Trong chương I đã trình bày chi tiết các vấn đề sau: 1. Cấu tạo và phân loại sợi quang.
2. Khái niệm tán sắc và các loại tán sắc chính trong sợi quang. Trong mỗi loại tán sắc đã nêu rõ nguyên nhân sinh ra nó và các biểu thức toán học liên quan.
3. Xây dựng phương trình truyền sóng cơ bản trong sợi quang khi xung không bị ảnh hưởng chirp và khi xung bị ảnh hưởng chirp.
4. Đưa ra các biểu thức cụ thể về sự mở rộng xung và giới hạn của tốc độ truyền bít trong các trường hợp nguồn phát có độ rộng phổ rộng, hẹp và trường hợp xung Gauss có chirp.
CHƯƠNG II
KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN CÁC THAM SỐ TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN QUANG SỢI 2.1. Giới thiệu
Các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bit cao, phần lớn hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn. Tuy vậy, các sợi quang đơn mode tiêu chuẩn lại có hệ số tán sắc tại vùng bước sóng này là rất lớn. Ở bảng (2.1) là một ví dụ nói về cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có các trạm lặp của các sợi đơn mode tiêu chuẩn:
Bảng 2.1. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết).
Tốc độ 1550 nm ( G652) 1550 nm (G655) 1310 nm (G652)
2,5Gbit/s 928km 4528km 6400km
10Gbit/s 58km 283km 400km
20Gbit/s 14,5km 70km 100km
40Gbit/s 3,6km 18km 25km
Từ kết quả ở bảng (2.1) ta thấy tán sắc làm hạn chế rất lớn đến quá trình truyền thông tin trong sợi quang. Vì vậy, 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 sợi và tính toán thiết kế cấu hình tuyến trong thực tế.
Ở đây, chúng tôi trình bày xác định ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang thông qua phương pháp xác định mất mát công suất. Để đưa ra được phương pháp tính toán đầy đủ và sát với yêu cầu thực tiễn, cấu hình hệ thống được giới thiệu như sau:
Phát quang TX Thu quang RX SMFG.652 F Ps Pt EDFA EDFA
Hình 2.1. Cấu hình hệ thống thông tin quang tiêu biểu [4].
Hình (2.1) là mô hình cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống thông tin quang với các thiết bị được sử dụng trên hệ thống để tính toán xác định ảnh hưởng của tán sắc.
Mô hình hệ thống để tính toán ở đây được giả thiết cho hệ thống điển hình gồm các thiết bị thông dụng trên thực tiễn:
• Thiết bị phát TX sử dụng nguồn phát laser diode LD loại đơn mode phản
hồi phân bố (DFB) có chức năng phát tín hiệu sóng quang tại bước sóng vùng 1550nm. Bộ phát sử dụng bộ điều chế ngoài LiNbO3. Đầu ra thiết bị phát có thể sử dụng khuếch đại quang EDFA làm khuếch đại công suất, và có công suất đầu ra là Pt (dBm).
• Sợi quang của tuyến truyền dẫn là sợi đơn mode SMF tiêu chuẩn G.652, có
hệ số suy hao là αf (dB/km) bao gồm cả suy hao mối hàn sợi, có hệ số tán sắc là D
(ps/km.nm) và chiều dài sợi trên tuyến truyền dẫn là L (km).
• Thiết bị thu quang RX sử dụng bộ tách sóng p-i-n photodiode (PD) có
công suất đầu vào là Pin, băng tần điện Be. Phía trước bộ thu quang có thể sử dụng một bộ khuếch đại EDFA làm tiền khuếch đại PA để tạo thành bộ thu quang có khuếch đại OAR có độ nhạy thu là Ps.
• Thiết bị trên tuyến truyền dẫn là các bộ khuếch đại quang EDFA có độ
khuếch đại đồng đều là G (trừ độ khuếch đại của BA là có độ khuếch đại thấp để tránh ảnh hưởng phi tuyến), có băng tần quang B0 và có hệ số nhiễu NF. Tỷ số lỗi bít BER theo ITU – T quy định từ 10-12 đến 10-13.
LD LiNbO3 Điều chế ngoài Pin F OAR
Từ cấu hình trên, các tham số quan trọng sẽ được xác định để trên cơ sở đó tìm mối liên quan giữa chúng với tán sắc sợi. Phương pháp được tiến hành dựa trên mô hình (2.1). Giải pháp tính toán thông qua việc tiếp cận hàm Gauss và dựa vào đó để tính toán, xác định ảnh hưởng của tán sắc tới hệ thống trong các trường hợp thay đổi các tham số có liên quan.
Phương pháp xác định ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang qua tính toán quỹ công suất hệ thống PB bằng việc thiết kế độ dài tuyến được thiết lập theo biểu thức (2.1) như sau [4]:
PB = Pt(t) –Ps(G,NF) – PM –PP – PD – (NClC + NSlS) (dB) (2.1) Trong đó:
+) Pt(t): công suất tín hiệu phát có tính cả ảnh hưởng chirp phi tuyến. +) G: độ khuếch đại của các bộ EDFA.
+) PM: công suất dự phòng của hệ thống. +) PP: lượng bù mất mát công suất.
+) PD: công suất tổn thất (mất mát) do tán sắc, đây chính là công suất tương đương do năng lượng phổ của xung tín hiệu bị dãn ra ngoài khe thời gian đã định sinh ra.
+) Ps(G,NF): độ nhạy thu có tính cả ảnh hưởng của bộ khuếch đại và nhiễu của EDFA.
+) lS và lC tương ứng là suy hao mối hàn và suy hao bộ nối quang. +) NS và NC tương ứng là số mối hàn và số bộ nối quang.
Chất lượng truyền dẫn được xác định thông qua việc tính số lỗi bít BER = 10-12 cho độ nhạy thu của thiết bị thu quang.
Như vậy, các tham số có trong biểu thức (2.1) là tương đối rõ ràng vì đã được sử dụng khá phổ biến trong các công trình nghiên cứu tính toán thiết kế tuyến.
Để tính toán ảnh hưởng của tán sắc, hệ thống thông tin quang được chia làm hai loại: Hệ thống sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ rộng và hệ thống có độ rộng phổ hẹp.
Đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ chưa thật cao, chưa phải là hệ thống nhiều Gb/s, phổ của các nguồn phát Laser diode LD không yêu cầu quá nghiêm ngặt về độ rộng. Đối với nguồn có phổ rộng hiệu ứng chirp là không đáng kể (C=0). Tuy nhiên, phổ nguồn phát rộng sẽ gây ảnh hưởng của tán sắc nhiều hơn. Trong trường hợp này có thể tìm thấy độ tổn thất công suất PD như sau [5]:
1/ 2 2 1 (4 ) D b P = − R LDσλ − (2.2) Trong đó Rb là tốc độ bít, σλ là độ rộng phổ.
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. 1Gb/s và 2,5Gb/s.
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.
Với hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652 có hệ số tán sắc D là 18ps/(nm.km), và nguồn phát có độ rộng phổ σ =λ 0,1nm. Từ công thức
(2.2) có thể xác định lượng ông suất mất mát phụ thuộc vào tán sắc ở tốc độ 1Gb/s và 2,5Gb/s như trên hình (2.2).
Từ kết quả trên hình 2.2 cho thấy hệ thống 2.5Gb/s bị tổn thất công suất nhiều hơn so với hệ thống 1Gb/s với cùng một giá trị tán sắc, cụ thể: đối với tốc độ bít 2.5Gb/s, công suất bị mất mát là không đáng kể khi tán sắc nhỏ hơn 100ps/nm. Tuy nhiên, mất mát công suất tăng dần trong khoảng từ 100ps/nm đến 200ps/nm. Khi tán sắc vượt quá 200ps/nm, lượng công suất quang tổn thất
tăng rất nhanh. Ở giá trị 300ps/nm thì công suất mất mát đã lên tới 4dB, vượt quá giá trị 300 ps/nm thì tín hiệu bị mất quá lớn và không thể chấp nhận được. Trong khi đó ở tốc độ 1Gb/s, sự mất mát công suất trong trường hợp này gần bằng không khi tán sắc nhỏ hơn 100ps/nm, tới giá trị 760ps/nm thì công suất mất mát là 4dB. Như vậy, rõ ràng tán sắc làm giới hạn đáng kể tốc độ truyền dẫn của hệ thống thông tin quang.
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 các nguồn có độ rộng phổ khác nhau
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.
Ở đây hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652 có hệ số tán sắc D là 18ps/(nm.km) với tốc độ truyền là 2,5Gb/s. Từ công thức (2.2) có thể xác định lượng công suất mất mát phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn cho các nguồn phát có độ rộng lần lượt là 0,1nm; 0,2nm và 0,3nm như trên hình (2.3)
Từ kết quả ở hình 2.3 thu được có thể thấy rằng nhìn chung lượng công suất bị tổn thất sẽ tăng nhanh khi cự ly truyền dẫn tăng. Tuy nhiên, các nguồn phát khác nhau sẽ gây ra sự mất tín hiệu cũng khác nhau, cụ thể:
+) Khi độ rộng nguồn phát là 0.1nm, mất mát công suất xẩy ra là 4.5dB ở cự ly truyền dẫn dài 52km.
+) Đối với các hệ thống có phổ nguồn phát rộng 0.2nm và 0.3nm, công suất bị tổn thất tương ứng là 4.5dB tại 26km và 4.5dB tại cự ly chỉ còn 17km.
Khi tăng cự ly vượt quá các giá trị ở trên, tín hiệu bị mất quá lớn và không thể thiết kế được hệ thống thực tiễn kể cả có sử dụng khuếch đại quang sợi. Đây là các hệ thống sử dụng sợi G.652 có hệ số tán sắc D = 18ps/(km.nm).
Như vậy, trong hệ thống thông tin quang tốc độ thấp có độ rộng phổ rộng, ngoài suy hao quang, có nhiều tham số liên quan tới tán sắc sợi gây ảnh hưởng tới hệ thống và làm mất đi đáng kể lượng công suất tín hiệu. Đó là các tham số: cự ly truyền dẫn, tham số tán sắc, tốc độ bit của hệ thống và phổ nguồn phát.
2.3. Hệ thống thông tin quang có độ rộng phổ hẹp.
Đối với các hệ thống sử dụng nguồn phát Laser diode LD có độ rộng phổ hẹp thường áp dụng cho các hệ thống thông tin tốc độ cao và cự ly xa. Độ rộng phổ nguồn phát trong trường hợp này rất hẹp và không còn tác dụng mạnh tới tán sắc, yếu tố gây ảnh hưởng nhiều nhất lại là tham số tán sắc vận tốc nhóm GVD. Tổn thất công suất tín hiệu trong trường hợp này có thể được viết như sau [5]: 1/ 2 2 2 2 1 (8 ) D b P = − R β L − (2.3) Trong đó β2 là tham số tán sắc vận tốc nhóm.
2.3.1. Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc cho hệ thống 5Gb/s và 10Gb/s 5Gb/s và 10Gb/s
Với các hệ thống thông tin tốc độ cao và cự ly xa có độ rộng phổ rất hẹp, sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn G.652 có hệ số tán sắc là 18 ps/nm. Từ công thức (2.3) ta có thể tính toán lượng công suất mất mát của hệ thống phụ thuộc vào tán sắc tuyến đối với hệ thống 5Gb/s và 10Gb/s như trên hình (2.4).
Hình 2.4. Tổn thất công suất tín hiệu phụ thuộc vào tán sắc với các tốc độ bít khác nhau.
Từ kết quả thu được ở hình (2.4) ta thấy rằng, lượng công suất bị mất mát phụ thuộc nhiều vào tán sắc vận tốc nhóm GVD và cự ly truyền dẫn. Hơn nữa, công suất bị mất còn phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ bít truyền dẫn. Cụ thể: ở giá trị 400ps/nm công suất mất mát là không đáng kể nhưng đến giá trị 900ps/nm thì công suất mất mát của tốc độ 10Gb/s đã lên tới 4dB, khi tán sắc vượt quá 1000ps/nm lượng công suất quang tổn thất rất nhanh. Trong khi đó, ở tốc độ 5Gb/s, sự mất mát công suất trong trường hợp này gần bằng không khi tán sắc nhỏ hơn 1300ps/nm, tới giá trị 3600ps/nm thì công suất mất mát là 4dB. Như vậy, ở tốc độ 10Gb/s công suất bị mất mát rất lớn so với tốc độ 5Gb/s khi tán sắc sợi trên tuyến tăng lên. Cự ly hệ thống 10Gb/s chỉ bằng 1/3 cự ly hệ thống 5Gb/s nhưng lại tổn thất gấp hơn 2,5 lần.
2.3.2. Khảo sát sự phụ thuộc của công suất mất mát vào tán sắc với các giá trị chirp khác nhau. trị chirp khác nhau.
Với các hệ thống thông tin quang tốc độ cao hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm thì chirp tần số là một trong những hiệu ứng quan trọng. Chirp tần số tuyến tính gây ra sự tổn thất công suất tín hiệu của hệ thống. Xung bị chirp càng bị dãn ra và làm giảm quỹ công suất tín hiệu của hệ thống thông tin quang; do vậy nó làm giảm SNR. Khi đó biểu thức (2.3) trở thành [5]:
1/ 2 2 2 2 1 (8 ) D b P = − R C Lβ − (2.4)
Với C là tham số chirp.
Từ công thức (2.4) ta có thể tính toán lượng công suất mất mát của hệ thống phụ thuộc vào tán sắc-cự ly với các giá trị của tham số chirp lần lượt là 3; 2; 1; 0; -0,5 như trên hình (2.5). Hệ thống được áp dụng tính toán ở đây với tốc độ là 10Gb/s và sử dụng sợi quang đơn mode G.652 với tham số tán sắc là 18ps/ (km.nm).
Hình 2.5. Công suất tổn thất phụ thuộc vào tán sắc sợi với các giá trị Chirp khác nhau.
Từ kết quả ở hình 2.5 ta thấy tổn thất công suất hệ thống tăng lên nhanh khi các xung bị chirp với C có giá trị dương cao. Trong sự tác động bất lợi của chirp thì có sự xuất hiện một vùng giá trị tán sắc cho phép cải thiện đặc tính hệ thống ứng với chirp C có giá trị âm. Điều đó có nghĩa là nếu như tạo ra chirp C có giá trị âm, hệ thống không những không bị mất mát công suất mà còn được cải thiện ở một vùng cự ly truyền dẫn nhất định.
2.4. Tính toán thiết kế cấu hình tuyến
Từ kết quả trên có thể thấy rằng, việc sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ hẹp sẽ cho phép tăng cự ly truyền dẫn rất nhiều. Trong trường hợp nguồn phát có phổ lớn, cách tốt nhất để đáp ứng cự ly truyền dẫn dài, nhất là trong trường hợp cự ly giữa hai vị trí địa lý cho trước là tương đối lớn, là nên áp dụng cho các hệ thống thông tin quang có tốc độ thấp.
Để tính toán thiết kế cấu hình tuyến sát với thực tiễn các tham số dùng để tính toán thiết kế tuyến được cho trong bảng (2.2). Từ công thức (2.2) ta tính được lượng công suất mất mát phụ thuộc vào cự ly cho các hệ thống 622Mb/s; 1Gb/s và 2,5Gb/s. Sau đó vận dụng công thức (2.1) để tính toán quỹ công suất của hệ thống tương ứng với các tốc độ trên. Hình (2.6) là kết quả tính toán cự ly truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ bít theo ảnh hưởng của tán sắc sợi. Có thể thấy cự ly truyền dẫn sẽ tăng rất nhiều nếu ta thiết kế hệ thống có tốc độ bit thấp với cùng một giá trị tỷ số lỗi bit.
Bảng 2.2. Các tham số để tính toán
Tham số Giá trị tham số Bước sóng tín hiệu
Công suất phát quang Độ nhạy thu quang Dự phòng hệ thống Tỷ số lổi bít BER Hệ số tán sắc D Độ rộng phổ Laser 1554nm 3dB -21dBm 3dB BER = 10-12 17ps/km.nm 0,1nm
Hình 2.6. Quỹ công suất của hệ thống phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn với các tốc độ bít khác nhau.
Trong hình 2.6, với cùng một độ rộng phổ nguồn phát, giá trị công suất phát và độ nhạy thu quang được giả thiết là như nhau, cự ly truyền dẫn sẽ giảm nhanh theo tốc độ bit: ở tốc độ 622Mb/s thì cự ly có thể đạt tới 205km đã chứng tỏ tán sắc ảnh hưởng ít, lúc này cự ly truyền dẫn chủ yếu do suy hao tuyến quyết định. Tuy nhiên, khi tốc độ bit đạt tới 1Gb/s và 2.5Gb/s thì cự ly bắt đầu hạn chế tại các giá trị tương ứng là 125km và 50km. Từ kết quả tính toán này, ta thấy