nguyễn Thu Hƣơng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng I : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA 1.1 Lịch sử phát triển hệ thông tin quang 1.2Hệ thống thông tin quang EDFA 1.2.1Cấu trúc EDFA 1.2.2Nguyên lý hoạt động khuếch đại quang EDFA 1.3Khuếch đại quang sợi EDFA 1.3.1Công suất bƣớc sóng bơm khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium 1.3.2Khuếch đại khuếch đại pha tạp Erbium 1.3.3Phổ khuếch đại EDFA 12 1.3.4Nhiễu khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium 13 1.4Ứng dụng EDFA thông tin quang 13 Chƣơng II : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 15 2.1 Ảnh hƣởng tán sắc hệ thống thông tin quang 15 2.1.1 Tìm hiểu chung 15 2.1.2 Tán sắc vật liệu 17 2.1.3 Tán sắc dẫn sóng 18 2.1.4 Kết luận 18 2.2 Các kỹ thuật bù tán sắc hệ thống thông tin quang 20 2.2.1 Kỹ thuật bù sau 20 2.2.2 Kỹ thuật bù trƣớc 22 iii Chƣơng III : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG 35 3.1Sự cần thiết việc quản lý tán sắc 35 3.2Bộ lọc quang 36 3.3Bù tán sắc lọc cân quang 37 3.3.1Giao thoa kế Mach-Zehnder 39 3.3.2Giao thoa thiết kế Fabry-Perot 40 3.4Kết luận 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển khu vực châu Á Hình 1.2 Cấu trúc EDFA Hình 1.3 Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA Hình 1.4 Hiệu suất biến đổi công suất hàm độ dài EDF 10 với hai loại cấu hình bơm Hình 1.5 Minh họa cho độ dốc khuếch đại tĩnh động 11 Hình 1.6 Phổ đầu tiêu biểu EDFA mà có tín hiệu 12 đầu vào Hình 2.1 Các mẫu tín hiệu hình mắt 10 Gbit/s sau 40 km sợi G652 23 Hình 2.2 Sơ đồ điều chế kỹ thuật chirp bù tán sắc 24 Hình 2.3 Bù tán sắc kỹ thuật truyền dẫn hỗ trợ bù tán sắc 27 Hình 2.4 Hệ thống thực nghiệm 10 Gbit/s sử dụng DCF OAR 31 Hình 3.1 Sự mở rộng xung tán sắc 35 Hình 3.2 Cấu trúc lọc quang giao thoa chiều băng rộng 36 Hình 3.3 Cấu trúc lọc quang giao thoa chiều băng hẹp 36 Sơ đồ minh họa bù tán sắc cho tuyến thông tin quang 38 Hình 3.4 cách sử dụng lọc quang dặt sau khuếch đại Hình 3.5 Minh họa mạch sóng ánh sáng phảng sử dụng chuối 39 giao thoa Mach-Zehnder Hình 3.6 Trải rộng thiết bị mạch sóng quang plana để bù tán sắc v 39 LỜI MỞ ĐẦU Những năm gần đây, số lĩnh vực đƣợc xem phát triển Việt Nam hiên phải nhắc đến viễn thông Trƣớc tình hình thực tế, để xây dựng hệ thống thông tin quang tốc độ cao cự ly truyền xa vấn đề bù tán sắc đặt quan trọng Khi hệ thống quang hoạt động bƣớc sóng vùng 1550 nm sử dụng khuếch đại EDFA sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652, giá trị tán sắc lớn làm dãn xung mức, làm suy giảm trầm trọng chất lƣợng tín hiệu đồng thời hạn chế tốc độ bit cự ly truyền dẫn Dựa sở lý thuyết thực tiễn mà em xin đƣợc trình bày đề tài có tên KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG có nội dung gồm ba chƣơng nhƣ sau : Chƣơng I :HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA Chƣơng II :KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Chƣơng III : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG Nội dung chƣơng đƣợc trình bày cụ thể dựa tìm hiểu thực tiễn lý thuyết Dƣới hƣớng dẫn nhiệt tình tỉ mỉ cô Nguyễn Thanh Vân thầy cô tổ môn giúp em phát triển đề tài này, nhiên giới hạn kiến thức hạn hẹp, nên nội dung đề tài khó tránh khỏi nhƣng sai sót hạn chế, nên em mong thầy cô cho em ý kiến nhận xét để em tự hoàn thành đề tài tốt Em xin chân thành cảm ơn ! Chƣơng I :HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA 1.1 Lịch sử phát triển hệ thông tin quang Thông tin quang kỹ thuật truyền thông tin ánh sáng từ xa xƣa ngƣời sử dụng phƣơng thức để báo tin cho khoảng cách xa Từ hệ thứ tƣ hệ thống sợi quang sử dụng khuếch đại quang để tăng khoảng cách lặp ghép kênh theo bƣớc sóng ( WDM ) để nhằm mục đích tăng dung lƣợng truyền dẫn Sự đời kỹ thuật WDM tạo cách mạng dung lƣợng truyền dẫn cho phép hệ thống sợi quang hoạt động tốc độ 10 Tb/s vào năm 2001 Trong hầu hết hệ thống WDM, tổn hao sợi quang đƣợc bù tuần hoàn nhờ sử dụng khuếch đại quang sợi pha tạp erbium ( EDFA ) cách cỡ 60-80 km Các khuếch đại quang nhƣ đƣợc phát triển sau năm 1985 đƣợc cung cấp thƣơng mại năm 1990 Nhờ việc sử dụng khuếch đại quang sợi mà hệ thống truyền dẫn cáp biển toàn quang lục địa trở nên khả thi.Từ sau năm 1996 nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách chục ngàn km tốc độ Gb/s đƣợc triển khai rộng dãi toàn giới Hệ thống thông tin sợi quang hệ thứ năm đƣợc quan tâm mở rộng dải bƣớc sóng mà hệ thống WDM hoạt động đồng thời Cửa sổ bƣớc sóng quen thuộc đƣợc gọi băng tần C bao trùm dải bƣớc sóng 1,53 – 1,57 µm Nó đƣợc mở rộng hai phía bƣớc sóng ngắn bƣớc sóng dài để hình thành băng tần S L tƣơng ứng Kỹ thuật khuếch đại Raman khuếch đại tín hiệu băng tần bƣớc sóng mà khuếch đại EDFA không thực đƣợc Thêm nữa, loại sợi quang đƣợc gọi sợi khô đƣợc phát triển để suy hao sợi nhỏ toàn vùng bƣớc sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm Việc sử dụng sợi quang nhƣ chế độ khuếch đại cho phép hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênh WDM Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển khu vực châu Á Hệ thống thông tin quang trải qua 30 năm phát triển với nhiều kỹ thuật công nghệ đạt đƣợc nhiều thành tựu Thông tin quang sợi trở thành công nghệ để xây dựng sở hạ tầng truyền tải cho hầu hết cấp mạng thông tin từ mạng đƣờng trục quốc tế mạng truy nhập 1.2 Hệ thống thông tin quang EDFA Trong loại khuếch đại quang khuếch đại sợi pha tạp khuếch đại sợi pha tạp cebium EDFA ( Erbium Doped Fiber Amplifiber ) có sức hấp dẫn nhất, đơn giản chúng hoạt động gần bƣớc sóng 1.55𝜇𝑚, vùng bƣớc sóng mà suy hao sợi dƣờng nhƣ nhỏ Sự phát triển chúng cách mạng hóa trình thiết kế hệ thống thông tin sợi quang Khuếch đại quang sợi erbium EDFA kết phát minh tiếng lĩnh vực khuếch đại quang sợi Sử dụng EDFA để cải thiện độ nhạy thu quang nhƣ PA trở thành hấp dẫn chúng cho độ khuếch đại cao, nhiễu Ngoài số phƣơng pháp kể có mọt vài kỹ thuật bù tán sắc có chất tuyến tính cho khả bù hoàn toàn tán sắc vận tốc nhóm GVD sợi công suất quang trung bình đủ thấp để bỏ qua ảnh hƣởng phi tuyến sợi quang.Tín hiệu quang đƣợc truyền nhiều mảnh sợi ghép lại có đặc tính tán sắc khác Ví dụ tín hiệu quang đƣợc truyền hai mảnh, nhƣ sau: 𝐴 𝐿, 𝑡 = ∞ 2𝜋 𝐴0 0, 𝑤 𝑒𝑥𝑝 𝑖 𝑤 𝛽21 𝐿1 + 𝛽22 𝐿2 − 𝑖𝑤𝑡 𝑑𝑤 (2.13) Trong L=L1+L2, 𝛽21 tham số tán sắc vận tốc nhóm GVD mảnh sợi có độ dài L1 Sử dụng Di= − 2𝜋𝑐/𝜆2 𝛽21 , điều kiện để bù tán sắc sợi là: D1L1+D2L2=0 (2.14) Biểu thức sợi bù tán sắc DCF phải có GVD chuẩn 1550 nm (D20) sợi tiêu chuẩn để cho thỏa mãn điều kiện sau: 𝐿2 = − 𝐷1 𝐷2 𝐿1 (2.15) Thực tế giá trị L2 nhỏ tốt, DCF có D2 mang giá trị âm lớn.Ý tƣởng sử dụng sợi DCF để bù tán sắc xuất khoẳng từ năm 1980.Tuy nhiên, sau có phát triển khuếch đại quang năm 1990 thúc đẩy phát triển sợi DCF.VÌ suy hao sợi DCF lớn khuếch đại quang cho phép bù suy hao tuyến truyền dẫn Có hai cách để thiết kế DCF, thứ DCF dựa sợi đơn mode nhƣng lại đƣợc thiết kế với giá trị tham số sợi V tƣơng đối nhỏ, mà mode đƣợc giảm thiểu với 𝑉 ≈ 1., dòng mode truyền dẫn bên lớp vỏ có chiết suất nhỏ Cho nên thành phần dẫn sóng GVD khác so với sợi nhƣ vậy, điều làm 𝐷 ≈ −100 ps/km.nm Trong thực tế ngƣời ta thƣờng thiết kế loại vỏ có chiết suất giảm, nhƣng phát sinh điều bất cập DCF có suy hao tƣơng đối cao có tăng suy hao uốn cong (∝≈ 0,4 ÷ dB/km Tỷ số 𝐷 ∝ thƣờng đƣợc dùng nhƣ hệ số có nghĩa M để đặc trƣng cho sợi DCF khác Năm 1994, sợi có 29 𝑀 ≈ 150 ps/nm.dB đƣợc thƣơng mại hóa thị trƣờng.Hiện sợi DCF đƣợc chế tạo có tán sắc vƣợt -200 ps/km.nm với M>400 ps/nm.dB Các sợi bù tán sắc DCF gặp phải vài vấn đề khó khăn, 1km sợi DCF bù tán sắ cho khoảng 10÷12 km sợi đơn mode tiêu chuẩn.thứ hai, suy hao tƣơng đối lớn vùng bƣớc sóng 1550 nm có uốn cong lớn Thứ ba, đƣờng kính mode tƣơng đối nhỏ độ quang lớn công suất đầu vào cho, điều làm tăng ảnh hƣởng từ hiệu ứng phi tuyến, nhà khoa học nỗ lực tìm kiếm giải pháp cải thiện đặc tính sợi DCF đơn mode Hiện hầu nhƣ vấn đề tồn sợi DCF đƣợc khắc phục cách sử dụng sợi hai mode thiết kế có giá trị cho mode bậc cao gần bƣớc sóng cắt (𝑉 ≈ 2.5) Các sợi có suy hao giống sợi đơn mode nhƣng đƣợc thiết kế nhằm cho tham số tán sắc D đới với mode bậc cao có giá trị âm lớn, chí D lớn tới -770 ps/km.nm sợi vó lõi clip Nhƣ với 1km sợi DCF bù tán sắc GVD cho tuyến dài 40 km, có thêm suy hao sợi tổng suy hao tuyến Ƣu điểm sợi DCF hai mode cho phép bù tán sắc băng rộng Để dụng loại sợi đòi hỏi phải có biến đổi mode có khả biến đổi lƣợng từ mode sang mode bậc cao với hỗ trợ DCF Có số thiết bị hoàn toàn sợi kiểu đƣợc nghiên cứu phát triển.Bản chất hoàn toàn sợi thiết bị biến đổi mode quan trọng từ quan điểm tƣơng thích với hệ thống mạng thông tin quang sợi, cho suy hao xen nhỏ Yêu cầu cho biến đổi mode không nhạy cảm phân cực cần hoạt động băng tần rộng Hầu hết thiaats bị biến đổi mode sử dụng sợi mode có cách từ bên cho ghép hai mode Chu kỳ cách tử A đƣợc chọn để dung hòa khác chiết suất ∆ hai mode (A=𝜆/∆ ), thƣờng vào khoẳng xấp xỉ 100 𝜇𝑚 Các cahs tử đƣợc chế tạo công nghệ khác 30 nhƣ: công nghệ ứng suất căng có chu kỳ, vi uốn cong nhạy cảm quang Suy hao xen tiêu biểu thƣờng thấp 1dB, với hệ số ghép đạt tới 99% Bằng việc sử dụng sợi bù tán sắc ngƣời ta xây dựng đƣợc tuyền thông tin quang tốc độ cao cự ly xa Để bù tán sắc cho tuyến truyền dẫn dài, sợi bù tán sắc đƣợc đặt xen vào khoảng lặp tuyến, Các khuếch đại quang EDFA thực bù suy hao cho sợi truyền dẫn sợi DCF Gần đây, việc sử dụng sợi bù tán sắc DCF thu có khuếch đại quang OAR để kéo dài cự ly tăng tốc độ truyền việc xen sợi DCF vào OAR gây nhiều ý Năm 2001, đội nghiên cứu thầy San thành cong việc sử dụng 20 km sợi DCF để lắp xen vào thu quang có tiền khuếch đại EDFA Nhờ mà đẫ truyền đƣợc tín hiệu 10 Gbit/s hệ thống sử dụng tiêu chuẩn G.652 dài 120 km Hình 2.4: Hệ thống thực nghiệm 10 Gbit/s sử dụng DCF OAR Hình (2.4) mô tả sơ đồ thiết lập thực nghiệm hệ thống truyền dẫn thu OAR có sợi DCF đƣợc mắc vào hai tầng khuếch đại EDFA Tổng tán sắc DCF -1340 ps/nm Với việc xen độ nhạy thu quang đƣợc cải thiện nhiều Hình 2.5 kết đo độ nhạy thu mà họ thu đƣợc -30.5 dBm tỷ số BER=1012 có DCF, DCF đo đƣợc độ nhạy thu tỷ số BER cao nhƣ vậy, tán sắc cao làm kép hình mắt giảm tỷ số phân biệt nên BER=108 dBm độ nhạy thu -26.5 dBm So sánh hai kết thấy rõ khác biệt độ nhạy thu có DCF 31 không Nhƣ vậy, bù tán sắc sợi DCF kết hợp với khuếch đại quang EDFC đƣợc coi giải pháp có hiệu Hiện giải pháp kết hợp với bù chirp phía phát đƣợc coi hấp dẫn đƣợc thƣơng mại hóa rộng rãi 2.2.2.6 Bù tán sắc lọc cân quang Các sợi bù tán sắc DCF xem xét phƣơng pháp có nhƣợc điểm lớn độ dài cần thiết để bù tuyến truyền dẫn dài Giả sử sợi DCF dài xấp xỉ km thƣờng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD sợi đơn mode tiêu chuẩn có cự ly khoảng 10 km Nhƣ dùng DCF thêm suy hao đáng kể cho tuyến truyền dẫn, trƣờng hợp tuyến có cự ly dài Vì mà ngƣời ta tìm giải pháp khác để bù GVD, giải pháp đƣợc gọi lọc cân quang, chủ yếu sử dụng lọc giao thoa 2.2.2.7 Bù tán sắc cách tử Bragg sợi Cách tử Bragg sợi đóng vai trò nhƣ lọc quang dố có tồn “băng diong”, vùng tần số mà hầu hết ánh sáng đƣợc phản xạ trở lại Băng dừng có tâm bawocs sóng Bragg 𝜆𝐵 = 2𝑛𝐴 A chu kỳ cách tử n số mode Bản chất ccos chu kỳ biến đổi số ghép sóng lan truyền xuôi ngƣợc bƣớc sóng gần với bƣớc sóng Bragg đƣa tính phản xạ phụ thuộc tần số tín hiệu tới băng đƣợc cƣờng độ cách tử xác định, chất cách tử sợi nhƣ lọc phản xạ Đến năm 1990 công nghệ chế tạo cách tử sợi dựa tính “nhạy cảm quang” lọc quang đƣợc đƣa ứng dụng thực tế Gồm có ba loại cách tử Bragg sợi là: - Cách tử đồng dạng chu kỳ - Cách tử sợi chirp - Bộ ghép mode chirp 2.2.2.8 Kết hợp pha quang bù tán sắc 32 Kỹ thuật kết hợp pha quang OPC hay gọi kỹ thuật liên hợp pha quang để bù tán sắc đến tận năm 1993 đƣợc tiến hành thực nghiệm thu hút đƣợc ý đáng kể Đây kỹ thuật phi tuyến trái ngƣợc hẳn so với kỹ thuật trƣớc Hiểu cách đơn giản nhất, nhƣ trƣờng quang đƣợc kết hợp pha tuyến truyền dẫn sợi quang tán sắc có đƣợc đoạn nửa dầu tiên đƣợc bù xác nửa chu kỳ thứ hai tuyến Nguyên lý hoạt động OPC đƣợc lý giải thông qua biểu thức (2.16): 𝜕𝐴 𝜕𝑧 𝑖 𝜕2𝐴 𝜕𝑡 − 𝛽2 𝜕3𝐴 𝜕𝑡 − 𝛽3 = (2.16) Sự lan truyền trƣờng kết hợp pha A tƣơng đơng để đổi dấu tham số tán sắc vận tốc nhóm 𝛽2 Vì số hạng 𝛽3 không đổi dấu kết hợp pha OPC bù đƣợc cho tán sắc bawcj ba Thực tế dễ dàng nhận việc giã số hạng cấp cao OPC bù cho tất số hạng tán sắc bậc chẵn không tác động số hạng bậc lẻ Tính tác động OPC bù tán sắc đoạn đƣợc xác minh biểu thức (2.5), trƣờng quang trƣớc OPC đƣợc thu nhận cách sử dụng z= L/2 biểu thức Sau lan truyền trƣờng kết hợp pha A nửa đoạn thứ hai thu đƣợc nhƣ sau: 𝐴(𝐿, 𝑡) = 2𝜋 𝐴°(𝐿/2, 𝜔)𝑒𝑥𝑝 𝑖 𝛽2 𝐿𝜔2 − 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝜔 (2.17) 𝐴°(𝐿/2, 𝜔) dạng biến đổi Fourrier 𝐴°(𝐿/2, 𝑡) đƣợc cho nhƣ sau: 𝐴°(𝐿/2, 𝜔) = 𝐴°′(0, −𝜔) 𝑒𝑥𝑝 −𝑖𝜔2 𝛽2 𝐿 (2.18) Thay (2.18) vào (2.17) ta thấy A(L,t) – A0(0,t),nhƣ vậy, trừ OPC đảo ngƣợc pha, trƣờng đầu vào đƣợc khôi phục hoàn toàn dạng xung đƣợc lƣu cho dạng đầu vào Vì thế, phổ tín hiệu sau OPC trở thành hình ảnh phản ánh trung thực phổ đầu vào kỹ thuật kết hợp ơha quang OPC đƣợc gọi kỹ thuật “đảo phổ đoạn” 33 Trong kỹ thuật kết hợp pha quang bù tán sắc bao gồm phƣơng pháp nhƣ sau: - Bù tự điều chế pha - Phát tín hiệu kết hợp pha  Ảnh hƣởng khuếch đại có chu kỳ: Cự ly truyền dẫn cho phƣơng pháp khoảng vài trăm km, tuyến truyền dẫn dài, ngƣời ta đặt câu hỏi liệu kết hợp pha quang OPC bù GVD hay không cho tuyến dài vài nghìn km sợi quang mà có khuếch đại mắc chuỗi đặn Câu hỏi đƣợc trả lời thông qua việc mô số Việc sử dụng OPC cho hệ thống thông tin quang có cự ly xa đòi hỏi phải có khuếch đại quang mắc chuỗi nối chu kỳ kết hợp pha Hai thành phần thiết bị kết hợp thành cách sử dụng “khuếch đại tham số”, không phát tín hiệu kết hợp pha thông qua trình FWM mà khuếch đại tín hiệu Việc phân tích hệ thống truyền dẫn quang cự ly xa nhƣ xung đầu vào 20 đến 30 ps truyền đƣợc hàng nghìn km có tán sắc sợi cao cự ly truyền dẫn tổng vƣợt 15000 km sợi tán sắc dịch chuyển 34 Chƣơng III : KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG 3.1 Sự cần thiết việc quản lý tán sắc Nhƣ tìm hiểu chƣơng kỹ thuật bù tán sắc hệ thống thông tin quang, nhận thấy ảnh hƣởng tán sắc có tác động lớn tới chất lƣợng hệ thống thông tin quang nói chung hệ thống thông tin quang EDFA nói riêng.Tán sắc hiên tƣợng tín hiệu quang truyền sợi quang bị giãn Nếu xung giãn lớn chu kỳ bít dẫn tới chồng lấp bit kế cận Kết lần đầu thu không nhận diện đƣợc bit hay bit đƣợc truyền đầu phát, dẫn tới định đầu thu định sai, tỷ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm từ chất lƣợng hệ thống giảm Hình vẽ dƣới minh họa cho mở rộng xung tán sắc: Hình 3.1 : Sự mở rộng xung tán sắc Khi sử dụng EDFA tuyến liên quan đến suy hao đƣợc giải quyết, cự ly truyền dẫn đƣợc nâng lên rõ rệt, nhƣng tổng tán sác tăng lên.Vì để thực đƣợc việc truyền thông tin tốc độ cao cự ly truyền dẫn dài cần phải giải vấn đề tán sắc Có thể giảm thiểu ảnh hƣởng tán sắc tốc độ nhóm ( GVD ) sử dụng laser phổ hẹp gần với bƣớc sóng tán sắc zero sợi quang Tuy nhiên lúc kết hợp bƣớc song hoạt động với bƣớc sóng tán sắc 35 3.2 Bộ lọc quang Trong loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử chiều loại tinh thể đơn giản Tuy nhiên tinh thể chiều lại có ƣu điểm riêng nhƣ dễ dàng chế tạo hơn, sử dụng để nghiên cứu số khía cạnh tinh thể quang tử nhiều chiều dẫn đến ứng dụng linh kiện mà chúng không yêu cầu phải cấm hoàn toàn (về hƣớng) lan truyền qua hay xạ ánh sáng Tinh thể quang tử chiều với chiết suất đồng lớp đƣợc biết đến dƣới tên gọi phản xạ Bragg phân bố hay thông dụng lọc quang học giao thoa Hình3.2 : Cấu trúc lọc quang giao thoa chiều băng rộng Hình3.3 : Cấu trúc lọc quang giao thoa chiều băng hẹp 36 Loại lọc linh kiện quang học thông dụng, trƣớc thƣờng đƣợc chế tạo phƣơng pháp phún xạ hay bay nhiệt cách lần lƣợt oxít để tạo màng mỏng đa lớp có chiết suất thay đổi tuần hoàn Ngày nay, dựa công nghệ điện hóa phiến silic chế tạo đƣợc màng silic xốp đa lớp có tính nhƣ lọc quang học giao thoa Các lọc quang băng rộng hoạt động dựa nguyên lý phản xạ Bragg chế tạo từ màng silic xốp đa lớp đạt đƣợc độ rộng phổ từ vài chục đến vài trăm nm Trên sở lọc quang băng rộng này, chế tạo đƣợc lọc băng hẹp có độ rộng phổ vài nm với độ suy hao thấp dƣới dạng buồng vi cộng hƣởng 3.3 Bù tán sắc lọc cân quang Các sợi bù tán sắc DCF ( Dispersion Compensating Fiber ) có nhƣợc điểm độ dài cần thiết để bù tuyến truyền dẫn dài Ví dụ nhƣ sợi DCF dài xấp xỉ 1km thƣờng bù tán sắc vận tốc nhóm GVD ( Group Velocity Dispersion ) sợi đơn mode tiêu chuẩn có cự ly khoảng 10km Nhƣ có nghĩa dùng DCF thêm suy hao đáng kể cho tuyến truyền dẫn, trƣờng hợp tuyến có cự ly dài Từ lý mà ngƣời ta tìm giải pháp khác để bù GVD, giải pháp đƣa lọc cân quang, xem xét lọc giao thoa Chức lọc cân quang biết đƣợc từ biểu thức 𝐴(𝐿, 𝑡) = 2𝜋 𝐴°(0, 𝜔)𝐻(𝜔)𝑒𝑥𝑝 𝑖 𝛽2 𝐿𝜔2 − 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝜔 Do tán sắc vận tốc nhóm GVD ảnh hƣởng tới tín hiệu quang thông qua phổ… Cho nên rõ ràng lọc quang có hàm chuyển đổi loại bỏ đƣợc thành phần pha lƣu lại tín hiệu Tuy nhiên lại có hạn chế lọc quang có hàm chuyển đổi có khả bù xác GVD, loại trừ tự thân lọc quang Mặt khác, có vài lọc quang đƣa đƣợc việc bù GVD thành phần cách tạo ( bắt trƣớc ) hàm chuyển đổi lý tƣởng 37 Từ ta cần khảo sát lọc quang có hàm chuyển đổi H(𝜔) Nếu lọc quang đƣợc đặt sau sợi có độ dài L, tín hiệu quang đƣợc lọc từ biểu thức 𝐴(𝐿, 𝑡) = 2𝜋 𝐴°(0, 𝜔)𝐻(𝜔)𝑒𝑥𝑝 𝑖 𝛽 𝐿𝜔2 − 𝑖𝜔𝑡 𝑑𝜔 2 Bằng cách khai triển pha H(𝜔) chuỗi taylor giữ số hạng bậc hai có : Trong đƣợc tính theo tần số sóng mang 𝜔0 Minh họa cho bù tán sắc cho tuyến thông tin quang cách sử dụng lọc quang đặt sau lọc khuếch đại nhƣ sơ đồ sau: Hình 3.4 Sơ đồ minh họa bù tán sắc cho tuyến thông tin quang cách sử dụng lọc quang dặt sau khuếch đại Sơ đồ mô tả việc đặt lọc quang nhƣ sau khuếch cho suy hao sợi GVD đƣợc bù dọc theo tuyến truyền dẫn dài Nếu nhƣ hàm chuyển đổi H(𝜔) = nằm băng tần tín hiệu, lọc quang giảm nhiều khuếch đại nhờ việc loại bỏ xạ tự phát 38 3.3.1Giao thoa kế Mach-Zehnder Giao thoa thiết kế MZ ( Mach-Zechnder ) đóng vai trò nhƣ lọc quang Năm 1992, ngƣời ta tạo đƣợc tổ hợp vào giao thoa kế gọi cân quang, đƣợc chế tạo dạng “ mạch sóng quang plana “ cách sử dụng ống dẫn sóng thủy tinh Ƣu điểm thiết bị đặc tính cân tán sắc đƣợc điều khiển việc thay đổi độ dài nhánh số giao thoa kế MZ Hoạt động thiết bị MZ đƣợc hiểu từ cách nhìn mở rộng nhƣ mô tả hình dƣới : Hình 3.5 Minh họa mạch sóng ánh sáng phảng sử dụng chuối giao thoa Mach-Zehnder Hình 3.6 : Trải rộng thiết bị mạch sóng quang plana để bù tán sắc Thiết bị đƣợc thiết kế để thành phần tần số cao truyền dọc theo nhánh dài giao thoa kế MZ Kết chúng phải trễ nhiều so với 39 thành phần tần số thấp theo nhánh ngắn Trễ tƣơng đối đƣợc sinh từ thiết bị nhƣ vừa đủ đổi diện với trễ đƣợc đƣa từ lọc quang chế độ tán sắc dị thƣờng Hàm chuyển đổi H(𝜔) thu đƣợc qua phép phân tích đƣợc dùng để tối ƣu thiết kế đặc tính thiết bị Năm 1994 ngƣời ta tạo đƣợc mạch sóng quang plannar có giao thoa kế MZ cho đƣợc trễ tƣơng đối 836 ps/nm.Thiết bị dài vài cm, nhƣng có khả bù tán sắc cho 50 km sợi đơn mode tiêu chuẩn Hạn chế độ rộng băng hẹp (~10 GHz ) nhạy cảm với phân cực đầu vào Tuy nhiên, đống vai trò nhƣ lọc quang với khả lập trình điều chỉnh GVD nhƣ bƣớc sóng hoạt động 3.3.2 Giao thoa thiết kế Fabry-Perot Bản chất giao thoa kế nhạy cảm với tần số ánh sáng đầu vào đóng vai trò nhƣ lọc quang, có đặc tính truyền dẫn phụ thuộc tần số, chẳng hạn nhƣ giao thoa kế Fabry-Perot (FP) Bộ giao thoa kế FP phản xạ, thƣờng đƣợc gọi giao thoa kế GiresTonrnois, đƣợc thiết kế có gƣơng phản xạ phần đặt phía trƣớc gƣơng phản xạ toàn phần đặt phía sau Hàm chuyển đổi đƣợc cho nhƣ sau : Ở hàm chuyển đổi H0 số T thời gian di vòng hốc cộng hƣởng FP Ta thấy hàm chuyển đổi hàm không phụ thuộc vào tần số, có pha phổ đƣợc biến đổi thông qua lọc FP Tuy nhiên pha phổ hàm xa so với lý tƣởng Nó hàm có chu kỳ lấy đỉnh tần số 40 cộng hƣởng FP Trong vùng lân cận mối đỉnh, vùng phổ tồn mà thay đổi pha gần nhƣ dạng bậc hai Khi thiết kế hợp lý, thiết bị bù GVD cho vài trăm km sợi tiêu chuẩn bằng cách điều chỉnh độ dài hốc cộng hƣởng phù hợp 3.4Kết luận Bộ lọc quang học giao thoa dựa màng đa lớp silic xốp đƣợc đặc trƣng thông số nhƣ : số lớp N, chiết suất n độ dày quang học d lớp Việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc phụ thuộc vào nhiều tham số thiết kế, chẳng hạn nhƣ công suất phát, khoảng khuếch đại, vị trí DCF Nếu nhƣ tham số dƣợc thiết kế hợp lý thực đƣợc hệ thống thông tin quang cự ly xa với dung lƣợng lớn Việc bù tán sắc sử dụng lọc quang đƣợc áp dụng cho bọ giao thoa kế, giao thoa kế đƣợc ứng dụng nhƣ lọc quang Các phƣơng pháp bù tán sắc trƣớc bù tán sắc sau có hạn chế chiều dài tuyến quang lớn, phƣơng pháp bù tán sắc đƣờng dây đƣợc sử dụng phổ biến hiệu thực tế, bật hai phƣơng pháp sử dụng DCF sử dụng cách tử Bragg Với việc bù tán sắc cho tuyến quang sử dụng sợi DCF có vài khuyết điểm, đƣờng kính trƣờng mode sợi DCF nhỏ, mật độ công suất sợi lớn nguyên nhân hiệu ứng phi tuyến, đồng thời suy hao DCF lớn việc sử dụng kết hợp với OA truyền tuyến quang đƣờng dài làm tăng nhiễu ASE nhƣợc điểm DCF cần bù lƣợng tán sắc lớn phải cần chiều dài sợi tỉ lệ thuận với lƣợng tán sắc đó, dẫn đến cồng kềnh khó khăn cho việc thi công, lắp đặt 41 Khi phƣơng 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, phƣơng pháp dùng cách tử Bragg tỏ hiệu khắc phục đƣợc nhƣợc điểm phƣơng pháp dùng sợi DCF 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Vũ Văn San, “ Hệ thống thông tin quang – tập 1,2 “ Nhà xuất bƣu điện Hà Nội 7-2013 Nguyễn Đức Nhân, “ Bài giảng kỹ thuật thông tin quang I “, Học Viện công nghệ bƣu viễn thông Bass M – 2002 – Fiber Optics Handbook Fiber, Devices, And Systems For Optical Communications – Osa – Mc Graw Hill 43 ... NGUYỄN THU HƢƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KỸ THU T BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG EDFA SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC QUANG NGÀNH: KỸ THU T ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ: CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ -. .. vài độ dài tán sắc Ngoài có kỹ thu t cân quang điện khác nữa, lỹ thu t dựa vào lọc quang Với kỹ thu t này, chia công suất thiết bị thu quang thực 21 chia tín hiệu thu đƣợc thành vài nhánh Các đƣờng... thu t bù tán sắc hệ thống thông tin quang 2.2.1 Kỹ thu t bù sau Đây kỹ thu t điện đƣợc sử dụng để bù tán sắc vận tốc nhóm GVD thu quang Kỹ thu t dựa nguyên tắc: Mặc dù tín hiệu quang bị suy giảm