Các phương pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong hệ thống WDM

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Quách Bá Lâm – Đ04VT1 i LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ mạng quang WDM ra đời đã tạo nên những bƣớc phát triển rất lớn cho các mạng truyền tải. Với sự ra đời của công nghệ WDM đã đáp ứng đƣợc những nhu cầu tăng lên rất lớn về băng thông. Ngày nay các hệ thống thông tin quang đƣờng trục, các hệ thống dung lƣợng lớn đều sử dụng công nghệ WDM, với những tuyến liên kết điểm điểm, rồi đến những liên kết cấu trúc mạng phức tạp hơn để phù hợp với những yêu cầu đáp ứng mạng đƣợc đặt ra. Tuy nhiên, do một số những ảnh hƣởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên những nhà khai thác mạng vẫn chƣa tận dụng đƣợc hết những ƣu điểm vƣợt trội của hệ thống này. Những ảnh hƣởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hƣởng của tán sắc đối với hệ thống WDM. Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng nhƣ tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM. Do đó vấn đề quản lý tán sắc trong hệ thống WDM đã và đang rất đƣợc quan tâm. Vì vậy em đã lựa chọn nội dung đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu Các phƣơng pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Nội dung đồ án của em bao gồm ba chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan về công nghệ WDM Trong chƣơng này tìm hiểu một số nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM, các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM. Chƣơng II: Một số ảnh hƣởng đến hệ thống WDM Tìm hiểu các loại tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến cũng nhƣ những ảnh hƣởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến đối với hệ thống WDM. Chƣơng III: Các phƣơng pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong hệ thống WDM Đƣa ra sự cần thiết phải quản lý tán sắc. Tìm hiểu các phƣơng pháp bù tán sắc nhƣ các mô hình bù trƣớc, các kỹ thuật bù sau, các sợi bù tán sắc, các bộ lọc quang, các cách tử Bragg sợi, sự kết hợp pha quang. Ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống sóng ánh sáng đƣờng dài, các hệ thống dung lƣợng lớn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án của em không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ii kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo Lê Thanh Thủy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008 Sinh viên thực hiện Quách Bá Lâm Đồ án tốt nghiệp Mục lục Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... i MỤC LỤC ............................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................... viii CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM .......................................... 1 1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM ...................................................................... 1 1.1.1 Giới thiệu về WDM ................................................................................ 1 1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM ........................................................ 3 1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM .................................................................... 5 1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM .............................. 7 1.2.1 Cấu hình điểm – điểm ............................................................................ 7 1.2.2 Cấu hình vòng Ring ................................................................................ 8 1.2.3 Cấu hình Mesh ...................................................................................... 10 CHƢƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG WDM ...................................................................................................... 12 2.1 Tán sắc ...................................................................................................... 12 2.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 12 2.1.2 Tán sắc vật liệu ..................................................................................... 13 2.1.3 Tán sắc dẫn sóng .................................................................................. 15 2.1.4 Tán sắc bậc cao ..................................................................................... 17 2.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD ............................................................... 19 2.2 Các hiệu ứng phi tuyến ............................................................................. 22 2.2.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 22 2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM ............................................................ 23 2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM ..................................................... 24 2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM ............................................................. 25 2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS ) ........................................................... 26 2.4.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin ( SBS ) ........................................................ 28 CHƢƠNG III: CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG WDM ........................................................................ 30 3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc .............................................................. 30 3.2 Các mô hình bù trƣớc ............................................................................... 32 3.2.1Kỹ thuật dịch tần trƣớc .......................................................................... 32 3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa mới ...................................................................... 36 3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trƣớc phi tuyến .................................................. 38 3.3 Các kỹ thuật bù sau ................................................................................... 40 3.4 Các sợi bù tán sắc ..................................................................................... 42 3.5 Các bộ lọc quang ...................................................................................... 44 3.6 Các cách tử Bragg sợi ............................................................................... 48 3.6.1 Cách tử chu kỳ đều ............................................................................... 49 3.6.2 Cách tử sợi dịch tần .............................................................................. 52 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iv 3.6.3 Bộ nối mode dịch tần ............................................................................ 56 3.7 Sự kết hợp pha quang ............................................................................... 57 3.7.1 Nguyên lý hoạt động ............................................................................ 57 3.7.2 Bù của tự điều chế pha SPM ................................................................ 58 3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha ............................................................................. 60 3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đƣờng dài ...................................................... 64 3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ ................................................................... 64 3.8.2 Nguyên lý đơn ...................................................................................... 66 3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến trong kênh ...................................................... 69 3.9 Các hệ thống dung lƣợng lớn.................................................................... 71 3.9.1 Bù tán xạ băng rộng .............................................................................. 71 3.9.2 Bù tán sắc điều hƣớng .......................................................................... 74 3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao ..................................................................... 77 3.9.4 Bù PMD ................................................................................................ 80 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 87 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Quách Bá Lâm – Đ04VT1 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lƣợng thoại và số liệu theo thời gian ........................... 1 Hình 1.2 Ghép kênh theo bƣớc sóng WDM ............................................................ 3 Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh. ......................................................................... 4 Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM. .......................................................... 4 Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lƣợng sợi. ............................................................... 5 Hình 1.6 Màu chức năng WDM ............................................................................... 5 Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm. .............................................................................. 8 Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring ................................................................................ 9 Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM. ....................................................... 10 Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh. .......................................... 11 Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo .............................. 15 bƣớc sóng ở sợi thủy tinh ....................................................................................... 15 Hình 2.2 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] .............. 16 thay đổi theo tham số V ......................................................................................... 16 Hình 2.3 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho ............................. 17 sợi đơn mode thông dụng ....................................................................................... 17 Hình 2.4 Bƣớc sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi .................. 19 tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng. ................................................. 19 Hình 2.5 Hiện tƣợng tán sắc mode phân cực PMD ............................................... 20 Hình 2.6 : Ảnh hƣởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM .................................... 23 Hình 2.7 Ảnh hƣởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM ............................... 24 Hình 2.8 Hiệu ứng FWM ....................................................................................... 25 Hình 2.9 Giản đồ năng lƣợng của quá trình tán xạ Raman .................................... 26 Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bƣớc sóng bơm λp=1μm .......... 27 Hình 2.11 Ảnh hƣởng của tán xạ Raman ............................................................... 28 Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền ..................... 33 cho một xung đầu vào Gaussian dịch tần. .............................................................. 33 Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng để bù tán sắc: ................... 35 (a) đầu ra FM của laze DFB (b) dạng xung do bộ điều chế ngoài tạo ra c) xung đƣợc dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng trong truyền tín hiệu. ....................................... 35 Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số và công suất quang của tín hiệu truyền dẫn.(b) Tần số và công suất của tín hiệu thu và dữ liệu giải mã điện ........ 37 Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16 Gb/s đƣợc truyền đi ....................... 37 70 km chiều dài sợi tiêu chuần: (a) có và (b) không có SOA gây ra dịch tần. ...... 37 Hình 3.5 Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của Ein/Esat. Một xung đầu vào Gaussian đƣợc thừa nhận cũng nhƣ G0 = 30 dB và βc = 5 ..... 39 Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là .. 41 Hình 3.7: (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode ..................................... 44 bậc cao (HOM) và hai cách tử chu kỳ dài (LPG). (b) Phổ tán sắc của DCF ......... 44 Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đƣờng truyền sợi đƣờng dài có sử dụng ............. 46 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vi các bộ lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại. Các bộ lọc bù GVD và giảm nhiễu của bộ khuếch đại. ........................................................................................................ 46 Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa ................. 47 Mach-Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng. .................................................... 47 Hình 3.10: (a) Cƣờng độ và (b) pha của hệ số phản xạ đƣợc mô tả thành hàm điều hƣớng δ Lg trong cách tử sợi đều với κLg = 2 ( đƣờng cong liền ) hoặc κLg = 3 ( đƣờng cong đứt quãng ). ........................................................................................ 50 Hình 3.11: GVD do cách tử tạo ra đƣợc mô tả là một hàm của δ cho một vài giá trị của hệ số ghép κ. .................................................................................................... 51 Hình 3.12: Hệ số truyền (đƣờng nét đứt ) và độ trễ thời gian (đƣờng nét liền) là một hàm của bƣớc sóng đối với cách tử đều trong đó κ(z) biến thiên tuyến tính từ 0 đến 6 cm-1 trên độ dài 11 cm. .............................................................................. 52 Hình 3.13: Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) chỉ số n(z) dọc theo chiều dài cách tử.(b) độ phản xạ tần số cao và thấp tại các vị trí khác nhau trong cách tử do sự biến thiên trong bƣớc sóng Bragg. ................................................. 54 Hình 3.14: Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thông 0,12 nm. ............................................................................................... 55 Hình 3.15: Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) bộ ghép hai mode dịch tần (b) sợi hai lõi thon. ......................................................................... 56 Hình 3.16: Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ giữa nhịp trong sợi dịch tán sắc dài 21 km. ........................................................................... 61 Hình 3.17: Vòng lặp sợi xoay vòng đƣợc sử dụng để truyền tín hiện 10 Gb/s đi 10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở áp dụng DCF theo chu kỳ. Các bộ phận đƣợc sử dụng bao gồm laze điốt (LD), bộ điều chế hấp thụ điện (EA), hệ chuyển mạch quang (SW), bộ khuếch đại sợi (EDFA), sợi đơn mode (SMF), và DCF. ....................................................................................................................... 65 Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng đƣợc sử dụng để bù tán sắc ............................... 73 trong hệ thống WDM ............................................................................................. 73 Hình 3.19: (a) Mô tả phổ phản xạ và (b) toàn bộ GVD nhƣ một hàm của điện áp cho cách tử sợi với gradient nhiệt độ. .................................................................... 76 Hình 3.20: Độ nhạy của máy thu trong thí nghiệm 160 Gb/s, là một hàm của tán sắc dự trƣớc có (hình vuông) và không có (hình tròn) cách tử Bragg dạng sợi (CFBG). Sự tăng trong đồ thị theo dõi đƣợc mô tả cho 110 ps/nm ở hình bên phải. ................................................................................................................................ 77 Hình 3.21: Dạng xung sau khi xung đầu vào 2,6 ps đƣợc truyền đi 300 km bằng sợi dịch tán sắc (β2 = 0). Hình trái và phải so sánh sự cải thiện thu đƣợc bằng bù tán sắc bậc ba. ........................................................................................................ 78 Hình 3.22: Mô hình của bộ bù PMD quang (a) và điện (b). ................................. 81 Hình 3.23: Bù PMD điều hƣởng do cách tử sợi dịch tần lƣỡng chiết. .................. 82 (a) Căn nguyên của trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng do căng cách tử. ................................................................................................................................ 82 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vii Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung là hàm của DGD trung bình trong bốn trƣờng hợp. Đƣờng chấm mô tả sự tăng do sử dụng bộ bù PMD bậc một. Các vòng tròn bôi đen và rỗng mô tả kết quả mô phỏng số. ............................................................... 84 Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Quách Bá Lâm – Đ04VT1 viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ chuyển tải bất đồng bộ BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BLSR Bidirectional Line Switched Ring Vòng ring chuyển mạch đƣờng hai chiều BPF Bandpass filter Bộ lọc thông dải CD Chromatic Dispersion Tán sắc sắc thể DBR Distributed Bragg Reflection Phản xạ phân bố Bragg DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DDF Dispersion Decreasing Fiber Sợi giảm tán sắc DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép kênh DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân tán DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc DWDM Dense WDM WDM mật độ cao EA Electroabsorption Modulator Bộ điều chế hấp thụ điện EDFA Erbium Dopped Fibre Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium FBG Fiber Gragg Grating Cách tử Bragg sợi FM Frequency Modulation Điều tần FP Fabry-Perot Khoang cộng hƣởng FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch pha tần số FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm IOF Inter-Office Facility Thiết bị văn phòng IP Internet Protocol Giao thức Internet LASER Light Amplified and Stimulated Emission of Radiation Khuếch đại ánh sáng bức xạ kích thích MESH Mesh Dạng lƣới MMF Multimode Fibre Sợi đa mode Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ix MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZ Mach-Zehnder Interferometer Bộ giao thoa kế Mach-Zehner NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến NZDSF None-Zero Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OPC Optical Phase Conjugation Kết hợp pha quang PC Polarization Controller Bộ điều khiển phân cực PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp cận đồng bộ PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực PSP Principal State of Polarization Trạng thái phân cực chính RING Ring Dạng vòng RMS Root-Mean-Square Trị hiệu dụng RZ Return to Zero Trở về không SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SOP State of Polarization Trạng thái phân cực SPM Self of Polarization Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích SW Optical Switch Hệ chuyển mạch quang TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian UPSR Unidirectional Path Switched Ring Vòng ring chuyển mạch tuyến một chiều duy nhất WDM Wavel