PHÂN TÍCH bù tán sắc TRONG hệ THỐNG dẫn QUANG

PHÂN TÍCH bù tán sắc TRONG hệ THỐNG dẫn QUANG ................................ PHÂN TÍCH bù tán sắc TRONG hệ THỐNG dẫn QUANG ................................ PHÂN TÍCH bù tán sắc TRONG hệ THỐNG dẫn QUANG ................................ PHÂN TÍCH bù tán sắc TRONG hệ THỐNG dẫn QUANG ................................

THỐNG DẪN QUANG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG…… 3

2.1 SỢI QUANG 3

2.2 BỘ PHÁT QUANG 4

2.3 BỘ THU QUANG 4

CHƯƠNG 3 KHÁI NIỆM TÁN SẮC, PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC BẰNG SỢI QUANG DCF 5

3.1 KHÁI NIỆM TÁN SẮC 5

3.1.1 Các loại tán sắc 7

3.2 PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC BẰNG SỢI QUANG DCF 8

3.2.1 Cơ sở toán học 9

3.2.2 Các thông số kỹ thuật của sợi quang DCF 10

3.2.3 Bù tán sắc đơn kênh 13

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 14

4.1 SƠ ĐỒ KHỐI 14

4.2 MÔ HÌNH 15

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 22

5.1 KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

HÌNH 3-2: SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA DÃN RỘNG XUNG QUANG DO TÁN

SẮC GÂY RA 6

HÌNH 3-3: CÁC LOẠI TÁN SẮC CƠ BẢN XẢY RA TRONG SỢI QUANG.7 HÌNH 3-4: SƠ ĐỒ CÁC LOẠI TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG 8

HÌNH 3-5: SỬ DỤNG SỢI DCF ĐỂ BÙ TÁN SẮC 9

HÌNH 3-6: HIỆN TƯỢNG BÙ TÁN SẮC BẰNG SỢI DCF 11

HÌNH 3-7: PHỔ TÁN SẮC CỦA SỢI DCF 12

HÌNH 3-8: BẢNG THAM SỐ CỦA SỢI SMF VÀ DCF 13

HÌNH 3-9: BÙ TÁN SẮC TRƯỚC 14

HÌNH 3-10: BÙ TÁN SẮC SAU 14

HÌNH 3-11: BÙ TÁN SẮC ĐỐI XỨNG 14

HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ KHỐI 14

HÌNH 4-2: TUYẾN TRUYỀN QUANG ĐƠN KÊNH KHI CHƯA BÙ TÁN SẮC 15

HÌNH 4-3: PHỔ TRƯỚC KHI QUA SỢI QUANG 17

HÌNH 4-4: PHỔ SAU KHI QUA SỢI QUANG 17

HÌNH 4-5: SƠ ĐỒ BER 18

HÌNH 4-6: TUYẾN TRUYỀN QUANG ĐƠN KÊNH KHI ĐƯỢC BÙ TÁN SẮC 19

HÌNH 4-7: PHỔ TRƯỚC KHI QUA SỢI QUANG 19

HÌNH 4-8: PHỔ SAU KHI QUA SỢI QUANG 20

HÌNH 4-9: PHỔ ĐÃ ĐƯỢC BÙ TÁN SẮC 20

HÌNH 4-10: SƠ ĐỒ BER 21

DCF Dispersion Compensation Fiber

GVD Group Velocity Dispersion

NRZ Non Return To Zero

SMF Single Mode Fiber

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Cuộc sống càng ngày càng được nâng cao, nhu cầu trao đổi thông tin công việc vàgiải trí của con người ngày càng cao, không chỉ đơn giản là việc truyền thoại truyềnthống, nhu cầu truyền dữ liệu càng ngày càng đòi hỏi về băng thông và dung lượngđường truyền Trong viễn thông, hệ thống truyền dẫn có hai dạng là vô truyền vàhữu tuyến Do hệ thống vô tuyến có những hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữutuyến vẫn là hình thức truyền dẫn hiệu quả và quan trọng nhất Trong truyền dẫnhữu tuyến sử dụng cáp đồng và cáp quang Cáp đồng không thể đảm trách đượcbăng thông và dung lượng đường truyền rất lớn từ nhu cầu của con người Truyềnthông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyềndẫn, với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp…,truyền dẫn quang đã trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các ứng dụng tốc

độ cao và mạng truyền dẫn đường trục Truyền dẫn thông tin quang bằng cáp sợiquang từ khi ra đời đến nay đã trải qua nhiều thời kì phát triển Ban đầu là sợi quang

đa mode có suy hao cao, với cự ly truyền dẫn vài km đến sợi quang đơn mode cósuy hao thấp với cự ly truyền dẫn tăng lên hàng chục, thậm chí hàng trăm km Cáp quang là giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài và quốc tế có tốc

độ truyền dẫn cao và rất cao, sử dụng trên đất liền và vượt đại dương

Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang dung lượng lớn sẽ gặp phải 3 vấn đề lớn cầnquan tâm như: suy hao, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng và cự lytruyền dẫn của hệ thống Vấn đề suy hao có thể được giải quyết đơn giản bằng việc

sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA trong mạng WDM Ngày nay, hầu hết các hệthống truyền dẫn quang được thiết kế hoạt động trong băng C, vùng bước sóng1530nm – 1565nm, bởi ưu điểm suy hao rất thấp trong vùng này Các hiệu ứng phituyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức côngsuất vừa phải khoảng vài mW với tốc độ bit lên đến 2,5 Gbps Tuy nhiên ở các tốc

độ bit cao hơn như 10 Gbps thì chúng ta phải xem xét các ảnh hưởng của hiệu ứngphi tuyến Các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến có thể giảm đi khi sử dụng sợiquang có diện tích lõi hiệu dụng lớn Vì vậy, vấn đề tán sắc là vấn đề lớn nhất củacác hệ thống thông tin quang Khi chúng ta sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

để bù suy hao thì nó lại gia tăng sự tán sắc, một bộ khuếch đại quang không khôiphục tín hiệu được khuếch đại thành tín hiệu góc ban đầu Do đó tán sắc được tíchlũy qua các bộ khuếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu

Như chúng ta đã biết, ảnh hưởng của tán sắc đến tốc độ bit truyền tối đa của sợiquang như sau:

Br ≤ 1

4 Dt=Brmax

Với Dt là tán sắc của sợi quang Từ công thức trên ta dễ dàng nhận thấy mối quan

hệ nghịch đảo giữa tốc độ bit và cự ly truyền dẫn khi một sợi quang có tán sắc là Dt

Do đó để tăng tốc độ bit truyền dẫn và tăng cự ly truyền dẫn thì phải giảm thông sốtán sắc Dt xuống mức thấp nhất có thể Trong đề tài này sẽ sử dụng phương phápdùng sợi DCF để bù tán sắc, mặc dù phương pháp dùng sợi bù tán sắc DCF bị hạnchế về suy ghép kênh khá lớn, công suất trong sợi quang phải đảm bảo đủ nhỏ đểcác hiệu ứng phi tuyến không xảy ra và giá thành để lắp đặt cao

Tuy nhiên DCF vẫn được sử dụng rộng rãi vì dải bước sóng hoạt động rộng haykhắc phục thời gian trễ tốt, đặc biệt là tính đơn giản của phương pháp này

CHƯƠNG 1 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN QUANG

1.1 Sợi quang

Để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu.Sợi quang làm bằng thủy tinh truyền dẫn ánh sáng với suy hao nhỏ cỡ 0.2dB/km Ngày nay người ta sử dụng sợi đơn mode vì độ dãn xung nhỏ hơn (<0.1ns/km), còn

đa mode độ dãn xung cỡ xấp xỉ 10ns/km

Ưu điểm của sợi quang:

 Suy hao thấp hơn: sợi quang có độ suy hao thấp hơn sợi cáp đồng do vậy chophép truyền dữ liệu xa hơn

 Băng tần truyền dẫn rộng: các sợi quang có độ rộng băng tần truyền dẫn rộngnên một dung lượng lớn thông tin có thể được truyền qua hệ thống giúp làmgiảm số đường truyền vật lý cần thiết

 Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ: dễ dàng lắp đặt, cho thấy quang sợi cũng

dễ khai triển dễ dàng trong các hệ thống quân sự, hàng không, vệ tinh,…

 Không bị can nhiễu điện từ: do sợi quang được làm từ vật liệu điện môikhông dẫn điện, nên sợi quang không bị ảnh hưởng bới các hiệu ứng giaothoa điện từ cũng như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện có thể ghép cặpvới đường truyền

 Độ an toàn được tăng cường: các sợi quang cho mức độ an toàn cao khi vậnhành vì chúng không có các vấn đề về đấu đất, đánh tia lửa điện và điện thếcao như trong hệ thống cáp đồng

 Bảo mật thông tin cao: xợi quang cho phép một mức độ bảo mật thông tincao vì tín hiệu quang bị giam hãm tốt bên trong sợi quang khi truyền màkhông bức xạ ra ngoài gây rò rỉ thông tin

Nhược điểm của sợi quang:

 Các chi phí lắp đặt cao, nên khi triển khai các mạng khoảng lớn và dunglượng cao phải đảm bảo về chi phí đầu tư

 Do sợi quang nhỏ và mỏng được làm từ thủy tin nên rất khó khăn trong việchàn và chất lượng của mối hàn

 Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nên đòi hỏi cần phảichú ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng

1.2 Bộ phát quang

Ở bộ phát quang có vai trò là chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang,trong đó có những thành gồm nguồn quang, một bộ điều chế, một bộ ghép nối vớisợi quang Có hai phương thức điều biến: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Điều chế trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biển đổi dòng bơm trực tiếp nguồnquang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều biến ngoài, tuynhiên phương pháp này hiểu quả về chi phí nhưng bị giới hạn về tính năng Nên ởđây sử dụng phương pháp điều chế ngoài, thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độcao đó là bộ Mach-Zehnder dùng để điều chế ngoài

Các nguồn Laser hoặc diode phát quang (LED) được dùng như những nguồn quang.Nhưng ở đây sử dụng nguồn quang là Laser vì công suất lớn, suy hao ít vì Laser tiasáng tập trung vào một điểm Còn LED thì suy hao nhiều hơn do anh sáng tỏa rộng,

và sử dụng cho nhu cầu không cao

Pseudo Random bit Sequence Generator giống như digital signal, đó là tín hiệu đivào, khi qua bộ NRZ Pulse thì bộ này sẽ điều chế tín hiệu digital thành tín hiệuđiện, bộ Mach sẽ chuyển đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang

độ tín hiệu điện thu được

Phương thức điều biến cường độ thu trực tiếp (IM/DD - Intensity Modulation withDirect Detection) là hệ thống truyền dẫn thông tin quang điều chế cường độ, táchsóng trực tiếp Tại đầu thu, tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu ban

đầu thông qua các bộ PIN, APD(các bộ thu quang) Tín hiệu điện thu được tỷ lệ vớicường độ ánh sáng thu được tại đầu cuối của sợi quang Tốc độ truyền dẫn củaphương pháp này không cao lắm nên chưa tận dụng được hết khả năng truyền dẫncủa sợi quang Tốc độ càng cao, độ nhạy máy thu quang có xu hướng giảm.

CHƯƠNG 2 KHÁI NIỆM TÁN SẮC, PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC

BẰNG SỢI QUANG DCF

2.1 Khái niệm tán sắc

Tán sắc là hiện tượng méo dạng tín hiệu quang khi lan truyền trong sợi quang Khimột xung quang lan truyền trong sợi, xung quang sẽ bị dãn rộng trong quá trình lantruyền Sự mở rộng xung gây ra bởi tán sắc do sự khác nhau về vận tốc lan truyềncủa các thành phần trong xung quang Sự khác biệt về vận tốc lan truyền làm chocác thành phần trong xung quang có độ trễ khác nhau tại đầu cuối sợi quang nênxung quang đầu ra tổ hợp từ các thành phần này sẽ bị dãn rộng ra

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị giãn ra Nếu xung giãn

ra lớn hơn chu kì bit sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bit lân cận nhau Kết quả làđầu thu k nhận diện được bit 1 hay 0 đã được truyền đi ở đầu phát, dẫn tới bộ quyếtđịnh trong đầu thu sẽ quyết định sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm vàchất lượng hệ thống giảm

Hình 3-1: Minh họa mở rộng xung do tán sắc

Trong hệ thống truyền dẫn tín hiệu tương tự, tán sắc làm cho tín hiệu quang tại đầuthu bị méo dạng so với tín hiệu ban đầu Còn đối với truyền dẫn số, tín hiệu quangđược điều biến dưới dạng xung quang thì sự dãn rộng xung do tán sắc gây ra sự

giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) như mô tả trong hình 3-1, điều này có thể dẫn đếnlỗi tại bộ thu Tại hệ thống hoạt động ở tốc độ càng cao thì sự ảnh hưởng của tán sắccàng nghiêm trọng.

Hình 3-2: Sự ảnh hưởng của dãn rộng xung quang do tán sắc gây ra

Tùy thuộc vào loại thành phần của xung quang mà có thể phân thành các loại tánsắc khác nhau xảy ra trong sợi quang như cho trong hình 3-2 Nếu thành phần làmode truyền dẫn ta có tán sắc mode, còn khi thành phần của xung là các thành phầntần số hay bước sóng quang trong phổ xung quang ta có tán sắc sắc thể hay tán sắcmầu Đối với loại tán sắc này có hai thành phần đóng góp là tán sắc vật liệu và PTIT

45 tán sắc ống dẫn sóng Còn nếu thành phần là các thành phần mode phân cực thì

ta có tán sắc mode phân cực Đối với sợi đa mode có thể có đầy đủ tất cả các loạitán sắc cơ bản đề cập ở trên Một tín hiệu quang điều biến sẽ kích thích tất cả cácmode truyền dẫn tại đầu vào sợi quang Mỗi mode sẽ mang một phần năng lượngcủa tín hiệu truyền qua sợi Thêm nữa, mỗi mode chứa tất cả các thành phần phổtrong băng tần phát xạ của nguồn quang

Hình 3-3: Các loại tán sắc cơ bản xảy ra trong sợi quang

2.1.1 Các loại tán sắc

Trong thông tin quang người ta chia ra làm thành 3 loại tán sắc như sau: tán sắcmode, tán sắc phân cực mode, tán sắc sắc thể (trong đó tán sắc sắc thể bao gồm tánsắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu) Khi sợi truyền dẫn là đa mode (tức loại sợiquang có thể truyền cùng lúc nhiều mode sóng khác nhau trong lõi) thì ta có tất cảcác loại tán sắc nói trên Nhưng khi công nghệ chế tạo sợi đã phát triển thì sợi đơnmode ra đời và nó khắc phục được tán sắc mode của sợi đa mode Tuy nhiên, vì bảnchất chiết suất Silica là phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thểphát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có một bước sóng) mà là một chùm tia sángvới độ rộng phổ nào đó Chính vì thế trong sợi đơn mode vẫn còn tồn tại tán sắc, đó

là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể Ngày nay, với công nghệ chế tạo pháttriển mạnh mẽ người ta có thể chế tạo ra được các loại sợi quang mới có mức tánsắc giảm đáng kể Nhưng sợi này được dùng để lắp đặt trong các mạng mới cần tốc

độ bit vào và cự ly lớn

Hình 3-4: Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang

2.2 Phương pháp bù tán sắc bằng sợi quang DCF

L1: chiều dài sợi quang đơn mode.

L2:chiều dài sợi DCF

Nếu sợi bù tán sắc được chọn sao cho số hạng về pha có chứa w2 biến mất thì xung

sẽ được khôi phục thành hình dạng ban đầu tại cuối sợi bù tán sắc Vậy điều kiện để

bù tán sắc hoàn toàn là: β21L1+β22L2=0 hay D1L1+D2L2=0

Vậy từ phương trình trên ta thấy là sợi bù tán sắc phải có tán sắc vận tốc nhóm(GVD) tại bước sóng 1,55µm là D2 phải nhỏ hơn 0 vì D1 đối với sợi chuẩn đã lớnhơn 0 Và chiều dài sợi bù tán sắc phải thỏa: L2=−(D1/D2)L1

L2 phải càng nhỏ càng tốt nên suy ra D2 giá trị tuyệt đối càng lớn càng tốt

Hình 3-5: Sử dụng sợi DCF để bù tán sắc

2.2.2 Các thông số kỹ thuật của sợi quang DCF

Kỹ thuật bù bằng cách sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện tử có thể tăng khoảngcách truyền lên 2 lần, tuy nhiên nó lại không phù hợp với các hệ thống đường dài,

hệ thống này yêu cầu GVD phải được bù liên tục theo chu kỳ dọc theo đườngtruyền Đặc biệt trong các hệ thống toàn quang việc sử dụng các bộ bù tán sắc

quang điện tử là không phù hợp Vì thế người ta đã nghĩ ra một sợi quang đặc biệtgọi là sợi quang bù tán sắc (DCF: Dispersion Compensating Fiber)

Việc sử dụng sợi DCF cho các hệ thống toàn quang có thể bù GVD một cách đáng

kể nếu công suất quang trung bình được giữ đủ nhỏ để các hiệu ứng phi tuyến bêntrong sợi quang là không đáng kể

Việc sử dụng sợi DCF để bù tán sắc hết sức đơn giản chỉ là cần đặt một sợi DCFxen vào giữa, do đặc điểm của sợi DCF là có độ tán sắc âm, nghĩa là khi tín hiệuxung ánh sáng đi qua sợi này thì xung ánh sáng đó sẽ co lại dần, hiện tượng nàyngược với sợi SMF, xung ánh sáng sẽ bị giãn ra do tán sắc, do đó việc xung ánhsáng bị giãn ra đã giải quyết được

Hình 3-6: Hiện tượng bù tán sắc bằng sợi DCF

Sợi quang DCF phải có hệ số tán sắc GVD (Group Velocity Dispersion) ở 1,55µm

là D2<0 còn trong sợi quang thông thường D1>0 Hơn nữa chiều dài sợi quang cũng

được lựa chọn thỏa điều kiện: L2=−(D1/D2)L1.L2=−D1

D2 L1 Trong thực tế người ta cốgắng để chọn L2 nhỏ nhất nếu có thể, trường hợp này xảy ra khi sợi DCF có giá trị

âm D2 rất nhỏ (hay |D2| rất lớn)

Hệ số tán sắc D có giá trị -420ps/(nm.km) ở bước sóng 1550nm và thay đổi nhiều ở

các bước sóng khác Đây là một đặc tính quan trọng cho phép bù tán sắc băng rộng

Nói một cách tổng quát sợi DCF được thiết kế để D tăng theo bước sóng Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D là một đặc tính quan trọng để DCF có thể

hoạt động trong các hệ thống WDM

Hình 3-7: Phổ tán sắc của sợi DCF

Đây là phương pháp đơn giản nhất để quản lý tán sắc trong các hệ thống WDMdung lượng cao với số lượng kênh lớn của đường bao tán sắc được hiểu từ điềukiện:

D1L1+D2L2=0

Nhưng chỉ áp dụng cho một kênh, khi có nhiều kênh để thỏa mãn cho tất cả cáckênh thì cần điều kiện:

D1(❑n)L1+D2(❑n)L2=0

Trong đó ❑n là bước sóng của kênh thứ n

D1 tăng với bước sóng tăng cho cả hai sợi chuẩn và sợi dịch tán sắc, kết quả là tánsắc tích lũy D1L1 là khác nhau cho mỗi kênh Nếu cùng một DCF phải làm việc cho

tất cả các kênh, đường bao tán sắc của nó nên âm và có giá trị để thỏa mãn cho tất

cả các kênh Đường bao của tán sắc DCF:

và chiều dài tán sắc trung bình

D=(D1L1+D2L2)/L m

Trong đó D1 là hệ số tán sắc của sợi SMF D2 là hệ số tán sắc của sợi DCF L1 làchiều dài của sợi SMF L2 là chiều dài của sợi DCF L m là chu kỳ bù tán sắc