Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết mô luận văn “Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM” trung thực hoàn toàn không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hà Nội, tháng năm 2012 Lê Trọng Việt Học viên cao học khóa 2010 - 2012 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội GVHD: TS Bùi Việt Khôi -1- HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM 10 1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang 10 1.2 Các đặc điểm hệ thống thông tin quang 12 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 12 1.2.2 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 15 1.2.2.1 Ưu điểm 15 1.2.2.2 Nhược điểm 16 1.3 Ứng dụng xu phát triển 16 1.3.1 Ứng dụng viễn thông 16 1.3.2 Ứng dụng dịch vụ tổng hợp 17 1.4 Các kỹ thuật ghép kênh quang 18 1.4.1 Kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số 19 1.4.2 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian 20 1.4.3 Kỹ thuật ghép kênh quang theo không gian 22 1.4.4 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM 22 1.5 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM 23 1.5.1 Định nghĩa 23 1.5.2 Mục đích 23 1.5.3 Phân loại WDM 24 1.5.4 Chức hệ thống WDM 25 1.5.5 Ưu nhược điểm công nghệ WDM 27 1.5.6 Sự phát triển WDM thời gian qua 28 1.6 Giới thiệu hệ thống WDM sử dụng thiết bị Huawei EVNTelecom 28 CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 33 2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng OUT 33 2.1.1 Nguyên lý hoạt động 34 2.1.2 Phân loại ứng dụng 34 2.2 Ghép kênh quang OMUX tách kênh quang ODMUX 35 2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng lọc 37 2.2.2 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ 42 2.2.2.1 Công thức cách tử 44 2.2.2.2 Các tách ghép bước sóng sử dụng cách tử 46 2.2.3 Phương pháp ghép sợi 49 2.2.3.1 Phương pháp ghép xoắn sợi 50 2.2.3.2 Phương pháp mài ghép 50 GVHD: TS Bùi Việt Khôi -2- HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM 2.2.3.3 Nhược điểm phương pháp ghép sợi 51 2.3 Các khuếch đại quang 51 2.3.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA 54 2.3.1.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 54 2.3.1.2 Ưu khuyết điểm ứng dụng SOA 55 2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium (EDFA) 57 2.3.2.1 Các cấu trúc EDFA 57 2.3.2.2 Lý thuyết khuếch đại EDFA 58 2.3.2.3 Ưu khuyết điểm EDFA 62 2.3.3 Bộ khuếch đại quang Raman (RA) 62 2.3.3.1 Nguyên lý hoạt động 62 2.3.3.2 Ưu khuyết điểm khuếch đại Raman 64 2.4 Bộ xen rẽ kênh quang OADM 65 2.5 Các modul bù tán sắc DCM 67 2.6 Các loại sợi quang sử dụng truyền dẫn 70 2.6.1 Phân loại sợi 70 2.6.2 Sợi quang bù tán sắc DCF 71 2.6.2.1 Nguyên lý bù tán sắc 71 2.6.2.2 Tính kết cấu sợi bù tán sắc DCF 72 2.6.3 Sợi quang tán sắc phẳng DFF 73 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WDM 76 3.1 Tổng quan hiệu ứng phi tuyến 76 3.2 Tán xạ kích thích Raman SRS 78 3.3 Tán xạ kích thích Brillouin SBS 80 3.4 Hiệu ứng tự điều pha SPM 81 3.5 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 83 3.6 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM 83 3.7 Hướng khắc phục ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 85 CHƯƠNG MÔ PHỎNG CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN BẰNG PHẦM MỀM OPTISYSTEM 87 4.1 Giới thiệu phần mềm OptiSystem 87 4.2 Phần mô 88 4.2.1 Mô hiệu ứng tán xạ kích thích Raman 88 4.2.2 Mô hiệu ứng Brillouin 93 4.2.3 Mô hiệu ứng FWM 96 KẾT LUẬN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 GVHD: TS Bùi Việt Khôi -3- HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu hình hệ thống thông tin quang Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống thông tin quang Hình 1.3: Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng Hình 1.4: Cấu trúc đơn giản trạm lặp quang Hình 1.5: Kết nối tổng đài cáp sợi quang Hình 1.6: Mạng truyền hình cáp quang Hình 1.7: Tương quan nhu cầu thoại truyền số liệu Hình 1.8: Sơ đồ tuyền thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM Hình 1.9: Minh họa kỹ thuật OTDM Hình 1.10: Hệ thống WDM đơn hướng song hướng Hình 1.11: Sơ đồ chức hệ thống WDM Hình 1.12: Sự phát triển hệ thống WDM Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống WDM Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động OUT Hình 2.3: Ứng dụng OTU Hình 2.4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng Hình 2.5: Cấu trúc lọc điện môi giao thoa Hình 2.6: Cấu trúc tách hai kênh sử dụng lọc giao thoa Hình 2.7: Cấu trúc tách nhiều bước sóng Hình 2.8: Một tách vi quang kênh thực tế Hình 2.9: Cấu trúc tách nhiều kênh sử dụng lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi Hình 2.10: Thiết bị OMUX – ODMUX bước sóng Hình 2.11: Thiết bị MUX-DEMUX bước sóng Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động phương pháp sử dụng cách tử phản xạ Hình 2.13: Nguyên lý hoạt động phương pháp sử dụng cách tử truyền xạ Hình 2.14: Tìm công thức cách tử Hình 2.15: Cách tử pha Hình 2.16 :Sơ đồ ghép kênh sử dụng cách tử Finke Hình 2.17: Bộ tách Littrow Hình 2.18: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar gương lòng chảo Hình 2.19: Cách tử lòng chảo Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc thiết bị tách kênh quang sử dụng cách tử lòng chảo Hình 2.21: Phương pháp nóng chảy Hình 2.22: Phương pháp mài ghép Hình 2.23: Bộ ghép kênh bước sóng phương pháp nóng chảy nối tiếp sợi đơn mode Hình 2.24: Cấu trúc trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Hình 2.25: Cấu trúc khuếch đại quang bán dẫn SOA GVHD: TS Bùi Việt Khôi -4- HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Hình 2.26: Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA Hình 2.27: Mặt cắt ngang loại sợi quang pha ion Erbium Hình 2.28: Giản đồ phân bố lượng ion Er 3+ sợi silica Hình 2.29: Phổ hấp thụ (absorption spectrum) phổ độ lợi (gain spectrum) EDFA có lõi pha Ge Hình 2.30: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm 1480nm Hình 2.31: Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman Hình 2.33: Cấu trúc chung OADM Hình 2.34: OADM cố định Hình 2.35: OADM cấu hình lại Hình 2.36: Nguyên lý bù tán sắc cách tử Bragg Hình 2.37: Tán sắc phẳng sợi quang Hình 4.1: Sơ đồ mô hiệu ứng Raman Hình 4.2: Phổ công suất tín hiệu đầu vào Hình 4.3: Phổ công suất tín hiệu đầu Hình 4.4: Ảnh hưởng hiệu ứng Raman Hình 4.5: Phổ công suất tín hiệu thu tín hiệu Stock Hình 4.6: Ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin Hình 4.7: Sơ đồ mô hiệu ứng FWM Hình 4.8: Phổ công suất tín hiệu đầu Hình 4.9: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo hệ số tán sắc D Hình 4.10: Phổ công suất tín hiệu đầu Hình 4.11: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo Δf Hình 4.12: Phổ công suất tín hiệu đầu Hình 4.13: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo công suất đầu vào GVHD: TS Bùi Việt Khôi -5- HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh cáp quang cáp đồng Bảng 1.2 Sự phân chia băng sóng Bảng 2.1: Suy hao modul bù tán sắc Bảng 4.1 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng Raman Bảng 4.2 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin Bảng 4.3 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo hệ số tán sắc Bảng 4.4 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo Δf Bảng 4.5 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo công suất phát GVHD: TS Bùi Việt Khôi -6- HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM APD APS ASK Add-Drop Multiplexer Avalanche Photo-Diode Automatic Protection Switching Amplitude Shift Keying ATM Asynchronous Transfer Mode AWG Arrayed-Wavegiude Grating BA Booser Amplifier BER BW CPM DCF DCG DCM DEM Bit Error Ratio BandWidth Cross Phase Modulation Dispersion Compensated Firber Dispersion Compensating Grating Dispersion Compensator Module Dispersion-Equalization Module DFA Doped-Fiber Amplifier DSF DXC EDF Dispersion Shifted Firber Dense Wavelength Division Multiplex Digital Cross Connect Erbium Doped Fiber EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier FBG FPA FTTH FWM LA LAN MUX NE NL NrREG NRZ Fiber-Bragg Grating Fabry-Perot Amplifier Fiber To The Home Four Wave Mixing Line Amplifier: Local Area Network: Multiplexer Network Element Non-Linear Non-regenarative Repeater Non Return to Zero DWDM GVHD: TS Bùi Việt Khôi -7- Bộ xen/rớt kênh Photodiode thác lũ Chuyển mạch bảo vệ tự động Khoá dịch biên độ Phương thức truyền không đồng Cách tử ống dẫn sóng ma trận Bộ khuếch đại công suất đầu phát Tỉ lệ lỗi Ðộ rộng dải thông Ðiều chế xuyên pha Sợi bù tán sắc Cách tử bù tán sắc Module bù tán sắc Module điều chỉnh tán sắc Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp chất Sợi tán sắc dịch chuyển Ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc Bộ kết nối chéo số Sợi quang trộn Erbium Bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium Cách tử sợi Bragg Bộ khuếch đại Fabry-Perot Quang hóa đến tận nhà Trộn bốn bước sóng Khuếch đại quang đường truyền Mạng nội Bộ ghép kênh Phần tử mạng Phi tuyến Trạm lặp quang Mã không trở HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM OA OADM ODM OFA OLT OM OMS OPM OSC OSNR Optical Amplifier Optical Add-Drop Multiplexer Optical Demultiplexer Optical Fiber Amplifier Optical Line Terminal Optical Multiplexer Optical Multiplex Section Optical Performance Monitor Optical Supervision Channel Optical Signal to Noise Ratio OTDM Optical Time Division Multiplex OTS OTU OXC PA PDH PIN PLL PMD PSK RA RL SBS SCM SDH SNR SOA SONET SPM SPR SRS STM TDM TE WDM XPC Optical Transmission Section Optical Transmit Unit Optical Cross-Connect Pre_Amplifier Plesiochrounous Digital Hierachy Positive Intrinsic Nagative Phase - Locked Loop Polarization Mode Dispersion Phase Shift Keying Raman Amplifier Reflectance/Return Loss Stimulated Brillouin Scattering SubCarrier Modulation Synchronous Digital Hierachy Signal to Noise Ratio Semiconductor Optical Amplifier Synchronous Optical Network Self Phase Modulation Shared Protection Ring Stimulated Ramam Scattering Synchronous Transport Module Time Division Multiplexing Terminal Equipment Wavelength Division Multiplexing Cross Phase Modulation GVHD: TS Bùi Việt Khôi -8- Bộ khuếch đại quang Bộ xen/rớt kênh quang Bộ tách bước sóng quang Bộ khuếch đại quang sợi Bộ kết cuối đường quang Bộ ghép bước sóng quang Lớp đoạn ghép kênh quang Thiết bị giám sát mạng quang Kênh giám sát quang Tỉ số tín hiệu tạp âm quang Ghép kênh quang phân chia thời gian Ðoạn truyền dẫn quang Bộ chuyển phát quang Bộ kết nối chéo quang Bộ tiền khuếch đại Phân cấp số cận đồng Điốt PIN Vòng khoá pha Tán sắc mode phân cực Khoá dịch pha Bộ khuếch đại Raman Suy hao phản hồi Tán xạ kích thích Brillouin Ðiều chế sóng mang phụ Phân cấp số đồng Tỉ số tín hiệu tạp âm Bộ khuếch đại quang bán dẫn Mạng quang đồng Tự điều pha Vòng bảo vệ chia Tán xạ bị kích thích Raman Môdun truyền tải đồng Ghép kênh theo thời gian Thiết bị đầu cuối Ghép kênh theo bước sóng Ðiều chế xuyên pha HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, hệ thống thông tin quang chiếm lĩnh hầu hết tuyến truyền dẫn trọng yếu mạng lưới viễn thông coi phương thức truyền dẫn có hiệu tuyến vượt biển, xuyên lục địa sử dụng phương thức truyền dẫn Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn bùng nổ thông tin xã hội, đặc biệt phát triển dịch vụ băng thông rộng, mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có phát triển mạnh quy mô trình độ công nghệ nhằm tạo cấu trúc mạng bao gồm hệ thống truyền dẫn quang đại Các hệ thống thông tin quang thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao… Trong hệ thống thông tin trước sử dụng phương pháp truyền dẫn truyền thống SDH, sợi quang truyền dẫn bước sóng với nguồn phát quang phía phát tách sóng quang phía thu Với hệ thống vậy, dải phổ tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế hẹp so với dải thông mà sợi quang truyền dẫn Nếu muốn tăng dung lượng hệ thống phải thêm sợi quang Thực tế cho thấy, tốc độ đường truyền đạt tới mức xuất hạn chế mạch điện việc nâng cao tốc độ kéo dài cự ly truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trục Gbit/s, thân mạch điện tử đảm bảo đáp ứng xung điện hẹp, thêm vào chi phí cho giải pháp tuyến truyền dẫn trở nên tốn Do đó, kỹ thuật ghép kênh quang OTDM, OFDM, SCM, WDM đời nhằm khắc phục hạn chế Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng Trong trội kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng - WDM, WDM mở hướng phát triển cho mạng viễn thông GVHD: TS Bùi Việt Khôi -9- HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.1 Lịch sử phát triển thông tin quang Việc thông tin liên lạc ánh sáng sớm xuất phát triển xã hội loài người người biết cách liên lạc với cách dấu (Hand signal) Liên lạc cách dấu dạng thông tin quang: dấu bóng tối Ban ngày, mặt trời nguồn ánh sáng cho hệ thống (hệ thống “Hand signal”) Thông tin quang mang từ người gửi đến người nhận dựa xạ mặt trời Mắt thiết bị thu thông điệp này, lão xử lý thông điệp Thông tin truyền theo kiểu chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, lỗi lớn Một hệ thống thông tin quang sau đó, có đường truyền dài hơn, tín hiệu khói (Smoke signal) Thông điệp gửi cách thay đổi dạng khói phát từ lửa Mẫu khói lần mang đến phía thu ánh sáng mặt trời Hệ thống đòi hỏi phương pháp mã hóa phải đặt ra, mà người gửi người nhận thông điệp phải học Điều so sánh với hệ thống mã xung (Pulse codes) sử dụng hệ thống số (digital system) đại Trải qua thời gian dài từ người sử dụng ánh sáng mặt trời để làm thông tin liên lạc đến nay, lịch sử thông tin quang qua bước phát triển hoàn thiện tóm tắt mốc sau: • Năm 1775: Paul Reverse sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston kéo tới • Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống gồm chuỗi tháp với GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 10 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Hình 4.4: Ảnh hưởng hiệu ứng Raman Ta đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng Raman dựa tỉ số ΔP/ P thu Nếu tỉ số ΔP/ P thu > 10% nghĩa ảnh hưởng hiệu ứng Raman lên hệ thống đáng kể Từ kết mô tính toán ta nhận thấy với công suất phát nhỏ mW mW tỉ số ΔP/ P thu chưa vượt 5% Điều chứng tỏ ảnh hưởng hiệu ứng Raman với công suất phát nhỏ không đáng kể Khi ta tăng công suất phát lên 10 mW tỉ số ΔP/ P thu , vượt 5% công suất phát 20 mW tỉ số ΔP/ P thu , vượt 10% bước sóng nhỏ lớn nhất, có nghĩa lượng công suất chuyển từ bước sóng nhỏ lên bước sóng lớn rất đáng kể Từ ta kết luận công suất phát tăng ảnh hưởng hiệu ứng Raman lớn GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 92 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM 4.2.2 Mô hiệu ứng Brillouin Sơ đồ mô phỏng: Hình 4.5: Sơ đồ mô hiệu ứng SBS Trong sơ đồ ta sử dụng nguồn phát laser có bước sóng λ = 1550 nm, chiều dài tuyến quang L = 10 km, hệ số suy hao cáp α = 0,2 dB/km, diện tích hiệu dụng lõi sợi Aeff = 80.10 −12 (m ), hệ số độ lợi Brillouin g = 10 −11 (m/W) Ta đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng SBS theo công suất nguồn phát tín hiệu, với giá trị công suất phát nguồn laser P = dBm, dBm, dBm, dBm, dBm dBm Chạy mô ta thu kết sau: GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 93 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM P = dBm P = dBm P = dBm P = dBm P = dBm P = dBm Hình 4.5: Phổ công suất tín hiệu thu tín hiệu Stock GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 94 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Gọi công suất tín hiệu phía thu P signal công suất tín hiệu stock P stock Từ mô ta có kết sau: Bảng 4.2 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin P (dBm) P signal (dBm) -10 -9 -7 -5 -3 -2 P stock (dBm) -45 -42 -37 -27 -13 -6 0.032 0,05 0.1 0.63 10 39,81 P stock / P signal (%) Hình 4.6: Ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin Qua mô ta nhận thấy công suất tín hiệu phía thu công suất sóng stock phụ thuộc vào công suất đầu vào Khi ta tăng công suất phát lượng từ tín hiệu thu chuyển sang tín hiệu stock tăng Ta đánh giá mức độ ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin dựa tỉ số P stock / P signal Nếu tỉ số P stock / P signal > 20% nghĩa ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin đáng kể Cụ thể GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 95 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM công suất phát dBm ta thu P signal = - 10 dBm công suất stock P stock = -45 dBm, tỉ số P stock / P signal = 0,032% 20%, nghĩa ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin đáng kể Nếu ta tiếp tục tăng công suất phát giá trị công suất stock tăng nhanh vượt qua giá trị công suất tín hiệu Và tín hiệu stock có hướng ngược với tín hiệu phát, có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu Vì vậy, để hạn chế ảnh hưởng hiệu ứng Brillouin ta phải điều chỉnh công suất tín hiệu phát cho tỉ số P stock / P signal < 10% 4.2.3 Mô hiệu ứng FWM Sơ đồ mô phỏng: Hình 4.7: Sơ đồ mô hiệu ứng FWM GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 96 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Ta khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM theo hệ số tán sắc D, theo khoảng cách kênh Δf, theo công suất P nguồn phát laser Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo hệ số tán sắc D Hệ thống WDM với bước sóng có khoảng cách tần số kênh Δf = 25 GHz với giá trị f = 192,9625 THz, 192,9875 THz, 193,0125 THz 193,0375 THz Tốc độ kênh 10 GHz, công suất phát P = mW, tương đương 6,02 dBm Chiều dài tuyến truyền dẫn L = 100 km, hệ số suy hao cáp α = 0,2 dB/km Khảo sát hệ thống với hệ số tán sắc sợi quang D = ps/nm.km (chuẩn G.654 ITU-T) , D = ps/nm.km (chuẩn G.653 ITU-T ) D = 18 ps/nm.km (chuẩn G.652 ITU-T) Gọi công suất tín hiệu phía thu không chịu ảnh hưởng hiệu ứng FWM P thu Ta tính P thu = 6,02 – 100.0,2 = -13,98 (dBm) = 0,04 (mW) Gọi công suất nhỏ tín hiệu phía thu P sig , công suất lớn tín hiệu sinh hiệu ứng FWM P noise lượng công suất bị mát ảnh hưởng hiệu ứng FWM ΔP = P thu - P sig Chạy mô ta thu kết quả: GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 97 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Hình 4.8: Phổ công suất tín hiệu đầu Dựa kết mô phỏng, ta đo đạc tính toán cho kết sau: GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 98 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Bảng 4.3 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo hệ số tán sắc D (ps/nm.km) 18 -17,12 -15,25 -14,14 P noise (dBm) -22 -30 -45 P noise / P sig (%) 32,5 3,35 0,082 0,0206 0,0101 0,0015 51,5 25,25 3,75 P sig (dBm) ΔP (mW) ΔP/ P thu (%) Hình 4.9: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo hệ số tán sắc D Từ kết tính toán ta nhận thấy với D tăng tỉ số P noise / P sig giảm Cụ thể với D = ps/nm.km tỉ số P noise / P sig = 32,5 %, D tăng lên 18 ps/nm.km tỉ số P noise / P sig giảm xuống 0,082% Đồng thời tỉ lệ suy giảm công suất ΔP/ P thu giảm từ 51,5% xuống 3,75% Điều cho thấy D lớn tỉ lệ công suất nhiễu so với tín hiệu giảm tỉ lệ mát công suất giảm theo, nghĩa ảnh hưởng hiệu ứng FWM lên hệ thống giảm Trong trường hợp khảo sát, với D = ps/nm.km ps/nm.km tỉ số ΔP/ P thu vượt 10%, nghĩa ảnh hưởng FWM lên GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 99 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM hệ thống lớn dẫn đến sai lệch phía thu ảnh hưởng đến chất lượng toàn hệ thống Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo khoảng cách kênh Δf Ta tiếp tục khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo Δf với hệ thống bước sóng Cố định hệ số tán sắc D = ps/nm.km, công suất phát tín hiệu P = mW = 6,02 dBm, độ dài tuyến truyền dẫn L = 100 km, suy hao cáp α = 0,2 dB/km Ta mô hệ thống với giá trị Δf = 25 GHz, 50 GHz 100 GHz (tiêu chuẩn ITU) Chạy mô ta có kết sau: Hình 4.10: Phổ công suất tín hiệu đầu GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 100 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Quan sát kết mô ta nhận thấy giá trị Δf lớn số lượng tín hiệu sinh mức công suất bé Ta tiến hành đo đạc tính toán thông số phần trên, kết thu bảng sau Bảng 4.4 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo Δf Δf (GHz) 25 50 100 P sig (dBm) -17,12 -15 -14,17 P noise (dBm) -22 -32 -44 P noise / P sig (%) 32,5 0,055 0,0206 0,0084 0,0017 51,5 21 4,25 ΔP (mW) ΔP/ P thu (%) Hình 4.11: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo Δf Theo kết tính toán bảng 4.7, ta thấy với giá trị Δf 25 GHz tỉ lệ công suất nhiễu tín hiệu P noise / P sig = 32,5 % tỉ lệ mát công suất ΔP/ P thu 51,5% Còn ta tăng giá trị Δf lên 100 GHz tỉ lệ phần trăm công suất nhiễu tín hiệu P noise / P sig giảm đáng kể, 0,055 % đồng thời tỉ lệ mát công suất ΔP/ P thu giảm xuống thấp GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 101 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM có 4,25 % Điều chứng tỏ giá trị Δf nhỏ công suất nhiễu sinh lớn mức suy hao công suất tín hiệu cao, có nghĩa ảnh hưởng hiệu ứng FWM lớn Trong trường hợp ta xét, tỉ số P noise / P sig = 32,5 % > 10 % tỉ số ΔP/ P thu = 51,5 % có nghĩa phía thu, tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến toàn chất lượng hệ thống Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo công suất kênh Ta khảo sát hệ thống WDM bốn bước sóng với hệ số tán sắc không đổi D = ps/nm.km, chiều dài tuyến L = 100 km, hệ số suy hao cáp α = 0,2 dB/km, khoảng cách kênh Δf = 50 GHz tần số trung tâm f = 193 THz với công suất phát kênh P = P = mW, mW, mW 10 mW Chạy mô ta thu kết quả: Hình 4.12: Phổ công suất tín hiệu đầu GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 102 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Từ kết mô ta có bảng tính toán sau: Bảng 4.5 Bảng tính toán ảnh hưởng hiệu ứng FWM theo công suất phát P (mW) 10 P thu (dBm) -20 -17 -13,01 -10 P sig (dBm) -20,18 -17,38 -14,27 -14 P noise (dBm) -50 -41 -29 -20 P noise / P sig (%) 0,1 0,43 3,37 25,12 0,00023 0,00167 0,01259 0,06019 2,28 8,34 25,18 60,19 ΔP (mW) ΔP/ P thu (%) Hình 4.13: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo công suất đầu vào Từ kết tính toán bảng 4.8, ta thấy công suất phát nhỏ, cỡ mW tỉ lệ P noise / P sig 0,1 % tỉ lệ mát công suất ΔP/ P thu = 228 % Nhưng tăng dần công suất phát lên mW, mW, 10 mW tỉ lệ tăng dần đạt giá trị cao P = 10 mW với tỉ số P noise / P sig = 25,12 % tỉ lệ mát công suất ΔP/ P thu = 60,19 % Điều có nghĩa ta tăng công GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 103 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM suất phát tỉ lệ công suất nhiễu so với với tín lớn lượng mát công suất lớn hơn, hay nói cách khác công suất lớn ảnh hưởng hiệu ứng FWM mạnh, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu phía thu Cụ thể trường hợp ta có công suất phát mW tỉ lệ công suất nhiễu tín hiệu vượt 10% tỉ lệ mát công suất 50%, điều gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu thu, làm suy giảm chất lượng chung toàn hệ thống GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 104 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM KẾT LUẬN Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM ngày tỏ chiếm ưu mạng viễn thông, kết hợp với giao thức IP Xu hướng phát triển WDM thời gian ghép kênh theo bước sóng với mật độ dày đặc, bước sóng phát có độ rộng phổ hẹp, có khả tự điều chỉnh bước sóng, khoảng cách kênh nhỏ Hệ thống WDM triển khai hệ thống toàn quang IP WDM công nghệ triển khai hứa hẹn phát triển tương lai tới Luận văn trình bày vấn đề hệ thống WDM, giới thiệu nguyên lý hoạt động hệ thống, cấu trúc, cách thức làm việc thành phần hệ thống, ảnh hưởng yếu tố suy hao, tán xạ, đặc biệt hiệu ứng phi tuyến tuyến thông tin quang Phần mô khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng Raman, hiệu ứng Brillouin hiệu ứng trộn bốn bước sóng lên chất lượng tín hiệu quang hệ thống WDM Qua tiếp tục tìm hiểu hiệu ứng phi tuyến đưa biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng tín hiệu WDM Trên tìm hiểu ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng Tôi mong có điều kiện để tiếp tục nghiên cứu lĩnh vực để đóng góp phần cho phát triển công nghệ truyền dẫn Cuối thêm lần xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS.Bùi Việt Khôi toàn thể thầy cô giáo tận tình hướng dẫn hoàn thiện luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn !!! Hà Nội, tháng năm 2012 Học viên Lê Trọng Việt GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 105 - HV: Lê Trọng Việt Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng Thông tin quang (2007), Học viện bưu viễn thông Điện Điện [2] Vũ Văn San (2008), Hệ thống thông tin quang 1, Nhà xuất Bưu [3] Vũ Văn San (2008), Hệ thống thông tin quang 2, Nhà xuất Bưu [4] Govin.P Agrawal (2002), Fiber Optical Communication System, Willey-Intersience [5] Govind P.Agraval (2001), Nonlinear Fiber Optics 3rd Edition, Academic Press, [6] Jean-Pierre Laude (1993), Wavelength Division Multiplexing, Artech House optoelectronics library GVHD: TS Bùi Việt Khôi - 106 - HV: Lê Trọng Việt