Nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược trong miền quang

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG -LÊ NGỌC TÂN LÊ NGỌC TÂN THÔNGNỄVITẬTHUỸK NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hƣớng ứng dụng) 2017-2019 HÀ NỘI 2018 HÀ NỘI - 2018 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - LÊ NGỌC TÂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hƣớng ứng dụng) NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐỨC NHÂN HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Ngọc Tân ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược miền quang” kết trình cố gắng khơng ngừng thân giúp đỡ, động viên khích lệ Thầy/Cơ, bạn bè đồng nghiệp người thân Qua trang viết tác giả xin gửi lời cảm ơn tới người giúp đỡ thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua Tôi xin tỏ lịng biết ơn kính trọng sâu sắc Thầy giáo TS.Nguyễn Đức Nhân trực tiếp tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện công nghệ Bưu Viễn thơng, Khoa Đào tạo sau Đại học tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Cuối xin chân thành cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp tất bạn bè thân yêu động viên, giúp đỡ học viên suốt trình học tập làm đề tài Tác giả luận văn Lê Ngọc Tân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG ix PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG .4 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng 1.2.1 Nguyên lý 1.2.2 Phương pháp truyền dẫn 1.3 Các định dạng điều chế quang tiên tiến 1.3.1 Điều chế PSK 1.3.2 Điều chế BPSK 1.3.3 Điều chế QPSK 1.3.4 Điều chế PSK bậc cao 10 1.3.5 Điều chế tín hiệu DP-QPSK 10 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng lên hệ thống truyền dẫn quang sợi 11 1.4.1 Suy hao 11 1.4.2 Tán sắc sắc thể 12 1.4.3 Tán sắc mode phân cực (PMD) 14 1.4.4 Nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại 15 1.4.5 Méo phi tuyến 16 1.5 Kết luận chương 19 CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG 20 2.1 Mơ hình truyền ngược 20 iv 2.1.1 Đặt vấn đề 20 2.1.2 Mơ hình truyền xung sợi quang 21 2.1.3 Mơ hình truyền ngược 22 2.2 Một số kỹ thuật truyền ngược để bù méo 23 2.2.1 Phương pháp truyền ngược miền số 23 2.2.2 Phương pháp Fourier tách bước 24 2.2.3 Phương pháp đảo phổ tuyến 26 2.2.4 Phương pháp truyền ngược quang 28 2.3 Kỹ thuật truyền ngược toàn quang OBP 28 2.3.1 Nguyên lý kỹ thuật OBP 28 2.3.2 Cấu hình hệ thống OBP 32 2.4 Kết luận chương 34 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG 3.1Giới thiệu 3.2Mơ hình khảo sát 3.2.1Mơ hình hệ thống 3.2.2Mơ hình hệ thống 3.3 Tham số hệ thống mô 3.4Kết mô nhận xét KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ASE BER BPSK DBP DCF DEMUX DSP DWDM EDFA FWM MSSI MUX OBP OFDM OPC OSNR PSK vi QAM QPSK SDH SONET SPM SSFM WDM XPM vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ tả tuyến thơng tin quang có ghép bước sóng .5 Hình 1.2: Mơ tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) .6 Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng theo hướng Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn chòm 8PSK Hình 1.6: Sơ đồ chịm BPSK Hình 1.7: Sơ đồ chịm QPSK với mã hóa Gray 10 Hình 1.8: Sơ đồ điều chế tín hiệu DP-QPSK 10 Hình 1.9: Biểu đồ chịm tín hiệu QPSK trước sau tán sắc màu 14 Hình 1.10: Ảnh hưởng PMD với xung quang 14 Hình 1.11: Biểu đồ chịm tín hiệu QPSK trước sau tự điều chế pha 17 Hình 2.1: Tiến trình phát triển hệ thống thơng tin quang xu hướng tương lai 20 Hình 2.2: Thuật toán SSFM bất đối xứng 25 Hình 2.3: Kỹ thuật đảo phổ đoạn 26 Hình 2.4: Kỹ thuật truyền ngược quang 28 Hình 2.5(a): Sơ đồ máy thu điển hình – có khối OBP với (b) đầy đủ kích thước bước (c) kích thước nửa bước 29 Hình 1: Mơ hình hệ thống truyền dẫn quang sử dụng OBP cỡ bước đầy đủ 37 Hình 2: Sơ đồ khối phát quang DPSK 38 Hình 3.3: Sơ đồ khối thu quang DPSK 38 Hình 3.4: Sơ đồ khối truyền ngược quang OBP cỡ bước đầy đủ 39 Hình 3.5: Sơ đồ khối truyền ngược quang OBP cỡ bước lớn 40 Hình 3.6: Dạng phổ tín hiệu phát DPSK 40 Gb/s 42 Hình 3.7: Dạng phổ tín hiệu sau truyền dẫn qua tuyến dài 300 km mức công suất phát dBm 42 Hình 3.8: Phổ tín hiệu (a) trước khi, (b) sau truyền qua sợi HNLF OPC 43 viii Hình 3.9: BER phụ thuộc vào cơng suất thu Hình cho thấy phần phóng to đường cong BER hai mơ hình khảo sát 44 Hình 3.10: BER phụ thuộc vào công suất phát 45 Hình 3.11: Mẫu mắt tín hiệu thu mức công suất phát dBm 46 Hình 3.12: Mẫu mắt tín hiệu thu mức công suất phát dBm 47 35 thơng Bước sóng tán sắc khơng HNLF tương tự DSF khoảng -1 -1 1550nm Tuy nhiên hệ số phi tuyến (γ≈ 15 W km ) lớn nhiều so với hệ -1 -1 số phi tuyến DSF (γ≈ 15 W km ) Kết sợi HNLF ngắn khoảng 750m có hiệu suất chuyển đổi tương tự DSF dài 10km 36 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG Chương ba dựa phần mềm Optisystem xây dựng hai sơ đồ mô hệ thống thông tin quang tốc độ cao 40 Gbps sử dụng kỹ thuật truyền ngược miền quang với cấu hình hệ thống khác Qua đó, khảo sát hiệu truyền ngược miền quang bù tán sắc hiệu ứng phi tuyến hệ thống quang tốc độ cao 3.1 Giới thiệu Trong hệ thống truyền dẫn quang nay, định dạng điều chế sử dụng rộng rãi để nâng cao hiệu suất sử dụng phổ mạng truyền thông Với việc tăng tốc độ kênh bước sóng suy giảm gây tán sắc phi tuyến sợi quang quan tâm để tìm kỹ thuật bù trừ thiết kế hệ thống truyền dẫn đường dài Mặc dù có nhiều giải pháp sử dụng để bù ảnh hưởng tán sắc phi tuyến tách biệt nhau, giải pháp truyền ngược quang thu hút quan tâm khả bù tán sắc phi tuyến, lại linh hoạt việc sử dụng cuối tuyến truyền dẫn Trong nội dung chương này, hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật truyền ngược miền quang OBP phân tích khảo sát thông qua mô Hệ thống mô xây dựng dựa phần mềm mô Optisystem 7.0 Định dạng điều chế sử dụng hệ thống DPSK Hệ thống khảo sát sử dụng cách tử Bragg sợi quang (FBG) thay cho sợi tán sắc lớn HDF làm phần tử bù tán sắc sợi HNLF làm phần tử bù phi tuyến nhằm giảm kích thước khối OBP tăng tính linh hoạt cho thành phần FBG cho phép điều chỉnh độ tán sắc để bù gia nhiệt Có hai cấu hình OBP khảo sát phần bao gồm: - Mơ hình 1: Mơ hình hệ thống OBP cỡ bước đầy đủ bước khoảng cách bù với khoảng cách khuếch đại tuyến 37 - Mơ hình 2: Mơ hình hệ thống OBP cỡ bước lớn bước khoảng cách bù lần khoảng cách khuếch đại tuyến.Với cỡ bước lớn cho phép giảm số phần tử khối OBP giúp giảm chi phí gọn nhẹ 3.2 Mơ hình khảo sát 3.2.1 Mơ hình hệ thống OBP cỡ bước đầy đủ Mơ hình hệ thống truyền dẫn quang sử dụng điều chế DPSK truyền sợi quang đơn mode chuẩn có chiều dài tuyến 300 km Sau tín hiệu quang bù méo OBP trước vào thu quang Hiệu hệ thống đánh giá qua ước tính tỉ số lỗi bit BER dựa biểu đồ mắt Sơ đồ mơ hình tồn hệ thống mơ cho thấy hình 3.1 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống truyền dẫn quang sử dụng OBP cỡ bước đầy đủ Mơ hình khảo sát bao gồm thành phần sau: - Khối phát quang: sử dụng định dạng điều chế DPSK chuỗi bit ngẫu nhiên tốc độ 40 Gb/s mã hóa vi sai trước tạo dạng xung để đưa vào điều biến điện quang Mach-Zehnder (MZM) Một nguồn laser CW làm nguồn phát quang đưa vào với bước sóng thiết lập phù hợp Sơ đồ cấu hình khối phát quang cho thấy hình 3.2 38 Hình 3.2: Sơ đồ khối phát quang DPSK - Khối thu: Khối thu thực chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Tín hiệu quang vào qua lọc quang để giảm bớt nhiễu quang, sau qua giao thoa Mach-Zehnder (MZI) để giải điều chế tín hiệu DPSK với thu cân sử dụng diode thu quang PIN Tín hiệu điện thu được lọc thơng thấp để giảm bớt nhiễu đầu Sơ đồ cấu hình khối thu quang cho thấy hình 3.3 Hình 3.3: Sơ đồ khối thu quang DPSK - Tuyến truyền dẫn: Tuyến truyền dẫn có khoảng cách 300 km chi sử dụng sợi đơn mode chuẩn chia thành chặng truyền dẫn, chặng dài 50 km Các 39 khuếch đại EDFA sử dụng để bù suy hao chặng Sơ đồ cấu hình tuyến truyền dẫn quang thấy hình 3.1 - Khối OBP: Khối bao gồm có thành phần thực liên hợp pha quang (OPC) phần tử FBG để bù phần tán sắc HNLF để bù phần phi tuyến Phần OPC thực thông qua hiệu ứng FWM sợi HNLF, tín hiệu đầu qua lọc quang để lọc lấy tín hiệu liên hợp pha quang Phần bù mơ hình truyền ngược OBP cỡ bước đầy đủ bao gồm phần tử FBG có độ tán sắc bù cho chặng truyền dẫn phần tử HNLF đặt để bù cho dịch pha phi tuyến Do bù cho chặng truyền dẫn nên bước OBP lặp lần Bộ khuếch đại EDFA suy hao sử dụng để hiệu chỉnh công suất vào sợi HNLF.Sơ đồ chi tiết cấu hình khối OBP thấy hình 3.4 OPC Hình 3.4: Sơ đồ khối truyền ngược quang OBP cỡ bước đầy đủ 3.2.2 Mơ hình hệ thống OBP cỡ bước lớn Hệ thốngtruyền dẫn quang khảo sát sử dụng OBP cỡ bước lớn tương tự hệ thống sử dụng OBP cỡ bước đầy đủ mơ tả hình 3.1 Điểm khác biệt mơ hình cấu hình khối OBP có cỡ bước bù khoảng cách chặng thay cho chặng mô hình OBP cỡ bước đầy đủ.Sơ đồ chi tiết cấu hình khối OBP cỡ bước lớn thấy hình 3.5 40 OPC Hình 3.5: Sơ đồ khối truyền ngược quang OBP cỡ bước lớn Ngồi mơ hình khảo sát sử dụng thêm mơ hình không dùng sợi HNLF OBP để đánh giá vai trò phần tử bù phi tuyến 3.3 Tham số hệ thống mô Các tham số thành phần sử dụng cho hệ thống mô cho bảng 3.1 Bảng 1: Tham số hệ thống quang 40Gbps DPSK Tham số hệ thống Tham số toàn cục Bộ phát quang CW Laser Sợi quang Bộ khuếch đại EDFA Các tham số thành phần sử dụng khối OBP cho bảng 3.2 Bảng 2: Tham số khốiOBP Tham số hệ thống Laser bơm CW khối OPC Sợi quang HNLF cho OPC SợiFBG Sợi quang HNLF choOBP 42 3.4 Kết mơ nhận xét Hình 3.6 cho thấy phổ tín hiệu DPSK 40 Gb/s đầu khối phát quang trước truyền dẫn Hình 3.7 cho thấy phổ tín hiệu sau truyền dẫn qua tuyến sợi quang 300 km mức công suất phát dBm bị tác động nhiễu phi tuyến Hình 3.6: Dạng phổ tín hiệu phát DPSK 40 Gb/s Hình 3.7: Dạng phổ tín hiệu sau truyền dẫn qua tuyến dài 300 km mức công suất phát dBm 43 Tín hiệu sau lấy liên hợp pha quang để thực truyền ngược thông qua trình trộn bốn sóng FWM sử dụng sợi HNLF Hình 3.8 cho thấy phổ tín hiệu trước sau truyền qua sợi HNLF phần OPC Hình 3.8: Phổ tín hiệu (a) trước khi, (b) sau truyền qua sợi HNLF OPC 44  Khảo sát tham số BER  Phụ thuộc vào công suất thu Hiệu hệ thống truyền dẫn hai mơ hình khảo sát đánh giá qua BER phụ thuộc vào cơng suất thu Mức phát tín hiệu hai mơ hình thiết lập mức dBm Kết khảo sát hai mô hình cho thấy hình 3.9 so sánh với trường hợp back-to-back (đấu trực tiếp phát với thu khơng qua tuyến truyền dẫn) Hình 3.9: BER phụ thuộc vào cơng suất thu Hình cho thấy phần phóng to đường cong BER hai mơ hình khảo sát Nhận xét: Từ kết hình 3.9 cho thấy khơng có khác biệt nhiều hiệu hai mơ hình Hai mơ hình cho thấy khả bù méo tuyến truyền dẫn Tuy nhiên, hai đường đường cong BER hai mơ hình cho thấy -6 lỗi BER tức bão hòa khả bù lỗi mức lỗi gần 10 Tại mức ngưỡng -3 BER cỡ 10 độ nhạy thu hai mơ hình OBP đạt cỡ -24 dBm có độ thiệt thịi cơng suất nhỏ 0,5 dB so với trường hợp back-to-back Độ nhạy thu 45 bị suy giảm nhanh mức ngưỡng BER thấp hơn, cụ thể độ nhạy đạt cỡ -20dBm -5 ngưỡng BER cỡ 10 Sự giới hạn khả bù ảnh hưởng q trình phi tuyến xảy sợi HNLF Bên cạnh trình trộn bốn sóng tạo tín hiệu liên hợp pha quang mong muốn, cịn có q trình trộn khác thông qua hiệu ứng XPM, FWM tạo thành phần nhiễu quang rơi băng tần tín hiệu liên hợp pha quang đầu Các thành phần nhiễu pha quang dễ bị chuyển đổi thành nhiễu cường độ qua giao thoa MZI thu làm suy giảm tín hiệu  Phụ thuộc vào cơng suất phát Hiệu hệ thống truyền dẫn hai mơ hình khảo sát đánh giá qua BER phụ thuộc vào công suất phát để xem xét khả bù phi tuyến Trong khảo sát này, mức công suất phát thiết lập từ mức thấp cỡ -6 dBm đến mức cao +11 dBm Kết khảo sát hai mơ hình cho thấy hình 3.10 so sánh với trường hợp không sử dụng phần tử sợi HNLF để bù phi tuyến khối OBP Hình 3.10: BER phụ thuộc vào cơng suất phát Nhận xét: Kết hình 3.10 cho thấy khác biệt nhỏ khả bù phi tuyến hai mơ hình Mơ hình OBP cỡ bước lớn cho thấy khả bù phi tuyến 46 tốt so với mơ hình OBP cỡ bước đầy đủ So sánh với trường hợp không sử dụng sợi HNLF, hai mơ hình cho thấy khả bù phi tuyến tốt cho thấy rõ vai trò phần tử HNLF bù phi tuyến Một cách cụ thể, mức BER thấp mơ hình khơng dùng HNLF đạt mức phát dBm, mơ hình OBP cỡ bước lớn đạt mức phát dBm Còn mức ngưỡng BER cỡ -5 10 , mơ hình OBP cỡ bước lớn có mức cải thiện lớn dB so với mơ hình khơng sử dụng HNLF Sự ảnh hưởng phi tuyến thấy rõ qua biểu đồ mắt hai mức công suất phát khác cho thấy hình 3.11 3.12 Tại mức cơng suất phát lớn cỡ dBm, biểu đồ mắt cho thấy bị suy giảm tác động phi tuyến, đặc biệt ảnh hưởng điều biến pha phi tuyến bị chuyển đổi thành điều biến cường độ tác động mạnh lên chất lượng tín hiệu DPSK Mặc dù hai mơ hình có khả bù phi tuyến Hình 3.11: Mẫu mắt tín hiệu thu mức cơng suất phát dBm 47 Hình 3.12: Mẫu mắt tín hiệu thu mức cơng suất phát dBm 3.5 Kết luận chƣơng Chương luận văn khảo sát khả bù méo ảnh hưởng hiệu ứng quang sợi hệ thống truyền dẫn quang DPSK 40 Gb/s thơng qua mơ hình mơ Có hai mơ hình OBP khảo sát gồm mơ hình cỡ bước đầy đủ cỡ bước lớn.Các kết đánh giá hiệu hệ thống ảnh hưởng hiệu ứng quang sợi nhiễu ASE khuếch đại EFDA Dựa vào kết thu ta đánh giá khả bù giới hạn bù kỹ thuật truyền ngược miền quang 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với nhu cầu tăng băng thông mạng truyền dẫn quang, nhiều công nghệ sử dụng bao gồm cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng DWDM định dạng điều chế để tăng tốc độ kênh truyền với hiệu suất sử dụng phổ cao Tuy nhiên dung lượng mạng bị giới hạn bới yếu tố ảnh hưởng gây méo truyền dẫn sợi quang tán sắc hiệu ứng phi tuyến Đã có nhiều biện pháp để bù ảnh hưởng tán sắc ảnh hưởng phi tuyến tách biệt Tuy nhiên phương pháp bù dựa kỹ thuật truyền ngược miền quang OBP cho thấy khả bù đồng thời ảnh hưởng tán sắc phi tuyến với mức độ linh hoạt cao sử dụng Luận văn xem xét tổng quan kỹ thuật truyền ngược bù méo tín hiệu Cơ sở lý thuyết kỹ thuật truyền ngược miền quang OBP trình bày chương làm tiền đề để đưa mơ hình khảo sát chương luận văn Bằng cách sử dụng phần mềm mô Optisystem để xây dựng hệ thống mô truyền dẫn quang DPSK 40 Gb/s, hai mơ hình OBP cỡ bước đầy đủ cỡ bước lớn khảo sát để đánh giá khả bù méo Các thành phần sử dụng mơ hình khảo sát thiết lập tham số với hệ thống thực tế phổ biến mạng Các kết thu cho thấy khả bù đồng thời hiệu ứng tán sắc hiệu ứng phi tuyến Tuy nhiên, kết khảo sát cho thấy giới hạn phương pháp bù ảnh hưởng thành phần nhiễu quang sinh từ trình trộn phi tuyến phần liên hợp pha quang OPC sử dụng sợi HNLF Do vậy, để cải thiện khả bù méo phương pháp OBP cần xem xét thành phần phi tuyến tạo liên hợp pha quang với nhiễu sinh thấp DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G P Agrawal, Lightwave technology: telecommunication systems, John Wiley & Sons, 2005 [2] T Morioka, M Jinno, H Takara and H Kubuta, “Innovative Future Optical Transport Netwok Technologies,” NNT Technical Review, vol , No 8, 2011 [3] D Rafique, J Zhao, and A D Ellis, “Digital back-propagation for spectrally effcient WDM 112 Gbit/s PM m-ary QAM transmission”, Optics Express, vol 19, pp 5219-5224, 2011 [4] Shiva Kumar and Jing Shao, “Optical Back Propagation With Optimal Step Sizefor Fiber Optic Transmission Systems,” IEEE Phot Tech Lett., Vol 25, No 5, pp 523-525, 2013 [5] S Kumar and D Yang,“Optical backpropagation for fiber-optic communications using highly nonlinear fibers,” Opt.Lett 36(7), 1038–1040 (2011) [6] X Liang, S Kumar, “Optical back propagation for fiber opticnetworks with hybrid EDFA Raman amplification”, Optics Express, vol 25, no 5, pp 5031-5043, 2017 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ... truyền ngược [4] Tại Việt Nam nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược miền quang cịn mẻ chưa có nghiên cứu cụ thể vấn đề Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược miền. .. pháp truyền ngược (Backward Propagation) Có số kỹ thuật để thực truyền ngược bao gồm: - Kỹ thuật truyền ngược miền số (DBP) - Kỹ thuật đảo phổ tuyến (Mid-link OPC) - Kỹ thuật truyền ngược miền quang. .. giải điều chế tín hiệu Kỹ thuật truyền ngược thực miền số DSP tốc độ cao thực hoàn toàn miền quang [1-6] Trong vài năm gần đây, kỹ thuật truyền ngược miền quang nhà nghiên cứu giới quan tâm cho phép