ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANGĐỀ TÀI : Khảo sát ảnh hưởng của sợi quang trong hệthống WDM

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI : Khảo sát ảnh hưởng sợi quang hệ thống WDM GVHD: TS Đỗ Đình Thuấn SVTH: Trịnh Hồng Hưng 10117035 Hà Đình Điệp 10117021 Đặng Hữu Phùng 10117053 Lê Ngọc Phúc 10117051 TP HỒ CHÍ MÍNH THÁNG 11/2014 Mục lục Mục lục i PHẦN : LÝ THUYẾT CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 1.1 Một số vấn đề sóng ánh sáng 1.2 Mô tả quang hình trình truyền ánh sáng sợi quang 1.3 Truyền sóng ánh sáng sợi quang .11 1.4 Các đặc tính truyền dẫn sợi quang 13 1.5 Một số loại sợi quang 13 CHƯƠNG : VẤN ĐỀ SUY HAO TRONG SỢI QUANG .17 2.1 Tổng quan 17 2.2 Suy hao hấp thụ 18 2.3 Suy hao tán xạ tuyến tính 20 2.4 Suy hao uốn cong 22 2.5 Suy hao dải thông 23 CHƯƠNG : VẤN ĐỀ VỀ TÁN SẮC 24 3.1 Tổng quan 24 3.2 Tán sắc mode 25 3.3 Tán sắc vật liệu .28 3.4 Tán sắc ống dẫn sóng 31 3.5 Tán sắc phân cực mode 33 3.6 Mối quan hệ tán sắc dải thông 34 3.7 Các phương pháp để giảm ảnh hưởng tán sắc 35 CHƯƠNG : CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 36 4.1 Tổng Quan 36 4.2 Nguyên nhân gây hiệu ứng phi tuyến .36 4.3 Hiệu ứng phi tuyến liên quan tới tán xạ SRS SBS 37 PHẦN : MÔ PHỎNG 45 Báo Cáo Thông Tin Quang Page PHẦN : LÝ THUYẾT CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 1.1 Một số vấn đề sóng ánh sáng 1.1.1 Sóng điện từ Ánh sáng sóng điện từ Hình 1.1 hình ảnh tĩnh sóng điện từ Hình 1.1 Sóng điện từ Trong mơi trường khơng gian tự do, ánh sáng sóng điện từ ngang (TEM ) Khái niệm ngang (transverse) có nghĩa hai véc tơ- điện trường E từ trường H -vng góc với phương truyền, trục z hình 1.1  Phổ sóng điện từ Báo Cáo Thơng Tin Quang Page Hình 1.2 Phổ sóng điện từ Bảng 2.1 Các băng tần vơ tuyến Vùng ánh sáng nhìn thấy được: chiếm dải phổtừ 380 nm đến 780nm - Vùng hồng ngoại: chia làm phần: - Vùng hồng ngoại gần: 780 nm ÷ 1400 nm - Vùng hồng ngoại giữa: 1,4 μm ÷ μm - Vùng hồng ngoại xa: μm ÷ mm - Ánh sáng dùng thơng tin quang: 800 nm ( 1600 nm (như nằm vùng hồng ngoại gần phần vùng hồng ngoại giữa) - Ba bước sóng ánh sáng thơng dụng dùng hệthống thông tin quang gọi cửa sổ quang: ƒ Cửa sổ1: λ1= 850 nm ƒ Cửa sổ2: λ2= 1300 nm ƒ Cửa sổ3: λ3= 1550 nm ƒ Cửa sổ4: λ4= 1625 nm 1.1.2 Quang hình 1.1.2.1 Chiết suất khúc xạ(Refractive index) Báo Cáo Thơng Tin Quang Page Ánh sáng xem chùm tia sáng Các tia sáng lan truyền môi trường khác với vận tốc khác Có thể xem mơi trường khác cản trở lan truyền canh sáng lực khác Điều đặc trưng chiết suất khúc xạ môi trường Chiết suất môi trường suốt (n ) xác định tỉsốgiữa vận tốc ánh sáng lan truyền chân không với vận tốc ánh sánh lan truyền môi trường Với: n: chiết suất mơi trường, khơng có đơn vị v: vận tốc ánhsáng môi trường, (m/s) c: vận tốc ánh sáng chân không, (m/s) Chiết suất vài mơi trường thơng dụng: - Khơng khí: n = 1,00029 ≈1,0 - Nước: n = 4/3 ≈1,33 - Thủy tinh: n = 1,48 Vì v ≤c nên n ≥1 1.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần định luật Snell Ánh sáng truyền thẳng môi trường đồng nhất, bị phản xạ khúc xạ biên ngăn cách hai môi trường đồng khác Như vậy, ba đặc điểm cơbản ánh sáng là: • Truyền thẳng • Phản xạ • Khúc xạ Tổng quát, tia sáng tới mặt ngăn cách hai môi trường, tia sáng bị tách làm hai phần: phần dội lại môi trường đầu (hiện tượng phản xạ), phần truyền tiếp qua môi trường hai Tia truyền tiếp bị lệch hướng truyền so với tia ban đầu (hiện tượng khúc xạ) Ðiều minh họa hình 1.4 Báo Cáo Thơng Tin Quang Page Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ khúc xạ ánh sang  Ðịnh luật phản xạ ánh sáng: phát biểu tóm tắt sau: ƒ Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới ƒ Góc phản xạ góc tới (θ1'= θ1)  Ðịnh luật khúc xạ ánh sáng: ƒ Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới ƒ Góc khúc xạ góc tới liên hệnhau theo công thức Snell: n1sinθ1= n2sinθ2 ( 1.4 )  Phản xạ toàn phần Xét hai trường hợp sau: a) n1< n2: Hình 1.4 Ánh sáng từ mơi trường chiết xuất nhỏ sang chiết xuất lớn Từ phương trình (2.5) kết hợp n 1< n2 suy θ1> θ2(xem hình 1.4) Như vậy, ánh sáng từ mơi trường có chiết suất nhỏ sang mơi trường có chiết suất lớn hơn, tia khúc xạ lệch phía gần pháp tuyến hay lệch xa mặt ngăn cách hai môi trường b) n1> n2: Báo Cáo Thơng Tin Quang Page Hình 1.5 tượng phản xạ tồn phần Từ phương trình (2.4) kết hợp n1> n2suy θ1< θ2 (xem hình 1.5 (a)) Như vậy, ánh sáng từ mơi trường có chiết suất lớn sang mơi trường có chiết suất nhỏ tia khúc xạ lệch phía xa pháp tuyến hay lệch gần phía mặt ngăn cách hai mơi trường Cho nên tăng góc tới θ1= θc< 90°thì θ2= 90°(hình 1.5 (b)) Và θ1> θc tia tới bị phản xạ hồn tồn vềmơi trường 1, gọi tượng phản xạ hồn tồn (total reflection) θ c gọi góc giới hạn (critical angle) Từ phương trình (2.4) suy ra: sin 1.1.3 Lượng tử • Mỗi ngun tử chiếm sốmức lượng rời rạt Điều diễn tả sơ đồ mức lượng hình 2.6 Hình 1.6 Sơ đồ mức lượng Nguyên tử có khuynh hướng tồn mức lượng thấp Ðể kích thích nguyên tử nhảy lên mức lượng cao hơn, chúng phải cung cấp lượng bên ngồi Q trình gọi “bơm” Báo Cáo Thông Tin Quang Page Khi nguyên tử nhảy lên mức lượng cao hơn, hấp thụ lượng lượng từ bên Lượng độ chênh lệch lượng hai mức cao thấp xảy việc nhảy Khi nguyên tử rơi từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp hơn, xạ lượng tử lượng điện từ gọi photon ( Điều chuyển tiếp có xạ) Photon hạt di chuyển với vận tốc ánh sáng c, mang lượng tử lượng: Ep=hf hay Ep= h số Planck (6.6261x10-34 J.s) f tần số photon Ánh sáng dịng photon Màu sắc xác định tần số photon, f , bước sóng, λ, λf = c, c vận tốc ánh sáng chân không Năng lượng photon, EP, khe (độ chênh lệch) lượng mức xạ cao mức năng lượng thấp, tần số photon (bước sóng) xác định qua mức lượng vật chất sử dụng Các mức lượng tồn tự nhiên; đạt màu ánh sáng khác cách sửdụng mức lượng vật liệu dùng vật liệu khác Photon hấp thụ vật liệu mà khe lượng chúng lượng photon Ðể làm cho môi trường suốt, phải lựa chọn photon khác, tức ánh sáng màu sắc khác, môâi trường khác 1.2 Mô tả quang hình trình truyền ánh sáng sợi quang 1.2.1 Cấu tạo sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm có hai lớp:  Lớp có dạng hình trụ trịn, có đường kính d = 2a, làm thủy tinh có chiết suất n1, gọi lõi (core) sợi  Lớp thứ hai có dạng hình trụ bao quanh lõi nên gọi lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm thủy tinh plastic, có chiết suất n2< n1 Cấu trúc tổng quát minh họa hình 2.7 Báo Cáo Thơng Tin Quang Page Hình 2.7 Cấu trúc sợi quang Ánh sáng truyền từ đầu đến đầu sợi quang cách phản xạ toàn phần mặt ngăn cách lõi-lớp bọc, định hướng lõi Hình 2.8 Ánh sáng truyền sợi quang 2.2.2 Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) Sự phản xạ toàn phần xảy lõi sợi quang tia sáng có góc tới đầu sợi quang nhỏ θmax Khẩu độ số sợi quang định nghĩa: NA=sinmax Ðối với sợi SI ta tính được: Với: n1: chiết suất lõi sợi quang; n2: chiết suất lớp bọc sợi quang Báo Cáo Thông Tin Quang Page 1.2.3 Phân loại sợi quang 1.2.3.1 Sự phân bố chiết suất sợi quang Chiết suất lớp bọc không đổi n2 Chiết suất lõi nói chung thay đổi theo bán kính sợi quang (tâm nằm trục lõi) Sự biến thiên chiết suất theo bán kính viết dạng tổng quát sau [1]: Báo Cáo Thông Tin Quang Page CHƯƠNG : CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 4.1 Tổng Quan Các hệ thống thông tin quan khai thác mạng lưới viễn thông sử dụng sợi quang môi trường tuyến tính mà tham số sợi khơng phụ thuộc vào công suất quang Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất tốc độ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước song công suất quang tang lên Các hiệu ứng phi tuyến có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn hệ thống chí trở nên quan trọng phát triển khuếch đại quang sợi EDFA với phát triển hệ thống ghép kênh theo bước song WDM Với việc tang hiệu truyền thơng tin mà làm việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách kênh kết hợp hai phương pháp trên, ảnh hưởng phi tuyến sợi trở nên đóng vai trị định Hiệu ứng quang cọi hiệu ứng phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Các tượng phi tuyến bỏ qua hệ thống thông tin quang hoạt động mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps Tuy nhiên, tốc độ bit cao 10 Gbps hay mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét hiệu ứng phi tuyến quan trọng Trong hệ thống WDM, hiệu ứng phi tuyến trở nên quan trọng chí công suất tốc độ bit vừa phải Các hiệu ứng phi tuyến chia làm hai loại Loai thứ phát sinh tác động qua lại sóng ánh sang với phonon (rung động phân tử) môi trường silica-một nhiều loại hiệu ứng tán xạ (như hiệu ứng tán xạ Rayleigh) Hiệu ứng loại tán xạ kích thích Brillouin (SBS) tán xạ kích thích Ranman (SRS) Loại thứ hai sinh phụ thuộc chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường Các hiệu ứng phi tuyến quan trong loại hiệu ứng tự điều pha (SPM – Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM – Cross-Phase Modulation) hiệu ứng trộn bốn bước song (FWWM – Four-Wave Mixing) Loại hiệu ứng gọi hiệu ứng Kerr 4.2 Nguyên nhân gây hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến xuất công suất quang phát đường truyền tăng dẫn đến mức Nguyên nhân yếu tố: Báo Cáo Thông Tin Quang Page 35 - Thứ phụ thuộc số chiết suất n vào công suất ánh sáng: Trong đó: số chiết suất tuyến tính (chỉ số chiết suất mơi trường tuyến tính cường độ thấp) số chiết suất phi tuyến Giá trị điển hình thủy tinh silic khơng phụ thuộc vào bước song Hình 4.1 Sự phụ thuộc chiết suất sợi silic vào công suất quang Ta nhận thấy thay đổi chiết suất tương đối nhỏ song lại quan trọng chiều dài tương tác sợi quang thực tế lên tới hàng tram kilomet biến đổi gây hiệu ứng XPM, SPM, FWM - Thứ hai tượng tán xạ kích thích : SRS, SBS 4.3 Hiệu ứng phi tuyến liên quan tới tán xạ SRS SBS 4.3.1 Tán xạ kích thích Ranman (SRS) SRS loại tán xạ không đàn hồi (tán xạ mà tần số ánh sáng phát bị dịch xuống) Ta hiểu loại tán xạ photon tới phonton lương thấp cho lượng khác xuất dạng phonon Quá trình tán xạ gây suy hao công suất tần số tới thiết lập chế suy hao cho sợi quang Ở mức công suất thấp, thiết diện tán xạ phải đủ nhỏ để suy hao không đáng kể Báo Cáo Thông Tin Quang Page 36 Ở mức công suất cao, tượng phi tuyến SRS xảy cần xem xét đến suy hao sợi Cường độ ánh sang tăng theo hàm mũ công suất quang vượt qua giới hạn định Giá trị ngưỡng tính tốn dựa việc cường độ ánh sang tăng so với tạp âm định nghĩa công suất tới nơi nưa công suất bị SRS cuối dầu sợi dài L tính sau: Trong đó: giá trị định hệ số khuyếch đại Raman diện tích hiệu dụng chiều dại tương tác hiệu dụng với suy hao sợi Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để Nếu thay , với kích thước điểm Hệ số khuếch đại Raman với sợi silic gần vùng bước sóng tỉ lệ nghịch với bước sóng Nếu ta thay , gần vùng 1,55 Vì cơng suất đặt sợi quang thường nhỏ (dưới 10mW) nên tán xạ Raman kích thích (SRS) khơng gây hại nhiều tới suy hao sợi 4.3.2 Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) Cũng giống với SRS, SBS loại tán xạ không đàn hồi hai giống nguồn gốc chùng Điểm khác phonon quang tham gia tán xạ Raman cịn tán xạ Brillouin có phonon âm tham gia Mối quan hệ tán sắc khác với phonon quang phonon âm dẫn đến vài điểm khác chúng Đó hiệu ứng SBS sợi mode xảy theo hướng ngược SRS chiếm ưu hướng Mức cơng suất ngưỡng SBS tính tương tự sau: Trong đó: giá trị đỉnh hệ số khuếch đại Brillouin Báo Cáo Thông Tin Quang Page 37 Thay , Hệ số khuếch đại Brillouin với sợi silic lớp gấp hàng tram lần hệ số khuếch đại Raman Suy , với điều kiện gần bước song 1,55 , nơi suy sợi nhỏ Rõ ràng, SBS thiết lập giới hạn cơng suất quang giá trị ngưỡng thấp Khi cơng suất quang vượt q ngưỡng, phần lớn ánh sang phát truyền lại phát Do đó, SBS gây bão hịa công suất quang máy thu, đồng thời làm xuất phản xạ ngược tín hiệu quang nhiễu làm giảm tỉ lệ BER Như việc điều khiển SBS hệ thống truyền dẫn tốc độ cao khơng thể thiếu Hình 4.2 Sự tăng ánh sáng tán xạ ngược công suất quan tăng Việc tính tốn khơng tính đến ảnh hưởng độ rộng phổ kết hợp với ánh sáng tới Vì phổ khuếch đại cho sợi silic hẹp (100ps), ảnh hưởng tán sác không đáng kể Với xung quang ngắn hơn, ảnh hưởng tán sắc ohi tuyến hoạt động xung dẫn đén nhiều đặc tính Cụ thể mở rộng xung quang tán sắc giảm nhiều với có mặt SPM GVD dị thường Thực tế xung quang lan truyền khơng méo cơng suất đỉnh chúng lựa chọn tương ứng với Soliton 4.3.4 Hiệu ứng trộn sóng (FWM : Four-wave mixing) Sự phụ thuộc số chiết suất vào cường độ có gốc độ cảm phi tuyến bậc biểu diễn Hiện tượng phi tuyến khác biết đến từ trộn sóng (FWM) xuất phát từ giá trị hữu hạn sợi thủy tinh Nếu trường quang với tần số song mang lan truyền đồng thời sợi, tạo trương thứ tư mà tần số liên quan với tần số qua cơng thức: Về nguyên lý xuất nhiều tần số tương ứng với kết hợp khác dấu +,- Tuy nhiên thực tế hầu hết kết hợp chúng không xây dựng yêu cầu thích ứng pha Sự kết hợp dạng gây rắc rối cho hệ thống truyền thông quang đa kênh chúng gần với pha thích ứng bước song nằm vùng tán sắc Hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu trộn là:  Đầu tiên khoảng cách kênh Hiệu trộn tang mạnh mẽ khoảng cách kênh trở nên gần  Thứ hai tán sắc sợi Hiệu trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi lớn vùng tán sắc sợi sản phẩm trộn không mong muốn di chuyển tốc độ Do thực tế, Báo Cáo Thông Tin Quang Page 41 sợi dịch tán sắc thường thiết kế để có tán sắc dư bước sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng FWM Hình 4.4 Hiệu ứng với mức khoảng cách khác theo khoảng cách kênh Ở mức bản, trình FWM xem q trình tán xạ mà hai photon lượng tạo photon lượng Điều kiện thích ứng pha yêu cầu tri động lượng Quá trình FWM xảy hai phonon bắt đầu suy biến (), FWM khơng ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh lại trở nên quan trọng với hệ thống đa kênh mà sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Một lượng cơng suất lớn kênh truyền tới kênh lân cận qua FWM Sự truyền lượng không chi làm suy hao cơng suất cho kênh riêng mà cịn dẫn đến xuyên âm kênh, làm giảm hiệu hệ thống quang Tuy nhiên, hiệu ứng FWM có ích với hệ thống sóng ánh sáng Nó sử dụng để giải ghép kênh ghép kênh phân chia theo thời quan sử dụng miền quang Từ năm 1933, FWM sử dụng để tạo tín hiệu ngược phổ qua trình phân chia pha quang Báo Cáo Thông Tin Quang Page 42 (Optical Phase Conjugation) kỹ thuật sử dụng cho bù tán sắc cải thiện hiệu hệ thống ánh sáng hạn chế tán sắc 4.3.5 Kết luận Sự thay đổi chiết suất theo công suất quang gây số ảnh hương phi tuyến SPM mà cho phép tồn hệ thống truyền thông quang đơn kênh; XPM FWM hệ thống đa kênh WDM SPM XPM gây mở rộng xung quang mà sau tương tác với tán sắc sợi Điều có lợi có hại tùy thuộc vào tán sắc bình thường hay dị thường Khi nhiều bước sóng lan truyền dọc theo sợi quang, FWM nguyên nhân phát sinh tần số Ảnh hưởng đặc biệt có hại cho hệ thống WDM mà kênh có bước sóng tín hiệu tạo bước sóng xuất nhiễu, làm giảm hiệu thực Tất hiệu ứng có ưu khuyết điểm riêng, yêu cầu người thiết kế hệ thống phải ý thức điều để đưa phương pháp tối ưu để giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến quang Báo Cáo Thông Tin Quang Page 43 PHẦN : MƠ PHỎNG Mơ tượng tán sắc, suy hao sợi quang hệ thống WDM Đầu tiên có thông số hệ thống sau: Tham số hệ thống:      Tốc độ bit: 2.5Gbit/s Số lượng kênh: Khoảng cách kênh: 100GHz Khoảng cách truyền dẫn: 100km Bước sóng sợi quang: 1550nm Các tham số toàn cục:    Tốc độ bit: 2.5Gbit/s Chiều dài chuỗi:128 bít Số mẫu bit: 64 Hình 1: Hệ thống thơng tin quang Báo Cáo Thơng Tin Quang Page 44 Hình 2: Phổ tần số kênh WDM phía phát Do ta chọn tần số phát 193.1 Thz nên đỉnh kênh thứ tần số phát quang Còn kênh cách 0.1 Thz (100Ghz) Báo Cáo Thơng Tin Quang Page 45 Hình 3: Phổ tín hiệu sau ghép kênh Hình 4: Phổ tín hiệu sau truyền qua sợi quang Ta thấy phổ xuất thành phần không mong muốn suy truyền qua sợi quang Báo Cáo Thơng Tin Quang Page 46 Hình 5: Phân tích BER kênh sau giải điều chế Hình 6: Sơ đồ mô Chúng ta sử dụng CW laser để phát với thơng số hình Ngõ vào tín hiệu gồm có sóng bơm đơn sắc mạnh (100W) 1550nm sóng Stoke yếu (-99dB) 1640nm (tần số dịch Stoke 10Thz) Báo Cáo Thông Tin Quang Page 47 Hình 7: Phổ tín hiệu phát Hình 8: Phổ tín hiệu ngõ Báo Cáo Thông Tin Quang Page 48 Ta thấy thành phần phổ yếu (tần số thấp) khuếch đại với độ lợi G = 99-61.7= 37.3dB Báo Cáo Thông Tin Quang Page 49 ... lăng kính hình minh họa 3.8 với lan truyền ánh sáng sợi quang hình 3.8 Hình 3.7 tượng tán sắc ánh sáng Hình 3.8 Ánh sáng bị tán sắc sợi quang 3.5 Tán sắc phân cực mode Mặc dù sợi quang đơn mode... vận tốc ánh sáng lan truyền chân không với vận tốc ánh sánh lan truyền môi trường Với: n: chiết suất môi trường, khơng có đơn vị v: vận tốc ánhsáng môi trường, (m/s) c: vận tốc ánh sáng chân... quang mà xạ khỏi sợi Tán xạ tuyến tính khơng làm thay đổi tần số tán xạ Tán xạ tuyến tính thường phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh tán xạ Mie - Tán xạ Rayleigh: xảy không đồng có kích thước nhỏ