Đồ án môn học thông tin quang nâng cao: Điều khiển tán sắc

Suy hao quang không còn là giới hạn lớn nhất trong các hệ thống thông tin quang, thay vào đó trong các hệ thống thông tin quang hiện đại giới hạn thường gặp nhất là do tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến gây nên. Suy hao quang được giải quyết một cách dễ dàng bằng các bộ khuyếch đại quang tuy nhiên đi kèm với nó lại làm gia tăng tán sắc, trái ngược với các bộ tái tạo (Regenerator) điện tử, một bộ khuyếch đại quang không khôi phục lại tín hiệu được khuyếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu. Kết quả là, tán sắc tích lũy qua các bộ khuyếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu.

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC -oOo ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO HỆ CAO HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC GVHD: HVTH: Lớp: TS Lê Quốc Cường Nguyễn Trần Anh Tuấn Phạm Minh Tú CH09ĐT2 TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC -oOo ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO HỆ CAO HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC GV hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: TS Lê Quốc Cường Nguyễn Trần Anh Tuấn Phạm Minh Tú CH09ĐT2 TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010 Kỹ thuật điều khiển tán sắc MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 2  DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3  ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC 6  1.  CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC 6  2.  MƠ HÌNH BÙ TRƯỚC (PRECOMPENSATION) 9  2.1  Kỹ thuật Prechirp 9  2.2  Kỹ thuật mã hóa Novel: 12  2.3  Kỹ thuật Prechirp phi tuyến: 14  3.  KỸ THUẬT BÙ SAU 16  4.  SỢI QUANG BÙ TÁN SẮC 17  5.  BỘ LỌC QUANG 19  6.  CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings) 22  6.1  Chu kỳ cách tử đồng (Uniform-Period Gratings) 23  6.2  Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) 26  6.3  Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers) 29  7.  LIÊN HỢP PHA QUANG OPC 30  7.1  Nguyên lý hoạt động: 30  7.2  Bù tán sắc tự điều chế pha (Compensation of Self-Phase Modulation ) 31  7.3  Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal): 33  8.  HỆ THỐNG QUANG ĐƯỜNG DÀI: 37  8.1  Lý thuyết sở: 39  8.2  Hiệu ứng tương tác phi tuyến đồng kênh (Intrachannel Nonlinear Effects): 41  9.  HỆ THỐNG QUANG DUNG LƯỢNG CAO 43  9.1  Bù tán sắc băng rộng : 43  9.2  Bù tán sắc điều khiển (Tunable Dispersion Compensation) 46  Trang Kỹ thuật điều khiển tán sắc 9.3  Điều khiển tán sắc thành phần tán sắc bậc cao : 48  9.4  Bù tán sắc phân cực mode PMD 50  TÀI LIỆU THAM KHẢO 54  DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ nguồn đi-ốt phát quang 0, nm 7  Hình 2.1: Đồ thị mô tả độ giãn rộng xung theo khoảng cách truyền với xung đầu vào xung chirp Gauss trường hợp β2>0 10  Hình 2.2: Mơ hình kỹ thuật prechirp dùng để bù tán sắc 11  Hình 2.3: Bù tán sắc sử dụng mã hóa FSK 12  Hình 2.4: Đồ thị cường độ sáng theo thời gian tín hiệu 16 Gbps khoảng cách truyền 70km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn có khơng có sử dụng kỹ thuật nén tán sắc 14  Hình 2.5: đồ thị quan hệ khoảng cách truyền bị giới hạn tán sắc GVD mức cơng suất truyền trung bình 15  Hình 4.1: Mơ hình sợi DCF hai mode sử dụng cách tử chu kỳ dài 19  Hình 5.1: Mơ hình kết hợp lọc quang khuyếch đại quang 20  Hình 5.2 : Mơ hình lọc quang sử dụng giao thoa Mach-Zehnder 21  Hình 6.1 : Độ lớn(a) pha(b) hệ số phản xạ cách tử sợi quang đồng với κ Lg =2 κ Lg =3 23  Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD Mô tả hàm β 2g theo thông số δ tương ứng với giá trị hệ số κ khoảng 1-10 24  Hình 6.3: Tín hiệu phát (đường liền nét) trễ( đường chấm) , hàm bước sóng cho cách tử đồng κ (z) thay đổi từ 0-6 c m −1 chiều dài cách tử 11cm 25  Hình 6.4 Cách tử quang Chirped dùng bù tán sắc a/ chiết suất n(z) theo chiều dài cách tử b/ hệ số phản xạ tần số thấp cao vùng khác cách tử 27  Hình 6.5: Hệ số phản xạ thời gian trễ cách tử quang Chirped tuyến tính 27  Trang Kỹ thuật điều khiển tán sắc với băng thông 0.12nm 27  Hình 6.6: Sơ đồ bù tán sắc cách dùng lọc phát fiber –base transmission filter 29  Hình 7.1: Thí nghiệm bù tán sắc đảo khoảng phổ 21 km chiều dài sợi quang 34  Hình 8.1: Vịng lặp quang dùng để phát tín hiệu tốc độ 10 Gb/s khoảng cách 10.000 km sợi quang chuẩn sử dụng SCF 37  Hình 9.1 : Mơ hình ghép tầng cách tử để bù tán sắc hệ thống WDM 44  Hình 9.2 : Phổ phản xạ đồ thị tán sắc theo điện áp đốt phương pháp gradient nhiệt 47  Hình 9.3 : Dạng xung ngõ truyền với khoảng cách 300km không 49  có dùng sợi dịch tán sắc 49  Hình 9.4: Mơ hình bù tán sắc PMD quang điện 51  Hình 9.5: Bù tán sắc điều chỉnh sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép 52  Hình 9.6: Đồ thị quan hệ hệ số mở rộng xung giá trị DGD trung bình 53  DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASE ADM BER CW DBR DCF DDF DGP DM DWDM EDFA Amplifier Spontaneous Emission Add Drop Multiplexer Bit Error Ratio Continuous Wave Distributed Bragg Reflector Dispersion-Compensating Fiber Dispersion-Decreasing Fiber Differential Group Delay Dispersion-managed Dense Wavelength-Division Multiplexing Erbium-Doped Fiber Amplifier FM FP Frequency Modulation Fabry–Perot FRASL Fiber Raman Soliton Laser Bức xạ tự phát khuếch đại Thiết bị xen rẽ Tỉ lệ lỗi bít Sóng liên tục Phản xạ phân bố Bragg Sợi quang bù tán sắc Sợi quang giảm tán sắc Trễ nhóm Quản lý tán sắc Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao Bộ khuyếch đại quang pha trộn Erbium Điều chế tần số Một loại khoang cộng hưởng Laser quang Raman Soliton Trang Kỹ thuật điều khiển tán sắc FWHM FWM GVD LED MZ NTE NLS NOLM Full-Width at Half-Maximum Four-Wave Mixing Group-Velocity Dispersion Light Emitted Diode MachZehnder Network Terminal Equipment Nonlinear Schrăodinger Nonlinear Optical-Loop Mirror NRZ NSE NSDSF OA OAT OADM OBA OAR OC ODM OF OFC OM OMUX OPA OPU ORX OSC OTX PIM PMD RZ SAGCM SNR SOA Nonreturn to Zero Nonlinear Schrăodinger Equation Nonzero-Dispersion-Shifted Fiber Optical Amplifier Optically amplified transmitter Optical Add/Drop Multiplexer Optical Booster Amplifier Optically amplified receiver Optical Channel Optical Demultiplexer Optical Fiber Optical Fiber Cable Optical Multiplexer Optical MUX Optical Preamplifier Optical Preamplification Unit Optical Receiver Optical Transmission Section Optical Transmitter Polarization-Interleaved multiplexing Polarization-Mode Dispersion Return to Zero Separate Absorption, Grading, Charge, and Multiplication Signal-To-Noise Ratio Semiconductor Optical Amplifier SPM SRS SSFS TOD TW Self-Phase Modulation Stimulated Raman Scattering Soliton Self-frequency Shift Third-Order Dispersion Traveling Wave Độ rộng nửa cực đại Trộn bước sóng Tán sắc vận tốc nhóm Nguồn phát dạng LED Một loại lọc Thiết bị đầu cuối mạng Schrodinger phi tuyến Gương quang vịng phi tuyến Mã NRZ Phương trình Schrodinger Sợi quang dịch tán sắc Khuếch đại quang Bộ phát khuếch đại quang Bộ rẽ bước sóng quang Bộ khuếch đại đệm quang Bộ thu khuếch đại quang Kênh quang Tách bước sóng quang Sợi quang Cáp sợi quang Ghép bước sóng quang Bộ ghép kênh quang Bộ tiền khuếch đại quang Khối tiền khuếch đại quang Bộ thu quang Kênh giám sát quang Bộ phát quang Ghép xen kênh phân cực Tán sắc phân cực mode Mã RZ Sự hấp thụ, pha trộn, phí tổn khuếch đại riêng biệt Tỉ số tín hiệu nhiễu Bộ khuếch đại quang bán dẫn Tự điều chế pha Tán xạ kích thích Raman Dịch tần số Soliton Tán sắc bậc Sóng Traveling Trang Kỹ thuật điều khiển tán sắc WDM Wavelength-Division Multiplexing WADM Wavelength Division Multiplexing Access XPM Cross-Phase Modulation Ghép kênh phân chia theo bước sóng Mạng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh theo bước sóng Điều chế xuyên pha Trang Kỹ thuật điều khiển tán sắc ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC Suy hao quang khơng cịn giới hạn lớn hệ thống thông tin quang, thay vào hệ thống thơng tin quang đại giới hạn thường gặp tán sắc hiệu ứng phi tuyến gây nên Suy hao quang giải cách dễ dàng khuyếch đại quang nhiên kèm làm gia tăng tán sắc, trái ngược với tái tạo (Regenerator) điện tử, khuyếch đại quang khơng khơi phục lại tín hiệu khuyếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu Kết là, tán sắc tích lũy qua khuyếch đại làm giảm khả truyền tín hiệu Chính lý này, có nhiều mơ hình điều khiển tán sắc nghiên cứu suốt thập niên 1990 để hạn chế tác động tán sắc hệ thống thông tin quang Trong báo cáo giới thiệu số kỹ thuật đặc biệt dựa vào lý tính tượng truyền dẫn quang để cải thiện tán sắc thực tế Ở mục giải thích cần thiết phải điều khiển tán sắc Mục dành toàn cho phương thức dùng đầu phát đầu thu để điều khiển tán sắc Ở mục 1.4 đến mục 1.6 giới thiệu phương pháp sử dụng phần tử quang tán sắc cao đường cáp quang Kỹ thuật sử dụng tín hiệu quang pha kết hợp hay cịn gọi kỹ thuật đảo khoảng phổ (midspan spectral inversion) giới thiệu mục Mục giới thiệu điều khiển tán sắc hệ thống đường dài Mục tập trung vào hệ thống dung lượng cao hệ thống băng rộng Kỹ thuật bù tán sắc phân cực mốt (PMD) đề cập mục CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC Tán sắc làm giãn bề rộng xung ánh sáng truyền sợi quang làm giới hạn hoạt động hệ thống truyền dẫn quang Như ta biết hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) tối thiểu hóa la-de có độ rộng phổ hẹp (xem hình 1.1 quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ nguồn đi-ốt phát quang 0, nm nm) không bị tán sắc bước sóng tán sắc khơng λZD Tuy nhiên, thực tế, hệ thống truyền dẫn quang thường hoạt động bước sóng λ khác với bước sóng tán sắc khơng λZD Một ví dụ thực tế hệ thống thông tin quang hoạt động bước sóng 1,55 µm sử dụng la-de phát DFB, hệ thống sử dụng cáp sợi Trang Kỹ thuật điều khiển tán sắc quang đơn mốt “tiêu chuẩn” với bước sóng tán sắc khơng λZD 1,31 µm hệ thống xây dựng suốt thập niên 1980 Hoa Kỳ có chiều dài khoảng 50 triệu km Do có tán sắc 16 / vùng bước sóng 1,55 µm, nên tán sắc GVD hạn chế hoạt động hệ thống tốc độ 2Gbps Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ nguồn đi-ốt phát quang 0, nm Đối với la-de phát DFB điều chế trực tiếp, sử dụng phương trình 1.1 để ước lượng khoảng cách truyền tối đa L < (4B D sλ )−1 Với (0.1) sλ giá trị trung bình bình phương (RMS) bề rộng phổ xung bị mở rộng tần số chirp (sự thay đổi tần số theo thời gian) Hế thống có hệ số tán sắc D=16 ps/(kmnm) sλ = 0,15nm hoạt động tốc độ B = 2,5 Gbps theo công thức 1.1 ta tính L 42 km Vì thế, hệ thống sử dụng thiết bị tái tạo tín hiệu điện tử, khoảng cách tái tạo tín hiệu vào khoảng 40km Hơn việc sử dụng tái tạo tín hiệu làm hạn chế khả tăng tốc độ truyền dẫn hệ thống, muốn tăng tốc độ truyền phải thu nhỏ khoảng cách tái tạo tín hiệu dẫn đến chi phí đầu tư tăng cao Trang Kỹ thuật điều khiển tán sắc Hoạt động hệ thống cải thiện đáng kể việc sử dụng điều chế để tránh việc mở rộng phổ tần số chirp Lựa chọn ứng dụng vào thực tế phát sử dụng la-de DFB với điều chế ngồi tích hợp Trong trường hợp sλ =0, khoảng cách truyền giới hạn theo công thức L < (16 β B )−1 (0.2) Với β2 hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD Nếu ta sử dụng giá trị thông dụng hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD β2= -20ps2/km bước sóng 1,55 µm, áp dụng cơng thức 1.2 ta tính khoảng cách truyền L