Đồ án Kỹ thuật điều khiển tán sắc

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC -----------oOo---------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO HỆ CAO HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC GVHD: TS. Lê Quốc Cường HVTH: Nguyễn Trần Anh Tuấn Phạm Minh Tú Lớp: CH09ĐT2 TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC -----------oOo---------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO HỆ CAO HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC GV hướng dẫn: TS. Lê Quốc Cường Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trần Anh Tuấn Phạm Minh Tú Lớp: CH09ĐT2 TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2010 Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................ 2  DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................ 3  ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC ...................................................................................................... 6  1.  CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC .......................................................... 6  2.  MÔ HÌNH BÙ TRƯỚC (PRECOMPENSATION) ................................................... 9  2.1  Kỹ thuật Prechirp ................................................................................................ 9  2.2  Kỹ thuật mã hóa Novel: .................................................................................... 12  2.3  Kỹ thuật Prechirp phi tuyến: ............................................................................. 14  3.  KỸ THUẬT BÙ SAU .............................................................................................. 16  4.  SỢI QUANG BÙ TÁN SẮC ................................................................................... 17  5.  BỘ LỌC QUANG .................................................................................................... 19  6.  CÁCH TỬ SỢI QUANG BRAGG (Fiber Bragg Gratings).................................... 22  6.1  Chu kỳ cách tử đồng nhất (Uniform-Period Gratings) ..................................... 23  6.2  Chirped Fiber Gratings: (Cách tử sợi quang Chirped) ..................................... 26  6.3  Bộ ghép mode Chirped (chirped mode couplers) ............................................ 29  7.  LIÊN HỢP PHA QUANG OPC .............................................................................. 30  7.1  Nguyên lý hoạt động: ........................................................................................ 30  7.2  Bù tán sắc bằng tự điều chế pha (Compensation of Self-Phase Modulation ) .. 31  7.3  Tín hiệu liên hợp pha (Phase-conjugated Signal): ............................................ 33  8.  HỆ THỐNG QUANG ĐƯỜNG DÀI: ..................................................................... 37  8.1  Lý thuyết cơ sở: ................................................................................................ 39  8.2  Hiệu ứng tương tác phi tuyến đồng kênh (Intrachannel Nonlinear Effects):.... 41  9.  HỆ THỐNG QUANG DUNG LƯỢNG CAO ......................................................... 43  9.1  Bù tán sắc băng rộng : ...................................................................................... 43  9.2  Bù tán sắc điều khiển được (Tunable Dispersion Compensation) .................... 46  Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 2 9.3  Điều khiển tán sắc bằng thành phần tán sắc bậc cao : ...................................... 48  9.4  Bù tán sắc phân cực mode PMD ....................................................................... 50  TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 54  DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 và 5 nm .............................................................. 7  Hình 2.1: Đồ thị mô tả độ giãn rộng xung theo khoảng cách truyền với xung đầu vào là xung chirp Gauss trong trường hợp β2>0 ........................................................................... 10  Hình 2.2: Mô hình kỹ thuật prechirp dùng để bù tán sắc ................................................... 11  Hình 2.3: Bù tán sắc sử dụng mã hóa FSK ........................................................................ 12  Hình 2.4: Đồ thị cường độ sáng theo thời gian tín hiệu 16 Gbps khoảng cách truyền 70km sử dụng sợi quang tiêu chuẩn có và không có sử dụng kỹ thuật nén tán sắc ...................... 14  Hình 2.5: đồ thị quan hệ giữa khoảng cách truyền bị giới hạn do tán sắc GVD và mức công suất truyền trung bình ................................................................................................. 15  Hình 4.1: Mô hình sợi DCF hai mode sử dụng cách tử chu kỳ dài .................................... 19  Hình 5.1: Mô hình kết hợp giữa bộ lọc quang và khuyếch đại quang. .............................. 20  Hình 5.2 : Mô hình bộ lọc quang sử dụng giao thoa Mach-Zehnder. ............................... 21  Hình 6.1 : Độ lớn(a) và pha(b) của hệ số phản xạ cách tử sợi quang đồng nhất với gLκ =2 và gLκ =3 ....................................................................................................................... 23  Hình 6.2: Tán sắc vận tốc nhóm GVD . Mô tả hàm 2 gβ theo thông số δ tương ứng với các giá trị của hệ số κ trong khoảng 1-10 .......................................................................... 24  Hình 6.3: Tín hiệu phát (đường liền nét) và trễ( đường chấm) , hàm của bước sóng cho cách tử đồng nhất κ (z) thay đổi từ 0-6 trên chiều dài cách tử 11cm ...................... 25  Hình 6.4 Cách tử quang Chirped dùng bù tán sắc a/ chiết suất n(z) theo chiều dài cách tử b/ hệ số phản xạ ở tần số thấp và cao tại những vùng khác nhau trong cách tử ................. 27  Hình 6.5: Hệ số phản xạ và thời gian trễ trong cách tử quang Chirped tuyến tính ........... 27  1cm − Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 3 với băng thông 0.12nm ....................................................................................................... 27  Hình 6.6: Sơ đồ bù tán sắc bằng cách dùng 2 bộ lọc phát fiber –base transmission filter . 29  Hình 7.1: Thí nghiệm bù tán sắc trong đảo khoảng giữa phổ trên 21 km chiều dài sợi quang ................................................................................................................................... 34  Hình 8.1: 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. .......................................................................... 37  Hình 9.1 : Mô hình ghép tầng cách tử để bù tán sắc trong hệ thống WDM ...................... 44  Hình 9.2 : Phổ phản xạ và đồ thị tán sắc theo điện áp đốt của phương pháp gradient nhiệt ............................................................................................................................................. 47  Hình 9.3 : Dạng xung ngõ ra khi truyền với khoảng cách 300km khi không .................... 49  và có dùng sợi dịch tán sắc ................................................................................................. 49  Hình 9.4: Mô hình bù tán sắc PMD quang và điện ............................................................ 51  Hình 9.5: Bù tán sắc điều chỉnh được sử dụng cách tử quang chirp khúc xạ kép .............. 52  Hình 9.6: Đồ thị quan hệ giữa hệ số mở rộng xung và giá trị DGD trung bình. ................ 53  DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát khuếch đại ADM Add Drop Multiplexer Thiết bị xen rẽ BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bít CW Continuous Wave Sóng liên tục DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân bố Bragg DCF Dispersion-Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc DDF Dispersion-Decreasing Fiber Sợi quang giảm tán sắc DGP Differential Group Delay Trễ nhóm DM Dispersion-managed Quản lý tán sắc DWDM Dense Wavelength-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại quang pha trộn Erbium FM Frequency Modulation Điều chế tần số FP Fabry–Perot Một loại khoang cộng hưởng FRASL Fiber Raman Soliton Laser Laser quang Raman Soliton Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 4 FWHM Full-Width at Half-Maximum Độ rộng tại nửa cực đại FWM Four-Wave Mixing Trộn 4 bước sóng GVD Group-Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm LED Light Emitted Diode Nguồn phát dạng LED MZ Mach–Zehnder Một loại bộ lọc NTE Network Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối mạng NLS Nonlinear Schr¨odinger Schrodinger phi tuyến NOLM Nonlinear Optical-Loop Mirror Gương quang vòng phi tuyến NRZ Nonreturn to Zero Mã NRZ NSE Nonlinear Schr¨odinger Equation Phương trình Schrodinger NSDSF Nonzero-Dispersion-Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc OA Optical Amplifier Khuếch đại quang OAT Optically amplified transmitter Bộ phát khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ rẽ bước sóng quang OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại đệm quang OAR Optically amplified receiver Bộ thu khuếch đại quang OC Optical Channel Kênh quang ODM Optical Demultiplexer Tách bước sóng quang OF Optical Fiber Sợi quang OFC Optical Fiber Cable Cáp sợi quang OM Optical Multiplexer Ghép bước sóng quang OMUX Optical MUX Bộ ghép kênh quang OPA Optical Preamplifier Bộ tiền khuếch đại quang OPU Optical Preamplification Unit Khối tiền khuếch đại quang ORX Optical Receiver Bộ thu quang OSC Optical Transmission Section Kênh giám sát quang OTX Optical Transmitter Bộ phát quang PIM Polarization-Interleaved multiplexing Ghép xen kênh phân cực PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode RZ Return to Zero Mã RZ SAGCM Separate Absorption, Grading, Charge, and Multiplication Sự hấp thụ, pha trộn, phí tổn và khuếch đại riêng biệt SNR Signal-To-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self-Phase Modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman SSFS Soliton Self-frequency Shift Dịch tần số Soliton TOD Third-Order Dispersion Tán sắc bậc 3 TW Traveling Wave Sóng Traveling Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 5 WDM Wavelength-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng WADM Wavelength Division Multiplexing Access Mạng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh theo bước sóng XPM Cross-Phase Modulation Điều chế xuyên pha Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 6 ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC Suy hao quang không còn là giới hạn lớn nhất trong các hệ thống thông tin quang, thay vào đó trong các hệ thống thông tin quang hiện đại giới hạn thường gặp nhất là do tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến gây nên. Suy hao quang được giải quyết một cách dễ dàng bằng các bộ khuyếch đại quang tuy nhiên đi kèm với nó lại làm gia tăng tán sắc, trái ngược với các bộ tái tạo (Regenerator) điện tử, một bộ khuyếch đại quang không khôi phục lại tín hiệu được khuyếch đại thành tín hiệu gốc ban đầu. Kết quả là, tán sắc tích lũy qua các bộ khuyếch đại làm giảm khả năng truyền tín hiệu. Chính vì lý do này, đã có nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu suốt thập niên 1990 để hạn chế tác động của tán sắc trong các hệ thống thông tin quang. Trong bài báo cáo này sẽ giới thiệu một số kỹ thuật đặc biệt dựa vào lý tính của hiện tượng truyền dẫn quang để cải thiện tán sắc trong thực tế. Ở mục 1 giải thích sự cần thiết phải điều khiển tán sắc. Mục 2 và 3 dành toàn bộ cho các phương thức được dùng ở đầu phát và đầu thu để điều khiển tán sắc. Ở mục 1.4 đến mục 1.6 giới thiệu phương pháp sử dụng các phần tử quang tán sắc cao trên đường cáp quang. Kỹ thuật sử dụng tín hiệu quang pha kết hợp hay còn được gọi là kỹ thuật đảo khoảng giữa phổ (midspan spectral inversion) sẽ được giới thiệu ở mục 7. Mục 8 giới thiệu về điều khiển tán sắc trong các hệ thống đường dài. Mục 9 tập trung vào các hệ thống dung lượng cao như các hệ thống băng rộng. Kỹ thuật bù tán sắc phân cực mốt (PMD) cũng sẽ được đề cập trong mục này. 1. CẦN THIẾT PHẢI ĐIỀU KHIỂN TÁN SẮC Tán sắc làm giãn bề rộng xung ánh sáng truyền trong sợi quang làm giới hạn hoạt động của hệ thống truyền dẫn quang. Như ta đã biết hiệu ứng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) có thể được tối thiểu hóa bằng la-de có độ rộng phổ hẹp (xem hình 1.1 quan hệ giữa tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 nm và 5 nm) và không bị tán sắc ở bước sóng tán sắc không λZD . Tuy nhiên, trong thực tế, hệ thống truyền dẫn quang thường hoạt động ở bước sóng λ khác với bước sóng tán sắc không λZD . Một ví dụ trong thực tế là hệ thống thông tin quang trên bộ hoạt động ở bước sóng 1,55 µm sử dụng la-de phát DFB, các hệ thống này sử dụng cáp sợi Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 7 quang đơn mốt “tiêu chuẩn” với bước sóng tán sắc không λZD là 1,31 µm hệ thống này được xây dựng trong suốt thập niên 1980 ở Hoa Kỳ và có chiều dài khoảng 50 triệu km. Do có tán sắc ܦ ൎ 16 ݌ݏ/ሺ݇݉ െ ݊݉ሻ tại vùng bước sóng 1,55 µm, nên tán sắc GVD hạn chế hoạt động của hệ thống ở tốc độ 2Gbps. Hình 1.1: Đồ thị quan hệ tốc độ truyền theo chiều dài sợi quang tương ứng với bề rộng phổ của nguồn đi-ốt phát quang bằng 0, 1 và 5 nm Đối với la-de phát DFB điều chế trực tiếp, chúng ta có thể sử dụng phương trình 1.1 để ước lượng khoảng cách truyền tối đa 1(4 )L B D sλ −< (0.1) Với sλ là giá trị căn trung bình bình phương (RMS) bề rộng của phổ xung bị mở rộng do tần số chirp (sự thay đổi tần số theo thời gian). Hế thống có hệ số tán sắc D=16 ps/(km- nm) và sλ = 0,15nm hoạt động ở tốc độ B = 2,5 Gbps theo công thức 1.1 ta có thể tính ra được Lൎ 42 km. Vì thế, đối với các hệ thống sử dụng thiết bị tái tạo tín hiệu bằng điện tử, khoảng cách giữa các bộ tái tạo tín hiệu vào khoảng 40km. Hơn nữa việc sử dụng các bộ tái tạo tín hiệu làm hạn chế khả năng tăng tốc độ truyền dẫn của hệ thống, bởi nếu muốn tăng tốc độ truyền phải thu nhỏ khoảng cách giữa các bộ tái tạo tín hiệu dẫn đến chi phí đầu tư sẽ tăng cao. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 8 Hoạt động của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể bằng việc sử dụng một bộ điều chế ngoài để tránh được việc mở rộng phổ do tần số chirp. Lựa chọn này đã được ứng dụng vào thực tế bằng các bộ phát sử dụng la-de DFB với bộ điều chế ngoài tích hợp. Trong trường hợp sλ =0, khoảng cách truyền giới hạn theo công thức 2 1 2(16 )L Bβ −< (0.2) Với β2 là hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD. Nếu ta sử dụng giá trị thông dụng của hệ số tán sắc vận tốc nhóm GVD β2= -20ps2/km ở bước sóng 1,55 µm, áp dụng công thức 1.2 ta tính được khoảng cách truyền L<500 km ở tốc độ 2,5 Gbps. Ta thấy việc sử dụng la-de DFB cải thiện rất nhiều khoảng cách truyền của hệ thống, tuy nhiên khoảng cách do giới hạn tán sắc này vẫn chưa tương ứng với khoảng cách các bộ khuyếch đại trên đường dây (in-line) thường được dùng để bù suy hao. Hơn nữa, nếu tăng tốc độ truyền dữ liệu lên 10 Gbps, tán sắc vận tốc nhóm GVD sẽ làm giới hạn khoảng cách truyền xuống còn 30 km. Dựa vào biểu thức 1.2 mô tả mối quan hệ giữa giới hạn khoảng cách truyền và tán sắc vận tốc nhóm GVD ở sợi đơn mốt tiêu chuẩn, ta có thể dễ dàng tính ra được giới hạn khoảng cách của hệ thống hoạt động ở bước sóng 1,55 µm tốc độ 10 Gbps hoặc cao hơn. Nhiều mô hình điều khiển tán sắc được nghiên cứu để tìm cách để giải quyết vấn đề thực tiễn về khoảng cách truyền nêu trên. Ý tưởng cơ bản của tất cả các mô hình được xây dựng dựa trên phương trình truyền xung 2 3 32 2 3 02 6 iA A A z t t ββ∂ ∂ ∂+ − =∂ ∂ ∂ (0.3) Với A là biên độ hình bao của xung, tác động của thành phần tác sắc khác tán sắc vận tốc nhóm GVD được mô tả qua thông số β3. Trong thực tế giá trị 2β thường được giới hạn không quá 0,1 ps2/km. Phương trình 1.3 được giải ra trong trường hợp β3=0 là 2 2 1( , ) (0, ) exp 2 2 iA z t A z i t dω β ω ω ωπ +∞ −∞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠∫  (0.4) Hàm (0, )A ω là biến đổi Fourier của A(0,t) Tán sắc làm ảnh hưởng đến tín hiệu quang truyền đi trong hệ thống nguyên nhân gây ra là do phần tử pha exp 22( / 2)i zβ ω , xuất hiện trong quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang. Tất cả các mô hình điều khiển tán sắc đều tìm cách triệt tiêu phần tử pha này để tín hiệu ngõ vào có thể khôi phục được ở đầu thu. Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 9 2. MÔ HÌNH BÙ TRƯỚC (PRECOMPENSATION) Ý tưởng thực hiện phương pháp này là thực hiện điều khiển tán sắc bằng cách điều chỉnh các đặc tính của các xung ngõ vào ở bộ phát trước khi truyền đi trong sợi quang. Ý tưởng này được thực hiện dựa vào phương trình 1.4. Phương trình này sẽ chỉ còn thành phần biên độ phổ biến thiên (0, )A ω trong trường hợp tán sắc GVD được loại bỏ. Rõ ràng, để thực hiện điều này biên độ phổ ở đầu phát phải được bù thêm một thành phần theo biểu thức 2.1 để triệt tiêu tác động do GVD gây nên: 2 2(0, ) (0, )exp( / 2)A A i Lω ω ω β⎯⎯→ −  (1.1) Với L là chiều dài sợi quang, GVD sẽ được bù một cách chính xác và xung vẫn sẽ giữ được hình dạng của nó ở đầu ra của sợi quang. Tuy nhiên, không dễ dàng giải quyết vấn đề này bằng việc thay đổi biên độ phổ đầu phát theo như biểu thức 2.1 trong thực tế. Một cách đơn giản hơn, người ta sử dụng hiệu ứng chirp ở xung ngõ vào làm tối thiểu hóa tác động giãn rộng xung của tán sắc GVD. Do tần số chirp được đưa vào bộ phát trước khi truyền xung, nên kỹ thuật này được gọi là kỹ Prechirp. 2.1 Kỹ thuật Prechirp Cách đơn giản để hiểu được nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật Prechirp là dựa vào lý thuyết truyền xung chirp Gauss trong sơi quang. Biên độ ở ngõ vào dưới tác động của hiệu ứng chirp được biểu diễn bằng công thức 2.2 2 0 0 1(0, ) exp 2 iC tA t A T ⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥= − ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (1.2) Với C là hệ số chirp, dựa vào hình 2.1 ta thấy rằng với giá trị C mà β2C<0 thì xung ngõ vào sẽ bị nén lại khi truyền đi trong sợi quang. Vì thế với xung chirp thích hợp ta có thể truyền được với khoảng cách dài hơn trước khi xung truyền bị giãn rộng đến mức không còn thu được nữa. Ta sẽ thử đánh giá sự cải thiện này với độ giãn rộng xung cho phép là 2 nghĩa là chu kì xung thu được chia cho chu kì xung ban đầu T1/T0= 2 , khoảng cách truyền sẽ được xác định theo công thức: 2 2 1 1 D C CL L C + += + (1.3) Với 2 2/D oL T β= là chiều dài tán sắc, trong trường hợp không sử dụng xung chirp Gauss C=0 khi đó L=LD. Tuy nhiên khoảng cách L sẽ tăng khoảng 36% khi C=1. Chú ý rằng L<LD trong trường hợp quá có nhiều giá trị của C. Thực ra, mức độ cải thiện khoảng cách Kỹ thuật điều khiển tán sắc Trang 10 tối đa của hệ thống là 2 lần khi C=1/ 2 . Do đó kỹ thuật prechirp cần được tối ưu một cách kỹ lưỡng để có được giá trị C hợp lý nhất. Trong thực tế hình dạng xung chỉ xấp xỉ xung Gauss, nên kỹ thuật prechirp có thể giúp cải thiện được đến 2 lần khoảng cách truyền nếu tối ưu hợp lý. Vào khoảng cuối năm 1986, mô hình Super-Gaussian cho việc truyền tín hiệu NRZ đã được đưa ra nhằm nâng cải thiện hơn nữa khoảng cách truyền dẫn quang. Hình 2.1: Đồ thị mô tả độ giãn rộng xung theo khoảng cách truyền với xung đầu vào là xung chirp Gauss trong trường hợp β2>0 Kỹ thuật prechirp được xem xét trong suốt thập niên 1980 sử dụng các la-de điều chế trực tiếp. Xung chirp do các la-de này tạo ra là do sự thay đổi chỉ số cảm ứng sóng mang (carrier-induced index) được mô tả bằng hệ số tăng bề rộng phổ βC. Không may là hệ số chirp C âm (C= - βC) đối với các la-de điều chế trực tiếp. Do hệ số β2 của sợi quang tiêu chuẩn hoạt động ở bước sóng 1,55 µm cũng âm, vì thế điều kiện β2.C<0 không thỏa mãn. Như trong hình 2.1 ta thấy khi hiện tượng chi