Vì trong một hệ thống truyền dẫn đường dài, điểm giữa của OPC giữa rất khó xác định, phương pháp truyền ngược quang OBP được xem là khắc phục nhược điểm này. OBP cũng sử dụng OPC và Hình 2.4 minh họa việc thực hiện dựa trên phía bộ thu.
Hình 2.4: Kỹ thuật truyền ngược quang
Tín hiệu được truyền đầu tiên đi qua liên kết truyền bao gồm N vòng lặp. Sau đó, nó đi qua một bộ liên hợp pha quang, tiếp theo là khối OBP. Khối OBP được làm bằng DCFs hoặc cách tử Bragg sợi quang (FBGs) để bù lại tán sắc và các sợi phi tuyến lớn (HNLFs) để bù các hiệu ứng phi tuyến tích lũy trong liên kết truyền dẫn. Bộ thu có thể là bộ thu trực tiếp hoặc bộ thu coherent, có nghĩa là điều chế pha phù hợp cho các hệ thống như vậy và PMD có thể được bù bằng xử lý tín hiệu số sau khi thu nhận.
Kỹ thuật truyền ngược trong miền quang OBP được đề xuất để bù ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang điểm - điểm cũng như trong mạng quang có sử dụng các bộ tách xen kênh quang tái cấu hình (ROADM). Một bộ OBP tiêu chuẩn sẽ bao gồm một bộ kết hợp pha (OPC), bộ khuếch đại, các sợi tán sắc lớn (HDFs), sợi phi tuyến lớn (HNLF) để bù tán sắc và ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến của sợi quang. Các bộ OBP có thể đặt sau mỗi chặng truyền dẫn hoặc đặt tại các nút mạng.
2.3 Kỹ thuật truyền ngƣợc toàn quang OBP
2.3.1 Nguyên lý kỹ thuật OBP
OBP áp dụng nguyên tắc làm việc tương tự như phương pháp Mid-Link OPC. Cả hai phương pháp đều sử dụng sợi HDF, HNLF để bù tán sắc và hiệu ứng
phi tuyến tương ứng. Tuy nhiên, sự khác biệt là thay vì sử dụng OPC để đảo ngược pha tích lũy bởi các tín hiệu gây ra do sự tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, OBP tận dụng OPC để bù tán sắc và hiệu ứng phi tuyến dọc theo tuyến truyền dẫn. Đầu tiên, tín hiệu quang đi qua một tuyến truyền dẫn bình thường, và sau đó đi đến một khối OPC và một khối OBP. Hình 2.5b là sơ đồ khối của module OBP trên bộ thu với kích cỡ bước bằng La (với La bằng chiều dài một chặng khuếch đại quang). Khi tuyến truyền dẫn có N chặng khuếch đại quang, tương ứng, mỗi khối OBP cũng sẽ có N chặng, mỗi chặng gồm một sợi HDF, một sợi HNLF và một bộ khuếch đại. Hình 2.5c là sơ đồ máy thu có khối OBP kích thước nửa bước. Tất cả các thông số của HDFs và HNLFs cần phải được thiết kế cẩn thận để tán sắc và phi tuyến có thể được bù chính xác.
Hình 2.5(a): Sơ đồ máy thu điển hình – có khối OBP với (b) đầy đủ kích thước bước và (c) kích thước nửa bước
Một phương pháp để tính toán giá trị của các tham số trong hệ thống OBP là giải phương trình NLSE. Ta có phương trình phi tuyến Schrodinger nếu bỏ qua XPM và FWM tương tự (2.5): , , z E j D t N t z E t z (2.15)
Khi: 2 2 2 2 D t t (2.16) 2 2 , , N t z a z E t z (2.17) 2 exp mod , a a z z L (2.18)
Trong đó là hệ số tán sắc, là hệ số phi tuyếnlà hệ số suy hao, Lalà khoảng cách giữa các bộ khuếch đại, E(t,z) là biên độ trường tín hiệu quang. Nghiệm của phương trình (2.15) có thể viết như sau:
t, Ltotalt,0 (2.19)
0Ltotal ,
i
M e D t N t s ds (2.20)
Ở đây, Ltotal là tổng chiều dài của tuyến truyền dẫn.Để bù tán sắc và ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến, một khối OBP được đặt ở cuối tuyến truyền dẫn. Nếu khối OBP này có chức năng truyền ngược và bỏ qua tạp âm của bộ khuếch đại, các tín hiệu quang có thể được phục hồi như ban đầu tại phía thu, có nghĩa là:
OBP,outt, Ltotalt,0 (2.21) 1 0Ltotal , i total M e D t N t L s ds (2.22)
Lấy phương trình liên hợp phức của (2.21) chúng ta có:
. 0Ltotal , , i total total e D t N t L s ds E t L (2.23) = ' , total , 0 M E t L E t (2.24)
Phương trình (2.24) cho thấy rằng: bằng cách gửi t, Ltotal)thông qua bộ cân bằng quang với ma trận kênh M’, có thể lấy được liên hợp phức của tín hiệu ban đầu t,0Có thể thu được t, Ltotal)được bằng cách đặt một OPC ở phần cuối của tuyến truyền dẫn quang. Định nghĩa b (t, z) là một trường quang trong phần truyền ngược, ta có: , , b total b z E i D t N t L z E z t (2.25)
VớiE tb , 0 Et L, total (2.26) Áp dụng kỹ thuật Fourier tách bước với bước kích thước Δz
' , ,2 ... , total M A t B t z A t B t z A t B t L (2.27) Trong đó exp A t iD t z (2.28) 2 2 , exp x a b , x z B t x i a L z E t z dz (2.29)
Do đó, bằng cách lấy liên hợp phức của tín hiệu đầu ra của khối OBP. Ở đây, A(t) tương ứng với phần ảnh hưởng tán sắc của sợi truyền dẫn có chiều dài Δz và B(t,x) tương ứng vớiphần ảnh hưởng phi tuyến của sợi truyền dẫn có chiều dài Δz. Bên cạnh đó, |b (t,z)|2 xấp xỉ có thể coi như không phụ thuộc vào z vì nó thay đổi ít hơn nhiều với a2 (z). Do đó phương trình (2.29) có thể viết như sau:
2
( , ) exp eff exp a mod( , a b ,
B t x i z z L x L E t x (2.30) 1 La 1 mod z L,a eff m e e z z (2.31)
Trong đó m = floor (Δz /La). A(t) có thể ước tính bởisợi tán sắc lớn HDF và B(t,x) có thể được ước tính từ sợi HNLF. Các sợi HNLF được thiết kế để tạo ra cùng một lượng phi tuyến lệch pha như của một sợi truyền tương ứng với chiều dài Δz, nếu phi tuyến ảnh hưởng của HDFs được bỏ qua. Trong trường hợp này, HNLF có thể được biểu diễn dưới dạng:
2 , , , , L HNLF eff EHNLF in HNLF i HNLF out HNLF in E E e (2.32) , 1 exp HNLF HNLF HNLF eff HNLF L L (2.33)
Trong đó LF,HNLF và LHNLFtương ứng với hệ số suy hao, hệ số phi tuyến và chiều dài của HNLF. Công suất đưa vào HNLF cũng có thể tăng để giảm chiều dài của HNLF trong khi vẫn giữ cùng một lượng dịch pha phi tuyến.
2.3.2 Cấu hình hệ thống OBP
Tương tự như phương pháp Fourier tách bước sử dụng trong kỹ thuật truyền ngược trong miền số đề cập ở phần trước, hiệu năng bù méo phụ thuộc vào cỡ bước khoảng cách sử dụng. Đối với phương pháp OBP, các nghiên cứu thường sử dụng cỡ bước được tính để bù méo cho cả một chặng. Do đó thường có hai kiểu cấu hình hệ thống OBP hay được xem xét:
- Trường hợp cỡ bước đầy đủ sử dụng Δz = La, nó là khoảng cách giữa các bộ khuếch đại liên tiếp nhau.
- Trường hợp cỡ bước một nửa sử dụng Δz = La/2, tức cỡ bước truyền lan trong mô hình truyền ngược tương đương với một nửa khoảng cách giữa các bộ khuếch đại.
Trường hợp cấu hình đầu tiên còn được gọi là cỡ bước kích thước đầy đủ OBP, HDF, HNLF và TX được sử dụng để xác định độ dịch pha phi tuyến do HDF, HNLF và sợi truyền dẫn tương ứng trong một chặng cụ thể của OBP và chặng truyền truyền dẫn của nó. Các độ dài của các sợi này là LHDF, LHNLF vàLTX. Do đó các pha thay đổi như sau:
TX= DF + HNLF (2.34) iiPiLi,eff (2.35) , 1 exp i i i eff i L L (2.36)
Ở đây i= HDF, HNLF hoặc TX. Pi là công suất đưa vào sợi i và I là hệ số suy hao tương ứng của sợi đó. Tất cả các thông số cần thiết cho khối OBP được tính toán bởi các phương trình (2.34), (2.35), (2.36) và các tham số của các sợi truyền dẫn được biết trước.
Trường hợp thứ hai được gọi là OBP cỡ bước một nửa. Hình 2.5c cho thấy cấu trúc của một OBP điển hình với kích thước nửa bước. Sự khác biệt duy nhất giữa một OBP cỡ bước đầy đủ và một OBP cỡ bước một nửa đó là mô hình bù cho một chặng. Mô hình bù mỗi chặng sẽ gồm có là phần tử HDF và HNLF đầu tiên bù ảnh hưởng tán sắc và hiệu ứng phi tuyến của nửa thứ 2 chặng cuối cùng trong tuyến
truyền. Trong khi phần tử HDF và HNLF thứ hai bù tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến của nửa đầu chặng cuối cùng trong tuyến truyền dẫn. Một bộ khếch đại được đặt sau cả hai phần tử HDF và HNLF để bù suy hao. Thông số có thể được tính toán bởi các phương pháp đã được đề cập trước. Tuy nhiên mức độ phức tạp tính toán cho OBP kích thước một nửa bước là cao hơn so với kích thước bước đầy đủ một chút và kết quả mô phỏng cũng tốt hơn bởi vì mặt lý thuyết, sử dụng bước kích thước Δz nhỏ hơn có hiệu suất tốt hơn.
Các thông số của HDFs và HNLFs được thiết kế cẩn thận để bù hoàn toàn tán sắc và hiệu ứng phi tuyến trong các tuyến truyền dẫn. Các phân tích thường giả sử rằng một bộ OPC hoàn hảo được sử dụng, có nghĩa là không có suy hao OSNR sau giai đoạn liên hợp pha và hệ số nhiễu của bộ khuếch đại EDFA là nhỏ trên tuyến truyền dẫn. Các tính chất phi tuyến của HDF được bỏ qua, tất cả các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến được bù bằng các HNLFs. Vì thế ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến tích lũy dọc theo đường truyền sẽ được bù riêng biệt bởi HDFs và HNLFs.
Thông thường, sợi SMF được sử dụng như một sợi truyền dẫn tiêu chuẩn. Tuy nhiên, một phần tử HDF với tán sắc bất thường không được phổ biến tại nhiều nơi. Do đó, một sợi tán sắc âm dùng cho các DCFs thông thường với độ tán sắc âm lớn có thể sử dụng như HDFs. Bảng 2.1 cho thấy ví dụ tất cả các thông số được sử dụng trong bộ thu với OBP kích thước bước đầy đủ cho tuyến truyền dẫn, HDFs và HNLFs. La là chiều dài giữa các bộ khuếch đại liên tiếp hay nói cách khác là độ dài của mỗi chặng khuếch đại quang. Có n phần tử HDF và n phần tử HNLF cho mỗi khối OBP bước kích thước đầy đủ, trong đó n là số chặng truyền dẫn trên tuyến.
Bảng 2.1 Thông số cho máy thu – OBP kích thƣớc bƣớc đầy đủ Đường truyền dẫn HDF HNLF Chiều dài (Km) 80 1.5 4.9 ps2/Km) 5 140 0 (W-1.Km-1) 2.2 4.4 2000 dB/Km) 0.2 0.4 0.3
Sau khi các tín hiệu được đi qua OPC, các tín hiệu liên hợp pha đầu tiên được khuếch đại bởi bộ khuếch đại trước khi đi vào khối OBP. Bộ tiền khuếch đại có hệ số khuếch đại G=0.7dB và bộ khuếch đại đặt sau các sợi phi tuyến có hệ số khuếch đại G=2.07dB.
Bảng 2.2 cho ví dụ tất cả thông số các sợi của bộ OBP kích thước nửa bước. Bộ tiền khuếch đại có hệ số khuếch đại G = 13.79dB và bộ khuếch đại sau trong bộ OBP có hệ số khuếch đại G = 5.7dB
Bảng 2.2 Thông số máy thu – OBP kích thƣớc nửa bƣớc
Đường truyền HDF1 HNLF1 HDF2 HNLF2 Chiều dài(Km) 80 1 2.5 1.5 3 ps2/Km) 5 29.6 0 50.1 0 (W-1.Km-1) 2.2 0 2000 4.4 2000 dB/Km) 0.2 0.4 0.3 0.4 0.3 2.4 Kết luận chƣơng
Chương 2 của luận văn trình bày tổng quát về kỹ thuật truyền ngược để bù méo trong các hệ thống thông tin quang đường dài. Một số kỹ thuật truyền ngược cũng đã được giới thiệu trong chương này. Một trong số đó là giải pháp sử dụng kỹ thuật truyền ngược trong miền quang OBP. OBP sử dụng môi trường phi tuyến với các sợi phi tuyến cao có thể được sử dụng (HNLF) làm tăng hiệu quả sử dụng băng
thông. Bước sóng tán sắc bằng không của HNLF tương tự như DSF khoảng 1550nm. Tuy nhiên hệ số phi tuyến của nó ( 15 W-1 km-1) lớn hơn nhiều so với hệ số phi tuyến của DSF ( 15 W-1 km-1). Kết quả là sợi HNLF ngắn khoảng 750m có thể có được hiệu suất chuyển đổi tương tự như một DSF dài hơn 10km.
CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG
Chương ba dựa trên phần mềm Optisystem xây dựng hai sơ đồ mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao 40 Gbps sử dụng kỹ thuật truyền ngược trong miền quang với các cấu hình hệ thống khác nhau. Qua đó, khảo sát hiệu năng của truyền ngược trong miền quang bù tán sắc và hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống quang tốc độ cao.
3.1 Giới thiệu
Trong hệ thống truyền dẫn quang hiện nay, các định dạng điều chế mới được sử dụng rộng rãi để nâng cao hiệu suất sử dụng phổ của mạng truyền thông. Với việc tăng tốc độ trên kênh bước sóng thì các suy giảm gây ra bởi tán sắc và phi tuyến sợi quang là được quan tâm để tìm các kỹ thuật bù trừ khi thiết kế các hệ thống truyền dẫn đường dài. Mặc dù có nhiều các giải pháp có thể được sử dụng để bù các ảnh hưởng tán sắc và phi tuyến tách biệt nhau, nhưng giải pháp truyền ngược quang thu hút được sự quan tâm vì khả năng bù cả tán sắc và phi tuyến, trong khi lại linh hoạt việc sử dụng ở cuối mỗi tuyến truyền dẫn.
Trong nội dung của chương này, một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật truyền ngược trong miền quang OBP sẽ được phân tích và khảo sát thông qua mô phỏng. Hệ thống mô phỏng được xây dựng dựa trên phần mềm mô phỏng Optisystem 7.0. Định dạng điều chế sử dụng trong hệ thống là DPSK. Hệ thống khảo sát sẽ sử dụng cách tử Bragg sợi quang (FBG) thay cho sợi tán sắc lớn HDF làm phần tử bù tán sắc và sợi HNLF làm phần tử bù phi tuyến nhằm giảm kích thước của khối OBP và tăng tính linh hoạt cho thành phần này khi FBG có thể cho phép điều chỉnh độ tán sắc để bù bằng gia nhiệt. Có hai cấu hình OBP khảo sát trong phần này bao gồm:
- Mô hình 1: Mô hình hệ thống OBP cỡ bước đầy đủ trong đó mỗi bước khoảng cách bù bằng với khoảng cách giữa các bộ khuếch đại trên tuyến.
- Mô hình 2: Mô hình hệ thống OBP cỡ bước lớn trong đó mỗi bước khoảng cách bù bằng 2 lần khoảng cách giữa các bộ khuếch đại trên tuyến.Với cỡ bước lớn này cho phép giảm số phần tử trong khối OBP giúp giảm chi phí và gọn nhẹ hơn.
3.2 Mô hình khảo sát
3.2.1 Mô hình hệ thống OBP cỡ bước đầy đủ
Mô hình hệ thống truyền dẫn quang sử dụng điều chế DPSK và truyền trên sợi quang đơn mode chuẩn có chiều dài tuyến là 300 km. Sau đó tín hiệu quang sẽ được bù méo bằng OBP trước khi đi vào bộ thu quang. Hiệu năng của hệ thống được đánh giá qua ước tính tỉ số lỗi bit BER dựa trên biểu đồ mắt. Sơ đồ mô hình toàn bộ hệ thống mô phỏng được cho thấy ở hình 3.1.
Hình 3.1: Mô hình hệ thống truyền dẫn quang sử dụng OBP cỡ bước đầy đủ
Mô hình khảo sát sẽ bao gồm các thành phần chính sau:
- Khối bộ phát quang: sử dụng định dạng điều chế DPSK do đó chuỗi bit ngẫu nhiên tại tốc độ 40 Gb/s được mã hóa vi sai trước khi được tạo dạng xung để đưa vào bộ điều biến điện quang Mach-Zehnder (MZM). Một nguồn laser CW làm nguồn phát quang cũng được đưa vào với bước sóng được thiết lập phù hợp. Sơ đồ cấu hình khối bộ phát quang được cho thấy trong hình 3.2.
Hình 3.2: Sơ đồ khối phát quang DPSK
- Khối bộ thu: Khối bộ thu thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Tín hiệu quang đi vào sẽ qua bộ lọc quang để giảm bớt nhiễu quang, sau đó đi qua bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI) để giải điều chế tín hiệu DPSK cùng với bộ thu cân bằng sử dụng diode thu quang PIN. Tín hiệu điện thu được cũng được lọc thông thấp để giảm bớt nhiễu đầu ra. Sơ đồ cấu hình khối bộ thu quang được cho thấy trong hình 3.3.