Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc đến các tham số truyền tín hiệu trong thông tin quang sợi luận văn thạc sỹ vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ THỊ TÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN CÁC THAM SỐ TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN QUANG SỢI LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ THỊ TÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN CÁC THAM SỐ TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN QUANG SỢI LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Người hướng dẫn khoa học: TS.Dương Công Hiệp NGHỆ AN – 2012 2 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu sau đại học Trường Đại học Vinh, tôi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức phong phú và bổ ích nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình từ các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ khác của trường Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô giáo trong khoa Vật lý, Đại học Vinh đã chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu Cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, Ban chủ nhiệm Khoa Sau đại học đã tạo cho tôi môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Dương Công Hiệp, người đã giúp tôi định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn Với tình cảm tân trọng, tôi xin gửi tới gia đình, những người thân yêu nhất và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Lê Thị Tú 3 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .4 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC HÌNH VẼ .7 DANH MỤC BẢNG BIỂU .9 Chương 1: Tổng quan về tán sắc trong thông tin quang .10 1.1 Cấu tạo và phân loại sợi quang 10 1.1.1 Cấu tạo .10 1.1.2 Phân loại sợi quang 10 1.1.2.1 Phân loại theo sự phân bố chiết suất trong sợi quang 11 1.1.2.1.1 Sợi quang chiết suất bậc SI 11 1.1.2.1.2 Sợi quang chiết suất biến đổi đều GI 13 1.1.2.2 Phân loại theo mode truyền sóng 14 1.1.2.2.1 Khái niệm 14 1.1.2.2.2 Sợi quang đa mode (MM) 14 1.1.2.2.3 Sợi quang đơn mode (SM) 16 1.2 Tán sắc trong sợi quang 17 1.2.1 Khái niệm tán sắc 17 1.2.2 Các loại tán sắc 18 1.2.2.1 Tán sắc mode 18 1.2.2.2 Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) .19 1.2.2.3 Tán sắc vật liệu 21 1.2.2.4 Tán sắc ống dẫn sóng 22 1.2.2.5 Tán sắc phân cực mode 24 1.3 Giới hạn gây ra tán sắc và ảnh hưởng của nó tới quá trình truyền xung 25 1.3.1 Phương trình truyền sóng cơ bản .25 1.3.2 Xung Gauss chirp 27 1.3.3 Sự giới hạn của tốc độ bít 29 1.4 Kết luận chương I .33 4 Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng của tán đến các tham số truyền tín hiệu trong thông tin quang sợi 35 2.1 Giới thiệu 35 2.2 Hệ thống thông tin quang có độ rộng phổ rộng 37 2.2.1 Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc cho hệ thống 1Gb/s và 2,5Gb/s 38 2.2.2 Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào cự ly truyền dẫn với các nguồn có độ rộng phổ khác nhau 39 2.3 Hệ thống thông tin quang có độ rộng phổ hẹp 40 2.3.1 Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc cho hệ thống 5Gb/s và 10Gb/s 40 2.3.2 Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc với các giá trị chirp khác nhau 41 2.4 Tính toán thiết kế cấu hình tuyến 42 2.4.1 Hệ thống sử dụng nguồn phát có phổ rộng 42 2.4.2 Hệ thống sử dụng nguồn phát có phổ hẹp 44 2.5 Kết luận chương II 46 PHẦN III KẾT LUẬN CHUNG 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .49 5 MỞ ĐẦU Viễn thông Việt Nam đang có những bước phát triển mạnh mẽ và vượt bậc, trở thành một trong những ngành kinh tế kỹ thuật mũi nhọn, đóng góp mạnh mẽ vào sự phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh Quốc phòng của đất nước Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao Điều này đòi hỏi băng thông và dung lượng đường truyền ngày càng lớn Trong viễn thông, hệ thống truyền dẫn có hai dạng là vô tuyến và hữu tuyến Do hệ thống vô truyến có những hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữu tuyến vẫn là hình thức truyền dẫn hiệu quả và quan trọng Trong truyền dẫn hữu tuyến sử dụng cáp đồng và cáp quang Cáp đồng không thể đảm bảo được yêu cầu băng thông và dung lượng đường truyền lớn Truyền thông sợi quang ra đời đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ưu điểm nổi trội như băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp, …, truyền dẫn quang đã trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các ứng dụng tốc độ cao và mạng truyền dẫn đường trục Truyền dẫn thông tin quang bằng cáp sợi quang từ khi ra đời đến nay đã trải qua nhiều thời kì phát triển Ban đầu là sợi đa mode có suy hao cao, với cự ly truyền dẫn vài km đến sợi quang đơn mode có suy hao thấp, cự ly truyền dẫn tăng lên hàng chục, thậm chí hàng trăm km Cáp quang là giải pháp ưu tiên cho hệ thống viễn thông đường dài và quốc tế có tốc độ truyền dẫn cao và rất cao, sử dụng trên đất liền và vượt đại dương Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang dung lượng lớn sẽ gặp phải ba vấn đề cần quan tâm như: suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, làm giảm chất lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống Vấn đề suy hao có thể được giải quyết đơn giản bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang Các hiệu ứng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở công suất vừa phải khoảng vài mW với tốc độ lên đến 2,5Gb/s Nhưng ở các tốc độ bit cao như 10Gb/s thì chúng ta phải xem xét các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến Các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến có thể giảm đi khi sử dụng sợi quang có diện tích lõi hiệu dụng lớn Còn lại, vấn đề tán sắc là mối quan tâm lớn nhất của các 6 hệ thống thông tin quang Việc xác định ảnh hưởng của tán sắc một cách định lượng là rất cần thiết để trên cơ sở đó có thể xác định việc bù tán sắc Trong luận văn này, chúng tôi trình bày phương pháp xác định ảnh hưởng của tán sắc thông qua phương pháp xác định mất mát công suất của hệ thống Với lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc đến các tham số truyền tín hiệu trong thông tin quang sợi” Mục đích nghiên cứu của đề tài: - Tổng quan các loại tán sắc trong sợi quang, xây dựng phương trình truyền sóng trong sợi quang và giới hạn tốc độ truyền bit của hệ thống - Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống truyền dẫn - Nghiên cứu phương pháp xác định tán sắc bằng phương pháp xác định công suất mất mát của hệ thống Luận văn được thực hiện thông qua việc nghiên cứu lý thuyết, các bài báo khoa học, các tài liệu tham khảo, và qua trao đổi với thầy giáo hướng dẫn Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, các vấn đề chi tiết được trình bày trong hai chương: Chương 1: Tổng quan về tán sắc trong thông tin quang Nội dụng của chương 1 trình bày về sợi quang và phân loại sợi quang; tổng quan về các loại tán sắc trong sợi quang đơn mode; các ảnh hưởng của tán sắc trong quá trình truyền xung; giới hạn gây ra tán sắc, đưa ra các biểu thức cụ thể về sự mở rộng xung và giới hạn của tốc độ truyền bít trong các trường hợp Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc đến các tham số truyền tín hiệu trong thông tin quang sợi Nội dung của chương 2 là khảo sát ảnh hưởng của các tham số có liên quan đến tán sắc thông qua phương pháp xác định công suất mất mát của hệ thống Trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong các thầy cô và các bạn tận tình chỉ bảo và góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SI Step Index Sợi quang chiết suất bậc GI NA Graded Index Sợi quang chiết suất biến đổi đều MM SM Numerical Aperture Khẩu độ số BER SNR Multi Mode Sợi quang đa mode DM DW Single Mode Sợi quang đơn mode MFD RMS Bir Error Rate Tỷ lệ lỗi bít GVD EDFA Signal_to_Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu DFB Material Dispersion Tán sắc vật liệu WDM Waveguide Dispersion Tán sắc ống dẫn sóng PA OAR Mode Field Diameter Đường kính của trường mode FWHM Root Mean Square Giá trị căn quân phương SMF Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm Erbium Doped Fibre Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium Distributed Feed Back Laser Laser phản hồi phân bố Wavelength Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo bước sóng Pre Amplifier Tiền khuếch đại Optically Amplified Receiver Máy thu khuếch đại quang Full Width at Half Maximum Chiều rộng ở tại một nửa cực đại của xung Simple Machines Forum Sợi quang đơn mode G.652 8 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Một số hình ảnh về sợi quang 10 Hình 1.2 Đường truyền của tia sáng trong sợi quang SI 12 Hình 1.3 Đường đi của một tia sáng trong sợi quang GI 13 Hình 1.4 Các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang 14 Hình 1.5 Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đa mode chiết suất bậc 16 Hình 1.6 Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đa mode chiết suất biến đổi đều .16 Hình 1.7 Quỹ đạo của tia sáng truyền trong sợi đơn mode 16 Hình 1.8 Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc 17 Hình 1.9 Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước sóng của Silica nóng chảy 21 Hình 1.10 Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode 22 Hình 1.11 Sự thay đổi của b (tần số lan truyền chuẩn hóa) và đạo hàm của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] theo tham số V 23 Hình 1.12 Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc vật liệu (DM) và tán sắc ống dẫn sóng (DW) của sợi đơn mode thường .24 Hình 1.13 Minh họa trạng thái phân cực của sóng theo chiều sợi quang 25 Hình 1.14 Giới hạn tán sắc BL của xung Gauss chirp và xung siêu Gauss .33 Hình 2.1 Cấu hình hệ thống thông tin quang tiêu biểu .36 Hình 2.2 Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc cho hệ thống 1Gb/s và 2.5Gb/s 38 Hình 2.3 Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào độ rộng phổ nguồn phát khi tăng cự ly truyền dẫn cho hệ thống 2.5Gb/s .39 Hình 2.4 Tổn thất công suất tín hiệu phụ thuộc vào tán sắc với các tốc độ bít khác nhau 41 Hình 2.5 Công suất tổn thất phụ thuộc vào tán sắc sợi với các giá trị Chirp khác nhau 42 Hình 2.6 Quỹ công suất của hệ thống phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn với 9 các tốc độ bít khác nhau 44 Hình 2.7 Cự ly truyền dẫn của hệ thống 10Gb/s phụ thuộc vào tán sắc tuyến .45 10 ... HỌC VINH LÊ THỊ TÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN CÁC THAM SỐ TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG THƠNG TIN QUANG SỢI LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Người hướng... Với lý chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng tán sắc đến tham số truyền tín hiệu thơng tin quang sợi? ?? Mục đích nghiên cứu đề tài: - Tổng quan loại tán sắc sợi quang, xây dựng phương trình truyền. .. tốc độ truyền bít trường hợp Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng tán sắc đến tham số truyền tín hiệu thông tin quang sợi Nội dung chương khảo sát ảnh hưởng tham số có liên quan đến tán sắc thông qua