Nghiên cứu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Văn Hậu NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG Chun ngành : Điện tử - Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS Trần Đức Hân Hà Nội – Năm 2010 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ khoa học tơi nghiên cứu thực Các thông tin, số liệu sử dụng luận văn hoàn toàn trung thực, xác có nguồn gốc rõ ràng Hà nội, ngày 28 tháng 10 năm 2010 Học viên Đỗ Văn Hậu ii MỤC LỤC Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Danh mục hình vẽ, đồ thị Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt MỞ ĐẦU 11 Chương - TỔNG QUAN 13 1.1 Hệ thống thông tin quang 13 1.2 Hệ thống WDM 16 1.2.1 Định nghĩa hệ thống WDM .16 1.1.2 Phân loại hệ thống WDM .17 1.1.3 Ưu nhược điểm hệ thống WDM .19 Chương - CÁC LINH KIỆN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN 21 2.1 Diode Laser 21 2.1.1 Tổng quan Laser 21 2.1.2 Cấu tạo hoạt động Diode Laser 23 2.1.3 Diode Laser hệ thống WDM 26 2.1.3.1 Diode Laser hồi tiếp phân tán 26 2.1.3.2 Diode Laser dùng buồng cộng hưởng 28 2.1.4 Ổn định bước sóng yêu cầu độ rộng phổ Diode Laser .29 2.2 Bộ ghép/tách tín hiệu 31 2.2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi 31 2.2.2 Các thông số ghép/tách kênh 33 2.3 Sợi quang 34 2.3.1 Tổng quan sợi quang 34 2.3.2 Suy hao sợi 36 2.3.3 Tán sắc sợi quang đơn mode .39 2.3.3.1 Tổng quan tán sắc 39 2.3.3.2 Tán sắc vận tốc nhóm GVD 39 2.3.3.2 Tán sắc mode phân cực PMD 42 2.3.4 Bù tán sắc 45 2.3.4 Các hiệu ứng phi tuyến 47 2.3.4.1 Tổng quan hiệu ứng phi tuyến .47 2.3.4.2 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) .49 2.3.4.3 Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scattering) 52 2.3.4.4 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) 55 2.3.4.5 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) .56 2.3.4.6 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) 56 2.3.4.7 Phương hướng giải ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 58 2.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 58 2.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động khuếch đại quang sợi EDFA 58 2.4.2 Các thông số khuếch đại quang sợi EDFA .60 2.4.3 Cân làm phẳng phổ khuếch đại .62 2.5 PhotoDiode 63 2.5.1 Cấu tạo PIN-PhotoDiode .63 2.5.2 Nguyên lý hoạt động PIN-PhotoDiode 64 Chương - MẠNG WDM .66 3.1 Tổng quan .66 3.2 Mạng Ring WDM 66 3.3 Mạng đường trục WDM 68 3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng 69 3.5 Các phần tử mạng WDM .71 3.5.1 Thiết bị đầu cuối OLT .71 3.5.2 Bộ xen rẽ quang OADM 72 3.5.2.1 Tổng quan 72 3.5.2.2 Các yêu cầu OADM .74 3.5.2.3 Các cấu trúc OADM 75 3.5.3 Bộ kết nối chéo quang OXC 77 3.5.3.1 Tổng quan 77 3.5.3.2 Chức OXC 78 3.5.3.3 Các cấu trúc OXC .79 3.6 Sự chuyển đổi bước sóng mạng WDM 81 3.6 Kết hợp mạng WDM mạng Internet 84 3.6.1 Xu hướng tích hợp IP/WDM 84 3.6.2 Cấu trúc mạng IP/WDM 85 Chương - MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC ĐỐI VỚI HỆ THỐNG WDM 87 4.1 Tổng quan .87 4.2 Kết mô 89 4.2.1 Sợi quang lý tưởng không tán sắc 89 4.2.2 Sợi quang có tán sắc GVD 94 4.2.3 Sợi quang có tán sắc PMD .96 4.2.4 Sợi quang có tán sắc GVD PMD 99 KẾT LUẬN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 13 Hình 1.2 Sơ đồ chức hệ thống WDM 16 Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng 17 Hình 2.1 Cấu tạo Laser 23 Hình 2.2 Đặc tuyến xạ Diode Laser 24 Hình 2.3 Cấu trúc Diode Laser với buồng cộng hưởng Fabry- Perot 25 Hình 2.4 Cấu trúc Diode Laser phản hồi- phân tán 27 Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động Diode Laser hồi tiếp phân tán 27 Hình 2.6 Cấu trúc Diode Laser dùng buồng cộng hưởng 28 Hình 2.7 a, Các mode Diode Laser b, Đường bao vạch phổ Laser hoạt động duới mức ngưỡng c, Đường bao vạch phổ Laser hoạt động mức ngưỡng d, Phổ phát xạ Diode Laser .30 Hình 2.8 Cấu trúc lọc màng mỏng điện môi .32 Hình 2.9 Hàm truyền đạt lọc điện môi màng mỏng 33 Hình 2.10 Bộ lọc quang tách bước sóng .33 Hình 2.11 Tần số trung tâm bước sóng tương ứng hệ thống DWDM với khoảng cách kênh kề 100 GHz theo khuyến nghị ITU-T 34 Hình 2.12 Cấu trúc sợi quang 35 Hình 2.13 Truyền ánh sáng sợi quang 35 Hình 2.14 Ảnh hưởng tán sắc 39 Hình 2.15 Một số loại tán sắc: a) Tán sắc vật liệu - chiết suất n số nhóm ng thay đổi theo bước sóng b) Tán sắc ống dẫn sóng - số truyền lan thay đổi theo tần số góc .41 Hình 2.16 PMD khơng hồn hảo lõi sợi quang .42 Hình 2.17 Tác động PMD khoảng cách truyền cực đại 45 Hình 2.18 Độ tán sắc loại sợi quang theo bước sóng 46 Hình 2.19 Ảnh hưởng SRS Năng lượng từ kênh bước sóng thấp chuyển sang kênh bước sóng cao 50 Hình 2.20 Hệ số tăng ích Raman hàm khoảng cách kênh 51 Hình 2.21 Phổ tín hiệu quang hệ thống WDM sử dụng bước sóng khơng có ảnh hưởng SRS 52 Hình 2.22 Phổ tín hiệu quang hệ thống WDM sử dụng bước sóng có ảnh hưởng SRS .52 Hình 2.23 Phổ tăng ích Brillouin bước sóng bơm λp = 1,525 µm cho: (a) sợi lõi silic; (b) sợi vỏ nghèo; (c) sợi dịch tán sắc 53 Hình 2.24 Ảnh hưởng SBS cơng suất tín hiệu lớn ngưỡng Brillouin 54 Hình 2.25 Ảnh hưởng SBS cơng suất tín hiệu nhỏ ngưỡng Brillouin .54 Hình 2.26 SPM gây thay đổi tín hiệu .55 Hình 2.27 XPM gây thay đổi chuỗi bit .56 Hình 2.28 FWM gây biến dạng hệ thống WDM: 57 a) Khoảng cách kênh b) Khoảng cách kênh không .57 Hình 2.29 Cấu tạo khuyếch đại quang sợi EDFA 59 Hình 2.30 Phổ khuếch đại EDFA 62 Hình 2.31 PIN-PhotoDiode: a, Cấu trúc ; b,phân bố điện trường 64 Hình 3.1 Mạng Ring WDM hướng sợi quang 67 Hình 3.2 Mạng Ring WDM hướng sợi quang 67 Hình 3.3 Cấu trúc mạng đường trục WDM 69 Hình 3.4 Mạng WDM định tuyến bước sóng .69 Hình 3.5 Cấu tạo OLT .71 Hình 3.6 Vai trò OADM mạng .74 Hình 3.7 Cấu trúc OADM song song 75 Hình 3.8 Cấu trúc OADM song song theo băng sóng 75 Hình 3.9 Cấu trúc OADM nối tiếp .76 Hình 3.10 Cấu trúc OADM xen rẽ theo băng sóng 76 Hình 3.11 Vị trí OXC mạng WDM 78 Hình 3.12 Các kiểu cấu trúc OXC (a) Lõi chuyển mạch điện (b) Lõi chuyển mạch quang bao quanh chuyển đổi O/E/O (c) Lõi chuyển mạch quang nối đến chuyển đổi tín hiệu thiết bị WDM (d) Lõi chuyển mạch quang nối trực tiếp đến ghép kênh bên OLT 80 Hình 3.13 Chuyển đổi bước sóng mạng WDM 82 Hình 3.14 Các khả chuyển đổi bước sóng mạng WDM 83 Hình 3.15 Xu hướng tích hợp mạng Internet mạng WDM .85 Hình 3.16 Kiến trúc tổng quát mạng IP/WDM 86 Hình 4.1 Giao diện ban đầu chương trình Optisystem 7.0 87 Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện hệ thống WDM 88 Hình 4.3 Quang phổ kênh phát 90 Hình 4.4 Quang phổ kênh thu sau tách kênh .90 Hình 4.5 Quang phổ sau ghép kênh 91 Hình 4.6 Quang phổ cuối sợi quang 91 Hình 4.7 Dạng tín hiệu kênh phát 92 Hình 4.8 Dạng tín hiệu kênh thu sau tách kênh 92 Hình 4.9 Dạng tín hiệu sau ghép kênh 93 Hình 4.10 Dạng tín hiệu cuối sợi quang .93 Hình 4.11 Thiết lập thơng số GVD 94 Hình 4.12 Quang phổ kênh thu sau tách kênh có GVD 94 Hình 4.13 Quang phổ cuối sợi quang có GVD 95 Hình 4.14 Dạng tín hiệu kênh sau tách kênh có GVD 95 Hình 4.15 Dạng tín hiệu cuối sợi quang có GVD .96 Hình 4.16 Thiết lập thông số cho tượng PMD .96 Hình 4.17 Quang phổ kênh sau tách kênh có PMD 97 Hình 4.18 Quang phổ cuối sợi quang có PMD 97 Hình 4.19 Dạng tín hiệu kênh sau tách kênh có PMD 98 Hình 4.20 Dạng tín hiệu cuối sợi quang có PMD .98 Hình 4.21 Quang phổ kênh sau tách kênh có GVD PMD 99 Hình 4.22 Quang phổ cuối sợi quang có GVD PMD 100 Hình 4.23 Dạng tín hiệu kênh sau tách kênh có GVD PMD 101 Hình 4.24 Dạng tín hiệu cuối sợi quang có GVD PMD 101 ¾ MUX/DEMUX: MUX loại 8x1, DEMUX loại 1x8 Ta sử dụng MUX/DEMUX có suy hao xen (W) ¾ Sợi quang: Là sợi đơn mode có chiều dài 100 km, suy hao sợi α = 0,2 dB/km Chúng ta xem xét ảnh hưởng tượng tán sắc sóng ánh sáng lan truyền sợi Vì thiết lập thơng số sau ¾ Bộ khuyếch đại EDFA: Có hệ số khuyếch đại G = 20 dB, hệ số tạp âm NF = dB, công suất Laser bơm 10 mW ¾ Các máy phân tích: Optical Spectrum Analyzer để phân tích quang phổ, Optical Time Domain Visualizer để phân tích dạng tín hiệu miền thời gian 4.2 Kết mô 4.2.1 Sợi quang lý tưởng không tán sắc Trước hết ta xét hệ thống WDM sử dụng sợi quang lý tưởng khơng có tán sắc Khi ta lấy sợi quang từ thư viện linh kiện, mặc định ban đầu thông số tán sắc GVD PMD khơng, khơng cần thiết lập thông số Đặt tốc độ bit kênh 10 Gbps Ta xem quang phổ hình dạng tín hiệu kênh đơn kênh sau ghép Đối với kênh đơn, để đơn giản ta xét kênh thứ sử dụng tần số 193,1 THz (gọi tắt kênh 1) Sau chạy mô ta thu kết quả: Quang phổ 89 Hình 4.3 Quang phổ kênh phát Hình 4.4 Quang phổ kênh thu sau tách kênh 90 Hình 4.5 Quang phổ sau ghép kênh Hình 4.6 Quang phổ cuối sợi quang Dạng tín hiệu 91 Hình 4.7 Dạng tín hiệu kênh phát Hình 4.8 Dạng tín hiệu kênh thu sau tách kênh 92 Hình 4.9 Dạng tín hiệu sau ghép kênh Hình 4.10 Dạng tín hiệu cuối sợi quang 93 4.2.2 Sợi quang có tán sắc GVD Ta bỏ qua PMD (mặc định ban đầu sợi quang khơng có PMD nên ta khơng thiết lập) Thiết lập thơng số tán sắc GVD cho sợi quang hình 4.11 Ở ta thiết lập D = 20 ps/nm/km, β2 = -20 ps2/km Hình 4.11 Thiết lập thơng số GVD Quang phổ Hình 4.12 Quang phổ kênh thu sau tách kênh có GVD 94 Hình 4.13 Quang phổ cuối sợi quang có GVD Dạng tín hiệu Hình 4.14 Dạng tín hiệu kênh sau tách kênh có GVD 95 Hình 4.15 Dạng tín hiệu cuối sợi quang có GVD 4.2.3 Sợi quang có tán sắc PMD Bỏ qua GVD Thiết lập thơng số PMD hình 4.16 Ở DGD = 0,2 ps/km, DPMD = 0,5 ps/km1/2 Hình 4.16 Thiết lập thơng số cho tượng PMD Quang phổ 96 Hình 4.17 Quang phổ kênh sau tách kênh có PMD Hình 4.18 Quang phổ cuối sợi quang có PMD Dạng tín hiệu 97 Hình 4.19 Dạng tín hiệu kênh sau tách kênh có PMD Hình 4.20 Dạng tín hiệu cuối sợi quang có PMD 98 4.2.4 Sợi quang có tán sắc GVD PMD Thực chất sợi quang thơng thường có tán sắc GVD PMD Thiết lập thơng số hình 4.11 4.16 Kết mơ phỏng: Quang phổ Hình 4.21 Quang phổ kênh sau tách kênh có GVD PMD 99 Hình 4.22 Quang phổ cuối sợi quang có GVD PMD Dạng tín hiệu 100 Hình 4.23 Dạng tín hiệu kênh sau tách kênh có GVD PMD Hình 4.24 Dạng tín hiệu cuối sợi quang có GVD PMD 101 KẾT LUẬN Truyền dẫn dung lượng cao theo hướng sử dụng cơng nghệ WDM có sức hút mạnh nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu giới Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn vận hành khai thác theo công nghệ này, chi phí đầu tư tính ổn định có nhiều ưu điểm hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM, mà nhu cầu dung lượng ngày cao Công nghệ khuếch đại quang sợi đời, mở chặng cho thơng tin quang nói chung cho thơng tin WDM nói riêng, giải vấn đề suy hao, quỹ công suất mà khơng cần lặp 3R cồng kềnh, chi phí lớn đáp ứng tốc độ thông tin thấp Thêm vào đó, module bù tán sắc DCM “nhúng” vào thiết bị WDM, làm cho hệ thống WDM có dung lượng ngày cang tăng Khi kênh bước sóng đạt đến tốc độ 40 Gbit/s nữa, nhờ đạt tốc độ Tbps sợi đơn mode chuẩn SSMF Sự phát triển hệ thống WDM với công nghệ chuyển mạch quang tạo nên mạng thông tin hệ - mạng thông tin tồn quang Đó mạng thơng tin đầy hứa hẹn Vì em mong có hội để tiếp tục nghiên cứu sâu vấn đề 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2005), Cơ sở kỹ thuật Laser, Nhà xuất giáo dục Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang, Nhà xuất bưu điện Govind P Agrawal (2001), Nonlinear Fiber Optics - Third Edition, Academic Press Ashwin Gumaste, Tony Antony (2002), DWDM Network Designs and Engineering Solutions, Academic Press Achyut K Dutta, Niloy K Dutta, Masahiko Fujiwara (2004), WDM Technologies: Optical Networks, Academic Press Biswanath Mukherjee (2006), Optical WDM Networks, Springer 103 ... hiệu quang từ nguồn quang có bước sóng phát khác sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM từ ý tưởng 15 1.2 Hệ thống WDM 1.2.1 Định nghĩa hệ thống WDM Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng. .. tải thơng tin từ xa, đặc biệt Việt Nam Từ suy nghĩ em tập trung vào tìm hiểu cơng nghệ ghép kênh quang thong tin quang, luận văn: "Nghiên cứu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng" gồm... theo bước sóng gọi hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng hay cịn gọi cách đơn giản hệ thống WDM Cấu trúc hệ thống WDM minh họa hình 1.2 Hình 1.2 Sơ đồ chức hệ thống WDM Các phần tử hệ