Nghiên cứu chuyển đổi bước sóng dựa vào hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang phi tuyến cao.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TỪ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG DỰA VÀO HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG TRÊN SỢI QUANG PHI TUYẾN CAO Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số: 852.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2019 Cơng trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG NHƯ QUỲNH Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Văn Tuấn Phản biện 2: TS Trần Thế Sơn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 12 tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Truyền thông quang hỗ trợ mạnh mẽ mạng truyền thông đại rộng lớn, đặc biệt mạng internet toàn cầu Thật vậy, khơng có mạng internet tốc độ cao tồn cầu khơng có mạng quang đường trục Theo thống kê Youtube, phút trôi qua 10 năm video theo dõi, 72h nội dung cập nhật, số ¼ lưu lượng đến từ thiết bị di động Từ năm 2005 đến 2020, giá trị số toàn cầu ước tính tăng 307 lần lên đến 40 nghìn tỷ gigabytes, từ năm 2015 đến 2020 ước tính tăng gấp đôi năm [7] Từ bắt đầu liên kết truyền thông quang năm cuối thập niên 1970 nay, dung lượng tăng trưởng theo cấp số nhân cho phép nhiều dịch vụ viễn thông triển khai thông qua mạng internet Để đáp ứng nhu cầu liên tục dung lượng lớn, cơng nghệ quang đóng vai trò thách thức gia tăng kênh truyền tốc độ cao Trong tương lai, mạng quang khả sử dụng lợi kỹ thuật chuyển đổi Về bản, chuyển đổi tín hiệu quang thực với bước sóng cố định chia tín hiệu Có hai giải pháp phổ biến để gia tăng dung lượng mạng quang ghép tín hiệu: ghép phân chia theo bước sóng (WDM) ghép phân chia theo thời gian quang (OTDM) Sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ bước sóng thành bước sóng khác mang thông tin giống cần thiết để định tuyến chuyển mạch mạng quang định tuyến bước sóng, tăng linh hoạt hiệu mạng WDM Vì luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng sợi quang có hệ số phi tuyến cao Highly nonlinear fiber (HNLF) Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận văn nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng sợi quang HNLF phần mềm mô optisystem 7.0 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận văn tập trung nghiên cứu mạng WDM, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng FWM sợi quang HNLF phần mềm Optisystem Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể sau: - Thu thập, phân tích tài liệu thông tin liên quan đến đề tài - Khảo sát, phân tích thành phần hệ thống sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng sợi quang có hệ số phi tuyến cao - Sử dụng phần mềm Optisystem để thực mô hệ thống - Đánh giá kết thực dựa tính tốn mơ Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ bước sóng thành bước sóng khác mang thơng tin giống cần thiết để tăng linh hoạt hiệu mạng WDM, đặc biệt mạng quang định tuyến bước sóng Kết Xây dựng đánh giá mơ hình hệ thống thơng tin quang dúng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sợi quang HNLF Kết cấu luận văn Luận văn dài khoảng 60 trang, gồm phần chính: Chương : Tổng quan hệ thống thông tin quang Chương : Các hiệu ứng quang phi tuyến Chương : Four-Wave Mixing ứng dụng Chương : Mô hệ thống thông tin quang dùng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng dựa sợi quang HNLF Kết luận hướng phát triển đề tài Danh mục tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu 1.2 Tầm quan trọng hệ thống thông tin quang mạng viễn thông: Truyền thông quang hỗ trợ mạnh mẽ mạng truyền thông đại rộng lớn, đặc biệt mạng internet tồn cầu Thật vậy, khơng có mạng internet tốc độ cao tồn cầu khơng có mạng quang đường trục backbone Từ năm 2005 đến 2020, giá trị số tồn cầu ước tính tăng 307 lần lên đến 40 nghìn tỷ gigabytes Từ năm 2015 đến 2020 ước tính tăng gấp đơi năm [7] Hình 1.1 Gia tăng tích BL suốt chu kỳ 1840-2015 Ngày nay, với cách mạng truyền thông sợi quang, cung cấp dịch vụ Fiber-to-the-X (FTTX) lên phương tiện truyền dẫn để cung cấp dịch vụ truyền hình độ nét cao (HDTV) truyền hình cáp truyền hình internet (IPTV) Tất mạng truy nhập từ đầu cuối users khác khu dân cư, thương mại hay di động truyền mạng Metro Liên quan đến tác động cấu trúc viễn thông công nghiệp, hệ thống truyền thông quang phương tiện truyền dẫn tiềm lớn dung lượng khổng lồ khoảng cách xa mạng Metro mạng Core 1.3 Các thành phần hệ thống thông tin sợi quang Các hệ thống thơng tin quang phân thành hai loại: có mơi trường dẫn (guided) không dẫn (unguided) Trong trường hợp hệ thống quang có mơi trường dẫn, chùm quang từ phát bị giam hãm không gian lan truyền thực qua việc sử dụng sợi quang thực tế Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang 1.3.1 Sợi quang Sợi quang phân loại theo nhiều cách khác Nếu dựa vào đặc tính truyền dẫn sợi quang có thêm loại sợi dịch tán sắc (DSF) có đặc tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn, sợi bù tán sắc (DCF) sử dụng để bù ảnh hưởng tán sắc, sợi trì phân cực cho phép trì trạng thái phân cực tín hiệu lan truyền, sợi phi tuyến có hệ số phi tuyến cao (HNLF) dùng ứng dụng xử lý tín hiệu quang Dựa vào cấu trúc đặc biệt có loại sợi tinh thể photonic (PCF) hay gọi sợi vi cấu trúc có lớp vỏ vùng lõi vài trường hợp chứa lỗ không khí chạy dọc theo sợi Sự xếp cấu trúc PCF xác định đặc tính dẫn ánh sáng sợi 1.3.2 Bộ phát quang Hình 1.3 Sơ đồ khối phát quang điều chế 1.3.3 Bộ thu quang Hình 1.4 Sơ đồ khối thu quang 1.4 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK, NRZ-OOK 1.4.1 Các tín hiệu điều chế NRZ-OOK NRZ định dạng điều chế ứng dụng chủ yếu hệ thống truyền dẫn quang ngày Kỹ thuật phát xung NRZ tiếng từ lý thuyết thông tin cổ điển Nguồn thông tin phát dãy bit ký hiệu nhị phân tốc độ bit R=1/TB, TB khoảng thời gian bit (chu kỳ bit) biết khe bit Dãy tín hiệu bit biểu diễn sau: ( ) ∑ ( ) (1.1) Chu kỳ làm việc xác định độ rộng xung toàn phần tối đa 1/2 (FHWM) so với khe bit Trong trường hợp NRZ, chu kỳ làm việc a) Dạng xung tín hiệu NRZ b) Phát tín hiệu NRZ Hình 1.5: Phát tín hiệu NRZ 10 Gbps a) Dạng xung tín hiệu NRZ, b) Phát tín hiệu NRZ 10Gb/s Hình 1.6(b) Phổ quang tín hiệu NRZ 10Gb/s 1.4.2 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK: 1.4.3 Một sô thông số đánh giá chất lượng tín hiệu thu: a Giản đồ mắt (Eye Diagram) b Tỷ số lỗi bit (BER), hệ số chất lượng tín hiệu (Q-factor) BER = ( √ )≈ ⁄ ) ( √ (1.10) 1.5 Các hệ thống thông tin sợi quang bản: 1.5.1 Tuyến điểm – điểm: 1.5.2 Hệ thống thơng tin quang tương tự Hình 1.14 Các phần tử hệ thống thông tin quang tương tự 1.5.3 Hệ thống thông tin quang số: 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin quang: 1.6 Kết luận chương 10 Leff = ∫ (1 - ) (2.3) 2.3 Hiệu ứng tán xạ kích thích: 2.3.1 Tán xạ Brillouin kích thích: 2.3.2 Tán xạ Raman kích thích 2.4 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến: 2.4.1 Quá trình tự điều chế pha 2.4.2 Quá trình điều chế pha chéo 2.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-Wave Mixing: Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM q trình nhiều sóng quang tần số khác tương tác với tạo tín hiệu liệu đầu vào tần số đầu (chuyển đổi bước sóng) Trộn bốn bước sóng (FWM) có nguồn gốc từ χ(3) Nếu ba tín hiệu quang có tần số ƒ1, ƒ2 ƒ3 kết hợp đồng thời sợi quang, χ(3 sinh trường thứ tư có tần số ƒ4 liên hệ với tần số khác qua hệ thức [1]: f4 = f1 ± f ± f3 (2.14) Trong thực tế tổ hợp đòi hỏi phối hợp pha Thường tổ hợp: f4 = f1 + f2 - f3 (2.15) quan tâm ảnh hưởng đến hệ thống đa kênh dễ phối hợp pha kênh hoạt động sát bước sóng tán sắc khơng Khi ƒ = ƒ2 ta có q trình FWM suy biến (Degenerate FWM) 2.6 Kết luận 11 CHƯƠNG HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG FOUR-WAVE MIXING VÀ CÁC ỨNG DỤNG 3.1 Giới thiệu chương: 3.2 Lý thuyết hiệu ứng Trộn bốn bước sóng: 3.2.1 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM sử dụng tín hiệu bơm (Single Pump): Phổ tín hiệu chuyển đổi sau q trình xảy hiệu ứng trộn bốn sóng FWM, trường hợp sử dụng tín hiệu bơm (a) Mơ hình tín hiệu bơm, tín hiệu mẫu thử probe (b) Mơ hình tín hiệu bơm, nhiều tín hiệu mẫu thử probe Hình 3.1 Hiệu ứng trộn bốn sóng trường hợp có tín hiệu mẫu thử (a) nhiều tín hiệu mẫu thử (b) 12 (3.1) Điện trường tín hiệu (FWM idler) theo biểu thức [8]: ( ) Ở ( ) (3.2) ( ) điện trường tín hiệu bơm và tín hiệu mẫu thử probe; Dấu (*) liên hợp phức điện trường Cơng suất tín hiệu FWM idler cho [4]: ( ) ( )[ ( Trong ( )) ] (3.3) tương ứng hiệu suất, hệ số phi tuyến sợi quang hệ số suy hao sợi quang hiệu bơm cơng suất tín cơng suất tín hiệu mẫu thử probe Hiệu suất phụ thuộc vào khơng phối hợp pha tín hiệu cho biểu thức [4]: ( ( ( ) ( ( ) ) )) (3.4) gọi không so khớp pha tán sắc, khác số truyền tín hiệu khác Khi bước sóng tín hiệu bơm tín hiệu mẫu thử probe gần bước sóng tán sắc không sợi quang ảnh hưởng điều chế pha chéo (XPM) tán sắc bậc bỏ qua, ( Trong đó, tính cơng thức [4]: ) ( ) (3.5) tương ứng bước sóng tán sắc bước sóng tín hiệu bơm; c tốc độ ánh sáng chân không; dD/dλ độ dốc tán sắc Hiệu suất chuyển đổi định nghĩa tỉ 13 số công suất tín hiệu FWM idler ( tín hiệu mẫu thử probe ( ( )) công suất ) 3.2.2 Hiệu ứng trộn bốn sóng sử dụng nhiều tín hiệu bơm (multi-pump) Phổ tín hiệu FWM sử dụng nhiều tín hiệu bơm trình bày Hình 3.2 Hình 3.2 Mơ hình sử dụng nhiều tín hiệu bơm để tạo nhiều tín hiệu idler 3.3 Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng FWM: Hình 3.3 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động tín hiệu chuyển đổi bước sóng [9] Các đặc tính quan trọng mong muốn chuyển đổi bước sóng tồn quang hiệu suất chuyển đổi cao 14 băng thông rộng Để đạt khả chuyển đổi bước sóng vậy, phải đáp ứng điều kiện sau: (a) bước sóng bơm phải trùng với bước sóng tán sắc khơng; (b) biến thiên tán sắc màu theo hướng chiều dọc sợi phải nhỏ nhất; (c) trạng thái phân cực bơm tín hiệu phải trùng khớp 3.4 Vật liệu thiết bị phi tuyến: Các vật liệu silica, lithium niobat, silicon, oxit bismuth, chalcogenide, chất bán dẫn giếng đa lượng tử sử dụng để tạo thiết bị quang phi tuyến thích hợp cho việc xử lý tín hiệu 3.5 Các ứng dụng hiệu ứng trộn bốn sóng: Chuyển đổi tín hiệu OTDM thành tín hiệu WDM (OTDM-to-WDM conversion) Lấy mẫu dạng sóng waveform tín hiệu: dựa tượng trộn bốn bước sóng FWM Chuyển đổi bước sóng tồn quang: kỹ thuật mà luận văn tiến hành nghiên cứu khảo sát Kỹ thuật Multicast bước sóng tồn quang Chuyển đổi định dạng tín hiệu NRZ-OOK sang RZ-OOK tồn quang… 3.6 Kết luận 15 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUANG DÙNG KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG 4.1 Giới thiệu 4.2 Xây dựng cấu hình mơ Hình 4.1 Cấu hình hệ thống mơ sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng FWM 4.3 Giới thiệu phần mềm mô OPTISYSTEM 7.0 4.4 Thiết lập mô phần mềm Optisystem 7.0 Hình 4.2 Sơ đồ mơ hệ thống quang dùng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng 16 17 4.4.1 Mô tả đặt giá trị thiết bị mô 4.4.2 Mô tả hoạt động sơ đồ mô 4.5 Kết mô đánh giá Phổ tín hiệu liệu (bước sóng 1560.61nm) tín hiệu Bơm (bước sóng 1552.52 nm) đầu vào sợi quang có hệ số phi tuyến cao HNLF thể hình 4.12 Hình 4.12 Phổ sóng đầu vào cuộn dây HNLF Phổ tín hiệu chuyển đổi đầu sợi quang HNLF thể Hình 4.13 Ta thực mơ phân tích kênh chuyển đổi bước sóng khảo sát Theo tính tốn trình bày Chương 3, ví dụ ta sử dụng tín hiệu có bước sóng 1560.61 nm, tín hiệu chuyển đổi sinh nhờ hiệu ứng FWM sợi quang HNLF có bước sóng tương ứng 1544.43 nm 18 Hình 4.13 Phổ tín hiệu sau chuyển đổi bước sóng đầu cuộn dây HNLF Sau qua tách kênh WDM, ta thu kênh tín hiệu chuyển đổi 1544.43 nm Hình 4.14 Phổ tín hiệu chuyển đổi đầu tách kênh WDM 19 Tín hiệu chuyển đổi sau tách WDM khuếch đại khuếch đại EDFA2 Tiếp theo, kênh quang cho qua thu Photodetector PIN, qua lọc thơng thấp đến máy phân tích BER để phân tích chất lượng kênh đầu Để khảo sát chất lượng kênh chuyển đổi trình chuyển đổi bước sóng, ta thay đổi tham số đầu vào phù hợp suy hao quang VOA (điều chỉnh cơng suất tín hiệu đầu vào); khuếch đại quang EDFA2 (điều chỉnh tỷ số lỗi Bit (BER) mong muốn khoảng 10-9) Ta đo cơng suất thu tín hiệu chuyển đổi đầu khuếch đại EDFA2 tỉ số lỗi bit BER tín hiệu * Khảo sát trường hợp Bộ suy hao VOA: 18.7 dB, khuếch đại EDFA2 : 7.8 dB, ta đo được: - Công suất thu đầu khuếch đại EDFA: -20.307 dBm: Hình 4.15 Công suất thu đầu khuếch đại EDFA2 - Tỉ số lỗi bit BER: 2.04559 x 10-09 (Giá trị Min.BER : 2.04559e-09 Hình 4.16) 20 Hình 4.16 Giản đồ mắt kênh chuyển đổi 1544.43 nm Hình 4.17 Đồ thị đặc tính BER kênh bước sóng ban đầu 1560.61 nm kênh chuyển đổi 1544.43 nm 21 Hình 4.18 Hệ số phẩm chất (Q-factor) theo cơng suất thu kênh bước sóng ban đầu 1560.61 nm kênh chuyển đổi 1544.43 nm - Hiệu suất chuyển đổi (Conversion Efficiency) gán cho khoảng cách cơng suất (tính theo dB) kênh bước sóng ban đầu cần chuyển đổi kênh bước sóng chuyển đổi đầu sợi HNLF, minh họa hình vẽ đây: 22 Hình 4.19 Hiệu suất chuyển đổi (CE) Ứng với trường hợp bước sóng ban đầu λ = 1560.61 nm cấu hình chuyển đổi trên, hiệu suất chuyển đổi dựa phân tích phổ CE = 8.0257 dB * Để xem xét khả chuyển đổi cấu hình luận văn đề xuất, luận văn tiến hành khảo sát thêm việc chuyển đổi bước sóng băng C Khảo sát bước sóng từ 1553.33 nm đến 1567.95 nm băng C, bước sóng cách 2,42 nm theo bảng ITU-T G.694.1 Số liệu tổng hợp kết mô kênh chuyển đổi Bảng 4.2; thể đồ thị từ Hình 4.20 đến Hình 4.26 Ta có đồ thị hiệu suất chuyển đổi kênh bước sóng khảo sát trên: 23 Hình 4.26 Hiệu suất chuyển đổi kênh bước sóng khảo sát Từ kết mô phỏng, ta nhận thấy rằng, tỷ số lỗi Bit hệ số phẩm chất Q thay đổi theo công suất thu, công suất thu cao tỷ số lỗi Bit giảm ngược lại, Q-Factor tốt Chất lượng kênh chuyển đổi giảm so với kênh Back to Back khoảng 1.2 dB đến 1.6 dB BER xấp xỉ 10-9 tương ứng với bước sóng (đã thể Bảng 4.2 trên) Hiệu suất chuyển đổi (CE) kênh bước sóng khảo sát nằm khoảng từ 7.7749 dB đến 8.0814 dB, khác biệt nhỏ, không đáng kể 4.6 Kết luận 24 KẾT LUẬN Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-wave Mixing (FWM) xem hiệu ứng ứng dụng rộng rãi để thực chuyển đổi bước sóng Sử dụng phần mềm mơ Optisystem, luận văn thực mô thành cơng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng sợi quang có tính phi tuyến cao Việc chuyển đổi tín hiệu quang từ bước sóng thành bước sóng khác mang thông tin giống cần thiết để tăng linh hoạt hiệu mạng WDM, đặc biệt mạng quang định tuyến bước sóng Qua mơ cho thấy, tín hiệu liệu đầu vào ghép với tín hiệu Bơm CW qua sợi quang dây có tính phi tuyến cao HNLF Q trình trộn bốn sóng FWM tạo tín hiệu chuyển đổi có chất lượng đảm bảo đầu Bằng cách xếp khoảng cách tần số sóng bơm tín hiệu vào, thu tín hiệu chuyển đổi bước sóng mong muốn tần số khác Những nghiên cứu luận văn sở cho nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng phi tuyến FWM để thực multicasting bước sóng với số lượng bước sóng chuyển đổi lớn, lấy mẫu tín hiệu tồn quang… ... thuyết hiệu ứng Trộn bốn bước sóng: 3.2.1 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM sử dụng tín hiệu bơm (Single Pump): Phổ tín hiệu chuyển đổi sau q trình xảy hiệu ứng trộn bốn sóng FWM, trường hợp sử dụng tín hiệu. .. trung nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng sợi quang có hệ số phi tuyến cao Highly nonlinear fiber (HNLF) Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận văn nghiên cứu. .. thành công kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng sợi quang có tính phi tuyến cao Việc chuyển đổi tín hiệu quang từ bước sóng thành bước sóng khác mang thơng tin giống