Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực và nhiễu liên quan trong hệ thống thông tin quang tóm tăt luận án tiến sĩ kỹ thuật)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Đinh Thị Thu Phong NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC VÀ NHIỄU LIÊN QUAN TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG Chun ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 62 52 70 05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 2010 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH Đào Khắc An TS Phùng Văn Vận Phản biện 1: GS.TSKH Đinh Văn Hoàng Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia HN Phản biện 2: PGS.TS Phan Hữu Huân Đại học dân lập Phương Đông Phản biện 3: PGS.TS Vương Đạo Vy Đại học Công nghệ-Đại học Quốc gia Hà Nội Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại: Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng (PTIT), Số 122 Hồng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Vào hồi 14 , ngày 22 tháng 10 năm 2010 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia; Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Dinh Thi Thu Phong, Phung Van Van, Dao Khac An (2009), “Bit Error Rate Measurement in Optical Systems Induced by Chromatic Dispersion, Polarization Mode Dispersion”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Tập 47, số 1, tr 11-15 Dinh Thi Thu Phong, Phung Van Van, Dao Khac An (2008), “Polarization Mode Dispersion Monitoring using Radio Frequency Clock Power Measurement”, Research, Development & Applications on Electronics, Telecommunications and Information Technology, Journal on Information Communications and Technologies*, Series 3, June 2008, p 11-15 Đinh Thị Thu Phong, Phùng Văn Vận, Đào Khắc An (2007), “Phương pháp giám sát tán sắc mode phân cực (PMD) hình mắt hệ thống thơng tin quang 10Gbit/s”, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Học viện CNBCVT lần thứ 10, Hà Nội 07-13/9/2007, tr 174-177 Đinh Thị Thu Phong, Phùng Văn Vận, Đào Khắc An (2006), “DOPbased Polarization Mode Dispersion Monitoring in 10Gbit/s Optical Fiber Communication Systems”, Kỷ yếu Hội nghị Vô tuyến Điện tử Việt Nam lần thứ 10, REV'06, Hà Nội 6-7/11/2006, tr 321-323 Đinh Thị Thu Phong, Vũ Văn San (2005), “Xác định ảnh hưởng tán sắc hệ thống thông tin quang tốc độ cao”, Chuyên san công trình nghiên cứu – triển khai viễn thơng cơng nghệ thơng tin, Tạp chí Bưu Viễn thơng Công nghệ thông tin, số 15, tháng 12, tr 28-35 Đinh Thị Thu Phong, Phùng Văn Vận, Đào Khắc An (2005), “Đo tán sắc mode phân cực sợi quang hệ thống thông tin quang”, Kỷ yếu Hội nghị chuyên ngành KHKT Đo lường toàn quốc lần thứ 4, Hà Nội, 10-11/11/2005, tr 131-136 Dinh Thi Thu Phong, Phung Van Van, Dao Khac An (2005), “Polarization Mode Dispersion and its Effects in Optical Fiber Communication Systems”, Osaka University Press, Proc Frontier of Basic Science towards New Physics- Earth & Space ScienceMathematics, Hanoi, Sep 27-29, p.363-364 Dinh Thi Thu Phong, “Performance induced by polarization-modedispersion in optical fiber communication systems”, Proc Asian InfoCommunication Council 32nd conference in Vietnam, WG-1, Doc 50, May 2005 P P Dinh Thi Thu Phong, Chu Minh Hoan, “Investigation of Optical Power Budget Dependence on Dispersion for 10Gbit/s Optical Transmission Systems”, Proc Asian Info-Communication Council 29th conference in Japan, WG-1, Doc 42, Japan, December 2003 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Để xây dựng hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao cự ly xa, tán sắc vấn đề nan giải cần có biện pháp giải phù hợp Khi hệ thống hoạt động bước sóng vùng 1550 nm sử dụng khuếch đại EDFA sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652, giá trị tán sắc lớn làm dãn xung mức, dẫn tới suy giảm nghiêm trọng chất lượng tín hiệu, làm hạn chế nhiều tốc độ bit cự ly truyền dẫn Tán sắc sợi quang bao gồm tán sắc CD tán sắc mode phân cực (PMD) Mặc dù tán sắc CD nghiên cứu có giải pháp hữu hiệu hạn chế ảnh hưởng Tuy nhiên, tốc độ truyền dẫn từ 10Gbit/s trở lên, PMD trở thành nhân tố làm giảm nghiêm trọng chất lượng tín hiệu, hạn chế nhiều cự ly truyền dẫn Hơn nữa, nhiễu môi trường tốc độ bit lớn kết hợp với PMD, yêu cầu cao tỷ số lỗi bit BER = 10-12 cho hệ thống ≥10Gbit/s trở thành yếu tố khắt khe việc kiểm sốt PMD Với tính phức tạp chất PMD bối cảnh nhu cầu xây dựng truyến thông tin quang tốc độ cao ngày tăng, việc nghiên cứu ảnh hưởng PMD hướng nghiên cứu hấp dẫn thời Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu gần đây, thể nỗ lực bước đầu thu kết quan trọng Tuy nhiên, nghiên cứu PMD lĩnh vực mới, nhiều vấn đề liên quan chưa giải thấu đáo Do đề tài luận án mong muốn nghiên cứu cụ thể vấn đề nhằm làm sáng tỏ tranh toàn cảnh PMD ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Tán sắc PMD đặc tính quan trọng sợi quang đơn mode lượng tín hiệu bước sóng cho chuyển vào hai mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền khác Nếu xung đầu vào kích thích hai thành phần phân cực, bị dãn rộng đầu sợi Với tính phức tạp chất, PMD sợi quang đơn mode bước sóng xác định thường khơng ổn định, chất thống kê PMD với thay đổi ngẫu nhiên tác động môi trường làm cho việc nghiên cứu chất ảnh hưởng với nhiễu liên quan hệ thống vấn đề nan giải hấp dẫn Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng PMD nhiễu liên quan cho hệ thống đối tượng nghiên cứu luận án Nội dung luận án nghiên cứu cho hệ thống tốc độ 10 Gbit/s 40 Gbit/s Điểm bắt đầu việc nghiên cứu với giả thiết suy hao tuyến truyền dẫn giải khuếch đại quang sợi EDFA, tán sắc mode phân cực PMD kết hợp với CD, chirp tần số tiến hành nghiên cứu Sau đó, để kiểm chứng ảnh hưởng PMD đến hệ thống, giải pháp giám sát mode phân cực tiến hành thông qua mô đo hệ thống thực tiễn Luận án đề xuất tính tốn thiết kế tuyến truyền dẫn có ảnh hưởng PMD Đây nội dung luận án tập trung nghiên cứu, giải quyết, áp dụng hiệu việc thiết kế xây dựng nâng cấp hệ thống thông tin quang tốc độ cao PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC Từ đối tượng nghiên cứu luận án đòi hỏi thiết phải có phương pháp phương tiện nghiên cứu đại, Việt Nam chưa có nguồn tài liệu trang thiết bị thí nghiệm chuyên ngành tương xứng Tuy nhiên, điều thuận lợi luận án có thời gian thực nước ngồi Do đó, phương pháp nghiên cứu luận án áp dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tính tốn mơ phỏng, đo thực nghiệm kiểm chứng điều kiện phịng thí nghiệm với trang thiết bị đại Nội dung luận án có nghiên cứu lý thuyết, đánh giá ảnh hưởng PMD thông qua nhiễu liên quan nghiên cứu mô phỏng, đo thực nghiệm Các nội dung bố cục sau : Chương : Giới thiệu tán sắc hệ thống thông tin quang, đánh giá tổng quan kết nghiên cứu có trước, xác định mục tiêu nội dung nghiên cứu chủ yếu luận án Chương : Nghiên cứu PMD, tham số đặc trưng, ảnh hưởng đến hệ thống; trình bày kết nghiên cứu xác định tính phân cực ảnh hưởng tác động gây nhiễu từ PMD Chương : Trình bày nghiên cứu mơ xác định ảnh hưởng PMD giải pháp giám sát PMD kết thu cho hệ thống tốc độ cao Chương : Trình bày việc áp dụng nghiên cứu thu để tính tốn cấu hình tuyến thơng tin sợi quang nhiều Gbit/s thực tế - Phần kết luận trình bày tóm tắt kết luận án II NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ TÁN SẮC CỦA HỆ THỐNG Chương giới thiệu tổng quan hệ thống thông tin quang, đặc điểm chủ yếu hệ thống nhấn mạnh thành phần thiết bị, sợi quang tham số tạo nên cấu hình hệ thống tốc độ bit cao nhiều Gbit/s Trên sở cấu trúc hệ thống vậy, hệ phương trình Maxoen vấn đề tán sắc hệ thống phân tích Luận án phân tích chất chung hiệu ứng tán sắc CD, tán sắc mode phân cực PMD từ hệ phương trình Maxoen sợi quang; khảo sát, phân tích đặc trưng số phần tử hệ thống thiết bị tương tác với PMD tạo nên nhiễu hệ thống có liên quan để từ xác định mục tiêu, nội dung nghiên cứu Luận án tập trung vào vấn đề ảnh hưởng PMD hệ thống thông tin quang tốc độ cao Tuy nhiên, để tiến hành công việc nghiên cứu, nghiên cứu sinh (NCS) đưa thông tin cần thiết nhận định kết từ số cơng trình nghiên cứu có trước có liên quan Từ đặt vấn đề mà đề tài luận án cần phải giải quyết, nội dung nghiên cứu, phương pháp tiếp cận tiến hành nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, kết cần phải đạt CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 2.1 Khái quát tán sắc mode phân cực sợi quang 2.1.1 Các mode phân cực: Nghiên cứu chất mode phân cực sợi quang, tác động vào trạng thái phân cực, lệch pha mode phân cực ảnh hưởng tới truyền dẫn ánh sáng 2.1.2 Bản chất vật lý tán sắc mode phân cực Phần phân tích lưỡng chiết, độ dài phách, hàm truyền đạt phân cực, trạng thái phân cực nguyên lý; thể tham số sợi quang đơn mode Phần quan tâm sâu đến vector Jones, tham số stokes mặt cầu Poincare’ để xem xét tính phân cực, làm sở cho việc mô sau luận án 2.2 Nghiên cứu đặc điểm, tính chất tán sắc mode phân cực hệ thống thông tin quang 2.2.1 Các tham số tán sắc mode phân cực Nêu tham số bao gồm: Độ trễ nhóm vi phân; Biểu thức tán sắc mode phân cực sợi quang; Tán sắc mode phân cực bậc 2; Tán sắc CD phụ thuộc phân cực (PDCD); 2.2.2 Ảnh hưởng tán sắc mode phân cực hệ thống thông tin quang Để xem xét chế ảnh hưởng PMD tính thay đổi ngẫu nhiên nó, luận án nghiên cứu mơ hình ghép cơng suất mode để từ xem xét việc đền bù công suất ảnh hưởng PMD gây bao nhiêu, xác định giới hạn cho phép Ảnh hưởng PMD nghiên cứu trường hợp kết hợp với nguồn nhiễu khác suy hao phụ thuộc phân cực, nhiễu phát xạ tự phát ASE tích lũy từ khuếch đại quang EDFA làm giảm tỷ số tín hiệu nhiễu SNR 2.3 Các phương pháp đo tán sắc mode phân cực Phần giới thiệu phương pháp đo PMD như: Kỹ thuật quét tần số (còn gọi kỹ thuật phân tích cố định); Kỹ thuật giao thoa; Kỹ thuật đo sử dụng ma trận Jones 2.4 Kết mô phỏng, đo xác định tán sắc mode phân cực 2.4.1 Kết mô biểu diễn phân cực qua mặt cầu Poincare’ Để nghiên cứu trạng thái phân cực (SOP) thông qua biểu diễn vector PMD mặt cầu Poincare’, thực mô với giá trị tham số Stokes Kết mô khẳng định phân cực hồn tồn khơng có lưỡng chiết, quỹ đạo điểm cuối vectơ PMD đường tròn mặt cầu, biểu diễn hình 2.8 a) Khi có thành phần lưỡng chiết quỹ đạo điểm cuối vector PMD mặt cầu Poincare thay đổi khơng cịn đường trịn Nó hồn tồn thay đổi ngẫu nhiên, hình 2.8 b) a) b) Hình 2.8 Kết mơ trạng thái phân cực mặt cầu Poincare’ 2.4.2 Kết mô đo tán sắc mode phân cực Chúng thiết lập sơ đồ mô đo DGD phương pháp phân tích cố định tiến hành khảo sát kết mô Kết cho thấy dải bước sóng, tổng số cực trị phổ giá trị phân cực không thay đổi Luận án thiết lập để mơ đo trễ xung tín hiệu tán sắc mode phân cực PMD gây Kết mô đo trễ xung cho thấy BER hệ thống bảo đảm Tuy nhiên, bị ảnh hưởng tán xạ ngồi việc xung bị trễ, xung bị dao động gây méo tín hiệu thể hình 2.12, làm xuống cấp chất lượng BER tỷ số tín hiệu nhiếu SNR giảm mạnh Trễ xung có PMD Xung vào Xung bị PMD b) Trễ xung có tán xạ 500 ps Hình 2.12 Kết mơ trễ xung với giá trị tán xạ khác CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC BẰNG GIÁM SÁT MODE PHÂN CỰC 3.1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu tiếp cận phương pháp quy ảnh hưởng tán sắc mode phân cực kết hợp với ảnh hưởng khác dạng mát (thiệt thịi) cơng suất hệ thống PMD gây Để xác định ảnh hưởng tán sắc mode phân cực PMD, việc giám sát PMD phần quan trọng khơng thể thiếu bù PMD, cung cấp thơng tin cho thuật tốn điều khiển bù PMD Nội dung nghiên cứu phần tập trung vào phương pháp giám sát mode phân cực thông qua mô công cụ mô VPI Transmission VPI Transmission công cụ phần mềm VPI systems Nó cho phép mơ hoạt động phần tử điện quang hệ thống thông tin quang Đây công cụ hữu hiệu để tiến hành nghiên cứu, đặc biệt thiết bị trang bị cho phịng thí nghiệm 10 dạng NRZ chịu ảnh hưởng tán sắc CD so với dạng tín hiệu RZ Mất mát 1dB tốc độ 10 Gbit/s cho dạng tín hiệu NRZ chịu tán sắc CD tích lũy tới 900 ps/nm, dạng tín hiệu RZ với tốc độ chịu tán sắc CD tích lũy 500 ps/nm Với tổn thất cơng suất tín hiệu 1dB, tích lũy CD mà hệ thống chịu giảm 16 lần tốc độ bít tăng từ 10G bit/s lên 40 Gbit/s PP10GRZ Mất mát công suất (dB) PP10GNRZ 0 20 40 60 80 Độ trễ nhóm vi phân, DGD (ps) Hình 3.5 Mất mát cơng suất ảnh hưởng PMD Luận án nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng tán sắc PMD hệ thống Hình 3.5 kết mơ thu cho thấy phụ thuộc mát công suất tín hiệu vào tán sắc PMD hệ thống 10 Gbit/s với dạng tín hiệu RZ NRZ Với giá trị DGD lớn đường cong BER tín hiệu dạng RZ có độ dốc lớn đường cong BER tín hiệu dạng NRZ, mát công suất NRZ lớn Vì hệ thống 10 Gbit/s tín hiệu NRZ xem xét để sử dụng so sánh phương pháp giám sát mode phân cực PMD Bây giờ, tiến hành khảo sát ảnh hưởng tán sắc PMD kết hợp với tán sắc CD Kết mơ thu thể hình 3.6 Ta thấy kết hợp ảnh hưởng tán sắc PMD CD làm xuống cấp nghiêm trọng chất lượng hệ thống Mất mát công suất 11 ảnh hưởng tán sắc thể xuống cấp nhanh giá trị DGD đạt 40 ps Giá trị CD DGD lớn mát cơng suất tín hiệu lớn PMD CD480ps/nm&PMD CD640ps/nm&PMD CD800ps/nm&PMD Mất mát công suất (dB) 0 10 20 30 40 50 60 DGD (ps) Hình 3.6 Mất mát cơng suất ảnh hưởng tán sắc PMD CD 3.3.2 Thực giám sát hình mắt tín hiệu Trong nghiên cứu truyền dẫn tín hiệu số có tốc độ bit cao, người ta hay sử dụng hình mắt tín hiệu để đánh giá đặc tính chất lượng tín hiệu Hình mắt tín hiệu bị khép lại mát cơng suất tín hiệu lớn Suy giảm độ mở mắt xem xét phương pháp giám sát hữu hiệu Do đó, phần luận án tiến hành nghiên cứu đánh giá hình mắt tín hiệu chịu tác động từ tán sắc từ xác định đặc tính BER cho hệ thống Kết mơ hình mắt thu luận án cho hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu NRZ nhận thấy hình mắt tín hiệu bị biến dạng hoàn toàn cho giá trị tán sắc CD tăng đến 1120 ps/nm Khi giá trị CD tăng lên độ rộng xung tín hiệu bị dãn hệ làm suy giảm hình mắt tín hiệu 12 Tiếp theo, luận án khảo sát ảnh hưởng PMD Kết mô thu thể hình 3.9 Kết cho thấy giá trị DGD tăng làm cho độ mở mắt bị thu hẹp lại Không giống ảnh hưởng CD túy làm hình mắt tín hiệu méo đối xứng, trường hợp này, PMD làm hình mắt tín hiệu thu hẹp bên trái bên phải nhiều tùy thuộc vào cơng suất tín hiệu lan truyền trục nhanh lớn hay trục chậm lớn Tại hình 3.9(c), DGD nhận giá trị 60 ps, bên phải hình mắt bị thu hẹp, bị méo nhiều bên trái công suất lan truyền trục nhanh lớn công suất lan truyền trục chậm Dạng sóng quang ứng với giá trị PMD cho tín hiệu 10Gbit/s NRZ a) c) Hình 3.9 Mơ ảnh hưởng PMD 10 Gbit/s NRZ (a) DGD = ps, (c) DGD = 60 ps Ảnh hưởng tổ hợp tán sắc CD PMD luận án nghiên cứu Sự suy giảm hình mắt tín hiệu tìm thấy kết thu hình 3.10 ứng với giá trị CD 480 ps/nm Độ mở mắt từ từ suy giảm DGD đạt tới 60 ps tín hiệu bị méo nghiêm trọng, điều gây lỗi mạch định thu quang hệ tăng tỷ số BER hiệu ứng nhiễu ký tự (ISI) gây Giá trị CD lớn DGD phải nhỏ để đảm bảo độ mở mắt đạt theo tiêu chuẩn quy định đo hình mắt Qua nghiên cứu này, chúng tơi nhận thấy phương pháp giám sát hình mắt phụ thuộc nhiều vào dạng tín hiệu Khi xem xét với dạng tín hiệu RZ NRZ ảnh hưởng CD PMD, biên độ tín hiệu 13 RZ suy giảm nhanh chóng khó để tách ảnh hưởng CD PMD trường hợp Dạng sóng quang ứng với giá trị CD&PMD cho tín hiệu 10Gbit/s a) c) Hình 3.10 Kết ảnh hưởng CD&PMD 10 Gbit/s NRZ (a) DGD= ps, (c) DGD= 60 ps với CD = 480 ps/nm 3.3.3 Xác định công suất clock RF Trong phần này, thiết lập sơ đồ mô giám sát DGD phương pháp xác định công suất RF Rồi sau thiết lập tham số tán sắc CD mô PMD 1,8 để quan sát ảnh hưởng PMD Các giá trị DGD quét từ ps đến 10 ps Kết tìm thấy hệ thống 10 Gbit/s NRZ khơng có ảnh hưởng CD, công suất tần số 10GHz không thay đổi DGD biến thiên chu kỳ RF a) c) Hình 3.15 Mơ cơng suất RF 10 Gbit/s NRZ với DGD (a) ps (c) 50 ps với CD = 480 ps/nm 14 Bây ta cho giá trị CD 1,8 ps/nm, 480 ps/nm 640 ps/nm Hình 3.15 kết mơ thu được, đặc tính hiển thị cơng suất RF tần số 10 GHz cho hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu NRZ giá trị CD 480 ps/nm với giá trị DGD khác Từ thấy DGD tăng lên cơng suất RF giảm nhanh chóng đạt đến giá trị nhỏ tần số nửa chu kỳ RF Tín hiệu điều khiển (a.u.) 1.E+06 CD=1.8ps/nm CD=480ps/nm CD=640ps/nm CD=800ps/nm 1.E+06 8.E+05 6.E+05 4.E+05 2.E+05 0.E+00 20 40 60 DGD (ps) 80 100 Hình 3.17 Kết mơ cơng suất RF phụ thuộc vào DGD với giá trị CD khác cho hệ thống 10 Gbit/s dạng sóng NRZ Phần luận án nghiên cứu ảnh hưởng CD PMD làm công suất RF thay đổi tuần hồn Nó suy giảm tới giá trị cực tiểu nửa chu kỳ RF sau tăng dần đến giá trị cực đại cuối chu kỳ Sự chênh lệch công suất không đáng kể bỏ qua, song cho thấy ảnh hưởng CD công suất RF Kết mô phụ thuộc công suất RF vào DGD tần số 10 GHz với giá trị CD 1,8 ps/nm, 480, 640 800 ps/nm thể hình 3.17 Rõ ràng khơng có cơng suất RF tần số 10 GHz, thế, DGD giám sát tần số 3.3.4 Xác định độ phân cực DOP Phần tiến hành đo độ phân cực DOP Chúng thiết lập sơ đồ giám sát DOP mô tả hình 3.20 với thành phần thiết bị cần thiết Dữ liệu đầu (I/O), thiết bị phát tín hiệu chuẩn 10Gbit/s 15 40 Gbit/s Phương pháp đánh giá có nhiều lợi so với phương pháp giám sát điện, là: (1) khơng cần có thiết bị tốc độ cao, (2) khơng phụ thuộc vào tốc độ bít đơn giản Các kết mà mô thu cho thấy suy giảm DOP ảnh hưởng PMD không bị ảnh hưởng tán sắc CD tích lũy, di tần điều chế hay tốc độ bit Nó phụ thuộc vào dạng điều chế LD Bộ mơ PMD Modul phát tín hiệu DOP Modul tách ma trận I/O Điều chế LiNbO3 Hiện sóng Hình 3.20 Sơ đồ thiết lập mơ xác định DOP Hai tốc độ bit 10 Gbit/s 40 Gbit/s với dạng sóng NRZ thiết lập để khảo sát phụ thuộc DOP vào tốc độ bít, thấy có khác biệt giá trị bão hòa chu kỳ bit tiếp theo, chu kỳ bit cần giám sát DOP khơng phụ thuộc vào tốc độ bít Độ phân cực, DOP 0.8 0.6 0.4 10GNRZ P-ext13dgd 0.2 10GRZ P-ext13dgd 10GNRZ P-ext30dgd 10GRZ P-ext30dgd 0 50 100 150 200 DGD (ps) Hình 3.26 phụ thuộc DOP vào dạng tín hiệu 16 Luận án tiến hành nghiên cứu mô phụ thuộc DOP vào dạng sóng tín hiệu NRZ RZ Kết hiển thị hình 3.26 Với tín hiệu NRZ, DOP giảm dần bắt đầu bão hòa DGD khoảng từ 100 ps đến 200 ps Tuy nhiên trường hợp dạng sóng RZ DOP giảm nhanh chóng thời gian mức sau tăng dần tới giá trị bão hịa cuối chu kỳ bit Chu kỳ bit sau lại lặp lại giá trị ban đầu giá trị bão hịa Do thay đổi có tính chu kỳ nên thực phương pháp không thật thích hợp dạng tín hiệu RZ Tuy nhiên, tín hiệu NRZ, phương pháp lại tỏ hữu hiệu cho việc giám sát DGD dải thời gian bit Đồng thời, hai dạng tín hiệu NRZ RZ, tỷ số phân biệt lớn DOP nhạy với ảnh hưởng PMD 1.2 OSNR=5dB OSNR=15dB OSNR=20dB DOP 0.8 0.6 0.4 0.2 0 50 100 150 200 DGD (ps) Hình 3.28 Ảnh hưởng nhiễu ASE tới DOP Ảnh hưởng nhiễu ASE tới DOP tính tốn mơ hình 3.28 Khi giảm tỷ lệ tín hiệu nhiễu quang OSNR tới dB làm giảm 20% giá trị cực đại DOP Tuy vậy, giá trị bão hịa bị ảnh hưởng Khi OSNR đạt tới giá trị 20 dB DOP giảm khơng đáng kể so với giá trị cực đại Điều có nghĩa OSNR đủ lớn ASE coi khơng ảnh hưởng tới việc giám sát DOP 17 Ngoài ra, nghiên cứu, mô DOP phụ thuộc vào DGD với tỷ số phân biệt, độ dài chuỗi bit, di tần 3.4 KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Luận án khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng PMD hệ thống 10 Gbit/s dạng sóng NRZ Hình 3.31 kết đo tín hiệu hình mắt thu tốc độ 10 Gbit/s Ta thấy rằng, tín hiệu đầu máy phát chuối tín hiệu xung vng chuẩn giả ngẫu nhiên PRBS mẫu 223-1 Sau truyền qua sợi quang dài 20 km, tín hiệu bị méo hình mắt bị khép lại đáng kể Tương tự hình 3.32 kết đo mẫu tín hiệu hình mắt cho tín hiệu 10 Gbit/s NRZ so sánh hai trường hợp nối trực tiếp thiết bị phát quang với thu quang (0 km) trường hợp truyền qua sợi quang 20 km phát thu quang a) Ngay sau máy phát PRBS b) Sau điều chế ngồi Hình 3.31 Tín hiệu chuỗi 223-1, tốc độ 10Gbit/s: a) Đấu trực tiếp phát-thu b) Sau truyền qua 20km sợi quang Hình 3.32 Tín hiệu 10Gbit/s NRZ sau thu 18 Để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng PMD tới chất lượng hệ thống, đo thực nghiệm, tiến hành thay đổi giá trị tạo PMD dải từ ps tới 80 ps Hình 3.34 kết đo thực nghiệm đặc tính BER thu được, thấy tỷ lệ DGD/Tb lớn 30% chất lượng truyền dẫn hệ thống suy giảm nghiêm trọng Ở đây, độ dự phòng 1dB theo khuyến nghị ITU-T cho PMD không đủ để trì giá trị BER cần thiết DGD 30 ps 40ps 50ps 60ps Công suất thu đo (dBm) Hình 3.34 Kết đo thực nghiệm cơng suất thu BER hệ thống ảnh hưởng từ PMD CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG TÍNH TỐN CẤU HÌNH TUYẾN THƠNG TIN QUANG CĨ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC 4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4.2 BÀI TỐN VÀ TRÌNH TỰ TÍNH TỐN 4.2.1 Đặt toán Bài toán giả thiết đặt cho đề tài tính tốn thiết kế tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao (từ 10 Gbit/s trở lên) hoạt động vùng 19 bước sóng 1550 nm cáp sợi quang G.652, có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA sợi bù tán sắc DCF Như vậy, cấu hình tiêu biểu tuyến truyền dẫn cự ly xa tổng quát trường hợp thể hình vẽ 4.1 Cấu trúc tuyến truyền dẫn quang giả định tuyến truyền dẫn thông thường lắp đặt khai thác thực tế Phát LD 1550nm Thu photodiode G.652 EDFA Các chặng khác LD DCF F PD F Chặng thứ n Hình 4.1: Cấu hình tổng quát tuyến thông tin quang 1550 nm 4.2.2 Xác định giới hạn tán sắc tuyến để thiết kế: Trong hệ thống gồm có sợi quang phần tử quang xác định thay đổi ngẫu nhiên tính bằng: PMD tot ⎡ = ⎢ L tuyen PMD ⎣ Q + ∑ PMD i ci ⎤ ⎥ ⎦ 1/ + ∑ PMD Dj j Ở đây: PMDtot giá trị PMD cực đại hệ thống (ps); PMDQ hệ số PMD sợi quang (ps/km1/2), Ltuyến độ dài tuyến (km); PMDci giá trị PMD thay đổi ngẫu nhiên phần tử quang thứ i (ps); PMDDj giá trị PMD cố định phần tử quang thứ j (ps); Đối với hệ thống thông tin quang tốc độ cao, hầu hết phần tử quang chịu tác động phân cực, để đơn giản hố việc tính tốn tổng PMDtot hệ thống, người ta lấy gần PMDtot hai lần tán sắc PMD sợi quang: PMD tot ≈ PMD Q Ltuyen Đây giá trị DGD trung bình tuyến truyền dẫn 20 4.2.3 Áp dụng tính tốn thiết kế tuyến truyền dẫn 4.2.3.1 Xác suất gián đoạn hệ thống thông tin quang phụ thuộc vào tán sắc mode phân cực Hình 4.2 kết thu chúng tơi tính tốn phụ thuộc xác suất gián đoạn hệ thống tán sắc mode phân cực PMD cho hệ thống 10 Gbit/s 40Gbit/s với tỷ số phân chia công suất γ 0,3 0,5 hai mode phân cực Đối với trường hợp xấu phân chia cơng suất tốc độ 40Gbit/s, với yêu cầu xác suất gián đoạn hệ thống 10-5 , giá trị DGD thoả mãn đạt khoảng 3,5 ps, tốc độ 10Gbit/s giá trị DGD khoảng 13 ps 40Gbit/s Log (P(O)) -5 γ = 0,5 γ= 0,3 -10 10Gbit/s -15 -20 10 15 20 25 DGD (ps) Hình 4.2 Xác suất gián đoạn hệ thống bị hạn chế PMD 4.2.3.2 Dạng mã đường truyền tham số thu Từ kết tính tốn phụ thuộc đền bù cơng suất cho lượng cơng suất tín hiệu bị mát ảnh hưởng PMD Luận án thấy với giá trị đền bù công suất thu có tham số A cao cho lợi khắc phục hạn chế PMD tốt hơn.Với tốc độ 40 Gbit/s cho phép đền bù cơng suất 1dB với A = 25 DGD trung bình thoả mãn u cầu có giá trị 10 ps 21 4.2.3.3 Cự ly truyền dẫn bị hạn chế tán sắc mode phân cực Cự ly truyền dẫn 700 L 10Gbit/s 600 L 40Gbit/s 500 400 300 200 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 /Tb Hình 4.4 Cự ly truyền dẫn bị hạn chế PMD Hình 4.4 kết tính tốn cự ly truyền dẫn hệ thống 10 Gbit/s 40Gbit/s bị hạn chế tán sắc mode phân cực PMD với tiêu chí độ dãn xung tán sắc mode phân cực gây không vượt 10% độ rộng bit biểu thức tính Kết rằng, tuyến truyền dẫn sử dụng sợi đơn mode G.652, cự ly lớn tuyến khoảng 550 km hệ thống 10 Gbit/s Song hệ thống 40 Gbit/s cự ly 40 km Điều trở ngại lớn với tuyến cự ly xa, bắt buộc phải có giải pháp bù tán sắc mode phân cực PMD cho hệ thống tốc độ cao 4.2.3.4 Tỷ lệ lỗi bit hệ thống phụ thuộc vào PMD Luận án tiến hành nghiên cứu tính tốn thiết kế cho hệ thống thơng tin quang tốc độ 10 Gbit/s 40 Gbit/s có sử dụng tiền khuếch đại quang EDFA mô tả hình 4.1 Độ nhạy thu tính cho trường hợp thu tuyến có khuếch đại quang Hình 4.5 kết tính tốn tỷ lệ lỗi bít cho hệ thống Dễ dàng nhận thấy rằng, để thiết kế thoả mãn yêu cầu BER =10-12 cho hệ thống 40 Gbit/s DGD nằm giới hạn 4ps Cịn hệ thống 10Gbit/s, công suất phát đủ lớn 22 độ dự phòng hệ thống tối đa hồn tồn giảm ảnh hưởng PMD tới BER Log(BER) -2 -4 40Gbit/s -6 -8 -10 -12 10Gbit/s -14 -16 10 15 20 25 30 DGD (ps) Hình 4.5 Tỷ lệ lỗi bit phụ thuộc vào độ trễ nhóm vi phân DGD III KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu cách có hệ thống ảnh hưởng tán sắc mode phân cực (PMD) số nguồn nhiễu có liên quan hệ thống thông tin quang tốc độ 10Gbit/s 40Gbit/s, đạt kết sau đây: 1) Tán sắc mode phân cực (PMD) kết hợp suy hao phụ thuộc phân cực (PDL) làm giảm mạnh tỷ số tín hiệu nhiễu SNR, tăng nhiễu phát xạ tự phát ASE tích lũy Do đó, Luận án đề xuất hệ thống cần có dự phịng cơng suất ÷ dB thay ÷ dB nhiều tác giả khác đề xuất 2) Kết mô phổ phân cực phụ thuộc bước sóng chứng minh rằng: a) dải bước sóng, tổng số cực trị phổ giá trị khác phân cực không thay đổi, sai số kết mô thực tế 0,4% b) Khi PMD gây trễ tán xạ, xung bị dao động mạnh phát sinh nhiễu liên quan, chệch khỏi giá trị lên tới 10 ps, gây 23 méo tín hiệu Đây dạng nhiễu làm xuống cấp BER tỷ số tín hiệu nhiễu SNR giảm mạnh c) Bằng mô trạng thái phân cực mặt cầu Poincaré, luận án chứng minh phân cực hồn tồn khơng có lưỡng chiết, quỹ đạo điểm cuối vectơ PMD đường tròn mặt cầu pha biến đổi chu kỳ từ đến 360 độ Khi có thành phần lưỡng chiết quỹ đạo điểm cuối vector PMD mặt cầu Poincaré thay đổi khơng cịn đường trịn 3) Luận án đề xuất mang tính giải pháp giám sát mode phân cực, cho phép xác định tham số quan trọng hệ thống: suy giảm hình mắt, tỷ lệ lỗi bit BER, cơng suất đồng hồ RF độ phân cực tín hiệu tốc độ 10Gbit/s 40Gbit/s sở mô phương pháp quy mát công suất trung bình 4) Luận án minh chứng rằng: a) tín hiệu dạng NRZ chịu ảnh hưởng tán sắc CD so với dạng tín hiệu RZ Với tốc độ 10 Gbit/s, mát cơng suất tín hiệu 1dB cho dạng tín hiệu NRZ chịu tán sắc CD tích lũy tới 900 ps/nm, dạng tín hiệu RZ chịu tán sắc CD tích lũy 500 ps/nm Tích lũy CD mà hệ thống chịu giảm 16 lần tốc độ bít tăng từ 10G bit/s lên 40 Gbit/s Với giá trị DGD lớn đường cong BER tín hiệu dạng RZ có độ dốc lớn đường cong BER tín hiệu dạng NRZ b) Luận án kết trường hợp có kết hợp ảnh hưởng PMD tán sắc CD hệ thống bị xuống cấp nhanh giá trị DGD đạt 40 ps Giá trị CD DGD lớn cơng suất tín hiệu bị mát lớn Với mát công suất 1dB DGD cịn chịu đựng 26 ps thay 45 ps c) Hình mắt tín hiệu bị suy giảm mạnh có ảnh hưởng tán sắc CD PMD Hình mắt tín hiệu bị biến dạng khép hoàn toàn giá trị CD tăng đến 1120 ps/nm, bị méo nghiêm trọng giá trị DGD đạt tới 60 ps 24 5) Kết đo thực nghiệm luận án cho thấy rằng: tán sắc PMD làm suy giảm chất lượng BER nhanh chóng làm khép hình mắt tín hiệu gây nhiễu ISI Khi độ trễ nhóm vi phân DGD có giá trị vượt q 50ps khơng thể bảo đảm giá trị BER = 10-9 cho hệ thống 10 Gbit/s 6) Luận án đề xuất mang tính việc áp dụng tính tốn thiết kế cấu hình tuyến thông tin quang tốc độ 10 Gbit/s 40 Gbit/s bị ảnh hưởng PMD sau: a) Cần phải thực tính tốn theo u cầu xác suất gián đoạn hệ thống để tìm giới hạn giá trị tán sắc tuyến b) Do tỷ lệ lỗi bít BER tăng lên nhanh chóng tán sắc PMD vượt 10% độ rộng bít, cần tăng đền bù công suất sử dụng biện pháp bù tán sắc PMD để trì giá trị ngưỡng cho phép c) Đối với hệ thống tốc độ cao từ 40 Gbit/s trở lên, tán sắc PMD, hệ thống chịu ảnh hưởng tán sắc bậc cao Vì vậy, tính tốn tuyến thực tiễn có sai số định Các kết nghiên cứu áp dụng cho việc đánh giá, xác định tính tốn thiết kế cấu hình hệ thống thơng tin quang nhiều Gbit/s thực tiễn HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN Để tiếp tục phát triển kết nghiên cứu thu được, đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng sau luận án sau: • Nghiên cứu ảnh hưởng tán sắc mode phân cực PMD kết hợp với tán sắc bậc cao • Nghiên cứu PMD kết hợp với hiệu ứng phi tuyến hệ thống 10 Gbit/s cự ly xa siêu xa./ ... trễ nhóm vi phân; Biểu thức tán sắc mode phân cực sợi quang; Tán sắc mode phân cực bậc 2; Tán sắc CD phụ thuộc phân cực (PDCD); 2.2.2 Ảnh hưởng tán sắc mode phân cực hệ thống thông tin quang Để... quát tán sắc mode phân cực sợi quang 2.1.1 Các mode phân cực: Nghiên cứu chất mode phân cực sợi quang, tác động vào trạng thái phân cực, lệch pha mode phân cực ảnh hưởng tới truyền dẫn ánh sáng... bit phụ thuộc vào độ trễ nhóm vi phân DGD III KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu cách có hệ thống ảnh hưởng tán sắc mode phân cực (PMD) số nguồn nhiễu có liên quan hệ thống thông tin quang tốc độ 10Gbit/s