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

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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2019 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quang Như Quỳnh Đà Nẵng – Năm 2019 ii NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG TRỘN BỐN SÓNG TRÊN SỢI QUANG CÓ HỆ SỐ PHI TUYẾN CAO Học viên: Từ Thanh Tùng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: Khóa: K35 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – 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 ghép kênh quang theo bước sóng WDM, đặc biệt mạng quang định tuyến bước sóng, nơi mà tín hiệu định tuyến chuyển mạch dựa bước sóng Để thực chuyển đổi bước sóng, hiệu ứng phi tuyến sợi quang có tính phi tuyến cao, ứng trộn bốn bước sóng four wave mixing (FWM) xem hiệu ứng ứng dụng rộng rãi để thực chuyển đổi bước sóng Luận văn trình bày tổng quan hệ thống thơng tin quang, hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng thực mơ phần mềm Optisystem Kết mô gồm phổ tín hiệu q trình thực kỹ thuật chuyển đổi bước sóng, tỉ lệ lỗi bit BER tín hiệu cho thấy q trình mơ đạt kết tốt Các phân tích đạt kết giới thiệu tác giả đưa hướng phát triển Từ khóa – Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng, sợi quang có hệ số phi tuyến cao HNLF, hệ thống thông tin quang, phần mềm mô Optisystem A RESEARCH ON WAVELENGTH CONVERSION TECHNIQUE BASED ON FOUR-WAVE MIXING USING HIGHLY NONLINEAR FIBER Abstract – The wavelength conversion technique for converting from one wavelength into different wavelength carrying the same information is essential to increase the flexibility and efficiency of WDM networks, especially in wavelength routing networks where signals are routed and switched based on their wavelengths In order to implement wavelength conversion, nonlinear effects in highly nonlinear fibers (HNLF), four wave mixing (FWM) is one of the widely used effects for wavelength conversion The thesis presents an overview of optical fiber systems, wavelength conversion techniques based on four-wave mixing nonlinear effects, and simulation on Optisystem software Simulation results include the spectra of signals during the wavelength conversion processing, bit error rate (BER) Free-error operation is achieved with power penalty which is less than dB at BER of 10 -9 Analysis of the achievement of this result was explained and the further development was discussed Key words – Four-wave mixing (FWM), wavelength conversion, highly nonlinear fiber (HNLF), optical fiber communication system, Optisystem simulation software iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Kết cấu luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 1.1 Giới thiệu 1.2 Tầm quan trọng hệ thống thông tin sợi quang mạng viễn thông 1.3 Các thành phần hệ thống thông tin sợi quang: .4 1.3.1 Sợi quang 1.3.2 Bộ phát quang 1.3.3 Bộ thu quang 1.4 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK, NRZ-OOK 1.4.1 Các tín hiệu điều chế NRZ-OOK 1.4.2 Các tín hiệu điều chế RZ-OOK 11 1.4.3 Một sô thông số đánh giá chất lượng tín hiệu thu 13 1.5 Các hệ thống thông tin sợi quang 17 1.5.1 Tuyến điểm – điểm 17 1.5.2 Hệ thống thông tin sợi quang tương tự 19 1.5.3 Hệ thống thông tin sợi quang số 20 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin sợi quang 20 1.6 Kết luận 21 CHƯƠNG CÁC HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN 22 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến 22 2.3 Hiệu ứng tán xạ kích thích 23 2.3.1 Tán xạ Brillouin kích thích 23 iv 2.3.2 Tán xạ Raman kích thích 25 2.4 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 26 2.4.1 Quá trình tự điều chế pha 26 2.4.2 Quá trình điều chế pha chéo 27 2.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-Wave Mixing 28 2.6 Kết luận 28 CHƯƠNG HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG FWM VÀ CÁC ỨNG DỤNG 30 3.1 Giới thiệu chương 30 3.2 Lý thuyết hiệu ứng Trộn bốn bước sóng 30 3.2.1 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM sử dụng tín hiệu bơm (Single Pump) 30 3.2.2 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng sử dụng nhiều tín hiệu bơm (multi-pump) 32 3.3 Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng FWM 33 3.4 Vật liệu thiết bị phi tuyến 34 3.5 Các ứng dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng 35 3.6 Kết luận 36 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUANG DÙNG KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG 37 4.1 Giới thiệu 37 4.2 Xây dựng cấu hình mơ 37 4.3 Giới thiệu phần mềm mô OPTISYSTEM 7.0 .38 4.4 Thiết lập mô phần mềm Optisystem 7.0 40 4.4.1 Mô tả đặt giá trị thiết bị mô phỏng: 42 4.4.2 Mô tả hoạt động sơ đồ mô 44 4.5 Kết mô đánh giá .45 4.6 Kết luận 57 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT A AM Amplitude Modulation: Điều chế biên độ APD Avalanche Photodiode B BER Bit Error Ratio: Tỉ lệ lỗi bit BL Bit Length: Tích tốc độ bit chiều dài C CNR Carrier to noise ratio : Tỉ số sóng mang nhiễu XGM Cross-Gain Modulation D DCF Dispersion – Compensating Fiber DSF Dispersion – Shifted Fiber DWDM Dense WDM E EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier EAM An electro-absorption modulator F FM Frequency Modulation: Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying: Khóa dịch tần FTTX Fiber-to-the-X : Internet cáp quang FWM Four-Wave Mixing: Trộn bốn bước sóng FWHM Full width at half maximum G Gbps Gigabits per second: Gigabit/giây GVD Group – Velocity Dispersion H HDTV High Definition Television: Truyền hình độ nét cao HNLF Highly Nonliner Fiber: Sợi quang có tính phi tuyến cao (hay có hệ số phi tuyến cao) I vi IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers: Tổ chức IEEE IM Intensity Modulation: Điều chế cường độ IP TV Internet Protocol TV ISI Inter-symbol Interference L LED Light Emitting Diode: Điốt phát quang LD Lazer Diode: Điốt Lazer Lazer CW Lazer Continuous Wave: Lazer tạo sóng liên tục M MZM Mach – Zehnder Modulator N NRZ Non Return to Zero: Không trở O OTDM OOK Optical Time Domain Multiplexing : Ghép kênh theo thời gian miền quang On-Off Keying: Điều chế khóa bật tắt P PCF Photonic Crystal Fiber PIN Passive Intrinsic Negative PM Phase Modulation: Điều chế pha PMD Polarization Mode Dispersion: Tán sắc mode phân cực PSK Phase Shift Keying: Khóa dịch pha PRBS A Pseudorandom Binary Sequence Q QAM Quadrature amplitude modulation: Điều chế biên độ trực giao QPSK Quadrature Phase Shift Keying: Khoá dịch pha trực giao S SBS Stimulated Brillouin Scattering SRS Stimulated Raman Scattering SNR Signal-to-Noise Ratio: Tỉ số tín hiệu nhiễu SPM Self-Phase Modulation: Tự điều chế pha V VOA Variable Optical Attenuator : Bộ suy hao quang vii W WDM Wavelength-division multiplexing: Ghép kênh theo bước sóng X XPM Cross-Phase Modulation: Điều chế pha chéo viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 4.1 Các tham số sợi quang HNLF 44 4.2 Tổng hợp số liệu mô kênh chuyển đổi 51 55 Hình 4.25 Đồ thị đặc tính BER kênh bước sóng 1563.05 nm đầu EDFA2 Hình 4.26 Đồ thị đặc tính BER kênh bước sóng 1565.5 nm đầu EDFA2 56 ~ 1.6 dB Hình 4.27 Đồ thị đặc tính BER kênh bước sóng 1567.95 nm đầu EDFA2 - Ta có đồ thị hiệu suất chuyển đổi kênh bước sóng khảo sát trên: Hình 4.28 Hiệu suất chuyển đổi kênh bước sóng khảo sát Hệ số phẩm chất Q-factor lấy từ BER đo tín hiệu chuyển đổi tín hiệu Back-to-Back (B to B, tín hiệu cần chuyển đổi, tức trước lúc thực q trình chuyển đổi, khơng qua sợi quang HNLF) Hệ số Q-factor tỉ số lỗi bit 57 BER liên hệ với công thức [11]: ( ) (4.1) √ Với: hàm bù lỗi ngược Từ kết mô phỏng, ta nhận thấy rằng, tỷ số lỗi Bit hệ số phẩm chất Q thay đổi theo công suất thu, cơng 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 0.8 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 -8.0814 dB đến -7.7749 dB, khác biệt nhỏ, không đáng kể 4.6 Kết luận Ở Chương 4, luận văn tập trung vào việc thực mơ hình chuyển đổi bước sóng tồn quang sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng Với cơng suất tín hiệu bơm 17 dBm, luận văn khảo sát tín hiệu với bước sóng khác băng C, đạt hiệu suất chuyển đổi nằm khoảng từ -8.0814 dB đến -7.7749 dB, khác biệt nhỏ, không đáng kể kênh khảo sát Tại BER 10-9 độ lệch công suất thu (power penalties) tín hiệu trước chuyển đổi Back to Back tín hiệu sau chuyển đổi trường hợp khác nhỏ 1.6 dB bước sóng tín hiệu liệu cách 2.42 nm băng C Như vậy, kết chất lượng tín hiệu chuyển đổi đảm bảo chất lượng trình FWM 58 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 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 toàn quang, ứng dụng vào nút Add/Drop mạng WDM… 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] Nguyễn Đức Nhân (2013), “Bài giảng Cơ sở kỹ thuật Thông tin quang”, Học viện Công nghệ BCVT [2] Nguyễn Văn Tuấn (2010), “Thông tin sợi quang”, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Tài liệu Tiếng Anh [3] A Hodzic (2003 ), “Optimized filtering for 40-gb/s/ch-based DWDM transmission systems over standard single-mode fiber”, IEEE Photonics Technology Letters, Volume: 15 , Issue: , July 2003 [4] G P Agrawal (2010), Fiber Optic Communication System, 3rd Ed., New York, Acadamic [5] R Trebino (2002), “Frequency-Resolved Optical Gating: The Measurement of Ultrashort Laser Pulses”, Kluwer Academic Publishers [6] Selcuk Akturk, Mark Kimmel, Patrick O’Shea, Rick Trebino, “Measuring spatial chirp in ultrashort pulses using single-shot Frequency-Resolved Optical Gating”, School of Physics, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0430, USA [7] J Gantz and D Reinsel (2012), “The digital universe in 2020: Big data, bigger digital shadows, and biggest growth in the far east” IDC IVIEW, EMC Corporation, Hopkinton, MA, USA [8] A E Willner et al (2014), “All-optical signal processing”, J of Technol Lightwave, vol.32, no.4, pp.660–680 [9] Q N Q Nhu et al (2015), “Wavelength Multicasting of RZ-DPSK Signal with Tunable Pulsewidth Using Raman Amplification Pulse Compressor,” IEICE Trans on Electron., pp.29–32 [10] Osamu Aso, M Tadakuma and S Namiki, “Four-Wave Mixing in Optical Fibers and Its Applications”, Furukawa Review, No.19, pp.63-68, January 2000 [11] Mathieu Chagnon et al (2015), “Wavelength Multicasting at 22-Gbaud 16-QAM in a Silicon Nanowire Using Four-Wave Mixing”, IEEE Photonics Technology Letter, Vol.27, No 8, pp.860–863 [12] Optiwave Corporation, “OptiSys_Design”, Canada, Tutorials, (https://optiwave.com) [13] https://www.submarinecablemap.com ... quang định tuyến bước sóng, nơi mà tín hiệu định tuyến chuyển mạch dựa bước sóng Để thực chuyển đổi bước sóng, hiệu ứng phi tuyến sợi quang có tính phi tuyến cao, ứng trộn bốn bước sóng four wave... thực chuyển đổi bước sóng, hiệu ứng phi tuyến sợi quang có tính phi tuyến cao, hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-wave Mixing (FWM) xem hiệu ứng ứng dụng rộng rãi để thực chuyển đổi bước sóng Vì... ứng quang phi tuyến hiệu ứng tán xạ kích thích, hiệu ứng điều chế pha phi tuyến, hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM 2.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến Đáp ứng môi trường điện môi sợi quang trở nên phi