Nghiên cứu bù tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang

Tóm tắt: Công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao WDM có vai trò rất quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu tăng lên về tốc độ, dung lượng và băng thông rộng cho các dịch vụ h

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG DUT.LRCC

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung công trình luận văn “NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THÔNG THÔNG TIN SỢI QUANG” Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

(ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Hữu Lộc

DUT.LRCC

MỤC LỤC

TRANG PHỤ LỤC BÌA 1

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT LUẬN VĂN 6

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC HÌNH 10

MỞ ĐẦU 14

CHƯƠNG 1: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM 17

1.1 Khái niệm về tán sắc 17

1.2 Các loại tán sắc 17

1.2.1 Tán sắc mode MD 18

1.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode 20

1.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm GVD 21

1.2.2.2 Tán sắc vật liệu 22

1.2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng 23

1.2.2.4 Tán sắc bậc cao hơn 24

1.2.2.5 Tán sắc phân cực mode 25

1.3 Ảnh hưởng tán sắc trên hệ thống WDM 26

1.4 Kết luận chương 28

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 29

2.1 Giới thiệu chương 29

2.2 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc 29

2.3 Kỹ thuật bù tán sắc trước 30

2.4 Kỹ thuật bù tán sắc sau 31

2.5 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF 32

2.6 Bù tán sắc bằng các bộ lọc quang 34

2.7 Bù tán sắc bằng Cách tử Bragg sợi 37

2.7.1 Cách tử chu kỳ đều 38

2.7.2 Cách tử sợi dịch tần 41

DUT.LRCC

2.8 Kết luận chương 44

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÙ TÁN SẮC SỢI DCF 45

3.1 Giới thiệu chương 45

3.2 Bù tán sắc sợi DCF 45

3.2.1 Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc sợi DCF 49

3.2.2 Mô hình tỉ lệ của chỉ số ba lớp của sợi bù tán sắc DCF 52

3.2.3 Sợi bù tán sắc DCF có hệ số cộng hưởng cao 54

3.2.3.1 Suy hao sợi bù tán sắc DCF 55

3.2.3.2 Suy hao tán xạ của sợi bù tán sắc DCF 55

3.2.3.3 Suy hao ống dẫn sóng của sợi bù tán sắc DCF 57

3.2.3.4 Tăng giá trị hệ số tán sắc âm của sợi bù tán sắc DCF 59

3.2.4 Sợi bù tán sắc DCF có hệ số độ dốc tán sắc cao 62

3.2.4.1 Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc DCF có độ dốc tán sắc cao 63

3.2.4.2 Mô đun bù tán sắc DCF sợi kết hợp 65

3.2.5 Mô đun bù tán sắc DCF có kích thước vật lý nhỏ gọn 66

3.2.5.1 Suy hao uốn cong 66

3.2.6 Dịch pha phi tuyến của sợi bù tán sắc DCF 69

3.3 Các thông số đặc tính sợi DCF 70

3.3.1 Đặc tính sợi DCF nguyên mẫu của mô đun thông thường 71

3.3.2 Đặc tính của mô đun DCF thông thường 72

3.3.3 Hệ số độ tin cậy của môđun DCF thông thường 73

3.3.4 Đặc tính sợi DCF của mô đun thu nhỏ kích thước 74

3.3.5 Đặc tính của mô đun thu nhỏ kích thước 75

3.3.6 Độ tin cậy của module FC-DCF thu nhỏ kích thước 76

3.4 Mô hình thiết kế vị trí đặt Môđun DCF trong hệ thống WDM 76

3.4.1 Bù Trước 77

3.4.2 Bù Sau 77

3.4.3 Bù đối xứng 77

3.5 Các kết quả thử nghiệm bù tán sắc bằng DCF 77

3.6 Kết luận chương 78

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VIỆC SỬ DỤNG KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC DCF VÀ FBG TRÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 79

4.1 Giới thiệu chương 79

4.2 Các mô hình mô phỏng dùng các kỹ thuật bù tán sắc 79

4.2.1 Mô hình mô phỏng dùng kỹ thuật bù tán sắc DCF 79

4.2.2.1 Mô hình chỉ dùng sợi SMF 80

DUT.LRCC

4.2.1.2 Mô hình bù trước DCF 80

4.2.1.3 Mô hình DCF bù sau 81

4.2.1.4 Mô hình bù đối xứng DCF 81

4.2.3 Mô hình dùng kỹ thuật bù tán sắc FBG 81

4.2.3.1 Mô hình FBG đặt ở đầu phát 82

4.2.3.2 Mô hình FBG đặt ở đầu thu 82

4.2.3.3 Mô hình FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu 83

4.3 Kết quả thu được của các mô hình 83

4.3.1 Ở tốc độ 2.5Gb/s cự ly truyền 900km và 1200km 83

4.3.1.1 Mô hình chỉ dùng sợi SMF 83

4.3.1.1 Bù trước DCF 84

4.3.1.2 Bù sau DCF 84

4.3.1.3 Bù đối xứng DCF 84

4.3.1.4 Bù FBG đặt ở đầu phát 85

4.3.1.5 Bù FBG ở đầu thu 85

4.3.1.6 Bù FBG ở cả hai đầu phát và thu 86

4.3.2 Ở tốc độ 10Gb/s cự ly truyền 900km và 1200km 87

4.3.2.1 Mô hình chỉ dùng sợi SMF 87

4.3.2.2 Bù trước DCF 87

4.3.2.3 Bù sau DCF 87

4.3.2.4 Bù đối xứng DCF 88

4.3.2.5 Bù FBG ở đầu phát 88

4.3.2.6 Bù FBG tại đầu thu 89

4.3.2.7 Bù FBG ở cả hai đầu phát và thu 89

4.3.3.1 Bù trước DCF 90

4.3.3.2 Bù sau DCF 91

4.3.3.3 Bù đối xứng DCF 91

4.3.2.4 Bù FBG ở đầu phát 92

4.3.2.4 Bù FBG ở đầu thu 92

4.3.2.4 Bù FBG tại cả hai đầu phát và thu 93

4.4 Mô hình và kết quả của việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc FBG kết hợp với kỹ thuật bù tán sắc DCF 93

4.4.1 Mô hình bù trước DCF kết hợp với FBG ở đầu thu 94

4.4.2 Kết quả thu được của mô hình ở 40Gb/s 94

4.4.2.1 Bù trước DCF 94

4.4.2.2 Bù trước DCF kết hợp FBG đặt ở đầu thu 95

4.5 Kết luận chương 95

DUT.LRCC

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 96

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 98

PHỤ LỤC 99

DUT.LRCC

TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG

THÔNG TIN SỢI QUANG

Học viên: Trần Hữu Lộc Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: CH680 Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao WDM có vai trò rất quan

trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu tăng lên về tốc độ, dung lượng và băng thông rộng cho các dịch vụ hiện tại như: kênh thoại, kênh dữ liệu hình ảnh đa phương tiện, dữ liệu phim ảnh video, hội nghị truyền hình, video call, kênh data tốc độ cao,… Tuy nhiên, có một số ảnh hưởng tác động lên hệ thống quang WDM, kể đến trước tiên là ảnh hưởng của tán sắc, tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit, làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM Hơn thế nữa, vấn đề quản lý tán sắc trong hệ thống WDM là vấn đề rất được quan tâm hiện nay Vì vậy, em đã lựa chọn nội dung tán sắc làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học, tập trung vào nghiên cứu tán sắc, kỹ thuật bù tán sắc, mô phỏng kỹ thuật bù tán sắc DCF và một số kỹ thuật bù tán sắc khác trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao WDM để đánh giá chất lượng hệ thống do ảnh hưởng của

tán sắc

Từ khóa: Tán sắc, Sợi quang bù tán sắc (DCF), Sợi quang cách tử Bragg (FBG), công

nghệ kỹ thuật WDM, Pre/Post DCF, phần mềm mô phỏng OptiSystem 7.0 của Optiwave Photonic Softwave

STUDY ON DISPERSION COMPENSATION TECHNIQUES TO IMPROVE THE QUALITY OF FIBER-OPTIC COMUNICATIONS SYSTEMS

Student: Tran Huu Loc Major of Master program: Electronic Engineering

Student code: CH680 Course: K36 The University of Da Nang - University of

Science and Technology

Abstract: WDM high-speed optical communication technology plays a very

important role in meeting the increased requirements for speed, capacity and bandwidth for current services such as voice channel, multimedia image data channel, video film data, video conferencing, video call, high-speed data channel, etc However, there are some influences on optical WDM system, first of all The effect of dispersion, that limits the transmission distance

as well as the speed of the WDM system, causing bit errors, and seriously degrading the characteristics of the WDM system Moreover, the problem of dispersive management in WDM system is a matter of great concern today Therefore, I selected the content of dispersion as a master's thesis, focusing on dispersion research, dispersion compensation technique, simulating DCF dispersion compensation technique and some diffusion techniques Other colors in WDM high-speed optical information systems to assess system quality due to the effect of dispersion

Key words: Dispersion, Dispersion compensation Fiber (DCF), Fiber Bragg Grating

(FBG), WDM technologies, Pre/Post-Compensation, OptiSystem 7.0 of Optiwave Photonic Softwave

DUT.LRCC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ chuyển tải bất đồng bộ

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

BLSR Bidirectional Line Switched Ring Vòng ring chuyển mạch đường hai

chiều BPF Bandpass filter Bộ lọc thông dải

CD Chromatic Dispersion Tán sắc sắc thể

DBR Distributed Bragg Reflection Phản xạ phân bố Bragg

DCF

DCM

Dispersion Compensating Fiber

Dispersion Compensating Module

Sợi bù tán sắc

Mô đun bù tán sắc DDF Dispersion Decreasing Fiber Sợi giảm tán sắc

DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép kênh

DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân bố

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

DWDM Dense WDM WDM mật độ cao

EA Electroabsorption Modulator Bộ điều chế hấp thụ điện

EDFA Erbium Dopped Fibre Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi Erbium FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi

FM Frequency Modulation Điều tần

FP Fabry-Perot Khoang cộng hưởng

FOM Figure Of Merit Hệ số cộng hưởng

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch pha tần số

FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng

GI Graded index Chỉ số giảm dần

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

HFOM High Figure Of Merit Hệ số cộng hưởng cao

KERR Magneto-optic Kerr effect Hiệu ứng quang từ Kerr

IOF Inter-Office Facility Thiết bị văn phòng

IP Internet Protocol Giao thức Internet

LASER Light Amplified and Stimulated

Emission of Radiation

Khuếch đại ánh sáng bức xạ kích thích

MCVD Modified Chemical Vapor

Deposition

Lắng đọng hóa chất biến đổi

MD Modal Dispersion Tán sắc mode

MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode

DUT.LRCC

MMF Multimode Fibre Sợi đa mode

MPI Multi Path Interference Nhiễu giao thoa đa đường

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

MZ Mach-Zehnder Interferometer Bộ giao thoa kế Mach-Zehner

NA Numerical Aperture Khẩu độ số

NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến

NZDF Non-zero dispersion-shifted

single-mode optical fiber

Sợi đơn mode dịch chuyển tán sắc không trở về không

NZDSF None-Zero Dispersion Shifted

Fiber

Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không

OA Optical Amplifier Khuếch đại quang

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

OPC Optical Phase Conjugation Kết hợp pha quang

PC Polarization Controller Bộ điều khiển phân cực

PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PSP Principal State of Polarization Trạng thái phân cực chính

RC the Radiation Caustic Lớp ăn mòn bức xạ

RDS the Relative Dispersion Slope Tán sắc tương đối

RMS Root-Mean-Square Trị hiệu dụng

RZ Return to Zero Trở về không

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích

SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ

SI Step index Chỉ số nhảy bậc

SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SOP State of Polarization Trạng thái phân cực

SPM Self of Polarization Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

SW Optical Switch Chuyển mạch quang

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TEC Thermally Expanded Core Lõi mở rộng bằng nhiệt

TF Transmission Fiber Sợi truyền

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha

ZD Zero-Dispersion Tán sắc bằng không

DUT.LRCC

Bảng 1.1 Đặc tính của một số sợi quang có tính thương mại trên thị trường 25

Bảng 1.2 Cự ly truyền bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp 27

Bảng 3.1 Hệ số tán sắc, độ dốc tán sắc và độ dốc tán sắc tương đối (RDS)

của các sợi truyền ở bước sóng 1550nm

47

Bảng 3.2 Số mũ cho biểu thức suy hao tán xạ bất thường 56

Bảng 3.3 Đặc tính quang đo được ở 1550nm đối với 3 sợi bù tán sắc có độ

dốc khớp với sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (RDS = 0,0035

nm-1)

61

Bảng 3.4 Đặc tính quang được đo ở 1550nm đối với sợi bù tán sắc có độ

dốc khớp với sợi quang đơn mode chuẩn (RDS = 0,0035nm-1) và

Bảng 3.6 Mô tả đặc tính sợi SMF, tiêu chuẩn sợi DCF trong môđun

thường và tiêu chuẩn sợi DCF trong môđun có kích thước thu

Bảng 3.9 Mục kiểm tra và điều kiện kiểm tra độ tin cậy 74

Bảng 3.10 Việc thay đổi đo lường của phép đo quang học sau mỗi thí

nghiệm

74

Bảng 3.11 Đặc tính sợi quang FC-DCF mô đun thu nhỏ gồm: đường kính

90µm sợi thường; 80µm cho sợi FC-DCF mục tiêu và 80µm

mẫu đầu tiên FC-DCF thiết kế thực nghiệm

74

Bảng 3.12 Đặc tính quang của module FC-DCF thu gọn 75

DUT.LRCC

Hình 1.2 Thể hiện các loại tán sắc trong sợi quang 18

Hình 1.3 Thể hiện phương thức truyền các luồng ánh sáng tương ứng với

các mode truyền trong sợi quang

18

Hình 1.4 Thể hiện công suất quang được mang bởi 4 mode truyền và gây

tán sắc

19

Hình 1.6 Mô tả sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo

bước sóng của Silica nóng chảy

23

Hình 1.7 Mô tả sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode MFD

là đường kính trường mode

23

Hình 1.8 Mô tả sự thay đổi của b (tần số lan truyền chuẩn hóa) và đạo hàm

của nó là d(Vb)/dV và Vd2(Vb)/dV2 và theo tham số V

24

Hình 1.9 Tán sắc tổng cộng D và sự phân bố tương đối của tán sắc chất

liệu (DM) và tán sắc ống dẫn sóng (DW) của sợi đơn mode thường

24

Hình 1.10 Mô tả sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi

chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc

24

Hình 1.12 Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán

Hình 2.1 Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a)Tần số và công suất tín hiệu

phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải

mã

31

Hình 2.2 (a) Biểu đồ của sợi DCF có dùng sợi quang mode bậc cao HFOM

và hai cách tử chu kỳ dài LPG ; (b) Phổ tán sắc của DCF; (c) Dùng sợi DCF trên tuyến quang; (d) Độ dốc tán sắc theo khoảng

cách

33

Hình 2.3 Quản lý tán sắc trong đường truyền sợi đường dài dùng các bộ

lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại có tác dụng bù GVD và giảm

nhiễu

34

Hình 2.4 (a) Mạch sóng quang phẳng dùng chuỗi giao thoa Mach-Zehnder

(b) Thiết bị quang trải rộng

36

Hình 2.5 Nguyên lý kỹ thuật bù tán sắc bằng cách tử Bragg 37

Hình 2.6 Mô tả mối quan hệ giữa cường độ và pha của hệ số phản xạ theo

hàm điều hướng trong cách tử đều

39

Hình 2.7 GVD do cách tử tạo ra mô tả là hàm của  cho vài giá trị của hệ

số ghép 

39

Hình 2.8 Mô tả mối quan hệ giữa hệ số truyền và độ trễ thời gian là một

hàm bước sóng đối với cách tử đều

40

DUT.LRCC

Hình 2.9 Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính 42

Hình 2.10 Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến

tính có băng thông 0,12nm

42

Hình 2.11 Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) Bộ ghép

hai mode dịch tần; (b) Sợi hai lõi thon

43

Hình 3.2 Tuyến truyền gồm sợi cáp truyền dẫn sợi chuẩn và bộ khuếch đại

với sợi bù tán sắc

46

Hình 3.4 Việc thay đổi độ dư tán sắc và băng thông có thể sử dụng của 4

tuyến quang kết nối gồm một NZDF và sợi bù tán sắc

48

Hình 3.5 Cấu hình chỉ số ba lớp; (a) Lõi được bao quanh bởi rãnh pha tạp

sâu đi xuống ; (b) Cấu hình chỉ số cho vùng dẫn mode lõi; (c)

Cấu hình chỉ số cho vùng dẫn mode vòng

50

Hình 3.6 Chệnh lệch về chỉ số hiệu dụng cho các mode core (mode lõi),

mode ring (mode vòng) , LP01 và LP02

50

Hình 3.7 Chênh lệch chỉ số hiệu dụng của mode vòng và mode lõi và LP01

cho ra kết quả tán sắc

51

Hình 3.8 Tán sắc, độ dốc tán sắc và độ uốn cong tán sắc cho sợi bù tán sắc 53

Hình 3.9 Cấu hình chỉ số không bị biến dạng và tương đương của sợi uốn 58

Hình 3.10 Tán sắc, RDS, chênh lệch chỉ số hiệu dụng và diện tích hiệu dụng

của sợi A và B

60

Hình 3.12 RDS cho sợi A và sợi B là hàm của các biến đổi của bán kính lõi 61

Hình 3.13 Độ dư tán sắc cho SMF được bù bằng các sợi A, B hoặc C 62

Hình 3.14 Ảnh hưởng trên chỉ số hiệu dụng, độ tán sắc, RDS và tổn hao uốn cong

vĩ mô của việc thay đổi diện tích rãnh của cấu hình chỉ số ba lớp (a) Tăng diện tích rãnh làm giảm sự chồng chéo giữa mode lõi và mode vòng; (b) với độ dốc tán sắc cao và do đó RDS cao hơn; (c) Tăng diện tích rãnh làm giảm bước sóng cho RDS tối đa; (d) băng thông, trong

đó sợi có cả RDS cao và tổn hao uốn vĩ mô thấp, rất hẹp

Hình 3.17 Mô phỏng hệ số tổn hao uốn cong vi mô như là một hàm của

đường kính bọc sợi (thủy tinh)

68

Hình 3.18 Các đặc tính tán sắc và chênh lệch chỉ số hiệu dụng của sợi bù

tán sắc được chia tỷ lệ

68

Hình 3.19 Tỷ lệ của sự dịch pha phi tuyến với công suất đầu ra là một hàm

của chiều dài của sợi truyền được bù tán sắc do các mô đun bù tán sắc cho sợi SSMF và NZDF

70

Hình 3.20 (a) Đặc tính tán sắc và (b) Phổ suy hao của sợi DCF nguyên mẫu

trong môđun DCF thường

71

Hình 3.21 Độ dư tán sắc sau khi bù tán sắc cho 80km sợi SMF 73

Hình 3.22 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào suy hao chèn của mô-đun số 4 73

DUT.LRCC

Hình 3.23 (a) Phổ suy hao và (b) Phân bố Weibull theo chiều dọc sợi của

sợi DCF đường kính 80µm

75

Hình 3.24 Độ dư tán sắc thu được sau khi bù tán săc 100km sợi SMF 76

Hình 3.25 Sự phụ thuộc nhiệt độ của tổn hao chèn mô-đun ở bước sóng đo

1550nm

76

Hình 4.7 Mô hình FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu 83

Hình 4.8 Kết quả thu được có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s 83

Hình 4.9 Kết quả bù trước DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở

2.5Gb/s

84

Hình 4.10 Kết quả bù sau DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s 84

Hình 4.11 Kết quả bù đối xứng DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 2.5Gb/s 84

Hình 4.12 Kết quả FBG đặt ở đầu phát có cự ly 900km (a) và 1200km (b )

Hình 4.17 Kết quả bù sau DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s 87

Hình 4.18 Kết quả bù đối xứng DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 10Gb/s 88

Hình 4.19 Kết quả FBG đặt ở đầu phát có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở

Hình 4.23 Kết quả bù sau DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở 40Gb/s 91

Hình 4.24 Kết quả bù đối xứng DCF có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở

Hình 4.26 Kết quả FBG đặt ở đầu thu có cự ly 900km (a) và 1200km (b) ở

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Công nghệ truyền dẫn tốc độ cao đóng vai trò rất quan trọng trong mạng xương sống “Backbone” của các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông trong nước cũng như quốc tế Hệ thống mạng truyền dẫn đường trục Backbone là yếu tố hàng đầu quyết định cho sự thành công hay thất bại của nhà mạng Sự ra đời của công nghệ kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh WDM đã đáp ứng được những yêu cầu tăng lên rất lớn

để cải thiện đáng kể tốc độ, dung lượng và băng thông rộng Đáp ứng được tất cả các yêu cầu của dịch vụ hiện tại như: kênh thoại, internet, kênh thuê riêng, kênh dữ liệu hình ảnh đa phương tiện, dữ liệu phim ảnh video, hội nghị truyền hình, video call, kênh data tốc độ cao, … Công nghệ quang ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM

ra đời tạo ra xu hướng phát triển chung đối với các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông trong nước nói chung, đồng thời cũng là nhu cầu cấp thiết và xu hướng chung phát triển, nâng cao chất lượng truyền dẫn trong ngành viễn thông nói chung

Tuy nhiên, do một số những ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên những nhà khai thác mạng viễn thông vẫn chưa tận dụng được hết những ưu điểm vượt trội của hệ thống này Những ảnh hưởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hưởng của tán sắc đối với hệ thống WDM Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit, làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM Do đó vấn đề tán sắc trong hệ thống WDM là vấn đề rất được quan tâm Vì vậy, tác giả chọn nội dung “ Nghiên cứu tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang” làm luận văn tốt nghiệp cao học

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

- Nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc tác động lên hệ thống quang WDM gây suy giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống

- Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật bù tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang WDM như kỹ thuật bù tán sắc sợi DCF và kỹ thuật bù tán sắc sợi FBG

- Xây dựng mô hình thiết kế, tính toán và thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Optisystem của hãng OptiWave nhằm so sánh đánh giá chất lượng (BER, Q-Factor) của hệ thống

3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

a) Đối tƣợng nghiên cứu:

- Nghiên cứu tán sắc và nguyên nhân của ảnh hưởng tán sắc tác động lên hệ thống gây suy giảm chất lượng hệ thống

DUT.LRCC

- Các kỹ thuật bù tán sắc

- Tính toán thiết kế sợi bù tán sắc sợi DCF

- Ứng dụng chương trình“OptiSystem” để mô phỏng

b) Phạm vi nghiên cứu:

- Hệ thống thông tin sợi quang WDM

- Nguyên nhân của ảnh hưởng tán sắc

- Các kỹ thuật bù tán sắc

- Tập trung vào thiết kế sợi bù tán sắc DCF

- Mô phỏng kỹ thuật bù tán sắc DCF và FBG nhằm so sánh đánh giá chật lượng

hệ thống

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Phương pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể như sau:

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc

- Tập trung vào kỹ thuật bù tán sắc bằng sợi DCF và thiết kế sợi bù tán sắc DCF

- Tính toán, thiết kế và xây dựng mô hình kỹ thuật bù tán sắc DCF và FBG

- Sử dụng phần mềm “OptiSystem” để thực hiện mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ thống quang WDM dưới ảnh hưởng của tán sắc khi sử dụng kỹ thuật bù tán sắc sợi DCF và FBG

- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên kết quả mô phỏng

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:

Vấn đề tán sắc gây ảnh hưởng đến suy giảm chất lượng hệ thống quang WDM cũng như giới hạn khoảng cách truyền Đây là vấn đề lớn rất được quan tâm hiên nay Thực tế làm thế nào để đánh giá chất lượng hệ thống và nâng cao cải thiện chất lượng mạng truyền dẫn thông tin sợi quang WDM khi đã và đang vận hành trong nước cũng như ngoài nước Do vậy, bù tán sắc là vấn đề thực tiễn đang được quan tâm hiện nay, nhằm nâng cao chất lượng hệ thống

6 KẾT CẤU LUẬN VĂN:

Nôi dung luận văn gồm các chương:

- Chương 1: Nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc trong hệ thống thông tin

sợi quang WDM

- Chương 2 : Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc

- Chương 3: Tính toán thiết kế bù tán sắc DCF

DUT.LRCC

- Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc

DCF và FBG trên hệ thống thông tin quang WDM

Tìm hiểu nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc nhằm để quản lý tán sắc và tập trung nghiên cứu kỹ thuật bù tán sắc DCF Hơn nữa, mô phỏng và nhận xét đánh giá kỹ thuật bù tán sắc DCF với một số kỹ thuật bù tán sắc khác trên hệ thống quang WDM

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn của

em không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy PGS.TS Tăng Tấn Chiến đã

tận tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ

THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM 1.1 Khái niệm về tán sắc

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền dọc trong sợi quang bị giãn xung Nếu xung giãn lớn hơn chu kì bit, gây ra sự chồng lấp giữa các bit kế cận nhau Kết quả đầu thu không nhận biết được bit 1 hay bit 0 đã truyền đi ở đầu phát, đồng nghĩa

bộ chọn tại đầu thu sẽ chọn sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỉ số S/N giảm và chất lượng hệ thống suy giảm Hình 1.1 minh họa tán sắc gây giãn xung [1]

Hình 1.1 Tán sắc gây giãn xung và tăng tỉ số BER

Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi, đơn vị là giây (s) Khi đó D được xác đinh bởi công thức:

D = 𝑇02 − 𝑇𝑖2 (1.1) Trong đó: Ti, To lần lượt là độ rộng xung tại đỉnh bằng một nữa công suất cực đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi, đơn vị là giây (s) Độ tán sắc qua mỗi km sợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km Với loại tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát quang thì lúc đó đơn vị tính là ps/km-nm.[1],[4],[5][6]

1.2 Các loại tán sắc

Trong hệ thống thông tin quang có thể có 3 loại tán sắc: tán sắc mode, tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể (gồm tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu) Với sợi quang đa mode thì có tất cả các loại tán sắc nói trên Khi công nghệ chế tạo sợi quang phát triển thì sợi quang đơn mode ra đời, khắc phục được tán sắc mode của sợi

đa mode Tuy nhiên, vì bản chất chiết suất Silica phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa nguồn phát không thể phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có 1 bước sóng) mà là một chùm tia sáng với một độ rộng phổ dải bước sóng hẹp nào đó Chính vì vậy trong sợi đơn mode vẫn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể Ngày nay, công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ, chế tạo ra được các loại sợi quang mới cần

DUT.LRCC

tốc bit cao và cự ly lớn Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về các loại tán sắc trong sợi quang như hình 1.2:[1],[4],[5],[6]

Hình 1.2 Thể hiện các loại tán sắc trong sợi quang

1.2.1 Tán sắc mode MD

Khi truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi quang, thì tín hiệu ánh sáng truyền đi theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode sóng Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi quang và có thể xem gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng

Tán sắc mode do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode Mỗi mode được truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của các mode khác nhau là khác nhau, gây ra tán sắc

Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi sợi Tán sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode Do đó loại bỏ tán sắc mode thì dùng sợi quang đơn mode

Thật vậy ánh sáng truyền trong sợi quang gồm tập hợp những tia sáng riêng lẻ Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi ta sẽ thấy tập hợp những tia ánh sáng truyền với góc α biến thiên từ 0 đến αc thể hiện ở hình 1.3 sau:

Hình 1.3 Thể hiện phương thức truyền các luồng ánh sáng tương ứng với các mode

truyền trong sợi quang[1],[4][5][6]

Các luồng tia sáng khác nhau được định nghĩa là các mode truyền Ta phân biệt các mode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để phân biệt các mode riêng biệt Nguyên tắc, góc truyền của mode càng nhỏ thì thứ tự mode càng thấp Vì vậy, mode truyền dọc theo tâm sợi quang mode 0 (mode cơ bản) và mode truyền ở góc tới hạn αc là mode có thứ tự lớn nhất có thể khi truyền vào sợi quang Nhiều mode có thể cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyền gọi là sợi đa mode

Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính và dạng hình học của sợi quang Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi sợi quang càng truyền được nhiều mode sóng Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng trong sợi thu được

DUT.LRCC

càng nhiều Vì vậy, chúng ta có thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ

lệ thuận với đường kính sợi quang (d), khẩu độ số NA và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng sử dụng truyền (λ)

Gọi V là tần số chuẩn hóa, thì V được xác định theo công thức sau:

Vì vậy, với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồn phát, đi vào sợi quang chia thành một tập hợp mode Trong sợi quang, công suất quang tổng cộng được mang bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại thành luồng ra với công suất của chúng Hình 1.4 thể hiện vần đề vừa đề cập trên với 4 mode làm ví dụ.[1],

Hình 1.4 Thể hiện công suất quang được mang bởi 4 mode truyền và gây tán sắc

Từ hình 1.4 trên ta thấy độ rộng xung tín hiệu sau sợi quang được bắt đầu bằng mode 1 và kết thúc bằng mode 4 Do độ trễ về thời gian giữa các mode nên xung tín hiệu bị giãn ra (t)

Mode tới hạn truyền cuối sợi quang mất khoảng thời gian là tc được tính như sau: 𝑡𝑐 = 𝑡𝑐′ với t’c là từng đoạn nhỏ của đường truyền và được tính như sau:[1]

𝑛1 (1.5) Cuối cùng ta tính được:[1]

𝑛1− 𝑛2

𝑛2 =

𝐿𝑛1𝑐

𝑛1 − 𝑛2

𝑛2 (1.6) Lưu ý biểu thức này tính cho sợi SI nên còn được ký hiệu là TSI Gọi  = 𝑛1− 𝑛2

𝑛 2 là độ chênh lệch chiết suất thì tính được:[1]

𝑇𝑆𝐼 = 𝐿𝑛1

𝑐  (1.7) Sau đây là hình ảnh minh họa tán sắc mode trong sợi quang SI và sợi quang GI:

DUT.LRCC

Hình 1.5 Tán sắc mode trong sợi quang SI và GI

1.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode

Tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hạn chế tốc độ bit trong hệ thống thông tin quang dùng sợi đa mode Để khắc phục tán sắc mode, người ta đã chế tao ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng, gọi là sợi đơn mode

Vì thế tốc độ truyền cải thiện đáng kể và tăng cự ly truyền Ngoài ra sợi quang đơn mode còn chịu ảnh hưởng các loại tán sắc khác như: tán sắc sắc thể (nguyên nhân chính hạn chế tốc độ bit) và tán sắc phân cực mode

Hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi quang đơn mode do bộ phát quang không phát ra được ánh sáng đơn sắc, mà chúng phát ra một chùm tia sáng có bước sóng trung tâm (công suất phát cực đại) và các bước sóng biên, hay còn gọi là độ rộng phổ nguồn phát Tức nguồn phát, phát ra ánh sáng nằm trong dải tần Chúng ta biết, chiết suất của sợi quang làm từ Silica là một hàm phụ thuộc vào bước sóng, nên vận tốc lan truyền của các thành phần tần số khác nhau thì khác nhau, và nó phụ thuộc vào bước sóng theo công thức sau: v = c/n(λ)

Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân sinh ra: tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng Thứ nhất, tán sắc vật liệu là do các thành phần tần số khác nhau di chuyển với vận tốc khác nhau do tán sắc Thứ hai, tán sắc ống dẫn sóng sinh ra do năng lượng ánh sáng truyền đi có một phần trong lõi và một phần trong lớp vỏ bọc Sự phân bố năng lượng giữa lõi và lớp vỏ bọc là một hàm của bước sóng, cụ thể là nếu bước sóng dài hơn thì năng lượng trong lớp vỏ bọc nhiều hơn Vì vậy, nếu bước sóng thay đổi, sự phân bổ năng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền cũng thay đổi.[5]

Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còn tồn tại một loại tán sắc không kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm Như chúng ta biết, ưu điểm chính của sợi đơn mode là không có tán sắc mode bởi vì năng lượng đưa vào là xung chỉ được truyền tải bởi một mode đơn nhất và duy nhất Tuy nhiên giãn xung không biến mất hoàn toàn, vì vận tốc nhóm của mode cơ bản thì phụ thuộc vào tần số do tán sắc sắc thể Kết quả là các thành phần phổ khác nhau của xung truyền có vận tóc nhóm khác nhau một chút, và tán sắc có nguyên nhân như trên được gọi là tán sắc vận tốc nhóm

DUT.LRCC

1.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm GVD

Xét sợi đơn mode có chiều dài L Một thành phần phổ riêng biệt tại bước sóng λ

có tần số góc là  sẽ đến ngõ ra cuối sợi quang và độ trễ về mặt thời gian là T = L/vg Trong đó, vg là vận tốc nhóm và được định nghĩa là: [1],[4], [5],[6]

vg = ( d/d)-1 (1.8)Bằng cách áp dụng  = 𝑛 ko = 𝑛 /c ; với  là hằng số lan truyền Thay vào phương trình (1.4) ta có thể tính được vg = c/𝑛 g Trong đó, 𝑛 g là chiết suất nhóm và được cho bởi:[1],[4],[5],[6]

𝑛 g = 𝑛 + (d𝑛 /d) (1.9)

Sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc nhóm dẫn đến việc mở rộng xung, đơn giản là bởi vì các thành phần phổ khác nhau của xung bị tán sắc trong suốt quá trình lan truyền và không đến ngõ ra của sợi cùng một lúc

Nếu Δ là độ rộng phổ của xung thì phạm vi mở rộng xung đối với sợi có chiều dài L được cho bởi: [1],[4], [5],[6]

Trong một số hệ thống thông tin quang, việc trải rộng về mặt tần số Δ được quyết đinh bởi dải các bước sóng Δλ đã phát bởi nguồn quang Thông thường ta sử dụng Δλ thay cho Δ Bằng cách sử dụng  = 2c/λ và Δ = (-2c/ λ2).Δλ Phương trình (1.10) có thể được viết lại là: [1],[4], [5],[6]

ΔT = 𝑑

𝑑𝜆 (𝐿

𝑣𝑔)Δλ = D.L.Δλ (1.11) Trong đó:

D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/km-nm

Ảnh hưởng của tán sắc lên tốc độ bit B có thể được ước tính bằng cách sử dụng điều kiện B.ΔT < 1 Bằng cách sử dụng ΔT trong phương trình (1.7) thì điều kiện này trở thành:

B.L.|D|.Δλ < 1 (1.13) [1],[4], [5],[6]

Phương trình (1.13) cho chúng ta ước tính về tích B.L của sợi quang đơn mode Đối với sợi quang đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng 1,3µm (D xấp xỉ 1 ps/km-nm) Đối với Laser diode bán dẫn có độ rộng phổ Δλ từ 2 đến 4 nm thì giá trị B.L có thể vượt quá 100Gbps-km Trong thực tế chúng ta có các hệ thống hoạt động tại bước sóng 1,3 µm có tốc độ bit là 2Gpbs với khoảng cách trạm lặp từ

DUT.LRCC

40km đến 50km Giá trị B.L của sợi đơn mode có thể vượt quá 1Tbps-km khi Laser bán dẫn đơn mode được sử dụng để giảm Δλ dưới 1nm

Hệ số tán sắc D thay đổi đáng kể khi bước sóng làm việc dịch ra khỏi 1,3 µm

Sự phụ thuộc vào bước sóng của D là do sự phụ thuộc vào tần số của chiết suất mode

𝑛 Từ phương trình (1.12) D có thể được viết lại:

Ở đây n2g là chiết suất nhóm của lớp vỏ bọc, V là tần số chuẩn hóa , b là hằng

số lan truyền chuẩn hóa, Δ là sự chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc Trong các phương trình từ (1.15) đến (1.17) thì tham số Δ được xem là độc lập tần số.

1.2.2.2 Tán sắc vật liệu

Tán sắc vật liệu xãy ra do chiết suất của Silica thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau thì cũng khác nhau Nguồn gốc của tán sắc vật liệu là do các tần số cộng hưởng riêng lúc vật liệu hấp thụ bức xạ điện từ

Hình 1.6 sau đây sẽ cho thấy sự phụ thuộc vào bước sóng của chiết suất (n) và chiết suất nhóm (ng) trong dải từ 0,5 µm đến 1,6 µm đối với sợi Silica nóng chảy

Tán sắc vật liệu (DM) có liên hệ với độ dốc của ng bởi công thức (1.16) như sau:

DM ≈ 122(1- λZD / λ) (1.18)[4][5][6]

Lưu ý : λZD chỉ bằng 1,276 µm đối với sợi Silica thuần khiết Giá trị của λZD có thể thay đổi trong dải từ 1,27 µm đến 1,29 µm đối với sợi quang mà lõi và lớp bọc được pha tạp chất để thay đổi chiết suất Bước sóng tán sắc 0 (λZD) của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi (a) và bước nhảy chiết suất (Δ) của sợi quang

DUT.LRCC

Hình 1.6 Mô tả sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm n g theo bước sóng của Silica nóng chảy[1][4][5][6]

1.2.2.3 Tán sắc ống dẫn sóng

Trong sợi đa mode, tán sắc ống dẫn sóng là một phần nhỏ trong tán sắc tổng, do

đó thường thấy tán sắc sắc thể và tán sắc vật liệu có thể hoán chuyển cho nhau khi xét sợi đa mode Nhưng với sợi đơn mode thì tán sắc ống dẫn sóng lại là một thành phần tán sắc quan trọng Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc lẫn nhau và do

đó ta phải xét chúng cùng nhau [1][4][5][6]

Hình 1.7 Mô tả sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode MFD là đường

kính trường mode

Tán sắc ống dẫn sóng xuất hiện do ánh sáng được truyền bởi cấu trúc sợi quang

Cơ chế gây ra tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đơn mode như sau: Sau khi đi vào sợi quang, một xung ánh sáng mang thông tin sẽ được phân bố giữa lõi và lớp bọc như được minh họa ở Hình 1.7; cho thấy tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào sự phân bố trường mode giữa lõi và lớp bọc, tức phụ thuộc vào đường kính của trường mode (MFD) mà MFD lại phụ thuộc vào bước sóng, do đó tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào bước sóng

Hai thành phần ánh sáng trong lõi và lớp vỏ bọc truyền với vận tốc khác nhau, nên đến cuối sợi quang vào các thời điểm khác nhau gây ra tán sắc

Tán sắc ống dẫn sóng (DW) được tính như trong phương trình (1.17) và phụ thuộc vào tham số V (tần số chuẩn hóa) của sợi

Hình 1.8 Mô tả sự thay đổi của b (tần số lan truyền chuẩn hóa) và đạo hàm của nó là

Hình 1.10 Mô tả sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đối với sợi chuẩn,

sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc

Ta thấy tán sắc ống dẫn sóng (DW) làm cho bước sóng tán sắc 0 dịch khoảng 30 đến 40nm để tán sắc tổng (D) bằng 0 ở gần bước sóng 1,31µm Ngoài ra, tán sắc ống dẫn sóng còn làm giảm tán sắc tổng từ giá trị tán sắc vật liệu (DM) trong dải bước sóng

từ 1,3µm đến 1,6µm Giá trị tiêu biểu của D là từ 15 đến 18ps/(km-nm) ở gần bước sóng 1,55µm Khi D lớn sẽ hạn chế hoạt động của hệ thống tại bước sóng 1,55µm Hình 1.10 sau đây cho thấy các vị trí tiêu biểu về sự phụ thuộc bước sóng của D đối

với sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc [1][4][5][6]

1.2.2.4 Tán sắc bậc cao hơn

Từ phương trình (1.13) ta thấy giá trị B.L của sợi đơn mode có thể tăng lên đến

vô cùng khi hoạt động tại bước sóng tán sắc 0 (λZD) vì D = 0 Tuy nhiên các ảnh hưởng

DUT.LRCC

tán sắc không biến mất hoàn toàn tại bước sóng tán sắc 0 Các xung quang vẫn bị trải rộng do ảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn Tán sắc tổng (D) không thể bằng 0 tại tất

cả các bước sóng trong dải phổ của một xung tập trung tại bước sóng tán sắc 0 Rõ ràng là sự phụ thuộc bước sóng của D sẽ đóng vai trò quan trọng trong sự mở rộng xung Các ảnh hưởng của tán sắc bậc cao hơn bị chi phối bởi độ dốc tán sắc S = dD/dλ , tham số S còn được gọi là tham số tán sắc vi phân.[4][5][6]

Giá trị của độ dốc tán sắc (S) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống WDM hiện nay Vì S > 0 đối với hầu hết các loại sợi, các kênh khác nhau có giá trị GVD hơi khác nhau Điều này gây khó khăn cho việc bù tán sắc tất cả các kênh cùng lúc Để giải quyết vấn đề này, các loại sợi quang mới đã được phát triển, chúng

có S không những nhỏ (độ dốc tán sắc giảm) mà còn âm (sợi tán sắc ngược) Bảng sau đây cho ta thấy danh sách các đặc tính của các loại sợi hiện có trên thị trường.[4],[5]

Bảng 1.1 Đặc tính của một số loại sợi quang có tính thương mại trên thị

2 to 6

- 1.4 to – 4.6 5.5 to 10

0.060 0.050 0.060 0.112 0.058

Từ phương trình (1.13) ta thấy giới hạn tốc độ bit của kênh hoạt động tại bước sóng tán sắc 0 (λZD) là vô cùng lớn Tuy nhiên không đúng như thế, vì S trở thành nhân

tố giới hạn trong trường hợp này Chúng ta có thể ước tính tốc độ bit giới hạn bằng việc chú ý là đối với nguồn có độ rộng phổ Δλ giá trị hiệu dụng của hệ số tán sắc trở thành D = S Δλ [1] và phương trình (1.13) trở thành:

B.L.|S| (Δλ)2 < 1 (1.19) [1][4][5][6]

Đối với Laser bán dẫn đa mode có Δλ = 2nm và một sợi quang tán sắc có S = 0,05 ps/(km-nm2) tại bước sóng 1,55 µm thì B.L đạt 5Tbps-km (giá trị này sẽ được cải thiện nếu dùng Laser bán dẫn đơn mode).[4]

1.2.2.5 Tán sắc phân cực mode

Nguồn gốc của sự mở rộng xung trong trường hợp này có liên quan đến khúc xạ hai lần của sợi (B = n x− n y ; n x, n y lần lượt là chiết suất mode của các mode phân cực trực giao) Việc không đối xứng tròn của lõi tạo ra sự phản xạ hai lần do chiết suất mode ứng với các thành phần phân cực trực giao của mode cơ bản là khác nhau Nếu xung ngõ vào kích cả hai thành phần phân cực thì nó trở nên rộng hơn do hai thành

DUT.LRCC

phần tán sắc dọc theo sợi có vận tốc nhóm khác nhau Hiện tượng này gọi là tán phân cực mode PMD.[4]

Trong những sợi có Bm là hằng số, việc mở rộng xung ước tính từ độ trễ về mặt thời gian giữa hai trạng thái phân cực trong suốt quá trình lan truyền xung ΔT Đối với sợi có chiều dài L thì ΔT được xác định bởi:

Đối với sợi thường thì hơi khác vì Birefringence thay đổi dọc theo chiều dài sợi

là ngẫu nhiên Đối với một xung quang, trạng thái phân cực còn khác đối với các thành phần phổ khác nhau của xung Trạng thái phân cực cuối cùng không là sự quan tâm đối với các thành phần phổ khác nhau Trạng thái phân cực cuối cùng không là sự quan tâm đối với hầu hết các hệ thống Thông tin quang vì Photodetector dùng trong bộ thu không nhạy với trạng thái phân cực trừ khi sử dụng tách sóng Coherent Vấn đề ảnh hưởng đến các hệ thống như thế này không phải là trạng thái phân cực ngẫu nhiên nhưng xung lại bị mở rộng do sự thay đổi ngẫu nhiên của Birefringence

Một xung quang không được phân cực dọc theo hai trạng thái chính chia làm hai phần lan truyền với tốc độ khác nhau Độ trễ nhóm vi sai ΔT lớn nhất đối với hai trạng thái phân cực chính.[4]

Hình 1.11 Minh họa tán sắc phân cực mode

1.3 Ảnh hưởng tán sắc trên hệ thống WDM

Khi dùng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên Do đó, yêu cầu giải quyết vấn đề tán sắc rất quan trọng khi thực hiện truyền thông tin tốc độ cao và cự ly truyền dài Bây giờ, ảnh hưởng của tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu đối với hệ thống tốc độ cao rõ rệt Ví dụ, sợi quang G.652 tán sắc ở tốc độ 2,5Gbps cự ly truyền

bị hạn chế ở khoảng cách 928km, nếu tốc độ tăng lên 10Gbps thì cư ly truyền bị hạn chế chỉ còn 58km Bảng 1.2 nói về cự ly truyền bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp.[2]

DUT.LRCC

Bản chất tán sắc làm giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn sợi quang Tán sắc ảnh hưởng đến sợi đơn mode gồm: tán sắc vận tốc nhóm, tán sắc phân cực mode, tán sắc bậc cao và tán sắc dẫn sóng

Bảng 1.2 Cự ly truyền bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp:[2]

Tốc độ 1550nm (G.652) 1550nm (G.655) 1310nm (G.652) 2,5Gbps 928 km 4528 km 6400 km

PB = Pt (t) – Ps(G, NF) – PM – PP – PD – (NClC + NSlS) dB (1.21)

Trong đó, Pt(t) là 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; PD: công suất tổng tổn thất do tán săc, đây chính là công suất tương ứng do năng lượng phổ của tín hiệu bị giãn ra ngoài khe thời gian; PP: công suất đền bù lượng công suất mất mát;

PS(G, NF): là độ nhạy thu có tính cả ảnh hưởng của bộ khuếch đại và nhiễu của EDFA;

NS và NC là số mối hàn và số mối nối quang

Hình 1.12 là kết quả tính toán tìm thấy sự mất mát công suất của hệ thống do tán sắc gây ra với hệ thống 1 Gbps và 2,5 Gbps Kết quả cho thấy hệ thống 2,5Gbps bị tổn thất công suất nhiều hơn so với hệ thống 1Gbps với cùng một giá trị tán sắc.[2]

Hình 1.12 Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc cho hệ

Hình 1.13 Công suất quang bị tổn hao khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống

2,5Gbps

Hình 1.13 là kết quả tính toán xác định lượng công suất tín hiệu bị mất mát cho các hệ thống thông tin quang 2,5Gbps với các Laser có phổ rộng 0,1nm, 0,2nm, 0,3nm Từ kết quả thu được có thể thấy rằng, lượng công suất bị tổn thất sẽ tăng nhanh khi cự ly truyền dẫn tăng

Như vậy, các hệ thống cùng bị tổn hao công suất khi cự ly truyền dẫn tăng Tuy nhiên, các nguồn phát khác nhau sẽ gây ra sự tổn hao tín hiệu cũng khác nhau Khi độ rộng phổ nguồn phát là 0.1nm thì tổn hao công suất là 4,5dB với cự ly truyền dẫn là 52km Đối với các hệ thống có phổ nguồn phát phát rộng là 0,2nm và 0,3nm thì công suất bị tổn hao tương ứng là 4,5dB với cự ly là 26km và 6,2dB với cự ly chỉ còn 18km 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 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, ngoài suy hao quang, có nhiều tham số tương tác tới tán sắc sợi gây ảnh hưởng đến hệ thống và làm tổn hao đáng kể 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]

1.4 Kết luận chương

Tán sắc gây ra những ảnh hưởng rất lớn đến các hệ thống thông tin quang tốc

độ cao nói chung và hệ thống WDM nói riêng Chúng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống Thêm nữa, chúng có thể gây ra lỗi bit, gây xuống cấp nghiêm trọng các đặc tính của hệ thống Nhằm hạn chế và loại bỏ chúng, chúng ta cần phải áp dụng những kỹ thuật bù tán sắc phù hợp để bù toàn diện tốt nhất Đối với các hệ thống WDM chúng ta cần phải chú trọng hơn hết đến các tán sắc bậc cao và tán sắc phân cực mode Chúng là những tán sắc gây ra những ảnh hưởng xấu đến chất lượng cũng như đặc tính của hệ thống Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc DCF trong hệ thống WDM, mô phỏng đánh giá kỹ thuật bù tán sắc DCF và một số kỹ thuật khác trên hệ thống quang WDM

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC

2.1 Giới thiệu chương

Qua nội dung chương 1 trên cho thấy ảnh hưởng của tán sắc lên hệ thống truyền dẫn rất lớn Vì vậy, chương này luận văn sẽ nghiên cứu về các kỹ thuật bù tán sắc để nâng cao chất lượng truyền dẫn trong hệ thống thông quang tốc độ cao

2.2 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc

Ở chương 1 ảnh hưởng của tán sắc có tác động rất lớn đến chất lượng hệ thống thông tin quang nói chung và hệ thống thông tin quang tốc độ cao WDM nói riêng Tán sắc gây ra giãn rộng xung, méo tín hiệu, tăng lỗi bit, ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền dẫn Để giảm thiểu ảnh hưởng tán sắc vận tốc nhóm GVD, nếu dùng laser phổ hẹp và càng gần với bước sóng tán sắc zero λZD của sợi quang Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng kết hợp giữa bước sóng hoạt động λ với λZD Để điều biến trực tiếp laser DFB, chúng ta có thể dùng phương trình: B.L|D|.σλ  1/4 ; với σλ là độ rộng phổ nguồn RMS trong của nguồn; để ước tính khoảng cách truyền dẫn tối đa như sau:[4]

L < (4B.|D|Sλ )-1 (2.1)[4]

Trong đó, Sλ là độ rộng RMS của phổ xung đã được dãn rộng đáng kể bởi dịch tần số Khi dùng D = 16ps/(km.nm) và Sλ = 0,15 nm trong phương trình (2.1) thì các hệ thống thông tin quang ở tốc độ 2,5Gbps bị giới hạn ở mức cự ly L 42 km Thực tế, những hệ thống như vậy thường được dùng các thiết bị tái tạo điện nằm cách nhau 40km, và không tận dụng được tính khả dụng của các bộ khuếch đại quang Ngoài ra, tốc độ bit của chúng cũng không thể vượt quá 2,5Gbps vì lý do cự ly của thiết bị tái tạo là quá nhỏ để có thể đảm bảo khả thi về mặt kinh tế

Đặc tính của hệ thống được cải thiện đáng kể bằng cách dùng thiết bị điều chế ngoài Như vậy có thể tránh được hiện tượng giãn rộng phổ do dịch tần số Cách này

áp dụng vào các loại máy phát laser DFB thương mại với bộ điều chế tích hợp gắn liền Với Sλ = 0 hạn chế khi máy phát dùng loại sợi tiêu chuẩn Khoảng cách truyền giới hạn khi đó sẽ được tính như sau:

DUT.LRCC

lớn của sợi đơn mode tiêu chuẩn sẽ làm hạn chế tính năng của hệ thống 1,55 µm được thiết kế để dùng trong mạng viễn thông hiện có ở tốc độ 10 Gbps hoặc cao hơn nữa

Một số mô hình quản lý tán sắc được đưa ra để giải quyết vấn đề thực tiễn Cơ

sở nền tảng các mô hình đó khá đơn giản và dựa trên phương trình lan truyền như sau:

Trong đó, A là biên độ bao xung Những ảnh hưởng của tán sắc bậc ba được ký hiệu là

3 Trong thực tế, ký hiệu này có thể không được dùng nếu |2| lớn hơn 0,1 ps2/km Giải phương trình (2.3) sẽ được kết quả được:[4]

A z, t = 1

2π A− 0, exp(i

22z2 − it)d (2.5) Trong đó, 𝐴 (0,) là khai triển Fourier của A (0,t)

Sự suy biến gây ra tán sắc tín hiệu do hệ số pha có giá trị exp(i2z/2), bởi các thành phần phổ của xung trong quá trình lan truyền trong sợi

Tất cả các mô hình quản lý tán sắc đều cố gắng loại bỏ hệ số pha trên, nhằm phục hồi lại các tín hiệu đầu vào, đã được áp dụng trong máy phát, máy thu hoặc dọc theo đường truyền sợi quang

Trong đó, L là chiều dài sợi Khi đó vận tốc nhóm GVD sẽ được bù chính xác

và xung vân giữ nguyên dạng tại ngõ ra

Kỹ thuật này gồm có kỹ thuật Prechirp, kỹ thuật mã hóa Novel và kỹ thuật Prechirp phi tuyến

Người ta dùng khóa dich tần FSK cho việc truyền tín hiệu Tín hiệu FSK được thực hiện bằng việc chuyển mạch bước sóng của Laser lệch nhau một lượng là Δλ giữa bit 0 và bit 1 Hai bước sóng sẽ lan truyền trong sợi với tốc độ hơi khác nhau

Thời gian trễ giữa bit 1 và bit 0 phụ thuộc vào việc dịch bước sóng Δλ và được tính theo công thức ΔT = D.L.Δλ và ta chọn ΔT sao cho ΔT = 1/B

Việc trễ này tạo ra tín hiệu quang ba mức tại đầu thu Hình 2.1 cho ta thấy trễ một bit tạo ra tín hiệu quang ba mức như thế nào Do tán sắc sợi nên tín hiệu FSK sẽ chuyển sang tín hiệu có biên độ được điều chế Và tín hiệu này có thể được giãi mã ở đầu thu nhờ sử dụng bộ tích phân điện kết hợp với mạch quyết định bit.[9]

DUT.LRCC

Kỹ thuật mã hóa cặp nhị phân sẽ làm giảm băng thông của tín hiệu còn 50% Dựa vào hai bit kê tiếp nhau trong chuỗi nhị phân gộp lại hình thành một mã cặp nhị phân ba mức ở tốc độ bit chỉ bằng một nữa Vì tán sắc GVD phụ thuộc vào độ rộng băng tín hiệu, nên cự ly truyền có thể tăng Ví dụ: Tốc độ bit 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân thì cự ly truyền dẫn có thể tăng thêm 30 đến 40km so với mã hóa nhị phân

Mã hóa cặp nhị phân có thể kết hợp với kỹ thuật lệch tần trước Trong thực tế

đã truyền được tín hiệu tốc độ bit 10Gbps qua cự ly truyền 160km sợi nhờ vào kết hợp

mã hóa cặp nhị phân với bộ điều chế ngoài có C >0

Hình 2.1 Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a)Tần số và công suất tín hiệu phát; b)

Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã [4]

2.4 Kỹ thuật bù tán sắc sau

Các kỹ thuật dùng để bù GVD trong miền điện tại máy thu, thì cho dù tín hiệu quang có bị suy biến bởi tán sắc GVD thì có thể cân bằng nếu sợi xem xét như một hệ tuyến tính.Vì vậy, ta có thể dễ dàng cân bằng ảnh hưởng của tán sắc bằng kỹ thuật miền điện nếu sợi quang hoạt động như một hệ thống tuyến tính

Việc bù tán sắc dễ dàng hơn bằng bộ thu Hetorodyne dùng để tách tín hiệu: đầu tiên chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tại tần số trung tần IF và vẫn giữ thông tin về biên độ và pha Một bộ lọc thông dải hoạt động ở dải tần số vi ba với đáp ứng xung có hàm truyền đạt là:

H  = exp −𝑖 −𝐼𝐹 2.2.𝐿

2 (2.7)[4]

Trong đó, L là chiều dài sợi Bộ lọc này khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu của tín hiệu nhận được Kết luận này dựa trên lý thuyết của hệ tuyến tính có áp dụng phương trình (2.5) với z=L Và kỹ thuật này thực tế nhất đối với hệ thống Coherent

Máy thu Conherent không mạng tính thiết thực hơn bằng một bộ căn bằng tán sắc điện cho máy thu tách sóng trực tiếp Trường hợp này, mạch điện tuyến tính không

có khả năng bù GVD Mà vấn đề nằm ở chỗ các thông số pha sẽ bị mất trong quá trình tách trực tiếp bởi thiết bị tách sóng quang chỉ có đáp ứng với cường độ quang Do đó,

DUT.LRCC

không có kỹ thuật cân bằng tuyến tính nào có thể phục hồi tín hiệu đã vượt ra ngoài vị trí khe bit của nó Tuy nhiên, một số kỹ thuật cân bằng phi tuyến được phát triển cho phép khôi phục các tín hiệu đã bị suy yếu Một mặt, ngưỡng quyết định, thường được

cố định tại tâm biểu đồ dạng mắt, sẽ khác nhau tùy theo các bit trước đó Mặt khác việc quyết định về một bit cho trước sẽ được thực hiện sau khi đã kiểm nghiệm dạng sóng tương tự trên các bit bao quanh bit nghiên cứu Khó khăn lớn nhất khi thực hiện các kỹ thuật này là việc chúng đồi hỏi phải có các mạch điện hoạt động ở tốc độ bit và

độ phức tạp của chúng tăng theo cấp số mũ Theo đó, sự cân bằng điện sẽ chỉ được áp dụng với tốc độ thấp và khoảng cách cự ly truyền trong phạm vi chiều dài tán sắc

Ngoài ra, kỹ thuật cân bằng quang điện dựa trên cơ chế lọc ngang cũng được đưa ra Trong kỹ thuật này, bộ chia công suất tại máy thu chia tín hiệu quang nhận được thành nhiều nhánh, các nhánh có độ trễ khác nhau Tín hiệu quang trong mỗi nhánh sẽ được chuyển đổi thành dòng quang điện bằng cách sử dụng bộ tách sóng quang có độ nhạy biến thiên và dòng quang điện tổng sẽ được sử dụng trong mạch quyết định Kỹ thuật này có thể làm tăng khoảng cách truyền lên gấp ba cho hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ 5Gbps

2.5 Bù tán sắc bằng sợi quang DCF

Các kỹ thuật bù tán sắc nêu trên, có thể tăng khoảng cách lên gấp đôi nhưng nó không thích hợp cho các hệ thống có cự ly lớn; vì tán sắc vận tốc nhóm GVD phải được bù dọc theo đường dây truyền dẫn theo chu kỳ Đối với các hệ thống đường dài

cự ly lớn thì cần có kỹ thuật quản lý tán sắc có ứng dụng sợi thuần quang Sợi đặc biệt

là sợi bù tán sắc DCF đã được phát triển [4]

Kỹ thuật DCF là thuần quang, có khả năng bù toàn diện GVD nếu công suất quang trung bình được duy trì đủ thấp để những ảnh hưởng phi tuyến bên trong sợi quang là không đáng kể

Sợi DCF thường kết hợp với các bộ khuếch đại OA (thường sử dụng trong bộ EDFA) để bù tán sắc tuyến quang

Trong kỹ thuật quản lý tán sắc này, xét điều kiện từng xung quang lan truyền trong hai phân đoạn sợi, thì khi đó phân đoạn thứ hai sẽ là DCF: Áp dụng phương trình (2.5) cho từng phân đoạn sợi, ta thu được:

A L, t = 1

2π A− 0, exp[i

22(21L1 +22L2 ) − it]d (2.8)[4] Trong đó, L = L1+ L2 và 2 là tham số GVD cho phân đoạn sợi có chiều dài Lj (j=1,2) Nếu phân đoạn DCF được chọn với giá trị sao cho giới hạn pha 2

bị triệt tiêu, thì xung sẽ được phục hồi hình dạng ban đầu tại điểm cuối của sợi DCF Điều kiện bù tán sắc lý tưởng là 21L1 + 22L2 = 0 hoặc D1L1 + D2L2 = 0 (2.9)

DUT.LRCC

Ta thấy DCF phải đạt GVD 1,55µm (D2 <0) bởi vì các sợi tiêu chuẩn có D1 > 0 Ngoài ra, chiều dài của sợi phải thỏa mãn:[7],[10],[12]

L2 = - (D1/D2)L1 (2.10)[4][8]

Để đảm bảo tính thực tiễn, L2 phải càng nhỏ càng tốt Chỉ khả thi nếu DCF có giá trị D2 âm lớn Mặc dù ý tưởng dùng DCF được ứng dụng từ năm 1980, nhưng phải đến khi xuất hiện bộ khuếch đại quang trong năm 1990 thì DCF mới được phát triển mạnh Một giải pháp thực tế để nâng cấp các hệ thống quang mặt đất trong đó tận dụng các chuẩn sợi hiện có là bổ sung một module DCF (DCF đạt 6 – 8 km) vào bộ khuếch đại quang có cự ly 60km – 80km DCF có khả năng bù GVD trong khi bộ khuếch đại

sẽ khắc phục độ suy hao sợi Kỹ thuật này rất phổ biến nhưng lại kèm theo hai vấn đề Một, tổn hao do đấu nối ngoài của module DCF thường vượt mức 5dB Có thể bù tổn hao này bằng cách tăng độ khuếch đại nhưng sẽ gây nhiễu tăng dần từ các bức xạ tự phát được khuếch đại ASE Hai, do đường kính mode của DCF là tương đối nhỏ nên

vùng mode hiệu quả chỉ ≈ 20 µm 2 Khi gặp cường độ quang lớn hơn bên trong DCF với công suất đầu vào cho trước, những ảnh hưởng phi tuyến sẽ tăng lên đáng kể.[11]

Ngoài ra, kỹ thuật bù tán sắc DCF trên các hệ thống đảm bảo ở chế độ toàn quang, đặt trên sợi (chứ không phải đặt trên bộ phát hay bộ thu) Và một loại sợi được thiết kế đó là sợi bù tán sắc DCF.[4],[8]

Hình 2.2 (a) Biểu đồ của sợi DCF có dùng sợi quang mode bậc cao HFOM và hai

cách tử chu kỳ dài LPG ; (b) Phổ tán sắc của DCF; (c) Dùng sợi DCF trên tuyến quang; (d) Độ dốc tán sắc theo khoảng cách [4]

Trong thực tế, để nâng cấp các hệ thống thông tin quang dùng sợi chuẩn hiện

có, người ta thêm vào một đoạn sợi bù tán sắc DCF (với chiều dài từ 6 đến 8km) đối với các bộ khuếch đại quang đặt cách nhau 60km đến 80km Sợi bù tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm GVD, trong khi đó bộ khuếch đại sẽ làm nhiệm vụ bù suy hao cho sợi.[4],[8]

DUT.LRCC

Người ta thường dùng sợi DCF kết hợp với các bộ khuếch đại OA (thường dùng bộ EDFA) để bù tán sắc trên tuyến quang, và tùy theo vị trí đặt DCF mà có kiểu

bù như hình 2.2(c) và 2.2(d)

2.6 Bù tán sắc bằng các bộ lọc quang

Hạn chế DCF là phải tương đối dài (>5km) để đảm bảo bù GVD cho tuyến dài trên 50km và là nguyên nhân gây tăng đáng kể độ suy hao kết nối trong các tuyến đường dài Vì vậy, có một số mô hình thuần quang phát triển nhằm quản lý tán sắc Và được phân loại dưới tên các bộ lọc cân bằng quang OPC Phần này sẽ trình bày về các

bộ lọc giao thoa trước khi chuyển sang phần cách tử sợi.[4]

Chức năng của các bộ lọc quang được hiểu đơn giản theo phương trình (2.5)

Do GVD tác động đến tín hiệu quang thông qua pha phổ exp(i.β2.z.ω2/2), nên tín hiệu

sẽ được phục hồi nhờ vào một bộ lọc quang Tuy nhiên, các bộ lọc quang không có chức năng truyền phù hợp để bù chính xác lượng GVD nhưng có thể bù một phần GVD Xét bộ lọc quang với chức năng truyền H(ω) Bộ lọc này sử dụng sau khi sợi đạt

độ dài L thì tín hiệu quang được lọc và có thể được xác định theo phương trình ( 2.5 ):

Hình 2.3 Quản lý tán sắc trong đường truyền sợi đường dài dùng các bộ lọc quang

sau mỗi bộ khuếch đại có tác dụng bù GVD và giảm nhiễu[4]

DUT.LRCC

Ứng dụng giao thoa có độ nhạy với tần số quang đầu vào xem như một bộ lọc quang, vì hàm truyền đạt của nó theo tần số Ví dụ như với bộ giao thoa Fabry-Ferot (FP) dùng trong hốc cộng hưởng laser, hệ số khuếch đại FP được tính như sau:

GFP v = 1−R1 1−R2 G(v)

1−G R1R2 2+4G R1R2.sin 2 [(v −v m )

(2.13)

Trong đó, GFP(v) là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại FP; R1 và R2 là các hệ số phản

xạ mặt; vm tương ứng với các tần số của khoang cộng hưởng; Δv2 là khoảng cách theo chiều dọc mode, cũng được biết như là dải phổ thông của khoang FP

Từ phương trình ( 2.13 ), ta có thể đạt được phổ truyền đạt |HFP|2 của bộ giao thoa FP bằng cách cho G = 1 nếu suy hao trên đường truyền là không đáng kể Để bù tán sắc, cần phải có sự phụ thuộc của pha trong hàm truyền tần số H(ω), hàm truyền này có thể đạt được bằng cách xét các vòng khứ hồi giữa hai gương Bộ giao thoa FP

có tính năng phản chiếu, gọi là bộ giao thoa Gires-Tournois, được thiết kế có gương sau đạt độ phản chiếu 100% Hàm truyền của nó được cho bởi phương trình:

HFP  = H0.1+r.exp ⁡(−iT)

1+r.exp ⁡(i  T) (2.14) [4]

Trong đó, hằng số H0 tham gia vào mọi sự suy hao, |r|2 là hệ số phản xạ gương trước, và T là thời gian vòng khứ hồi trong hốc cộng hưởng FP Do |HFP(ω)| là một tần

số độc lập, nên chỉ có phổ pha mới được bộ lọc FP biến đổi Tuy nhiên, pha (ω) của

HFP(ω) thì còn một khoảng khá xa mới đạt độ lý tưởng Hàm tuần hoàn có thể đạt cộng hưởng FP cực đại Trong cận biên của mỗi cực đại, miền phổ sẽ tồn tại với biến số pha bình phương Bằng cách tăng (ω) trong chỗi Taylor, 2 sẽ được xác định theo phương trình:

2 =2.T2.r.(1−r)

(1+r)3 (2.15)[4]

Ví dụ, với hốc cộng hưởng FP dài 2 cm, r = 0,8, 2 ~ 2200 ps2 thì bộ lọc có thể

bù GVD cho 110 km đối với sợi chuẩn Trong thí nghiệm năm 1991, loại thiết bị thuần sợi được dùng để truyền tín hiệu 8 Gbps cự ly 130 km Suy hao nối ngoài khoảng 8 dB được bù bằng bộ khuếch đại quang Suy hao 6 dB do của bộ ghép sợi 3 dB được sử dụng để tách tín hiệu phản xạ từ tín hiệu đến Suy hao này có thể được giảm xuống còn 1dB nếu sử dụng bộ Circulator quang, là một thiết bị ba cổng có chức năng truyền công suất từ cổng này sang cổng khác theo hình tròn Tuy nhiên, trong trường hợp này suy hao tương đối lớn và băng thông hẹp của bộ lọc FP sẽ làm giới hạn tính năng của chúng trong các hệ thống sóng ánh sáng dùng trong thực tiễn

Bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZ) có thể là một bộ lọc quang Một bộ giao thoa

MZ thuần sợi được chế tạo bằng cách kết nối hai bộ nối định hướng 3 dB, như mô tả trên hình 2.4(b) Bộ nối thứ nhất chia tín hiệu đầu vào thành hai phần bằng nhau với độ

DUT.LRCC

lệch pha khác nhau nếu chiều dài nhánh khác nhau, trước khi truyền sang bộ nối thứ hai Tín hiệu có thể thoát ra ngoài qua các cổng đầu ra tùy thuộc vào tần số và chiều dài nhánh Hàm truyền cho cổng truy nhập chính được xác định như sau:

HMZ  =1

2 1 + exp i (2.16) Trong đó, τ là độ trễ thêm vào tại phần nhánh dài hơn của bộ giao thoa MZ Chỉ một bộ giao thoa MZ không đủ để đóng vai trò là một bộ cân bằng quang nhưng là một chuỗi đa tầng có thể đóng vai trò như là một bộ lọc cân bằng tối ưu Những bộ lọc này được chế tạo theo dạng mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng các đường sóng Silica

Hình 2.4 (a) Mạch sóng quang phẳng dùng chuỗi giao thoa Mach-Zehnder (b) Thiết

bị quang trải rộng

Hình 2.4(a) là mô hình của thiết bị Thiết bị có kích thước 52 x 71 mm2

và có suy hao vi mạch là 8 dB Nó bao gồm 12 bộ ghép nối với các chiều dài nhánh không đối xứng Một bộ gia nhiệt làm bằng Chromium được bố trí trên một nhánh của từng

bộ giao thoa MZ để điều khiển nhiệt quang của pha quang Lợi thế lớn nhất của loại thiết bị này là khả năng kiểm soát cân bằng tán sắc khi thay đổi độ dài nhánh và số lượng bộ giao thoa MZ

Hình 2.4(b) là nguyên lý hoạt động của bộ lọc MZ Thiết bị được thiết kế đảm bảo các tần số cao hơn có thể lan truyền trong phần nhánh dài hơn của các bộ giao thoa MZ Do đó, độ trễ sẽ nhiều hơn so với tần số thấp được truyền trong khoảng ngắn hơn Độ trễ tương đối của thiết bị trái ngược với độ trễ tương đối của sợi quang trong

cơ chế tán sắc dị thường Hàm truyền H(ω) thu được bằng phép giải tích và được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất và thiết kế thiết bị Năm 1994, một mạch sóng ánh sáng phẳng chỉ với năm bộ giao thoa MZ đã có thể tạo ra độ trễ 836 ps/nm Thiết bị này chỉ dài có vài cm, nhưng lại có thể bù tán sắc 50 km Những hạn chế loại thiết bị này là băng thông tương đối hẹp (~ 10 GHz) và tính nhạy đối với độ phân cực đầu vào Tuy

DUT.LRCC

nhiên, nó lại đóng vai trò là bộ lọc quang được lập trình có thể điều chỉnh được GVD cũng như bước sóng hoạt động Ở từng thiết bị, GVD có thể biến thiên từ - 1006 đến

834 ps/nm

2.7 Bù tán sắc bằng Cách tử Bragg sợi

Một cách tử Bragg sợi có thể đóng vai trò là một bộ lọc quang nhờ vào dải

dừng, là một vùng tần số mà trong đó hầu hết các ánh sáng tới đều bị phản xạ trở lại

Dải dừng nằm ở tâm bước sóng Bragg có λB = 2ňΛ, trong đó Λ là chu kỳ cách tử và ň

là chỉ số mode trung bình Tính chu kỳ của chỉ số biến thiên có tác dụng ghép đôi các sóng truyền tiến và truyền lùi và tạo ra bước sóng gần với bước sóng Bragg; Do đó, tạo ra cho tín hiệu tới một hệ số phản xạ phụ thuộc tần số thông qua băng thông được quyết định bởi độ bền cách tử Về bản chất, cách tử sợi chính là một bộ lọc phản xạ Mặc dù việc sử dụng loại cách tử này để bù tán sắc được đề xuất trong năm 1980 nhưng phải đến năm 1990 thì công nghệ chế tạo mới đủ tiên tiến để đưa nó vào trong thực tiễn.[4][7]

Nguyên lý chế tạo sợi cách tử để bù tán sắc dựa trên điều kiện phản xạ Bragg:

2n = λ [4]

Trong đó, n = 1, 2, 3,… ;  là bước sóng của cách tử và λ là bước sóng ánh sáng

Hình 2.5 Nguyên lý kỹ thuật bù tán sắc bằng cách tử Bragg

Sợi cách tử Bragg được chế tạo bằng cách dùng tia tử ngoại chiếu qua một mặt

nạ ánh sáng vào sợi quang đơn mode chuẩn để tạo ra các vùng có chiết suất khác nhau phân bố dọc theo chiều dài Z của sợi Để bù lại tán sắc GVD, chu kỳ quang của cách

tử được chế tạo sao cho n giảm dọc theo độ dài của nó để cho ra GVD chuẩn (2 > 0) Trong sợi quang đơn mode chuẩn, các thành phần tần số cao của xung sẽ lan truyền nhanh hơn các thành phần tần số thấp Vì bước sóng Bragg giảm dọc theo độ dài cách tử cho nên các thành phần tần số cao sẽ di chuyển thêm vào cách tử trước khi được phản xạ và phải chịu trễ nhiều hơn các thành phần tần số thấp Như vậy trễ tương đối được xuất hiện do cách tử sẽ bù lại GVD do sợi và bù được tán sắc sợi Tham số tán sắc Dg của cách tử có độ dài Lg được xác định bằng mối liên hệ sau:[4],[7]

Trong đó, TR là thời gian đi vòng ở bên trong cách tử và Δλ là sự sai khác về các bước sóng Bragg tại hai đầu của cách tử Vì Tg = 2Lg/c cho nên tán sắc cách tử được cho bởi công thức sau:[4][7]

Dg = TR/(Lg.Δλ) = 2n/(c Δλ) (2.18)

DUT.LRCC

Việc dùng sợi cách tử Bragg để bù tán sắc có rất nhiều ưu điểm, do đó nó được

sử dụng rộng rãi trên thực tế Ưu điểm đầu tiên phải kể đến là kích thước của nó khá khiêm tốn trong khi bù được lượng tán sắc lơn, dễ dàng trong việc ghép nối với sợi quang và suy hao xen nhỏ Tuy nhiên nó cũng có một nhược điểm là cần sự ổn định về nhiệt độ cao do chỉ có sự thay đổi nhỏ về chiều dài sợi cách tử có thể làm thay đổi hoàn toàn đặc tính bù tán sắc của nó

2.7.1 Cách tử chu kỳ đều

Xét loại cách tử đơn giản nhất có hệ số phản xạ theo chiều dài luôn biến thiên theo chu kỳ n(z) = ň + ngcos(2πz/Λ), trong đó ng là độ sâu điều chế (≈ 10-4) Cách tử Bragg được phân tích bằng các phương trình ghép mode thể hiện sự kết hợp giữa sóng truyền tiến và sóng truyền lùi ở một tần số ω cho trước và có thể khai triển thành:[4]

dAf

dz = iAf + iAb (2.19)

dAb

dz = −iAb − iAf (2.20) Trong đó Af và Ab là các biên độ phổ của hai sóng và

H  = r  = Ab(0)

Af(0) =

isin⁡(qLg)qcos aLg − isin(qLg) (2.23) Trong đó q2 = δ2 – k2 và Lg là chiều dài cách tử Hình 2.6 cho biết hệ số phản xạ

|H(ω)| và pha của H(ω) với kLg = 2 và 3 Hệ số phản xạ của cách tử đạt xấp xỉ 100% trong dải dừng với kLg = 3 Tuy nhiên, khi pha gần như tuyến tính thì tán sắc bởi cách

tử sẽ chỉ tồn tại bên ngoài dải dừng Cần lưu ý rằng hằng số truyền β = βB q, trong

đó dấu sẽ phụ thuộc vào dấu của δ và độ mở rộng β trong chuỗi Taylor đối với sợi như sau: