BÁO cáo môn học sáng chế optical fibers for single mode and few sáng chế optical fibers for single mode and few mode VCSEL based optical fiber transmission systems

Bối cảnh sáng chếSợi đơn mode được ưa dùng trong các trung tâm dữ liệu lớn vì nó có băng thông nhiều hơn sợi thông nhiều hơn sợi multimmultimode, cung cấp tốc ode, cung cấp tốc độ truyền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BỘ MÔN VIỄN THÔNG MẠNG

- o0o 

-BÁO CÁO MÔN HỌC Sáng chế: Optical fibers for single mode and few Sáng chế: Optical fibers for single mode and few mode mode VCSEL-based optical fiber transmission systems

Môn học: Truyền thông quang Giáo viên hướng dẫn: Ths Ngô Đắc Thuần  Nhóm thực hiện: Nhóm

 Nhóm thực hiện: Nhóm 22

Năm học 2022-2023

DANH SÁCH THÀNH VIÊN S

ST TT T H Họ ọ vvà à ttêên n MSSV

1 N Ngguuyyễễn n T Thhaannh h T Trruunng g 1199220000553399

2 N Ngguuyyễễn n A Annh h K Khháánnh h 1177220000112255

3 L Lưươơnng g T Thhaannh h T Tùùnng g 1188220000228800

4 N Ngguuyyễễn n T Thhị ị L Laan n A Annh h 1199220000223377

5 T Trrầần n N Nggọọc c Á Ánnh h 1199220000224422

6 N Ngguuyyễễn n G Giia a B Bảảo o 1199220000224477

I Bối cảnh sáng chế

Sợi đơn mode được ưa dùng trong các trung tâm dữ liệu lớn vì nó có băng thông nhiều hơn sợi

thông nhiều hơn sợi multimmultimode, cung cấp tốc ode, cung cấp tốc độ truyền cao và độ truyền cao và xa hơn Tuy xa hơn Tuy nhiênnhiên trung tâm này sử dụng đường truyền tương đối ngắn 1-100m nên việc dùng sợi

MM với MM VCSEL transceiver có phần hợp lý vì giải pháp cho phép chi phí ít

và công suất tiêu thụ thấp hơn

 Nhưng

 Nhưng thực thực tế tế SM SM vẫn vẫn có có thể thể dùng dùng cho cho cả cả đường đường truyền truyền dài dài hay hay ngắn ngắn chỉ chỉ vìvì

dễ quản lý hơn Ngày nay SM và FM VCSEL có thể cho hiệu suất hệ thống tốt, chi phí … như MM VCSEL

II Giới thiệu chung

Tên sáng chế: Optical fibers for single mode and few mode VCSEL-based optical fiber transmission systems

Số sáng chế: US11099321 Chủ sở hữu: CORNING INCORPORATED , Corning , NY ( US )  Nhà sáng

 Nhà sáng chế: Xin chế: Xin Chen , Painted Chen , Painted Post , Post , NY ( US NY ( US ) ;) ;

Ming - Jun Li , Horsehead Ming - Jun Li , Horseheads , NY ( s , NY ( US )US )  Ngày nộp

 Ngày nộp sáng chế: sáng chế: 20/1/ 202020/1/ 2020  Ngày được c

 Ngày được cấp bằng sáng ấp bằng sáng chế: 24/08/2021chế: 24/08/2021

Sáng chế nói về sợi quang của truyền dẫn quang đơn mode và few mode trong hệ thống truyền dẫn quang trên nền tảng VCSEL Sợi quang có bước sóng cắt lớn hơn hoặc bằng 1260nm vì thế hoạt động đơn mode ở bước sóng trong dải  bước

 bước sóng sóng đầu đầu tiên tiên lớn lớn hơn hơn 1260nm 1260nm và và few few mode mode hoạt hoạt động động tại tại bước bước sóng sóng ở ở   bước

 bước sóng tsóng thứ hứ hai trong hai trong khoảng khoảng 840nm-1060nm 840nm-1060nm Mode Mode - Field - Field Diameter (MFD)Diameter (MFD) trong khoảng 8.6-11μm ở bước sóng 1550nm hoặc trong khoảng 8-10.1μm ở   bước

 bước sóng sóng 1310nm 1310nm Các Các phương phương pháp pháp và và hệ hệ thống thống truyền truyền thông thông quang quang dựa dựa trêntrên VCSEL sử dụng cả sợi đơn lõi và đa lõi

III Yêu cầu bảo hộ

Claim 8:

Sợi SM tương thích với sợi SM tiêu chuẩn hiện nay và có thể sử dụng trong truyền dẫn đường dài Để chế tạo các sợi SM, người ta dùng các kĩ thuật vẽ tiêu chuẩn và có cùng một chi phí chế tạo

Claim 9 : An optical fiber for short - length data transmission systems , comprising :

1 lõi được sắp xếp dọc theo một đường trung tâm AC và có chỉ số khuất xạ tương đối được địn

tương đối được định nghĩa bởi tham số α trong khoảh nghĩa bởi tham số α trong khoảng 2 ≤ α ≤ ng 2 ≤ α ≤ 3 với chỉ số chiết3 với chỉ số chiết suất tối đ

suất tối đa nằm trona nằm trong khoảng 0g khoảng 0.3% ≤ 3% ≤ ∆_1ma∆_1max ≤ x ≤ 0.5% và mộ0.5% và một bán kính rt bán kính r1 trong1 trong khoảng 5μm ≤ r_1 ≤ 10μm

Một vùng lớp phủ bên trong bao quanh lõi và có chỉ số khúc xạ tương đối

∆_2 tron

∆_2 trong khoảng từ g khoảng từ -0.5% ≤ ∆_2 -0.5% ≤ ∆_2 ≤ ≤ 0%, thể tíc0%, thể tích rãnh (trh rãnh (trench) V ở trench) V ở trong khoảngong khoảng 15% μm

15% μm2 ≤ 2 ≤ |V| ≤ 75|V| ≤ 75% μm2 v% μm2 và có báà có bán kính rn kính r2 trong k2 trong khoảng 8 hoảng 8 μm ≤ μm ≤ r2 ≤ r2 ≤ 25 μm.25 μm Một vùng phủ bên ngoài bao quanh vùng phủ bên trong và có chỉ số khúc xạ tươ

tương đối ∆_ng đối ∆_4≥4≥∆_2 tr∆_2 tronong khoảg khoảng 0% ≤ ng 0% ≤ ∆_∆_4 ≤ 4 ≤ 0.0.2% và có bá2% và có bán kính r4 trn kính r4 tronongg kho

khoảng tảng từ 40 ừ 40 μm μm ≤ ≤ r_4 r_4 ≤ ≤ 100 μ100 μm.m

Các sợi quang có một điểm cut_off wavelength ( là điểm mà sợi quang sẽ trở  thành đơn mode) :

    Wavelength Wavelength lớn lớn hơn hơn 1260 1260 nm nm thì thì là là đơn đơn mode.mode

    Wavelength Wavelength từ từ 840 840 nm nm - - 1060 1060 nm nm là là few few mode.mode

Mode -

Mode - Field DiField Diameteameter (MFDr (MFD) trong ) trong khoảng từ khoảng từ 8.6 μ8.6 μm ≤ m ≤ MFD ≤ MFD ≤ 11 μm tạ11 μm tạii

1550 nm

1550 nm Overf Overfilled Billed Bandwidth (andwidth (OFL BW) tOFL BW) trong khorong khoảng từ ảng từ 1 GHz.1 GHz.km ≤ km ≤ OFLOFL

BW ≤

BW ≤ 50 GHz km tại ít nhất mộ50 GHz km tại ít nhất một bước sóng trot bước sóng trong dải bước sóng thứ hang dải bước sóng thứ hai.i

Claim 15: Hệ thống truyền dẫn dữ liệu bằng sợi quang bao gồm:

Sợi quang có đầu vào và đầu ra với độ dài sợi <1000 m Một đầu phát bao gồm VCSEL cho phép phát ánh sáng có

VCSEL cho phép phát ánh sáng có bước sóng trong khoảng bước sóng thứ bước sóng trong khoảng bước sóng thứ hai vàhai và

truyền tín hiệu quang ở tốc độ data ít nhất 10 Gb/s, ở đây tín hiệu quang được nhóm bởi VCSEL đến input end của sợi quang và bộ thu bao gồm photodetector  nhóm quang tới output end của sợi quang và được làm ra để nhận tín hiệu quang sau đó đổi tín hiệu

sau đó đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện.quang sang tín hiệu điện

Claim 17: Một sợi quang đa nhân dùng cho hệ thống truyền tín hiệu ngắn

bao gồm:

Một mảng ma trận Hai hoặc nhiều lớp lõi nhúng trong mảng ma trận, trong đó mỗi lớp lõi gồm:

a) Lõi được sắp xếp dọc đường trung tâm AC và có chỉ số khúc xạ tương đối được định nghĩa bởi thước đo  α α ở khoảng 2  ≤ ≤ α α ≤ ≤ 3 kèm với 1 chỉ số khúc xạ tương đối tối đa (∆11 ) ở khoảng 0.3%   ≤ ≤ ∆ ∆11    ≤ ≤ 0.5%, bán kính r1 trong khoảng 5um ≤ r1 ≤ 7um

 b) Mộ

 b) Một vùng t vùng mảng bên mảng bên trong trong bao phủ bao phủ lõi, lõi, và có và có chỉ số chỉ số khúc xạ khúc xạ tương đốtương đốii ∆2 n nằmằm khoảng -0.05% ≤  ≤ ∆ ∆2 ≤ 0.05%, bán kính r2 có khoảng 6um ≤ r2 ≤ 15um

c) Một vùng mảng tương đối bao c) Một vùng mảng tương đối bao phủ phần trong của vùng mảng (ma trận) có chỉphủ phần trong của vùng mảng (ma trận) có chỉ

số khúc xạ tương đối  ∆ ∆3   ≤ ≤ ∆ ∆2, nằm khoảng -0.6%  ≤ ≤ ∆ ∆3   ≤ ≤ 0.3% và bán kính r3 trong khoảng 9um   ≤ ≤   r3r3   ≤ ≤20um và nó định nghĩa 1 kênh âm lượng V trnog khoảng 15%um^2 ≤   |V||V| ≤ 75%um^2

d) Một vùng mảng khoảng định nghĩa bởi mảng ma trận và bao phủ vùng mảng tương đối, có chỉ số khúc xạ delta4   ≥ ≥ delta3 và trong khoảng 0%   ≤ ≤  delta4   ≤ ≤

0.2%, bán kính r4 với 40um ≤ r4 ≤ 100um i) Dây cáp bước sóng

i) Dây cáp bước sóng cắt lamda c tương đương hoặc thấp hơn cắt lamda c tương đương hoặc thấp hơn 1260nm1260nm, do , do đó xácđó xác định hoạt động single mode ở bước sóng trong bước sóng đầu tiên có phạm vi lớn hơn 1260 nm và hoạt động few- mode ở một bước sóng trong dải bước sóng thứ hai khoảng từ 840nm đến 1060nm

ii) Đường kính mode-field MFD trong khoảng 8.6um ≥ MFD ≤ 11um ở 1550nm iii) Băng thông quá tải OFL BW ở mức thấp nhất là 1GHz-km và có ít nhất 1  bước sóng

 bước sóng ở trong ở trong vùng bước vùng bước sóng thứ sóng thứ 2,2, Claim 20:

Hệ thống truyền dẫn dữ liệu bằng sợi quang bao gồm: một cáp quang bao gồm sợi quang đa lõi của claim 17.Sợi quang có đầu vào và đầu ra với độ dài sợi

<1000 m Một đầu phát bào gồm VCSEL cho phép phát ánh sáng có bước sóng trong khoảng bước sóng thứ hai và truyền tín hiệu quang ở tốc độ data ít nhất 10 Gb/s, ở đây tín hiệu quang được nhóm bởi VCSEL đến input end của sợi quang

và bộ thu bao gồm photodetector nhóm quang tới output end của sợi quang và được làm ra để nhận tín hiệu quang sau đó đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện

IV Hình vẽ kỹ thuật

 Figure 1:

 Figure 1: Biểu đồ Biểu đồ độ trễ độ trễ chế độ chế độ vi sai vi sai (DMD) và t(DMD) và tham số ham số alphaalpha FIG 1: Biểu đồ DMD ( differential mode delay - độ trễ nhóm đa kiểu), đơn vị đo

là ps/km ( ps là pico giây) ở bước sóng 850nm dưới dạng hàm của tham số  C

Ví dụ, sợi đa chế

Ví dụ, sợi đa chế độ phân loại - chỉ độ phân loại - chỉ số GRIN (Gradesố GRIN (Graded - index ) d - index ) là: Amax = 0.41%,là: Amax = 0.41%, Imax: 5.95m

Ở bước sóng 850nm, sợi quang có 2 chế độ là LP01 và LP11 Ở FIG1, DMD phụ thuộc vào giá trị , khi :

 < 2,5 thì DMD âm

 > 2,5 thì DMD dương



 = = 2,5 thì DMD > 0 → sợi quang có băng thông cao

* Ưu điểm của graded index profile design là giúp chuyển đổi dần chiết suất tương đối ∆ từ lõi  từ lõi sang lớp phủ => Giảm thiểu suy sang lớp phủ => Giảm thiểu suy haohao

 Figure 2:

 Figure 2: Relative refractive Relative refractive index profiles index profiles của sợi của sợi đơn lõiđơn lõi Sợi 6S có thể có 3 cấu hình vật lý chính ( relative refractive index profile) FIG 3A mô tả

FIG 3A mô tả cấu mô hình cấu hình vật lý đầu tiên của cấu mô hình cấu hình vật lý đầu tiên của sợi quang 6S bởi hìnhsợi quang 6S bởi hình

vẽ cho thấy mối quan hệ giữa relative refractive index denta r với radial coordinate r Sợi 6S là SM cho bước sóng lớn hơn 1260nm để giảm suy hao do uốn cong (Bending Loss) Đơn lõi (Single core) 6C cũng được cấu hình để có few mode và có băng thông cao

few mode và có băng thông cao cho khoảng cách truyền ngắn trong khoảncho khoảng cách truyền ngắn trong khoảng bướcg bước sóng giữa 800nm-1100nm

Sợi 6S bao gồm miền lõi thủy tinh 10 , bên trong là đường tâm (Centerline)

AC ,và có khoảng bán kính r1 và

AC ,và có khoảng bán kính r1 và triết suất phản xả tương đốitriết suất phản xả tương đối ∆1 với giá trị ∆1 tố tốii

da trên đường tâm AC (r=0) Lõi 10 có chiết suất biến đổi , là hệ số alpha trong đoạn từ 2 tới 3

Lõi 10 bao quang bởi lớp bọc thủy tinh mà khoảng bán kính từ r1 tới lớp bọc  bên

 bên ngoài ngoài r4 r4 Theo Theo như như hình hình 3A 3A lớp lớp bọc bọc 50 50 bao bao gồm gồm lớp lớp bọc bọc bên bên trong trong 20 20 gầngần lõi và có

lõi và có khokhoảng bán kính từ r1 ảng bán kính từ r1 tới r2 có chiết suất phản xạ tương đốitới r2 có chiết suất phản xạ tương đối  ∆ ∆2   ≤ ≤ ∆ ∆1;; lớp bọc trung gian (còn được gọi là lớp trench) liền kề với lớp bọc bên trong , khoảng bán kính r2 tới r3 và

khoảng bán kính r2 tới r3 và chiết suất phản xạ tương đốichiết suất phản xạ tương đối ∆3  ≤ ≤ ∆ ∆2  Lớp bọc bên ngoài liền kế lớp trung gian trên , khoảng bán kính r3 t

ngoài liền kế lớp trung gian trên , khoảng bán kính r3 tới r4 và hệ ới r4 và hệ sốsố ∆3 ≤  ≤ ∆ ∆4 Cách xem hình tương tự cho hình 3B và 3C

Tuy nhiên để đạt được băng thông cao ở bước sóng 850nm với refractive index profile tương đương như hình 3A, 3B, 3C thì yêu các thông số khác nhau cho từng mô hình

 Figure 3:

 Figure 3: Hình chiếu Hình chiếu mặt bên mặt bên của sợi của sợi quang đa quang đa lõi được lõi được tăng cường tăng cường hiệu suất hiệu suất  quang học cho việc giao tiếp dữ liệu trong khoảng cách ngắn tận dụng công 

nghệ VCSELs

Multicore 6M thường bao gồm : Trục trung tâm ACM và 2 Trục trung tâm ACM và 2 hoặc nhiều cấu trúc lõi 10M được nhúng trong mộthoặc nhiều cấu trúc lõi 10M được nhúng trong một Cladding matrix (40M)

Mỗi cấu trúc lõi (10M) phải có :

Ít nhất là có lõi (10) Vùng phủ bên trong (20) Lớp phủ trung gian (30)

=> Để có thể kết nối với sợi quang đơn lõi Lớp ma trận phủ bên ngoài (Outer Cladding matrix) (40M) : Được xem như

là lớp phủ bên ngoài phổ

là lớp phủ bên ngoài phổ biến cho mỗi cấu trúc lõi (10M)biến cho mỗi cấu trúc lõi (10M)

Sợi đa lõi 6M về cơ bản là một tập hợp các sợi đơn lõi 6S mà có chung lớp  phủ

 phủ bên bên ngoài ngoài (40) (40) Sợi Sợi đa đa lõi lõi 6M 6M trong trong trường trường hợp hợp này này có có thể thể bao bao gồm gồm lớp lớp phủphủ  bảo vệ non-glas

 bảo vệ non-glass ở s ở bên ngoài bên ngoài của Cladding của Cladding matrix (40M).matrix (40M)

Mỗi cấu trúc đa lõi (10 Multicore) hỗ trợ:

+

+ Single ModSingle Mode tại một bước sóng troe tại một bước sóng trong khoảng 1310nng khoảng 1310nm - 1550nm hoặcm - 1550nm hoặc hơn 1260nm

+ + Few MoFew Mode tại bướde tại bước sóng 85c sóng 850nm.0nm

 Figure 4:

 Figure 4: Mặt cắt Mặt cắt ngang ví ngang ví dụ về các dụ về các cách cấu cách cấu hình sợi hình sợi quang đa quang đa lõlõii

Tận dụng SDM (Space - division multiplexer) : Tăng số lượng sợi quang, tốc

độ truyền dẫn vẫn giữ nguyên Sử dụng trên tuyến truyền ngắn để không cần các

 bộ lặp, b

 bộ lặp, bộ khuếch ộ khuếch đại.đại

FIG 5A : Có 4 lõi được xếp thành hình vuông cách đều trục trung tâm ACM FIG 5B : Có 8 lõi được xếp theo dạng tuyến tính 2x4 ( 2 hàng mỗi hàng 4 lõi) FIG 5C : Có 7 lõi, với 6 lõi thì được xếp hình lục giác và lõi thứ 7 thì được xếp ở  trên trục trung tâm ACM

FIG 5D : Có FIG 5D : Có 12 lõi được xếp dạng hình tròn 12 lõi được xếp dạng hình tròn xung quanh trục trung tâm ACMxung quanh trục trung tâm ACM Khoảng cách giữa cá

Khoảng cách giữa các lõi nhỏ nhất (S) là nằm trong khoảng từ 20 μm - c lõi nhỏ nhất (S) là nằm trong khoảng từ 20 μm - 45 μm45 μm

để có thể tránh hiện tượng nhiễu xuyên âm giữa các lõi với

để có thể tránh hiện tượng nhiễu xuyên âm giữa các lõi với nhau Nên chọn S saonhau Nên chọn S sao cho nhiễu xuyên âm:

Tốt : nhỏ hơn -30 dB/km Tốt hơn : nhỏ

Tốt hơn : nhỏ hơn -35 dB/kmhơn -35 dB/km Tốt nhất : nhỏ hơn -40 dB/km  Nhiễu xuyên

 Nhiễu xuyên âm phụ tâm phụ thuộc vào: huộc vào: thiết kế thiết kế lõi, khoảng lõi, khoảng cách giữa cách giữa 2 lõi 2 lõi liền kề.liền kề

 Figure 5:

 Figure 5: Hệ thống Hệ thống kéo sợi kéo sợi quang của quang của single mode single mode và multi- và multi- modemode Chú thích : SP ( single Preform), MP ( Muti preform ) , 10P (10 preform)

- Sợi quang Single Mode 6.A với sợi quang 6.B được chế tạo bởi hệ thống 100

và kĩ thuật này được mô tả

và kĩ thuật này được mô tả như 2 hình trên.như 2 hình trên

- Hệ thống 100 sẽ bao gồm:

+ Giá đỡ phôi 116 + 1 lò nung chảy thuỷ tinh 102 (nhiệt độ nung chảy thuỷ tinh ở trường hợp này là 1800 -1900 đôc C)

+

+ Các cảCác cảm biến đo 104A và 104m biến đo 104A và 104B để kiểm soát kíB để kiểm soát kích thướch thước khi sợi kéo 6Sc khi sợi kéo 6S

và 6M thoát ra khỏi

và 6M thoát ra khỏi lò nunglò nung + Sau khi đi qua các đã kéo sợi xong nó sẽ tới trạm 107 sẽ bọc 1 lớp phủ  bảo vệ

 bảo vệ lên sợi lên sợi quangquang + Bộ kéo căng

+ Bộ kéo căng 200 230 250 dù200 230 250 dùng để kéo sợi quang để kéo sợi quang đến ống nạp sợi qung đến ống nạp sợi quangang 250

Hình 6A:

Phần L1 Cho ta thấy mặt cát của phôi sợi quang đơn lõi 6SP (single core  preform), bao gồm

 preform), bao gồm ::

+ Lõi (preform core ) 10P + Vỏ bọ

+ Vỏ bọc lõi c lõi (20(20P)P) + Rãnh (30P)

+ Vỏ bọc ngoài Phần L2 Cho ta thấy mặt cắt của sợi quang đã được phủ 1 lớp

Phần L2 Cho ta thấy mặt cắt của sợi quang đã được phủ 1 lớp bảo vệ (vật liệubảo vệ (vật liệu  phủ bảo

 phủ bảo vệ 61 polvệ 61 polyme hoặc acrylat)yme hoặc acrylat) Hình 6B :

Cũng như hình 6.A thì hình 6.B sẽ sử phôi sợi quang đa lõi để chế tạo sợi quang đa lõi

Phần L1 : Phần L1 : cho ta thấy mặt cắt của phôi sợi quang đa cho ta thấy mặt cắt của phôi sợi quang đa lõi 6MP bao gồm:lõi 6MP bao gồm:

+ Nhiều Lõi 10 PM + Lớp phủ bên ngoài lõi

 Figure 6:

 Figure 6: Biểu đồ Biểu đồ mắt mắt  Hình 8A là một ví dụ về biểu đồ mắt khi hệ thống không có tính năng de-emphasis (giảm cường), 8B thì có Trong ví dụ ở đây thì hệ thống SM VCSEL điều ở 25GB/s Để cải thiện độ mở của biểu đồ mắt thì tính năng de- emphasis được áp dụng- có thể thấy qua 8A và 8B, trong hình 8B biểu đồ mắt được cải thiện đáng kể về độ mở, và ít nhiễu hơn rõ rệt

Hình 8C vẫn là ví

Hình 8C vẫn là ví dụ SM VCSEL điều chế ở dụ SM VCSEL điều chế ở 25GB/25GB/s nhưng được ghép s nhưng được ghép quang vớiquang với

ví dụ về “Fiber 1” ở bảng 3, 8D 8E 8F cũng tương tự 8C nhưng độ dài sợi quang được tăng lên 500m ở mỗi hình, tương ứng là 500m ở 8D, 1000m ở 8E và

được tăng lên 500m ở mỗi hình, tương ứng là 500m ở 8D, 1000m ở 8E và 1500m1500m