Nghiên cứu kỹ thuật nén xung quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến

Ở các hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao tín hiệu cần có độ rộng xung nhỏ Giải pháp nén tín hiệu xung quang từ nguồn tín hiệu quang có độ rộng khoảng 20 ~30 ps vốn là các tín hiệu xung được phát ra từ các nguồn phát phổ biến là rất cần thiết Trong tương lai các mạng quang khả năng sẽ sử dụng các lợi thế của kỹ thuật nén xung để tạo ra tín hiệu quang có độ rộng xung nhỏ nhằm tạo ra tín hiệu có thể truyền tải dữ liệu có tốc độ cao cần thiết cho việc nâng cao dung lượng của các mạng quang Luận văn trình bày tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang hiện tượng tán sắc hiệu ứng phi tuyến các kỹ thuật nén xung và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Optisystem 7 0 với tín hiệu quang return to zero RZ Kết quả mô phỏng gồm phổ các tín hiệu tỉ lệ lỗi bit BER của các tín hiệu trong quá trình thực hiện kỹ thuật nén xung với độ rộng xung nhỏ nhất có thể đạt được là 2 8 ps cho thấy quá trình mô phỏng đạt kết quả tốt Các phân tích về sự đạt được kết quả này được giới thiệu và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo Từ khóa – Hệ thống thông tin sợi quang sợi quang có hệ số phi tuyến cao HNLF kỹ thuật nén xung phần mềm mô phỏng Optisystem 7 0

i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VÕ THỊ THU THỦY NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT NÉN XUNG QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG PHI TUYẾN Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYẾN QUANG NHƯ QUỲNH Đà Nẵng – Năm 2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng trích dẫn đầy đủ theo quy định Tác giả luận văn Võ Thị Thu Thủy iii MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii TÓM TẮT LUẬN VĂN v DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix DANH MỤC CÁC BẢNG xi MỞ ĐẦU xii Tính cấp thiết đề tài xii Mục tiêu nghiên cứu xiii Đối tượng phạm vi nghiên cứu xiii Phương pháp nghiên cứu xiii Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài xiii Kết dự kiến xiii Kết cấu luận văn .xiii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Sự phát triển hệ thống thông tin sợi quang 1.3 Tầm quan trọng hệ thống thông tin sợi quang mạng viễn thông 1.4 Hệ thống thông tin sợi quang đa kênh 1.4.1 Hệ thống thông tin sợi quang WDM 1.4.2 Hệ thống thông tin sợi quang OTDM 1.5 Những ưu điểm hệ thống thông tin sợi quang 1.6 Kết luận chương CHƯƠNG HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 10 2.1 Giới thiệu chương 10 2.2 Tán sắc hệ thống thông tin sợi quang 10 2.2.1 Khái niệm phân loạị tán sắc 10 2.2.2 Các loại tán sắc 12 2.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm ( GVD ) 12 2.2.2.2 Tán sắc mode phân cực ( PMD ) 14 iv 2.3 Hiệu ứng phi tuyến 16 2.3.1 Định nghĩa 16 2.3.2 Chiều dài diện tích hiệu dụng 17 2.3.3 Quá trình tự điều chế pha ( SPM) 19 2.3.4 Hiệu ứng điều chế xuyên pha ( XPM ) 21 2.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng ( FWM) 22 2.4 Kết luận chương 22 CHƯƠNG KỸ THUẬT NÉN XUNG QUANG 24 3.1 Giới thiệu chương 24 3.2 Tín hiệu quang RZ 24 3.3 Kỹ thuật nén xung 26 3.4 Xây dựng mô hình hệ thống nén 29 3.5 Kết luận chương 31 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG NÉN XUNG QUANG DÙNG HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 32 4.1 Giới thiệu chương 32 4.2 Mô đánh giá hệ thống nén xung quang phần mềm Optisystem 7.0 32 4.2.1 Phần mềm mô Optisystem 7.0 32 4.2.1.1 Giới thiệu phần mềm 32 4.2.1.2 Mô tả linh kiện, thiết bị mô 35 4.2.2 Mô đánh giá hệ thống nén phần mềm Optisystem 7.0 36 4.2.2.1 Tiến trình mơ đánh giá hệ thống nén 36 4.2.2.2 Thiết lập sơ đồ mô phần mềm Optisystem 7.0 37 4.2.3 Kết mô đánh giá với dung lượng kênh 10Gbit/s.38 4.3 Kết luận chương 44 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 v NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT NÉN XUNG QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG PHI TUYẾN Học viên: Võ Thị Thu Thủy Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 Khóa: K32 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Ở hệ thống thơng tin sợi quang tốc độ cao, tín hiệu cần có độ rộng xung nhỏ Giải pháp nén tín hiệu xung quang từ nguồn tín hiệu quang có độ rộng khoảng 20 ~30 ps, vốn tín hiệu xung phát từ nguồn phát phổ biến cần thiết Trong tương lai, mạng quang khả sử dụng lợi kỹ thuật nén xung để tạo tín hiệu quang có độ rộng xung nhỏ nhằm tạo tín hiệu truyền tải liệu có tốc độ cao, cần thiết cho việc nâng cao dung lượng mạng quang Luận văn trình bày tổng quan hệ thống thơng tin sợi quang, tượng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, kỹ thuật nén xung thực mô phần mềm Optisystem 7.0 với tín hiệu quang return-to-zero (RZ) Kết mơ gồm phổ tín hiệu, tỉ lệ lỗi bit BER tín hiệu trình thực kỹ thuật nén xung, với độ rộng xung nhỏ đạt 2,8 ps cho thấy q trình mơ đạt kết tốt Các phân tích đạt kết giới thiệu đưa hướng phát triển Từ khóa – Hệ thống thơng tin sợi quang, sợi quang có hệ số phi tuyến cao HNLF, kỹ thuật nén xung, phần mềm mô Optisystem 7.0 A RESEARCH ON COMPRESSION TECHNIQUE OF OPTICAL SIGNAL USING NONLINEAR EFFECTS Abstract – In high_speed fiber optical communication systems, the pulsewidth of optical signal is small enough to generate high_speed signal The optical signal from the popular optical source is about 20~30 ps wide, therefore, the compression of pulse signal is very necessary In the future, optical networks are likely to use the advantages of pulse-compression technology to produce a small pulse-width optical signal that produces a signal that can transmit data at highspeed, needed to improve the capacity of optical networks The thesis presents an overview of fiber optical communication systems, chromatic dispersion, nonlinear effects, pulse compression techniques, and simulation on Optisystem 7.0 software for the RZ signal with bit-rate 10 Gb/s Simulation results which are the spectrum, pulsewidth, and bit error rate (BER) of signal with the smallest pulsewidth of 2,8 ps during pulse compression, indicate that the pulse compression was successful The analysis of the result achievements is introduced and the further development was discussed Key words– Fiber optical communication system, highly nonlinear fiber HNLF, pulse compression technique, Optisystem 7.0 simulation software vi DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ký hiệu A AM ATM ASK APS ASE B BER BA BL BW C CNR CW D DBR DCF DDF Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt Amplitude modulation Asynchronous transfer mode Amplitude shift keying Automatic protection switching Amplified spontaneous emission Điều chế biên độ Phương thức truyền dị Khoá dịch biên độ Chuyển mạch bảo vệ tự động Phát xạ tự phát khuếch đại Bit error rate Boost amplifier Bit length Bandwidth Tỷ lệ lỗi bít Bộ khuếch đại cơng suất Tích tốc độ bit * chiều dài Băng thông Carrier to noise ratio Continuous wave Tỉ số sóng mang nhiễu Sóng liên tục Distributed bragg reflector Dispersion compensate fiber dispersion-decreasing fiber Phản xạ phân bố Bragg Sợi bù tán sắc Sợi quang có tán sắc giảm dần Bộ phân kênh Ghép kênh theo bước sóng quang mật độ cao Trễ nhóm vi sai DEMUX DWDM Demultiplexer Dense wavelength division multiplexing DGD E EDFA Differential group delay F FWM H HDTV HNLF G GI Erbium doped fiber amplifiers Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium Four wave mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng High definition television Highly nonlinear fiber Truyền hình độ nét cao Sợi quang có tính phi tuyến cao Graded index Sợi quang có chiết suất giảm vii GVD I IEEE Group velocity dispersion dần Tán sắc vận tốc nhóm Institute of electrical and electronics engineers Tổ chức viện kỹ sư điện điện tử IM – DD Intensity modulation – direct detection Điều chế cường độ-Tách sóng trực tiếp Laser diode Line amplifier Light emitting diode Light amplification by stimulated emission of radiation Đi ốt laser Khuếch đại đường truyền Đi ốt phát quang Khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích Mach–Zehnder interferometer Multiplexer Bộ giao thoa Mach-Zehnder Bộ ghép kênh Non-return-to-zero Tín hiệu khơng trở không Optical/electrical Optical supervision channel Optical transponder unit Optical demultilexing unit Optical time division multiplexing Quang/Điện Kênh giám sát quang Bộ phát đáp quang Bộ tách kênh quang Ghép kênh phân chia theo thời gian quang Plesiochrounous digital hierachy Pre-amplifier Phase modulation Polarization mode dispersion Phase shift keying Phân cấp số cận đồng Bộ tiền khuếch đại Điều chế pha Tán sắc mode phân cực Điều chế khóa dịch pha Quadrature amplitude modulation Quadrature phase shift keying Quality of Service Điều chế biên độ trực giao Điều chế khóa dịch pha Chất lượng dịch vụ Raman amplifier Khuếch đại Raman L LD LA LED LASER M MZI MUX N NRZ O O/E OSC OTU ODU OTDM P PDH PA PM PMD PSK Q QAM QPSK QoS R RA viii RZ S SPM SNR SMF W WDM X XPM VOA Returm-to-zero Tín hiệu trở khơng Self-phase modulation Signal-to-noise ratio Single mode fiber Tự điều chế pha Tỉ số tín hiệu nhiễu Sợi đơn mode Wavelength division multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng Cross-phase modulation Variable optical attenuators Điều chế xuyên pha Bộ suy hao ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ 1.1 Tên hình vẽ Trang Hệ thống mạng cáp quang biển khu vực châu Á 1.2 Sơ đồ kết nối tuyến cáp quang AAG ngầm bên Thái Bình Dương, nối châu Á sang Mỹ 1.3 Sơ đồ kết nối tuyến cáp quang APG 1.4 Sơ đồ hệ thống cáp biển AAE-1 1.5 Các vùng bước sóng có suy hao nhỏ sợi quang cho phép truyền nhiều kênh bước sóng khác 1.6 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang WDM 1.7 2.1 (a) Hệ thống hai hướng hai sợi; (b) Hệ thống hai hướng sợi Sơ đồ ghép kênh hệ thống OTDM sử dụng đường trễ quang Minh họa giãn rộng xung tán sắc ánh sáng truyền sợi quang 10 2.2 Các loại tán sắc xảy sợi quang 11 2.3 Tán sắc sắc thể loại sợi quang khác 13 2.4 DGD tính lưỡng chiết sợi quang 14 2.5 Mơ tả chiều dài hiệu dụng 17 2.6 Diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng 18 2.7 Sự biến đổi theo thời gian gây SPM: (a) độ dịch pha ϕNL (b) độ chirp tần cho xung Gauss (đường đứt nét) siêu Gauss (đường liền) 20 2.8 Q trình trộn bốn sóng 21 3.1 Dạng xung tín hiệu RZ 23 3.2 Phát tín hiệu RZ 10Gb/s 24 3.3 Sơ đồ mơ phát tín hiệu RZ 10Gb/s 24 3.4 Tín hiệu RZ 10Gb/s 24 3.5 Sơ đồ nén sử dụng hiệu ứng phi tuyến 26 3.6 a Sự dao động tín hiệu thu; b Hàm mật độ xác suất bit “0” bit “1” 27 1.8 x 3.7 Mơ hình hệ thống nén 29 4.1 Tiến trình mơ đánh giá hệ thống nén 35 4.2 36 4.3 Cấu hình mơ hệ thống nén Sơ đồ mơ hệ thống thông tin quang dùng kỹ thuật nén xung 4.4 Phổ quang sau nén với độ rộng xung τ = 2.8 ps 37 36 Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 3.301 x 10-9 với độ rộng xung 4.5 4.6 37 τ = 2.8 ps Phổ quang sau nén với độ rộng xung τ = 5.9 ps 38 Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 3.89 x 10-9 với độ rộng xung 4.7 4.8 38 τ = 5.9 ps Phổ quang sau nén với độ rộng xung τ = ps 39 Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 3.89 x 10-9 với độ rộng xung 4.9 4.10 39 τ = ps Phổ quang sau nén với độ rộng xung τ = 14.2 ps 40 -9 Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 1.15 x 10 với độ rộng xung 4.11 τ = 14.2 ps 40 4.12 Đồ thị đặc tính BER 42 4.13 Hệ số phẩm chất (Q-factor) theo công suất thu 43 42 -18.22 3.89e-9 5.74 -19.22 3.13e-8 5.38 -20.22 3.14e-7 4.96 -21.22 3.36e-6 4.48 -22.22 3.39e-5 3.97 -23.22 2.8e-4 3.44 -13.22 6.66e-12 6.71 -15.22 1.75e-11 6.57 -18.22 8.3e-10 5.99 -19.22 6.28e-9 5.66 -20.22 6.18e-8 5.26 -21.22 7.00e-7 4.8 -22.22 8.06e-6 4.3 -23.22 8.14e-5 3.76 -24.22 6.32e-4 3.21 -17.22 3.6e-12 3.6 -18.22 5.33e-11 6.4 -18.73 2.38e-10 6.2 -19.22 1.15e-9 5.9 -20.22 2.86e-8 5.4 -21.22 7.08e-7 4.81 -21.73 3.2e-6 4.5 -22.22 1.37e-5 4.18 -23.22 1.7e-4 3.56 -20.72 1.44e-12 6.97 -21.22 2.65e-11 6.55 -21.72 4.25e-10 6.12 -22.22 5.86e-9 5.69 1 5.9 14.2 43 -22.72 6.67e-8 5.26 -23.22 6.13e-7 4.84 -23.72 4.44e-6 4.43 -24.22 2.53e-5 4.05 -24.72 1.15e-4 3.68 -24.26 3.75e-12 6.84 -24.46 2.9e-11 6.54 -24.76 4.55e-10 6.12 -25.06 5.09e-9 5.72 -25.46 8.08e-8 5.23 -26.66 2.71e-7 5.00 -25.96 1.38e-6 4.68 -26.46 1.37e-5 4.19 -27.46 3.89e-4 3.35 back to back Bảng 4.2 Tổng hợp số liệu mơ kỹ thuật nén Đặc tính tỉ lệ lỗi bít BER thay đổi theo cơng suất thu ứng với độ rộng xung khác thể hình 4.12 Hình 4.12 Đồ thị đặc tính BER hệ thống nén xung quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến với ốc độ kênh 10Gbit/s 44 Hệ số phẩm chất Q thay đổi theo công suất thu thể hình 4.14 Hình 4.13 Hệ số phẩm chất (Q-factor) theo công suất thu hệ thống nén xung quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến với tốc độ kênh 10Gbit/s Hệ số phẩm chất Q-factor lấy từ BER đo tín hiệu có độ rộng xung khác tín hiệu Back-to-Back Kết mơ độ rộng xung thể hình 4.12 hình 4.13 Hệ số Q-factor tỉ số lỗi bit BER liên hệ với công thức (3.10) Với kết mô phỏng, ta thấy độ rộng xung nhỏ cơng suất thu tăng, ngun nhân nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại ASE nén Tại giá trị BER 10-9, chênh lệch cơng suất thu tín hiệu nén với độ rộng xung nhỏ 2,8 ps tín hiệu back-to-back trước nén khoảng dB, đó, sai lệch cơng suất tín hiệu sau nén với độ rộng khác nhỏ dB Với tín hiệu có độ rộng xung nhỏ 2,8 ps tạo thêm luồng OTDM 80 Gbit/s 4.3 Kết luận chương Trong chương luận văn thực mô hệ thống nén xung quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến theo mơ hình hệ thống nén xung Qua việc mơ đánh giá, thấy việc áp dụng kỹ thuật nén xung quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến cho thấy chất lượng hệ thống nén xung quang có hiệu quả, thực nén xung quang từ 28ps đến 2,8ps 45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Sau thời gian thực đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật nén xung quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến”, tơi hồn thành nội dung sau: - Trình bày tổng quan hệ thống thơng tin quang, hiệu ứng phi tuyến, kỹ thuật nén xung quang - Xây dựng mơ hình hệ thống nén xung quang - Đánh giá kết thực dựa tính tốn mơ Nhận xét mơ hình Ưu điểm Sử dụng phần mềm Optisystem 7.0, luận văn thực mô thành công kỹ thuật nén xung sử dụng hiệu ứng phi tuyến sợi quang HNLF SMF Qua mơ cho thấy, tín hiệu liệu đầu vào qua sợi HNLF SMF q trình nén xung tạo tín hiệu có độ rộng nhỏ cỡ vài pico giây Khó khăn trình thực - Cần thời gian để tiếp thu kiến thức lĩnh vực kỹ thuật nén xung quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến, phương pháp đánh giá - Việc lựa chọn thông số sơ đồ mô hệ thống nén chưa có đường cụ thể, địi hỏi có q trình tìm hiểu, khảo sát, nghiên cứu thực nghiệm lâu dài Hướng phát triển Do thời gian kiến thức chưa đầy đủ nên luận văn đề cập đến vấn đề kỹ thuật nén xung quang Từ sở trên, đưa số hướng phát triển mở rộng đề tài tương lai sau: - Các nghiên cứu việc tăng thêm kết đầu cách sử dụng nhiều kênh với tần số khác - Áp dụng khảo sát hệ thống với nhiều kênh với tần số khác nhau, từ đưa mơ hình tổng qt cao - Chuyển đổi từ việc nghiên cứu lý thuyết, mô phần mềm mô OptiSystem 7.0 đến việc ứng dụng vào phần mềm thực tế áp dụng kĩ thuật đưa vào mơ hình mơ để nâng cao tốc độ truyền dẫn 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, “ Thông tin sợi quang”, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2010 [2] TS Nguyễn Đức Nhân, “Bài giảng Cơ sở kỹ thuật Thông tin quang”, Học viện Công nghệ BCVT, 2013 Tài liệu Tiếng Anh [3] G P Agrawal, “Fiber Optic Communication System”, 3rd Ed., New York, Acadamic, 2010 [4] A E Willner et al., “All-optical signal processing,” J of Technol Lightwave, vol.32, no.4, pp.660–680, 2014 [5] Q Nguyen Quang Nhu, H Nguyen Tan, Q Nguyen-The, M Matsuura, and N Kishi, “ Performance of an inline RZ-DPSK pulse compression using Raman ampli_er and its application in OTDM tributary," IEICE Transaction on Electronics, vol E99-C, no , pp 227-234, Feb 2016 [6] M P Fok et al., “Performance investigation of one-to-six wavelength multicasting of ASK-DPSK signal in a highly nonlinear bismuth oxide fiber,” J of Technol Lightwave, vol.27, no.15, pp.2953–2957, 2009 [7] Optiwave Corporation, “OptiSys_Design”, Canada, Tutorials, (https://optiwave.com) [8] J Gantz and D Reinsel, “The digital universe in 2020: Big data, bigger digital shadows, and biggest growth in the far east” IDC IVIEW, EMC Corporation, Hopkinton, MA, USA, 2012 [ 9] https://www.submarinecablemap.com [10] Mathieu Chagnon et al., “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, 2015 [11] T Morioka “ Ultrafast optical technologies for large capacity TDM/WDM photonic networks” optical and Fiber communications research, vol.4,no.1, pp.1440,2007 [12] G P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Second Ed., Academic Press, 2001 [13] R.S Tucker, “Green optical communications - Part I: Energy limitations in transport ”, IEEEJ SEL.tOP.qUANTUM eLECTRON, Vol 17, No 2, Mar/Apr 2011 ... vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: - Nghiên cứu hiệu ứng phi tuyến, kỹ thuật nén xung quang - Xây dựng mơ hình hệ thống nén xung quang 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết thành... hiệu quang RZ Qua ta tìm hiểu kỹ kỹ thuật nén xung quang Một ứng dụng quan trọng hiệu ứng phi tuyến việc nén xung tương tác tượng phi tuyến tán sắc xảy đồng thời sợi quang Nguyên tắc nén xung xung... Sự mở rộng xung gây tán sắc khác vận tốc lan truyền thành phần xung quang Sự khác biệt vận tốc lan truyền làm cho thành phần xung quang có độ trễ khác đầu cuối sợi quang nên xung quang đầu tổ