intTypePromotion=1

Đề tài: Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao

Chia sẻ: Hoang Vu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

0
135
lượt xem
37
download

Đề tài: Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao

  1. Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Mục lục Mục lục................................................................................................................................ I Thuật ngữ viết tắt ..............................................................................................................IV Danh mục hình vẽ .............................................................................................................VI Danh mục bảng biểu ...................................................................................................... VIII Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang ..................................................... 1 1.1. Mô hình tuyến thông tin quang ................................................................................ 1 1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang .................................... 2 1.2.1. Suy hao ............................................................................................................. 3 1.2.2. Tán sắc .............................................................................................................. 4 1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................... 7 1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM ................................................................................ 7 1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) ......................................................................... 9 1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) .................................. 10 1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế ................................................................ 12 1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích ............................................................... 12 1.3.1.1. Quỹ công suất .......................................................................................... 12 1.3.1.2. Quỹ thời gian lên ..................................................................................... 13 1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn ........................................................... 16 1.3.2.1. Tính tương thích ...................................................................................... 16 1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất ................... 18 1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê ............................................... 18 Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao ........................................................................................................................................... 21 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I
  2. Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số .......................... 21 2.1.1. Tính toán với tán sắc ...................................................................................... 21 2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu .......................................................... 21 2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu ................................................................... 27 2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc ..................................................................... 27 2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống ............................................ 31 2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF............................ 33 2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR ................................... 34 2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm .......................................................... 37 2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang ....................................................................... 42 2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ ......................................................................... 42 2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh ................................................................................ 43 2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa ........................................................ 47 2.1.5. Ví dụ ............................................................................................................... 50 2.2. Tính toán theo số liệu thống kê ............................................................................. 57 2.2.1. Phương pháp chung ........................................................................................ 57 2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống ................................................. 57 2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống ............................................ 57 2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng.............................................................................. 58 2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê............................................................................... 60 2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu ........................................................................ 62 2.2.3.1. Cơ sở ....................................................................................................... 62 2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu .............................................................. 62 2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang...................................... 65 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 II
  3. Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.2.3.4. Ghép nối thống kê ................................................................................... 66 2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực ...................................................... 71 2.3. So sánh hai phương pháp ....................................................................................... 71 Kết luận ............................................................................................................................. 73 Tài liệu tham khảo............................................................................................................. 74 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III
  4. Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ viết tắt Từ viết Từ gốc Nghĩa tắt APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bít CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt DWDM Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước sóng Multiplexing mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium EOL End Of Life Hết thời gian sử dụng FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm LD Laser Diode Laze diode LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV
  5. Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode NF Noise Factor Hệ số tạp âm NRZ Non Return to Zero Không trở về không OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất p-i-n Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode rms Root mean square Trung bình quân phương RZ Return to Zero Trở về không SC Single Channel Đơn kênh SLM Single Longitudinal Mode Laser đơn mode SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SMP Self Modulation Phase Tự điều chế pha WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V
  6. Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Danh mục hình vẽ Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. ............................. 1 Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang ............... 6 Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền .................................................. 6 Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung ................................................. 9 Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác ............................. 11 Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp ..................................... 16 Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp ........................................ 17 Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp .......................................... 17 Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp ........................................ 18 Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm ...... 25 Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất ....................................... 29 Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc ............. 30 Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau .............................................. 30 Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt ................................................................................. 32 Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 ............ 34 Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER ....................................... 35 Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào ........ 35 Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm ..... 38 Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản ................................................................ 44 Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh ............................................................................... 45 Hình 2-12 Đồ thị điểm bù quang để chống lại xuyên âm liên kênh ...................... 46 Hình 2-13 Lược đồ điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa . 49 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI
  7. Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa (mô hình Gausse) .............................................................................................................. 50 Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại ............................... 60 Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm ....................................... 63 Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm ....................................... 63 Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng ................................................. 64 Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng ........................................... 64 Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 ........................................ 67 Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 ...................... 68 Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình ................................................................. 69 Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc .............................................. 69 Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 ........................... 70 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VII
  8. Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng Danh mục bảng biểu Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử ............................... 19 Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon ................................................. 23 Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại ............................................................................... 26 Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm ....................................... 26 Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB ....... 27 Bảng 2-7 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] ....................................................... 34 Bảng 2-8 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên ....................................... 41 Bảng 2-9 Các thuật ngữ sử dụng ............................................................................ 43 Bảng 2-10 Giới hạn xác suất của hệ thống ............................................................ 58 Bảng 2-11 Một số giá trị ........................................................................................ 66 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VIII
  9. Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Lời nói đầu Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương... mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả tương lai. Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không phải đơn giản. Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang. Thiết kế tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc biệt quan trọng. Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác. Vì vậy, việc tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang. Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương: Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê. Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết kế xấu nhất và thống kê. Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IX
  10. Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án. Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp. Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008 Sinh viên Lê Đức Vượng Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 X
  11. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 1.1. Mô hình tuyến thông tin quang Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang, và phần thu quang. Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin quang. Nơi phát Thiết bị Môi trường Thiết bị Nơi thu tín tín hiệu phát truyền dẫn thu hiệu đến Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode). Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp. Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương. Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này. Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 1
  12. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh. 1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham số. Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm:  Suy hao.  Tán sắc.  Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.  Quỹ thời gian  Nhiễu Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số này cũng khác nhau. Với các hệ thống có cự ly không quá dài thì tham số quỹ thời gian luôn được đảm bảo. Còn đối với nhiễu thì chủ yếu là do thiết bị quyết định, vấn đề này lại phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị. Do đó, ở đây chủ yếu xét đến các tham số ảnh hưởng là suy hao, tán sắc, và hiệu ứng phi tuyến. Các tham số này cũng ảnh hưởng khác nhau với các hệ thống khác nhau.  Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì tham số chủ yếu cần quan tâm là suy hao.  Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì tham số quan tâm gồm có suy hao và tán sắc.  Đối với các hệ thống WDM cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 tham số trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến. Các tham số trong hiệu ứng phi tuyến thì có các hiệu ứng Kerr và hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS). Trong hiệu ứng Kerr thì lại bao gồm hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và hiệu ứng điều chế pha chéo. Tuy nhiên trong phần hiệu ứng phi tuyến này, chỉ Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 2
  13. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế xét ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và điều chế pha chéo. Dưới đây xét đến ảnh hưởng của các tham số này 1.2.1. Suy hao Việc truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó có tác động vào quá trình thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang. Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang hay giữa các thiết bị xen rẽ kênh … cũng có thể gây ra suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng gây ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi nên có thể giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau. Bên cạnh suy hao ngoài bản chất là suy hao bản chất bên trong sợi quang. Trong quá trình truyền tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi quang cũng có suy hao làm cho cường độ tín hiệu giảm xuống khi đi qua một cự ly nào đó. Các dạng suy hao bản chất gồm suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng. Trong các dạng suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu. Suy hao bức xạ là do sự sai lệch cấu trúc hình học của sợi gây ra. Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao và được xác định bằng tỉ số giữa công suất quang đầu vào Pin của sợi dẫn quang dải L với công suất quang đầu ra Pout . Tỷ số công suất này là một hàm bước sóng, nếu gọi  là hệ số suy hao thì ta có thể xác định hệ số này bởi công thức sau: 10 P  log( in ) (1-1) L Pout Với  được tính theo dB/km và chiều dài L được tính theo km. Các sợi truyền dẫn quang thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao, lúc đó công suất đầu vào Pin gần như bằng công suất đầu ra Pout và   0 dB/km. Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 3
  14. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Từ công thức trên có thể suy ra được công thức tính cự ly truyền dẫn: 1 Pin L  10 log( ) (1-2)  Pout Nếu gọi công suất tín hiệu quang trung bình phát vào sợi quang là Pt và công suất tín hiệu quang trung bình nhỏ nhất Prec tại đầu vào của bộ thu quang với tốc độ truyền dẫn là B. Khi đó, cự ly truyền dẫn cực đại được tính: 1 Pt Lmax  10 log( ) (1-3)  Prec Cự ly truyền dẫn L còn phụ thuộc vào tốc độ bít là do công suất thu được Prec phụ thuộc vào tốc độ bít B, vì rằng Prec  N p hvB trong đó hv là năng lượng photon và N p là số photon trung bình trên bit được yêu cầu tại bộ thu quang . Như vậy, cự ly truyền dẫn L giảm theo hàm logarit với sự tăng tốc độ bít B tại bước sóng hoạt động của hệ thống. Có 3 vùng bước sóng hoạt động tiêu biểu đó là (vùng tại đó mà suy hao tín hiệu là nhỏ nhất) vùng bước sóng 0.85 m , vùng bước sóng 1.3 m và vùng bước sóng 1.55 m . Trong các vùng bước sóng thì cự ly truyền dẫn ngắn nhất khi hệ thống hoạt động ở bước sóng 0.85 m do tại vùng này suy hao tín hiệu tương đối lớn. Khoảng cách lặp của các tuyến sử dụng hệ thống này khoảng từ 10 đến 30 km hoàn tuỳ theo tốc độ bít. Ngược lại cự ly lớn hơn 100 km hoàn toàn có thể thực hiện được với hệ thống hoạt độn tại vùng bước sóng 1.55 m . 1.2.2. Tán sắc Suy hao mặc dù có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, nhưng nó chỉ được quan tâm đặc biệt khi hệ thống thông tin quang có cự ly ngắn, dung lượng thấp. Tuy nhiên khi khoảng cách tăng lên thì suy hao không còn là vấn đề quan trọng nữa, bởi vì suy hao dễ dàng được khắc phục bởi các bộ khuếch đại. Khi suy hao không còn là vấn đề quan trọng thì tán sắc trở thành mối quan tâm chủ yếu nhất ảnh hưởng tới cự ly truyền dẫn và tốc độ bít. Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang. Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 4
  15. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Như trên đã nói tín hiệu khi truyền qua sợi quang sẽ bị méo và suy hao. Suy hao là do sợi quang còn méo là tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra. Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và trễ nhóm. Tuy nhiên hầu hết các hệ thống truyền dẫn đều sử dụng sợi quang đơn mode nên tán sắc đơn mode trở thành một yếu tố hết sức quan trọng và vì vậy ở đây chỉ xét đến tán sắc bên trong mode. Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra trong một mode. Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát. Độ rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó. Có thể mô tả độ dãn xung bằng công thức sau đây: d n    L( )  s  (1-4) d Với L là độ dài của của sợi quang,  n là trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài, s là bước sóng trung tâm và   là độ rộng trung bình quân phương rms của phổ nguồn phát. Như vậy, tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm 2 thành phần chính là tán sắc mode và tán sắc bên trong mode. Tán sắc bên trong mode lại gồm có tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu. Tán sắc bên trong mode còn được gọi là tán sắc màu CD (chromatic dispersion). Do chỉ xét đến sợi đơn mode nên ở đây quan tâm đến tán sắc màu. Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc. Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh sáng tín hiệu. Hình vẽ 1-2 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc nhóm của một xung ánh sáng đối với các bước sóng khác nhau trong một sợi cáp quang thông tin đơn mode thông thường. Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 5
  16. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang Trên hình vẽ 1-2, chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng. Như chúng ta đã biết, trên thực tế không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhất định. Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ Δλ0 truyền qua một sợi cáp quang đơn mode. Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị chèn lên nhau (hình 1-3). Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2 xung riêng biệt. Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu. Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền a) Xung tại đầu phát b) Xung tại đầu thu Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 6
  17. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế 1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến Trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng, có cự ly dài, dung lượng rất lớn thì ngoài tham số suy hao và tán sắc còn phải tính đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến là do tương tác lẫn nhau giữa các kênh với các bước sóng khác nhau được ghép trong sợi quang. 1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng được gọi là hiệu ứng Kerr quang, trong đó toàn bộ các trường tham gia vào tương tác phi tuyến ở cùng một tần số. Chỉ số chiết suất biến đổi như sau: P n ,j = n j + n 2 . với j=1,2… (1-5) Aeff Trong đó: n 1 , n ,2 là chiết suất lõi và vỏ. , n 2 là hệ số chiết suất phi tuyến. n j là chỉ số chiết suất tuyến tính n 2  3.10 20 m 2 / W với sợi silica Hệ số truyền dẫn phi tuyến: n 'j . 2 .n 'j nj 2 P '    .2  n2  c    Aeff 2 P   n2     .P (1-6)  Aeff 2 Với   n2 / Aeff là hằng số truyền dẫn phi tuyến.  Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là: Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 7
  18. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế L L  NL   (    )dz    .P( z )dz    .Pin .e z dz  ' 0 0 (1-7) 1 z L 1  .Pin . .e |0   .Pin . (1  e L )   .Pin .Leff   Pin giả thiết là không đổi. Thực tế sự phụ thuộc của P in vào thời gian làm cho  NL thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển tần số mà từng bước ảnh hưởng tới hình dạng xung qua GVD. Để giảm ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến thì độ dịch pha phi tuyến cần thỏa mãn điều kiện  NL
  19. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Xung đã phát Sự dịch Xung bị mở rộng xung khi lan truyền trong sợi Tần số Chirp tần số Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung 1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ trường của sóng ánh sáng có thể cũng dẫn đến hiện tượng phi tuyến được biết là điều chế chéo pha. Nó chỉ xuất hiện trong hệ thống đa kênh và xảy ra khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi sử dụng các tần số sóng mang khác nhau. Độ dịch pha phi tuyến cho một kênh riêng không phụ thuộc vào chỉ số chiết suất của kênh khác. Độ dịch pha cho kênh j là:  M   jNL   .Leff  Pj  2  Pm    (1-9)  m j  Trong đó: M là tổng số kênh Pj là công suất kênh j (j= 1, M ). Hệ số 2 chỉ ra rằng XPM ảnh hưởng bằng 2 lần SPM với cùng công suất. Độ dịch pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ thuộc vào kiểu bit của kênh lân cận. Nếu ta giả sử công suất các kênh bằng nhau, độ dịch pha trong trường hợp xấu nhất khi tất cả các kênh truyền đồng thời tất cả các bit 1 là: Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 9
  20. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế   jNL  2M  1Pj (1-10)  Để  jNL  1 => Pj100ps), ảnh hưởng của tán sắc không đáng kể. Với những xung quang ngắn hơn, ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến hoạt động cùng nhau trên xung dẫn đến nhiều đặc tính mới. Cụ thể sự mở rộng xung quang do tán sắc được giảm nhiều với sự có mặt của SPM và GVD dị thường. 1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ có gốc của nó trong độ cảm phi tuyến bậc 3 được biểu hiện bởi  (3) . Hiện tượng phi tuyến khác được biết từ sự trộn 4 sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của  (3) trong sợi thủy tinh. Nếu 3 trường quang với tần số sóng mang 1 , 2 , 3 lan truyền đồng thời trong sợi,  (3) tạo ra trường thứ tư mà tần số  4 của nó liên quan với các tần số qua công thức:  4 = 1  2  3 . Về nguyên lý sẽ xuất hiện nhiều tần số tương ứng với các sự kết hợp khác nhau của các dấu +, -. Tuy nhiên trong thực tế hầu hết sự kết hợp của chúng không xây dựng được yêu cầu thích ứng pha. Sự kết hợp của dạng  4  1  2  3 là gây rắc rối nhất cho hệ thống truyền thông quang đa kênh vì chúng có thể gần với pha được thích ứng khi bước sóng nằm ở vùng tán sắc bằng 0. Hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu năng trộn là: - Đầu tiên là khoảng cách kênh. Hiệu năng trộn sẽ tăng mạnh mẽ khi khoảng cách kênh trở nên gần hơn. - Thứ hai là tán sắc sợi. Hiệu năng trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi và lớn nhất ở vùng tán sắc bằng không vì khi đó các sản phẩm trộn không mong muốn sẽ di chuyển cùng tốc độ. Do vậy trong thực tế, các sợi dịch tán sắc thường được thiết kế để có tán sắc dư ở bước sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của FWM. Hình vẽ sau mô tả hiệu năng trộn 4 sóng trong sợi đơn mode. Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 10
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2