Nghiên cứu bù tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang

TRẦN HỮU LỘC ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU LỘC TRẦN HỮU LỘC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ C C R L T NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NĂM 2019 Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU LỘC C C R L T NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG U D Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn khoa hoc: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Nội dung cơng trình luận văn “NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THÔNG THÔNG TIN SỢI QUANG” Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn (ký tên ghi rõ họ tên) C C U D R L T Trần Hữu Lộc MỤC LỤC TRANG PHỤ LỤC BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH 10 MỞ ĐẦU 14 CHƢƠNG 1: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM 17 C C 1.1 Khái niệm tán sắc 17 R L T 1.2 Các loại tán sắc 17 1.2.1 Tán sắc mode MD 18 1.2.2 Tán sắc sợi đơn mode 20 1.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm GVD 21 1.2.2.2 Tán sắc vật liệu 22 1.2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng 23 1.2.2.4 Tán sắc bậc cao 24 1.2.2.5 Tán sắc phân cực mode 25 U D 1.3 Ảnh hƣởng tán sắc hệ thống WDM 26 1.4 Kết luận chƣơng 28 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 29 2.1 Giới thiệu chƣơng 29 2.2 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc 29 2.3 Kỹ thuật bù tán sắc trƣớc 30 2.4 Kỹ thuật bù tán sắc sau 31 2.5 Bù tán sắc sợi quang DCF 32 2.6 Bù tán sắc lọc quang 34 2.7 Bù tán sắc Cách tử Bragg sợi 37 2.7.1 Cách tử chu kỳ 38 2.7.2 Cách tử sợi dịch tần 41 2.8 Kết luận chƣơng 44 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÙ TÁN SẮC SỢI DCF 45 3.1 Giới thiệu chƣơng 45 3.2 Bù tán sắc sợi DCF 45 3.2.1 Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc sợi DCF 49 3.2.2 Mơ hình tỉ lệ số ba lớp sợi bù tán sắc DCF 52 3.2.3 Sợi bù tán sắc DCF có hệ số cộng hưởng cao 54 3.2.3.1 Suy hao sợi bù tán sắc DCF 55 3.2.3.2 Suy hao tán xạ sợi bù tán sắc DCF 55 3.2.3.3 Suy hao ống dẫn sóng sợi bù tán sắc DCF 57 3.2.3.4 Tăng giá trị hệ số tán sắc âm sợi bù tán sắc DCF 59 3.2.4 Sợi bù tán sắc DCF có hệ số độ dốc tán sắc cao 62 3.2.4.1 Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc DCF có độ dốc tán sắc cao 63 3.2.4.2 Mô đun bù tán sắc DCF sợi kết hợp 65 3.2.5 Mô đun bù tán sắc DCF có kích thước vật lý nhỏ gọn 66 3.2.5.1 Suy hao uốn cong 66 3.2.6 Dịch pha phi tuyến sợi bù tán sắc DCF 69 C C R L T 3.3 Các thơng số đặc tính sợi DCF 70 3.3.1 Đặc tính sợi DCF ngun mẫu mơ đun thơng thường 71 3.3.2 Đặc tính mô đun DCF thông thường 72 3.3.3 Hệ số độ tin cậy môđun DCF thông thường 73 3.3.4 Đặc tính sợi DCF mơ đun thu nhỏ kích thước 74 3.3.5 Đặc tính mơ đun thu nhỏ kích thước 75 3.3.6 Độ tin cậy module FC-DCF thu nhỏ kích thước 76 U D 3.4 Mơ hình thiết kế vị trí đặt Mơđun DCF hệ thống WDM 76 3.4.1 Bù Trước 77 3.4.2 Bù Sau 77 3.4.3 Bù đối xứng 77 3.5 Các kết thử nghiệm bù tán sắc DCF 77 3.6 Kết luận chƣơng 78 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VIỆC SỬ DỤNG KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC DCF VÀ FBG TRÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 79 4.1 Giới thiệu chƣơng 79 4.2 Các mơ hình mơ dùng kỹ thuật bù tán sắc 79 4.2.1 Mơ hình mơ dùng kỹ thuật bù tán sắc DCF 79 4.2.2.1 Mơ hình dùng sợi SMF 80 4.2.1.2 Mơ hình bù trước DCF 80 4.2.1.3 Mơ hình DCF bù sau 81 4.2.1.4 Mô hình bù đối xứng DCF 81 4.2.3 Mơ hình dùng kỹ thuật bù tán sắc FBG 81 4.2.3.1 Mơ hình FBG đặt đầu phát 82 4.2.3.2 Mơ hình FBG đặt đầu thu 82 4.2.3.3 Mơ hình FBG đặt hai đầu phát thu 83 4.3 Kết thu đƣợc mơ hình 83 4.3.1 Ở tốc độ 2.5Gb/s cự ly truyền 900km 1200km 83 4.3.1.1 Mơ hình dùng sợi SMF 83 4.3.1.1 Bù trước DCF 84 4.3.1.2 Bù sau DCF 84 4.3.1.3 Bù đối xứng DCF 84 4.3.1.4 Bù FBG đặt đầu phát 85 4.3.1.5 Bù FBG đầu thu 85 4.3.1.6 Bù FBG hai đầu phát thu 86 4.3.2 Ở tốc độ 10Gb/s cự ly truyền 900km 1200km 87 4.3.2.1 Mơ hình dùng sợi SMF 87 4.3.2.2 Bù trước DCF 87 4.3.2.3 Bù sau DCF 87 4.3.2.4 Bù đối xứng DCF 88 4.3.2.5 Bù FBG đầu phát 88 4.3.2.6 Bù FBG đầu thu 89 4.3.2.7 Bù FBG hai đầu phát thu 89 4.3.3.1 Bù trước DCF 90 4.3.3.2 Bù sau DCF 91 4.3.3.3 Bù đối xứng DCF 91 4.3.2.4 Bù FBG đầu phát 92 4.3.2.4 Bù FBG đầu thu 92 4.3.2.4 Bù FBG hai đầu phát thu 93 C C R L T U D 4.4 Mơ hình kết việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc FBG kết hợp với kỹ thuật bù tán sắc DCF 93 4.4.1 Mơ hình bù trƣớc DCF kết hợp với FBG đầu thu 94 4.4.2 Kết thu đƣợc mơ hình 40Gb/s 94 4.4.2.1 Bù trước DCF 94 4.4.2.2 Bù trước DCF kết hợp FBG đặt đầu thu 95 4.5 Kết luận chƣơng 95 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 96 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 98 PHỤ LỤC 99 C C U D R L T TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG Học viên: Trần Hữu Lộc Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: CH680 Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Cơng nghệ truyền dẫn thơng tin quang tốc độ cao WDM có vai trị quan trọng việc đáp ứng yêu cầu tăng lên tốc độ, dung lượng băng thông rộng cho dịch vụ như: kênh thoại, kênh liệu hình ảnh đa phương tiện, liệu phim ảnh video, hội nghị truyền hình, video call, kênh data tốc độ cao,… Tuy nhiên, có số ảnh hưởng tác động lên hệ thống quang WDM, kể đến trước tiên ảnh hưởng tán sắc, tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn tốc độ hệ thống WDM, gây lỗi bit, làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính hệ thống WDM Hơn nữa, vấn đề quản lý tán sắc hệ thống WDM vấn đề quan tâm Vì vậy, em lựa chọn nội dung tán sắc làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học, tập trung vào nghiên cứu tán sắc, kỹ thuật bù tán sắc, mô kỹ thuật bù tán sắc DCF số kỹ thuật bù tán sắc khác hệ thống thông tin quang tốc độ cao WDM để đánh giá chất lượng hệ thống ảnh hưởng tán sắc C C R L T Từ khóa: Tán sắc, Sợi quang bù tán sắc (DCF), Sợi quang cách tử Bragg (FBG), công nghệ kỹ thuật WDM, Pre/Post DCF, phần mềm mô OptiSystem 7.0 Optiwave Photonic Softwave U D STUDY ON DISPERSION COMPENSATION TECHNIQUES TO IMPROVE THE QUALITY OF FIBER-OPTIC COMUNICATIONS SYSTEMS Student: Tran Huu Loc Major of Master program: Electronic Engineering Student code: CH680 Course: K36 The University of Da Nang - University of Science and Technology Abstract: WDM high-speed optical communication technology plays a very important role in meeting the increased requirements for speed, capacity and bandwidth for current services such as voice channel, multimedia image data channel, video film data, video conferencing, video call, high-speed data channel, etc However, there are some influences on optical WDM system, first of all The effect of dispersion, that limits the transmission distance as well as the speed of the WDM system, causing bit errors, and seriously degrading the characteristics of the WDM system Moreover, the problem of dispersive management in WDM system is a matter of great concern today Therefore, I selected the content of dispersion as a master's thesis, focusing on dispersion research, dispersion compensation technique, simulating DCF dispersion compensation technique and some diffusion techniques Other colors in WDM high-speed optical information systems to assess system quality due to the effect of dispersion Key words: Dispersion, Dispersion compensation Fiber (DCF), Fiber Bragg Grating (FBG), WDM technologies, Pre/Post-Compensation, OptiSystem 7.0 of Optiwave Photonic Softwave DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AM APS ATM BER BLSR Amplitude Modulation Automatic Protection Switching Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Bidirectional Line Switched Ring BPF CD DBR DCF DCM DDF DEMUX DFB DSF DWDM EA EDFA FBG FM FP FOM FSK FWM GI GVD HFOM KERR IOF IP LASER Bandpass filter Chromatic Dispersion Distributed Bragg Reflection Dispersion Compensating Fiber Dispersion Compensating Module Dispersion Decreasing Fiber Demultiplexer Distributed Feedback Dispersion Shifted Fiber Dense WDM Electroabsorption Modulator Erbium Dopped Fibre Amplifier Fiber Bragg Grating Frequency Modulation Fabry-Perot Figure Of Merit Frequency Shift Keying Four-Wave Mixing Graded index Group Velocity Dispersion High Figure Of Merit Magneto-optic Kerr effect Inter-Office Facility Internet Protocol Light Amplified and Stimulated Emission of Radiation Modified Chemical Vapor Deposition Modal Dispersion Mode Field Diameter MCVD MD MFD Điều chế biên độ Chuyển mạch bảo vệ tự động Chế độ chuyển tải bất đồng Tỷ lệ lỗi bit Vòng ring chuyển mạch đường hai chiều Bộ lọc thông dải Tán sắc sắc thể Phản xạ phân bố Bragg Sợi bù tán sắc Mô đun bù tán sắc Sợi giảm tán sắc Bộ giải ghép kênh Hồi tiếp phân bố Sợi quang dịch tán sắc WDM mật độ cao Bộ điều chế hấp thụ điện Bộ khuếch đại quang sợi Erbium Cách tử Bragg sợi Điều tần Khoang cộng hưởng Hệ số cộng hưởng Khóa dịch pha tần số Trộn bốn sóng Chỉ số giảm dần Tán sắc vận tốc nhóm Hệ số cộng hưởng cao Hiệu ứng quang từ Kerr Thiết bị văn phòng Giao thức Internet Khuếch đại ánh sáng xạ kích thích C C U D R L T Lắng đọng hóa chất biến đổi Tán sắc mode Đường kính trường mode MMF MPI MUX MZ NA NLS NZDF NZDSF OA OADM OPC PC PDH PMD PSP RC RDS RING RMS RZ SBS SDH SI SMF SNR SOA SONET SOP SPM SRS SW TDM TEC TF WDM XPM ZD Multimode Fibre Multi Path Interference Multiplexer Mach-Zehnder Interferometer Numerical Aperture Nonlinear Schroedinger Non-zero dispersion-shifted singlemode optical fiber None-Zero Dispersion Shifted Fiber Optical Amplifier Optical Add/Drop Multiplexer Optical Phase Conjugation Polarization Controller Plesiochronous Digital Hierachy Polarization Mode Dispersion Principal State of Polarization the Radiation Caustic the Relative Dispersion Slope Ring Root-Mean-Square Return to Zero Stimulated Brillouin Scattering Synchronous Digital Hierachy Step index Single Mode Fibre Signal to Noise Ratio Semiconductor Optical Amplifier Synchronous Optical Network State of Polarization Self of Polarization Stimulated Raman Scattering Optical Switch Time Division Multiplexing Thermally Expanded Core Transmission Fiber Wavelength Division Multiplexing Cross Phase Modulation Zero-Dispersion Sợi đa mode Nhiễu giao thoa đa đường Bộ ghép kênh Bộ giao thoa kế Mach-Zehner Khẩu độ số Schroedinger phi tuyến Sợi đơn mode dịch chuyển tán sắc không trở không Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Khuếch đại quang Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Kết hợp pha quang Bộ điều khiển phân cực Phân cấp số cận đồng Tán sắc mode phân cực Trạng thái phân cực Lớp ăn mịn xạ Tán sắc tương đối Dạng vòng Trị hiệu dụng Trở khơng Tán xạ Brillouin kích thích Phân cấp số đồng Chỉ số nhảy bậc Sợi quang đơn mode Tỉ lệ tín hiệu nhiễu Bộ khuếch đại quang bán dẫn Mạng quang đồng Trạng thái phân cực Tự điều chế pha Tán xạ Raman kích thích Chuyển mạch quang Ghép kênh phân chia theo thời gian Lõi mở rộng nhiệt Sợi truyền Ghép kênh phân chia theo bước sóng Điều chế chéo pha Tán sắc không U D R L T C C 106 Hình File Menu - Trong hộp thoại Optisystem Calculations (hình 10), kích chuột vào nút Run C C R L T U D Hình 10 Hộp thoại Optisystem Calculations 4.6 Hiển thị kết mơ - Kích đúp chuột vào phần tử hiển thị thiết kế để hiển thị đồ thị kết mà q trình mơ tạo Hình 11 Kết hiển thị thiết bị phân tích phổ (ví dụ) 107 4.7 Thực quét tham số (Parameter Sweep) Trong thiết kế có số tham số định đưa vào chế độ quét (sweep mode) Người thiết kế định nghĩa số lần quét thực tham số Giá trị tham số thay đổi qua lần quét Quá trình cho kết thiết kế khác tùy theo thay đổi giá trị tham số Để thực quét tham số, tiến hành bước sau: a Thiết lập số lần quét: - Bước 1: Kích chuột vào nút Set Total Sweep Iterarions Layout tool bar Hộp thoại Total Parameter Sweep Iteration xuất giá trị (ví dụ hình 12) - Bước 2: Nhập vào số lần quét - Bước 3: Kích chuột vào nút OK C C R L T Hình 12 Hộp thoại Total Parameter Iteration Hoặc: - Bước 1: Lựa chọn Layout > Set Total Sweeps Iterations Menu toolbar (xem hình 13) Hộp thoại Total Parameter Sweep Iteration xuất giá trị (ví dụ hình 12) - Bước 2: Nhập vào số lần quét - Bước 3: Kích chuột vào nút OK U D Hình 13 Truy nhập qua Layout - Set Total Sweep Iterations b Thay đổi số lần qt Sau tính tốn, dể thay đổi số lần quét hiển thị thiết kế (layout), thực bước sau: - Bước 1: Lựa chọn Layout > Set Current Sweep Interation Menu toolbar Hộp thoại Set Current Sweep Iterarion xuất hiên hình 14 108 - Bước 2: Nhập vào số lần quét muốn hiển thị thiết kế - Bước 3: Kích chuột vào nút OK Hình 14 Hộp thoại Current Sweep Iteration Sử dụng nút Previous Sweep Iterarion Next Sweep Iteration Layout toolbar để chuyển lần quét Hoặc: Lựa chọn lần quét Set Current Iteration drop-down box hình 15 C C R L T Hình 15 Set Current Iteration drop-down box c Thay đổi giá trị tham số quét: Sau lựa chọn số lần quét tham số, phải thực nhập giá trị cần quét tham số Trước nhập, tham số cần quét phải chuyển sang chế độ Sweep Mode + Lựa chọn Sweep mode Để chuyển sang Sweep mode cho tham số cần quét, thực bước sau:  Bước 1: Lựa chọn Layout > Parameter Sweep Menu toolbar Hộp thoại tham số phần tử xuất hình 17  Ở cột Mode, lựa chọn chế độ Sweep mode (xem hình 16) U D Hình 16 Sweep mode 109 Hinh 17 Tham số phần tử -Tham số chế độ Sweep mode  Kích chuột vào nút Parameter Sweep cột Value tham số cần quét (đã Sweep Mode) (như minh họa hình tham số Power) Hộp thoại Parameter Sweeps xuất hình 18 C C R L T U D Hình 18 Các giá trị tham số cần quét phần tử thiết kế + Nhập giá trị tham số quét: Để nhập giá trị cần quét tham số, thực bước sau:  Bước 1: Lựa chọn Layout > Parameter Menu toolbar  Bước 2: Kích chuột vào nút Parameter Sweep cột Value tham số  Bước 3: Nhập liệu tay sử dụng công cụ Spread Tool để nhập liệu (Tham khảo thêm tài liệu việc sử dụng Spread Tool) d Chạy mô (thực tƣơng tự nhƣ phần 4.6) e Hiển thị kết mô quét tham số: 110 Để hiển thị kết mô quét tham số (đối với thiết kế hệ thống, thường hiển thị thay đổi BER theo giá trị tham số quét), thực bước sau:  Bước 1: Lựa chọn Report tab cửa sổ Project Layout  Bước 2: Kích chuột vào nút Opti2Dgraph Report toolbar  Bước 3: Trong Project Browser, lựa chọn tham số để Sweep Mode, kéo tham số thả vào trục X đồ thị 2D  Bước 4: Trong Project Browser, lựa chọn tham số Min Log of BER thiết bị phân tích lỗi bit, kéo tham số thả vào trục Y đồ thị 2D Kết thay đổi BER theo tham số quét hiển thị đồ thị 2D C C R L T U D Hình 19 Các bước để hiển thị kết mô quét tham số 4.8 Đƣa kết mô vào báo cáo Để đưa kết mơ vào báo cáo sử dụng kỹ thuật chụp hình Các bước thực sau: 111 - Bấm tổ hợp phím Alt + Print Screen SyRq để lưu tạm thời cửa sổ hình muốn chụp vào Clipboard - Bấm vào Start > Programs > Accessories > Paint để khởi động chương trình Paint - Vào menu Edit Paint bấm chọn Paste (hoặc tổ hợp Ctrl + V) để dán cửa sổ hình chụp từ Clipboard vào cửa sổ làm việc Paint - Sử dụng công cụ Select Paint để lấy phần thông tin muốn chụp lại theo ý muốn - Bấm vào menu File > Save As để đặt tên cho hình vào chọn nơi lưu hình chụp vào máy tính Có thể lưu dạng *.bmp, *.jpg, *.jpeg *.dib Hoặc “dán” vào file báo cáo (sử dụng phím Ctrl + V) C C U D R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T DAI HOC DA NANG TRUONG HQC BAcH KHOA D~i HO xA HOI CONG HOA CHiT NGHiA VI"tT NAM DQc l~p - Tl}' - H~nh phuc sa HOI DONG DANH GIA LuAN VAN THAC SY Hoc vien: TrAn Hun Loc Bien ban H< >; _~S a U D THU KY HOI DONG CC R L T «~ TS H6 Phuoc TiSn d ! COO TlCH HOI DONG TS Ng6 Minh Tri xAc NH~N CVA TRUONG D~I HQC BAcH KHOA TL.HI~UTRUONG TRUONGPH6NGDAOT~O I - 'II ' DAI HOC DA NANG TRUONG D~i HQC BAcH KHOA CQNG HOA xA HQI CUU NGHIA VI:E:TNAM Dqc l~p - T1!do - H~nh phiic CAU HOI VA TRA LOI Kern thea Bien ban hop HQi d6ng drum gia luan van thac sy Cua hoc vien: Tr§n Hfru LQc ) (J A O! C C R U D L T THU KY HQI DONG TS He,Phuoc Ti~n CQNG HOA xA HQI CHV NGHiA VI¥T NAM DQc l~p - T\f - H~nh plnic A ? s: ;;;:: BIEN BAN KIEM PHIEU CVA HOI DONG DANH GIA LUAN VAN THAC SY (Kern theo bien ban hop HQi dAng) - Ten dS tai: Nghien ciru btl tan s~c nham nang cao chat hrong h~ thong thong tin soi quang Ky thuat - Chuyen nganh: - Cua hoc vien cao hQC: TrAn HUll LQc di~n tu (K36.KDT C'I) - HQi d6ng b~t dfru hop luc 07h 30 ngay: - Tai Truong Dai hQCBach khoa Tham gia kiSm phieu gom: Lf - £I) I .g.",,&' r.l.:ulQ-:l.- 1l.e;v 07/9/2019 I C C r- Hj~ t: 1'''/ Nju.r R L T VaM.~ rl - {Lm~ KSt qua kiem phieu: =rt '" 1.l~~(.) DU - S6 phieu phat ra:._ .:;s==,J.>: - S6 phieu hQ'P l~: _ -.1- - T6ng s6 diem: -==rF-/7" :4- ~ _ S6 phieu thu vS: _ S6 phieu khong hQ'P l~: DiSm trung binh: ]' (r oe Nang, 07 thdng ndm 2019 HO TEN & COO KY cAc THANH VIEN THAM GIA KIEM PHIED: 'Lt,(~ N1'~ -~!