1 bộ giáo dục và đào tạo viện đại học mở hà nội luận văn thạc sĩ ngành: điện tử viễn thông Đề tài: hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao Ngời hớng dẫn khoa học: GS.TS Trần Đức Hân Học viên: Trần trung hiếu hà nội - 2012 1 LờI CảM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn GS. TS Trần Đức Hân đ tận tình chỉ dạy và hớng dẫn tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn . Tôi cũng xin gửi lời biết ơn chân thành đến quý thầy giáo, cô giáo Viện Đại Học Mở Hà Nội đ tận tình chỉ dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trờng. Xin chân thành cảm ơn Cán bộ công chức, Giảng viên Khoa sau Đại Học - Viện Đại Học Mở Hà Nội. Cảm ơn tất cả anh chị em học viên Cao học Điện tử khóa 3 đ tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. Cuối cùng xin chân thành cảm ơn Gia đình, bạn bè đồng nghiệp đ giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn này!. Hà Nội, tháng 10 năm 2012. Tác giả Trần Trung Hiếu 2 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn "Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao" đợc viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cơng bởi cá nhân tôi dới sự hớng dẫn của GS. TS Trần Đức Hân. Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều đợc trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng theo đúng luật bản quyền quy định. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Học viên cao học Trần Trung Hiếu 3 Mục lục LờI CảM ƠN 1 Lời cam đoan 2 mục lục 3 danh mục hình vẽ 6 danh mục bảng 7 Lời nói đầu 9 thuật ngữ viết tắt 11 tóm tắt luận văn 10 Chơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang wdm 14 1.1. Cấu hình hệ thống thông tin quang 14 1.2. Hiện trạng tốc độ hệ thống WDM 16 1.3. Các thông số truyền dẫn quang cơ bản 19 1.3.1. Bớc sóng, tần số và khoảng cách kênh 19 1.3.2. Các tiêu chuẩn bớc sóng 21 1.3.3. Công suất và suy hao 22 1.4. Những giải pháp nâng cao tốc độ truyền dẫn quang 23 1.5. Ưu điểm của các hệ thống tốc độ cao 25 1.6. Các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao 25 Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao 27 2.1. Máy thu/phát quang tốc độ cao 27 2.1.1. Nguồn phát xung quang rất ngắn 27 2.1.2. Ghép kênh phân chia thời gian quang (OTDM) 28 2.2. Đờng truyền tốc độ cao 29 2.2.1. Trạm lặp quang 2R/3R 29 2.2.2. Hệ thống điều chế và giải điều chế 30 2.2.3. Bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao 32 2.2.4. Bù tán xạ mode phân cực 33 2.2.5. Sợi quang dùng trong hệ thống 160Gb/s 34 2.3. Bộ khuếch đại trong hệ thống 160Gb/s 35 2.3.1. Khuếch đại quang sợi pha đất hiếm 35 2.3.2. Khuếch đại quang sợi Raman 36 4 2.3.3. Khuếch đại quang tham số 36 2.3.4. Khuếch đại quang bán dẫn chấm lợng tử 37 Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao 38 3.1. Máy thu quang 38 3.1.1. Giới thiệu 38 3.1.2. Hệ số phẩm chất 39 3.1.3. Nhiễu máy thu 41 3.1.4. Kết quả mô phỏng 43 3.1.5. Độ nhạy máy thu 44 3.1.6. Giới hạn hệ số phẩm chất 47 3.2. Khuếch đại đờng truyền 49 3.2.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 49 3.2.1.1. Nguyên tắc hoạt động của EDFA 50 3.2.1.2. Phân tích nhiễu trong đờng truyền dùng EDFA 51 3.2.2. Khuếch đại Raman 54 3.3. Một số hệ thống truyền dẫn 160Gbps và 40Gbps 57 3.3.1. Hệ thống 10Gbps 58 3.3.2. Hệ thống 40Gbps 59 3.3.3. Hệ thống 160Gbps 59 Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao 62 4.1. Tán xạ trong sợi quang 62 4.2. Tán sắc trong hệ thống truyền dẫn 160Gb/s 62 4.2.1. Gin xung do tán sắc 62 4.2.2. Giới hạn tán sắc tuyến tính 64 4.3. Bù tán sắc trong hệ thống 66 4.3.1. Bù tán sắc bằng sợi tán sắc cao 67 4.3.2. Bù tán sắc trớc tối u 70 4.4. Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang 72 4.5. Chiết suất phi tuyến 74 4.5.1. Tự điều chế pha 75 4.5.2. Trộn 4 bớc sóng (FWM) 78 4.5.3. Điều chế pha chéo (XPM) 79 4.6. Tán xạ phi tuyến 82 4.6.1. Tán xạ kích thích Raman (SRS) 82 5 4.6.2. Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) 85 Chơng 5: Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang 88 5.1. Bù tán sắc 88 5.2. Bù suy hao trên đờng truyền 89 5.3. Tính toán nhiễu trên đờng truyền 90 5.4. Đánh giá chất lợng tuyến (OSNR, Q, BER) 91 5.5. Chơng trình mô phỏng tính toán 92 Kết luận 95 Tài liệu tham khảo 96 Phụ lục 97 6 danh mục hình vẽ Hình 1.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn quang 14 Hình 1.2. Hoạt động bộ điều chế dữ liệu 15 Hình 1.3. Sơ đồ máy thu và máy phát dùng ghép kênh quang 18 Hình 1.4. Nguyên tắc bộ hấp thụ bo hoà 19 Hình 1.5. Lới sử dụng tần số trong hệ thống WDM do ITU quy định 22 Hình 1.6. Các vấn đề trong thực hiện hệ thống tốc độ cao 23 Hình 2.1. Hệ thống OTDM 29 Hình 2.2. Cấu hình cơ bản của trạm lặp toàn quang 3R 30 Hình 3.1. Cấu trúc bộ thu quang 38 Hình 3.2. Tín hiệu điện sau khi qua bộ tách sóng quan và xác suất mật độ Gaussian 40 Hình 3.3. Mô phỏng nhiễu theo công thức trung bình với các giá trị tiền khuếch đại khác nhau. B 0 = 80GHz, B e = 40GHz, OSNR = 30dB trong băng thông quang 0.1nm 43 Hình 3.4. Kết quả mô phỏng độ nhạy theo hệ số tiền khuếch đại tại các tốc độ bit khác nhau 44 Hình 3.5. Nhiễu (màu đỏ) và tín hiệu quang (xanh) đến máy thu 45 Hình 3.6. Hệ số phẩm chất theo công suất trung bình với các hệ số tiền khuếch đại khác nhau (G = 15, 18 và 20dB). OSNR = 20dB trong B ref = 0.1nm, B 0 = 2B e = 5,10 và 80GHz tơng ứng với tốc độ 2.5Gb/s, 10Gb/s và 40Gb/s 46 Hình 3.7. Hệ số phẩm chất theo công suất trung bình (OSNR = 20dB trong 0.1nm) không dùng tiền khuếch đại. B 0 = 2 x tốc độ bit và B e = 0,7 x tốc độ bit = 1.75,7 và 28GHz tơng ứng với các tốc độ 2.5, 10 và 40Gbps 48 Hình 3.8. Mô hình 3 mức hoạt động của EDFA 51 Hình 3.9. Cấu trúc đờng truyền quang dùng khuếch đại 52 Hình 3.10. OSNR (trong băng thông 0.1nm) theo công suất trung bình và chặng truyền dẫn (suy hao 20dB mỗi chặng). OSNR đầu vào là 40dB trong 0.1nm 53 Hình 3.11. OSNR (trong 0.1nm) theo cự ly truyền với 3 chiều dài mỗi chặng khác nhau. OSNR đầu vào là 40dB trong 0.1nm. OSNR yêu cầu để Q = 6 là 25dB 54 Hình 3.12. Phổ khuếch đại Raman 56 Hình 3.13. Khuếch đại Raman 57 7 Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn 58 Hình 3.15. Hệ thống khuếch đại 2 tầng EDFA 60 Hình 3.16. Hệ số phẩm chất Q theo cự ly truyền với công suất trung bình 0dBm và OSNR tại máy phát là 35dB 61 Hình 4.1. Biến đổi xung do tán sắc tích luỹ (độ rộng xung ban đầu 2.5ps) 65 Hình 4.2. Hệ thống truyền dẫn N chặng, lợng bù tán xạ trớc D pre và tán xạ d mỗi chặng D res 70 Hình 4.3: (a) Công suất truyền trong chiều dài sợi quang (b) mô hình tơng ứng của chiều dài hiệu dụng 73 Hình 4.4: Sự điều chế qua lại (a) giữa 2 tín hiệu vào ( 1 , 2 ); (b) giữa 3 tín hiệu vào (( 1 , 2 , 3 ) và tạo ra các thành phần tần số mới 79 Hình 4.5: XPM ảnh hởng đến xung tín hiệu ở những vị trí chồng lặp khác nhau 80 Hình 4.6. Hàm công suất bù Raman theo số kênh với một số giá trị công suất kênh P ch . Khoảng cách kênh là 100GHz và các kênh có cùng công suất 84 Hình 4.7: Nguyên tắc SBS 85 Hình 5.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn cự ly 3 chặng x 100km 88 8 danh mục bảng biểu Bảng 1.1. Thông số sợi quang 17 Bảng 1.2. Giới hạn lý thuyết của cự ly truyền theo PMD 17 Bảng 2.1. Nguồn xung quang tốc độ cao 28 Bảng 2.2. Hiệu quả phổ của NRZ 31 Bảng 3.1. Giới hạn Q theo OSNR (dB) của bộ lọc điện băng thông 28GHz 48 Bảng 3.2. Giới hạn Q theo OSNR (dB) của bộ lọc điện băng thông 112GHz 48 Bảng 4.1. Công suất bù theo hàm của tán xạ tích luỹ 66 Bảng 4.2. Thông số các sợi quang và sợi bù tơng ứng 69 9 Lời nói đầu Các hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày nay là thành phần chính của các mạng mặt đất và trên biển với cự ly xa. Đó là kết quả của rất nhiều nghiên cứu và giải pháp hiện nay vẫn đang đợc tiếp tục. Các hệ thống thông tin quang đầu tiên đợc lắp đặt trong những năm 80 với tốc độ bít vài Mbps đến 560Mbps. Dung lợng của các hệ thống này tơng đơng với các hệ thống truyền dẫn cáp đồng trục nhng chúng có một u điểm chính là khoảng cách giữa các trạm lặp khoảng 70km cho hệ thống truyền dẫn mặt đất. Tiếp theo là giảm số lợng các trạm lặp quang là vấn đề chính trong các hệ thống truyền dẫn trên biển. Vào đầu những năm 1990, hệ thống quang dung lợng cao đầu tiên ra đời. Hệ thống này có tốc độ bít 2,5Gbps, bớc sóng 1550nm với khoảng cách các trạm lặp là 90km (trạm lặp toàn quang hoặc trạm lặp quang điện). Từ giai đoạn này, các hệ thống quang có dung lợng và chất lợng cao hơn các hệ thống vô tuyến. Sự phát triển nhanh chóng của mạng toàn cầu do sự phát triển của Web và các ứng dụng của nó. Do đó dẫn đến nhu cầu tăng dung lợng để đảm bảo truyền dẫn số liệu. Việc tăng tốc độ kênh là cần thiết vì lý do kinh tế. Đó là lý do tại sao các hệ thống 10 Gbps đang dần thay thế các hệ thống 2,5 Gbps. Để tăng tốc độ bít trên kênh cần có đầy đủ các linh kiện điện tử cơ bản và các linh kiện quang điện tử. Theo phơng pháp này, điều chế và giải điều chế sóng quang có thể thực hiện đợc. Các thiết bị này đáp ứng đợc tốc độ 2,5 Gbps vào đầu những năm 90, tốc độ 10Gbps vào năm 1998. Với tốc độ 40Gbps thì thiết bị đầu tiên xuất hiện vào năm 2001. Tất cả các vấn đề truyền lan sóng ánh sáng trong hệ thống WDM tốc độ cơ sở 10Gbps sẽ càng mạnh lên trong hệ thống 40Gbps và càng nghiêm trọng hơn ở tốc độ 160Gbps. [...]... luận văn Luận văn "Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao" gồm 5 chơng với nội dung sau: Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang WDM chủ yếu đề cập đến các khái niệm cơ bản v th nh phần chủ yếu của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng (WDM), tình hình hiện tại của hệ thống v xu hớng phát triển Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao trình b y tập trung v o các tuyến quang tốc độ cao. .. giảm đợc ảnh hởng của PMD lên hệ thống Metro Tuy nhiên có thể các sợi quang hiện tại đang dùng l loại có hệ số PMD rất cao nên có thể cần dùng kỹ thuật bù PMD 27 Chơng 2 Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao 2.1 Máy thu/phát quang tốc độ cao 2.1.1 Nguồn phát xung quang rất ngắn Hệ thống truyền dẫn OTDM l phơng pháp truyền dẫn điều khiển các xung quang Cần một nguồn phát xung quang ngắn không chỉ để tạo... FSK 2.2.3 Bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao Phần n y trình b y hiện trạng v các vấn đề bù tán sắc cần thiết để phát triển các hệ thống thông tin quang tốc độ cao Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao cần xem xét tán sắc của sợi quang, của các bộ khuếch đại quang ở các trạm lặp cũng nh sợi quang trên đờng truyền Do đó cần có kỹ thuật bù tán sắc Có thể chia hệ thống bù tán sắc l m 2 loại...10 Luận văn sẽ trình b y một số nội dung liên quan đến hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, đặc biệt l hệ thống truyền dẫn quang 160 Gb/s Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hởng của nhiễu từ các nguồn nhiễu khác nhau đến chất lợng hệ thống tốc độ cao v đa ra các yêu cầu cần thiết cho các thiết bị thu phát, các bộ khuếch đại trên đờng truyền Với tốc độ cao nh thế, việc quản lý bù tán... sợi quang v của bộ khuếch đại quang nên cần dùng kỹ thuật bù PMD 25 1.5 Ưu điểm của các hệ thống tốc độ cao Tiến trình phát triển của hệ truyền dẫn quang hiện nay, giá th nh mỗi bit của một máy thu/phát sẽ giảm khi tăng tốc độ bit Hiện tại các hệ thống truyền dẫn 40Gbps đang đợc thực hiện thay thế hệ thống 10Gbps Hơn nữa, khi tăng tốc độ bit trên mỗi kênh sẽ giảm bớt số kênh cần thiết Ví dụ với hệ thống. .. vị dB/km Ví dụ một tín hiệu đợc truyền qua 120km sợi quang với mất mát 0.25dB/km thì sẽ bị suy hao 30dB 1.4 Những giải pháp nâng cao tốc độ truyền dẫn quang Có rất nhiều vấn đề cần giải quyết để thực hiện các hệ thống tốc độ cao Có thể tóm tắt trên hình 1.5 Hình 1.5 Các vấn đề trong thực hiện hệ thống tốc độ cao a Máy thu/phát Tạo ra các linh kiện quang điện tốc độ cao dùng trong các máy thu phát l... khuếch đại quang có thể đảm bảo đợc băng thông khuếch đại v quản lý suy hao/tán xạ truyền dẫn, do đó giá th nh sẽ giảm 1.6 Các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao a Hệ thống cáp quang biển Hệ thống cáp quang biển xuyên đại dơng cần cự ly truyền dẫn rất xa cỡ v i trăm nghìn km, do đó bất kỳ một yếu tố n o l m suy giảm chất lợng đờng truyền đều ảnh hởng rất nghiêm trọng đến chất lợng truyền dẫn Ví dụ... phần đờng truyền tốc độ cao, vấn đề v giải pháp Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu đến hệ thống tốc độ cao Chơng n y tập trung tính toán nhiễu từ các nguồn nhiễu khác nhau trên tuyến truyền dẫn quang Dùng phần mềm Matlab để khảo sát v đa ra kết quả các chỉ tiêu về công suất, cự ly truyền dẫn để đảm bảo chất lợng hệ thống Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc v bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao Chơng... quan trọng Luận văn cũng đa ra phơng pháp bù tán sắc tối u để đảm bảo hạn chế đợc ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến Nội dung cụ thể gồm các chơng sau: Chơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc v bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao Chơng 5: Mô... ứng quang phi tuyến đến hệ thống tốc độ cao, đặc biệt l 160Gb/s Đồng thời, đa ra kỹ thuật bù tán sắc trớc để giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến Chơng 5: Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang Phần n y xây dựng chơng trình tính toán mô phỏng bằng phần mềm Visual Basic cho các kết quả trong chơng 3 v 4 Các từ khóa chính trong luận văn: (1) Hệ thống quang tốc độ cao (2) Hệ thống thông tin quang tốc . giải pháp nâng cao tốc độ truyền dẫn quang 23 1.5. Ưu điểm của các hệ thống tốc độ cao 25 1.6. Các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao 25 Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao 27 2.1 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao Chơng. nghiêm trọng hơn ở tốc độ 160Gbps. 10 Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan đến hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 160 Gb/s. Luận văn tập trung