Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang

Nghiên cứu tập trung vào phương pháp bù tán sắc sử dụng sợi quang cách tử FBG. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của FBG trong hệ thống thông tin quang được trình bày, phần mềm OptiSystem được sử dụng để mô phỏng và đánh giá các hệ số chất lượng Q và tỷ số lỗi bit BER của hệ thống thông tin quang.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Toàn Sinh viên thực hiện: Phạm Thị Mỹ Hải Hoàng Thị Mai Lớp: Kỹ thuật TT&TT K56 Tóm tắt: Tán sắc thành phần ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn tín hiệu hạn chế cự ly truyền dẫn hệ thống thông tin quang Trong nghiên cứu trình bày nghiên cứu tán sắc, ảnh hưởng tán sắc kỹ thuật bù tán sắc hệ thống thông tin quang Nghiên cứu tập trung vào phương pháp bù tán sắc sử dụng sợi quang cách tử FBG Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng FBG hệ thống thơng tin quang trình bày, phần mềm OptiSystem sử dụng để mô đánh giá hệ số chất lượng Q tỷ số lỗi bit BER hệ thống thơng tin quang Từ khóa: Tán sắc, bù tán sắc, sợi cách tử FBG, mô OptiSystem ĐẶT VẤN ĐỀ Truyền dẫn quang phương thức truyền thông vô quan trọng mạng lưới viễn thông Các hệ thống thông tin quang sở hữu ưu điểm trội hẳn hệ thống trước băng tần, cự ly thơng tin… có khả to lớn việc chuyển tải dịch vụ viễn thơng có nội dung phong phú, đại Tuy nhiên, vấn đề cần phải xem xét phải hệ thống thông tin quang tượng tán sắc Tán sắc gây ảnh hưởng lớn tới hệ thống làm méo tín hiệu, giao thoa kí tự, làm suy giảm chất lượng truyền dẫn, gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thông thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa Vì vậy, việc xác định tán sắc làm để giảm tán sắc hệ thống thông tin quang cần thiết Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 51 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Tán sắc phương pháp bù tán sắc 2.1.1 Tán sắc Tán sắc tượng xung bị biến dạng di chuyển dọc theo chiều dài sợi quang Trong sợi quang, nguyên nhân gây tán sắc chia làm bốn loại: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc phân cực mode Các loại tán sắc thể hình vẽ sau: Hình Tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc mode phân cực 52 Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Tán sắc khác biệt thời gian lan truyền tia sáng có đường truyền khác q trình truyền, làm cho mode truyền sợi quang có độ trễ khác đầu cuối sợi quang dẫn tới tượng chồng lấn xung gây khó khăn việc phân tích tín hiệu đầu Hình Sự ảnh hưởng dãn rộng xung quang tán sắc gây Sự dãn xung theo thời gian cự ly truyền sợi dẫn tới tượng giao thoa tín hiệu, làm cho xung đầu chồng lên dẫn tới định đầu thu định sai tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm chất lượng hệ thống giảm 2.1.2 Các phương pháp bù tán sắc Do chất tán sắc chênh lệch thời gian thành phần ánh sáng nên chất việc bù tán sắc làm trễ thành phần lần cho tổng thời gian trễ chúng đến thu Thiết bị bù tán sắc chủ yếu gồm ba loại: chip xử lý tín hiệu số DSP (Digital signal processing), sợi bù tán sắc DCF (Dispersion compensating fiber) sợi chirp cách tử Bragg CFBG (chirp fiber Bragg grating) Thiết bị DCF CFBG thực việc miền quang dựa vào thời gian di chuyển khác bước sóng Thiết bị chip DSP thực việc miền điện dựa vào nghịch đảo hàm truyền tín hiệu quang Hiện nay, hướng nghiên cứu chủ yếu sử dụng sợi quang có lõi cách tử Bragg để bù tán sắc, đặc biệt tán sắc màu (chromatic dispersion) Ưu điểm Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 53 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI phương pháp thiết bị có kích thước nhỏ gọn, chế tạo đơn giản hoạt động có hiệu Vì báo xin trình bày phương pháp bù tán sắc sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi CFBG: Hình Nguyên lý bù tán sắc quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi (CFBG) Trong sợi CFBG, tính chu kỳ chiết suất thay đổi dọc theo chiều dài cách tử Khi chu kỳ thay đổi dọc theo trục, bước sóng khác phản xạ phần khác cảu cách tử bị trễ khoảng thời gian khác Kết tượng nén (hay dãn xung) xung đầu vào điều chỉnh để bù cho tán sắc màu tổng hợp tuyến thông tin quang Các thành phần sóng ánh sáng vào cách tử thời điểm khác phản xạ trở lại lối vào thời điểm Hình Mơ hình thiết bị bù tán sắc CFBG Một xung bị dãn rộng lan truyền qua thiết bị ghép nối quang circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi.Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước tán sắc phải thêm quãng đường trước phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu Trong đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm bị 54 Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI tán sắc, phản xạ tới cách tử Bragg Kết sóng sau làm trễ lần tổng thời gian trễ chúng đến thu, xung tín hiệu sau qua thiết bị bù hồi phục lại 2.1.3 Mơ bù tán sắc mơ hình hệ thống thông tin quang Mô sử dụng phần mềm OptiSystem để khảo sát hiệu sử dụng FBG hệ thống quang đơn giản để khảo sát thông số BER, QFactor đầu hệ thống Hình Mơ hệ thống quang sử dụng FBG OptiSystem Bảng Thông số hệ thống quang Thông số Giá trị Thông số Giá trị Tốc độ bit 10 Gbit/s Suy hao sợi quang 0.2 dB/km Tần số 193.1THz Tham số tán sắc 16.25 ps/nm/km Công suất phát dBm Dispersion slope 0.0075 ps/nm^2/k Bước sóng 1550nm Độ dài FBG 7mm Độ dài sợi quang 70 km EDFA 5m Kết mô phỏng: Khi thay đổi chiều dài sợi quang: Chiều dài sợi quang (Km) 50 60 70 80 90 100 Q.Factor Min.BER 20.358 15.2628 10.6608 7.82761 3.44275 3.37673 1.90e-92 6.36e53 6.84e-28 2.47e-15 2.66e-04 3.30e-04 Bảng Chiều dài sợi quang Hình Biểu đồ khảo sát theo chiều dài sợi Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 55 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kết mơ hình cho thấy tăng chiều dài sợi quang hệ số chất lượng Q giảm đồng thời BER tăng lên Khi thay đổi chiều dài FBG Hình Biểu đồ khảo sát theo Chiều dài sợi FBG Từ kết mô hình ta thấy thay đổi chiều dài sợi FBG dẫn tới thay đổi rõ rệt hệ số chất lượng Q, tham số thiết kế hệ thống bảng chiều dài tối ưu sợi FBG khoảng 7-9 mm Khi thay đổi công suất phát Công suất phát (dBm) 10 Q Facter Min.BER 10.1975 10.3367 10.4914 10.67 10.8808 10.8808 11.1345 11.808 12.2358 12.7034 9.88e-25 2.33e-25 4.53e-26 6.78e-27 6.84e-28 6.84e-28 4.91e-29 1.70e-32 9.55e-35 2.71e-37 Bảng Cơng suất phát Hình Biểu đồ khảo sát theo cơng suất phát Từ hình ta thấy tăng công suất phát giúp tăng hệ số chất lượng Q giảm tỷ số lỗi bit BER 56 Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KẾT LUẬN Như báo trình bày vấn đề tán sắc sợi quang, khái niệm, phân loại, ảnh hưởng tán sắc tới hệ thống thơng tin quang, đồng thời trình bày giải pháp sử dụng sợi quang cách tử để bù tán sắc hệ thống thơng tin quang Ngồi ra, phần mềm optisystem sử dụng để mô đánh giá chất lượng hệ thống thông tin quang theo tham số chất lượng Q tỷ số lỗi bit BER theo biến thiên chiều dài sợi quang theo công suất đầu vào Tài liệu tham khảo [1] Chu Công Cẩn, “Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang”, Bài giảng, Trường Đại học Giao thông Vận tải [2] Đinh Thị Thu Phong, Vũ Văn San, Estimation of Influence of Chromatic Dispersion in High-bit Rate Optical Fiber Communication Systems [3] GOVIND P AGRAWAL, “Fiber-Optic Communication Systems”, The Institute of Optics University of Rochester Rochester, NY [4] N K Kahlon and G Kaur, Various Dispersion Compensation Techniques for Optical System: A Survey [5] Natalia M Litchinitser and David B Patterson, Analysis of Fiber Bragg Gratings for Dispersion Compensation in Reflective and Transmissive Geometries [6] M Sumetsky and B.J Eggleton, Fiber Bragg gratings for dispersion compensation in optical communication systems [7] M.Tosson, Walid S El-Deeb, A E Abdelnaiem, Dispersion Compensation Techniques for DWDM Optical Networks [8] Aasif Bashir, Dar Rakesh Kumar Jha, Chromatic dispersion compensation techniques and characterization of fiber Bragg grating for dispersion compensation [9] Gagandeep Kaur, Monika Aggarwa, Simulation Comparison of Different Dispersion Compensation Techniques in Single Channel Optical fibre Using Optisystem Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 57 ... bốn loại: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc phân cực mode Các loại tán sắc thể hình vẽ sau: Hình Tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng tán sắc mode phân... THÔNG VẬN TẢI CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Tán sắc phương pháp bù tán sắc 2.1.1 Tán sắc Tán sắc tượng xung bị biến dạng di chuyển dọc theo chiều dài sợi quang Trong sợi quang, nguyên nhân gây tán sắc. .. khái niệm, phân loại, ảnh hưởng tán sắc tới hệ thống thơng tin quang, đồng thời trình bày giải pháp sử dụng sợi quang cách tử để bù tán sắc hệ thống thơng tin quang Ngồi ra, phần mềm optisystem