BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- PHẠM XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC TRONG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. HOÀNG PHƯƠNG CHI Hà Nội – 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC BẢNG.6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Lịch sử phát triển.
Sơ đồ hệ thống truyền dẫn quang. Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống thông tin quang. Ưu điểm của thông tin quang. Nhược điểm của thông tin quang.
Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang .15 CHƢƠNG II. HIỆN TƢỢNG TÁN SẮC TRONG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN QUANG. Khái niệm tán sắc. Tán sắc sắc thể.
Tán sắc trong sợi đơn mode:. Tán sắc vận tốc nhóm (GVD – Group Velocity Dispersion). Tán sắc vật liệu (Material Dispersion). Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion).
Tán sắc bậc cao (Higher – Order Dispersion). Tán sắc mode phân cực (Polarization – Mode Dispersion). Ảnh hƣởng của tán sắc trong hệ thống thông tin quang. Ảnh hƣởng của tán sắc trong hệ thống tốc độ cao.
Phương trình truyền dẫn cơ bản. Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp). Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn. Tán sắc giới hạn cự ly truyền dẫn .47 CHƢƠNG III.
CÁC GIẢI PHÁP BÙ TÁN SẮC. Sự cần thiết của việc quản lý bù tán sắc. Kỹ thuật bù tán sắc trƣớc. Kỹ thuật bù tán sắc trên đƣờng dây (In-line).
Bù tán sắc bằng sợi quang DCF:. Bù tán sắc bằng bộ lọc quang. Bù tán sắc bằng tín hiệu quang liên hợp pha OPC. Bù tán sắc bằng cách tử Bragg.
Kỹ thuật bù sau. Hệ thống quang đƣờng dài. Hiệu ứng tương tác phi tuyến đồng kênh (Intrachanel Nonlinear Effects). Hệ thống quang dung lƣợng cao.
Bù tán sắc băng rộng. Bù tán sắc điều khiển được (Tunable Dispersion Compensation). Điều khiển tán sắc bằng thành phần tán sắc bậc cao. Bù tán sắc phân cực mode PMD.
Cấu trúc tinh thể quang tử .79 CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG PHƢƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN QUANG BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM. Tổng quan về phần mềm Optisystem. Ưu điểm của phần mềm. Ứng dụng của phần mềm.
Mô hình mô phỏng. Mô phỏng ứng dựng bù tán sắc tuyến truyền dẫn Hà nội – Thái Nguyên của Tập đoàn Viễn thông Quân đội - Viettel có sử dụng sợi bù tán sắc DCF.98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .99 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật này là do tôi nghiên cứu và đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS. Hoàng Phƣơng Chi. Các kết quả do tôi tự nghiên cứu và tham khảo từ các nguồn tài liệu cũng nhƣ các công trình nghiên cứu khoa học khác đƣợc trích dẫn đầy đủ.
Nếu có vấn đề về sai phạm bản quyền, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc Nhà trƣờng. Hà Nội, ngày 29 tháng 9 năm 2014 Học viên Phạm Xuân Trƣờng 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi Bit CATV Collective Antenna Television Truyền hình cáp hữu tuyến CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu DCF Dispersion-Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc DFB Distributed Feedback Phân bố hồi tiếp Ghép kênh theo bƣớc sóng mật DWDM Dense WDM độ cao FWM Four-wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bƣớc sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xen bit International Telecommunication ITU Tổ chức Viễn thông quốc tế Union LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ MAN Metropolitan area network Mạng dữ liệu băng rộng MD Material Dispersion Tán sắc vật liệu MDF Mode Field Diameter Đƣờng kính của trƣờng mode RMS Root Mean Square Giá trị thực hiệu dụng OPC Optical Phase Conjugation Tín hiệu quang liên hợp pha 4 Optical Time – Division Ghép kênh phân chia theo thời OTDM Mutiplexing gian PhC Photonic Crystal Tinh thể quang tử PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực PSP Principle State of Polarization Nguyên lý trạng thái phân cực Khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA Erbium Doped Fiber Amplifiers Erbium RZ Return to Zero Mã RZ SAN Storage Area Network Mạng lƣu trữ SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SPM Self Phase Modulation Hiệu ứng tự điều chế dịch pha Ghép kênh phân chia theo thời TDM Time-Division Multiplexing gian WD Waveguide Dispersion Tán sắc ống dẫn sóng Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo WDM Multiplexing bƣớc sóng 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Đặc tính của một số loại sợi quang có tính thương mại trên thị trường……………………………………………………………………………………… 33 Bảng 2. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết)….
Giới hạn tán sắc CD trong các hệ thống truyền dẫn……………………. Giới hạn PMD trong các hệ thống truyền dẫn…………………………… 47 Bảng 2. Cự ly truyền dẫn tối đa ứng với 1dB công suất mất mát do tán sắc đối với sợi NZDSF (4,4 ps/(nm.km)) và SSMF (17 ps/(nm. Cự ly truyền dẫn tối đa ứng với các giá trị PMD khác nhau………….
Thông số các sợi bù tán sắc DCF của ECI………………………………. Tổng hợp báo cáo suy hao cáp DWDM các tuyến phía Bắc…………. 93 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn quang……………………………………………… 13 Hình 1.
Cấu trúc của tuyến truyền dẫn quang………………………………………… 15 Hình 2. Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc………………………………………… 18 Hình 2. Tán sắc gây ra tăng BER………………………………………………………. Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang…………………………………….
Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode đi trong sợi quang…. Cách thức công suất quang được mang bởi các mode truyền trong sợi quang và gây tán sắc…………………………………………………………………………. Tán sắc mode trong sợi SI………………………………………………………. Tán sắc mode trong sợi GI……………………………………………………… 23 Hình 2.
Các loại tán sắc trong sợi quang……………………………………………… 24 Hình 2. Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo bước sóng Silica nóng chảy………………………………………………………………………………………. Sự phân bố cường độ ánh sáng trong sợi đơn mode. MFD là đường kính trường mode…………………………………………………………………………….
Sự thay đổi của b (tần số lan truyền chuẩn hóa) và đạo hàm của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] theo tham số V………………………………………………. Tán sắc tổng cộng D là sự phân bố tương đối của tán sắc chất liệu DM và tán sắc ống dẫn sóng DW của sợi đơn mode thường. Bước sóng tán sắc 0 (ZD ) dịch đến giá trị cao hơn nhờ sự phân bố ống dẫn sóng…………………………………. Sự phụ thuộc vào bước sóng của hệ số tán sắc D đồi với sợi chuẩn, sợi dịch tán sắc và sợi san bằng tán sắc……………………………………………………….
Minh họa tán sắc phân cực mode……………………………………………. Kết quả tính toán lượng công suất bị tổn thất phụ thuộc vào tán sắc cho hệ thống 1Gbps và 2,5Gbps…………………………………………………………………. Công suất quang bị mất khi tăng cự ly truyền dẫn của hệ thống 2,5Gbps 37 Hình 3. Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã……………….
Sử dụng sợi DCF trên tuyến quang…………………………………………… 54 Hình 3. Nguyên lý phương pháp bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg………………. Vòng lặp quang dùng để phát tín hiệu ở tốc độ 10 Gb/s trên khoảng cách 10.000 km sợi quang chuẩn sử dụng SCF…………………………………………………. Mô hình ghép tầng cách tử để bù tán sắc trong hệ thống WDM………….
Phổ phản xạ và đồ thị tán sắc theo điện áp đốt của phương pháp gradient nhiệt…………………………………………………………………………………. Dạng xung ngõ ra khi truyền với khoảng cách 300km khi không và có dùng sợi dịch tán sắc…………………………………………………………………………. Mô hình bù tán sắc PMD quang và điện……………………………………… 75 Hình 3. Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép…… 77 Hình 3.
Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình…… 78 Hình 3. Bù tán sắc tại tốc độ bit 640Gb/s. Bù hoàn toàn trên toàn tuyến với bộ bù tán sắc có góc nghiêng 2 độ……………………………………………………………. Sơ đồ tuyến phát quang………………………………………………… 83 Hình 4.
Sơ đồ tuyến thu quang…………………………………………………………… 84 Hình 4. Sợi bù tán sắc DCF………………………………………………………………. Sơ đồ hệ thống thông tin quang khi chưa có bù tán sắc……………………. Sơ đồ hệ thống thông tin quang có sợi bù tán sắc DCF ( kỹ thuật bù sau).
Tham số toàn cục………………………………………………………………… 87 Hình 4. Thiết lập tham số quét…………………………………………………………… 88 Hình 4. Chọn dải tần quét cho nguồn Laser……………………………………………. Chạy mô phỏng chưa có bù tán sắc………………………………………….
Tín hiệu xung khi chưa có sợi bù tán sắc DCF……………………………. Tin hiệu xung thu được khi có sợi bù tán sắc DCF………………………… 90 Hình 4. Biểu đồ mắt BER………………………………………………………………. Đồ thị BER……………………………………………………………………… 91 Hình 4.
Sơ đồ trạm Hà Nội……………………………………………………………… 94 8 Hình 4. Sơ đồ trạm Thái Nguyên………………………………………………………. Sơ đồ bước sóng mạng…………………………………………………………. Sơ đồ tuyến Hà Nội – Thái Nguyên………………………………………….
Tín hiệu xung thu được tuyến Hà Nội – Thái Nguyên……………………… 97 9 LỜI NÓI ĐẦU Cuộc sống càng ngày càng đƣợc nâng cao, nhu cầu trao đổi thông tin công việc và giải trí của con ngƣời ngày càng cao, không chỉ đơn giản là việc truyền thoại truyền thống, nhu cầu truyền dữ liệu càng ngày càng đòi hỏi về băng thông và dung lƣợng đƣờng truyền. Trong viễn thông, hệ thống truyền dẫn có hai dạng là vô tuyến và hữu tuyến. Do hệ thống vô tuyến có những hạn chế đặc thù nên truyền dẫn hữu tuyến vẫn là hình thức truyền dẫn hiệu quả và quan trọng nhất. Trong truyền dẫn hữu tuyến sử dụng cáp đồng và cáp quang.
Cáp đồng không thể đảm trách đƣợc băng thông và dung lƣợng đƣờng truyền rất lớn từ nhu cầu của con ngƣời. Đƣờng truyền truyền thông sợi quang ra đời đã đánh dấu một bƣớc phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn, với những ƣu điểm nổi trội nhƣ băng thông lớn, tốc độ cao, suy hao thấp. Truyền dẫn quang đã trở thành công nghệ truyền dẫn chính trong các ứng dụng tốc độ cao và mạng truyền dẫn đƣờng trục. Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang dung lƣợng lớn sẽ gặp phải ba vấn đề lớn cần quan tâm nhƣ: Suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến làm giảm chất lƣợng và cự ly truyền dẫn của hệ thống.
Vấn đề suy hao có thể đƣợc giải quyết đơn giản bằng việc sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA trong mạng WDM. Các hiệu ứng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin quang hoạt động ở mức công suất vừa phải khoảng vài mW với tốc độ bit lên đến 2,5Gbps. Vì vậy vấn đề tán sắc là vấn đề lớn nhất của các hệ thống thông tin quang. Khi chúng ta sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA để bù suy hao thì nó lại gia tăng sự tán sắc, một bộ khuếch đại quang không khôi phục tín hiệu đƣợc khuếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu.