Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I

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

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III

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

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV

Thuật ngữ viết tắt
Từ viết
tắt
Từ gốc
Nghĩa
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

Laser Diode
Laze diode
LED
Light Emitting Diode
Diode phát xạ quang

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V

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

Cross Modulation Phase
Điều chế chéo pha Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI

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

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

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IX

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


Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008
Sinh viên
Lê Đức Vượng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 1

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.

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

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

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 3
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

(1-1)
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
in
P
gần như bằng công suất đầu ra
out
P
và
0

dB/km.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 4
Từ công thức trên có thể suy ra được công thức tính cự ly truyền dẫn:
)log(
1
10
out
in
P
P
L


(1-2)

p
N
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.

d
L )(
(1-4)
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.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 6

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

= n
j
+
n
2
.
eff
A
P
với j=1,2… (1-5)
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
/10.3
220
m










(1-6)
Với
/
2
2
n




A
eff
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: Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 8

effin




(1-7)
P
in
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

<<1. Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của
công suất quang: 




.
1
1
eff

được cảm ứng bởi chính trường quang. SPM
tương tác với tán sắc sắc thể trong sợi để thay đổi tốc độ mở rộng xung khi nó lan truyền
trong sợi quang. Khi tán sắc sắc thể trong sợi quang càng tăng ảnh hưởng của SPM càng
lớn. Nó dẫn đến việc thay đổi các thành phẩn trong xung quang. Hiệu ứng này có thể
xem như là cơ chế chirp phi tuyến, tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung
có thể bị chirp không chỉ đơn giản do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương
tác phi tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi. Điều này dẫn đến sự dịch các sườn
xung, xung lên bị dịch về phía bước sóng dài hơn và xung xuống bị dịch về phía bước
sóng ngắn hơn và dẫn tới một sự dịch tần trên mỗi sườn xung mà tương tác với tán sắc
sợi để mở rộng xung.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 9 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: 





sợi
Chirp tần số
Xung đã phát
Tần số

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 10

 
j
NL
j
PM 12 



(1-10)

Để

NL
j

1 => P
j
<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá trị

và

ở vùng

của nó liên quan với các tần số qua công thức:
4

=
321


.
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
3214


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.