Khảo sát và mô phỏng hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM)

- HÀ THỊ THU HƯƠNG KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện Tử-Viễn Thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN BẢNG TỪ VIẾT TẮT BẢNG KÍ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM Giới thiệu về kỹ thuật WDM.
- 61.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM.
- 10CHƯƠNG 2 : CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG SỢI QUANG.
- Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang.
- Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM.
- 152.2 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lên chất lượng tín hiệu.
- 162.2.1 Các hiệu ứng tán xạ kích thích.
- 162.2.2 Các hiệu ứng phi tuyến KERR.
- 322.3 Các phương pháp giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến.
- 492.3.1 Giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến XPM.
- 512.3.2 Giảm ảnh hưởng hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM.
- 522.3.3 Giảm ảnh hưởng của hiệu ứng SRS và nhiễu ASE.
- 59 2 CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN LÊN CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRUYỀN DẪN QUA SỢI QUANG.
- 653.3 Dạng tín hiệu ban đầu.
- Tín hiệu bơm.
- 663.3.2 Tín hiệu Stoke.
- 673.4 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của SRS lên dạng tín hiệu.
- Trong qúa trình làm luận văn, được sự hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo hướng dẫn, đồng thời qua quá trình nghiên cứu tài liệu, thiết kế em đã được tìm hiểu về các hiệu ứng phi tuyến cũng như những ảnh hưởng của nó lên chất lượng tín hiệu truyền dẫn quang.
- Theo như các số liệu thống kê, hệ thống thông tin sợi quang đã truyền tải trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra.
- Tuy nhiên khi kết hợp hai công nghệ này vào hệ thống thông tin sợi quang đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật để đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin sợi quang.
- Lúc này, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến được đi sâu vào nghiên cứu để từ nâng cao hiệu quả truyền dẫn trong sợi quang.
- Đề tài này tập trung vào việc “ Khảo sát và mô phỏng hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng”.
- Trong đó chủ yếu đi sâu vào việc phân tích và tính toán những ảnh hưởng của phi tuyến đến dạng của tín hiệu mà cụ thể là gây ra hiện tưởng mở rộng phổ của tín hiệu.
- Cụ thể, nội dung luận văn trình bày gồm 3 chương : Chương 1 : Tổng quan về hệ thống truyền dẫn WDM : Trình bày khái quát hệ thống WDM cũng như nguyên lý cơ bản về WDM.
- Chương 2 : Hiệu ứng phi tuyến : Trình bày khái quát về hiệu ứng phi tuyến, phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến từ đó đưa ra các phương pháp làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin truyền dẫn.
- Chương 3 : Mô phỏng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lên chất lượng tín hiệu truyền dẫn quang : Đưa ra các lưu đồ thuật toán của hiệu ứng SRS để thực hiện mô phỏng hiệu ứng SRS từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến SRS lên chất lượng tín hiệu trên cơ sở lý thuyết trình bày ở chương 2.
- 6 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM 1.1 Giới thiệu về kỹ thuật WDM WDM là từ viết tắt của Wavelength Division Multiplexing – ghép kênh phân chia theo bước sóng.
- Khái niệm về WDM cũng tương tự như FDM, các tín hiệu mang tin khác nhau điều chế các tín hiệu quang tại các bước sóng khác nhau và kết hợp rồi truyền đi trên một sợi quang.
- Nguyên lý ghép WDM như sau: Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng 7 Các tín hiệu quang được phát trên các bước sóng khác nhau λ1, λ2.
- Tín hiệu sau khi ghép được truyền trên sợi quang tới đầu thu.
- Phía thu thực hiện tách các luồng tín hiệu qua bộ giải ghép DEMUX sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bước sóng riêng rẽ.
- 1.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM Ta xem xét hai sơ đồ truyền dẫn WDM: hệ thống truyền dẫn quang ghép bước sóng đơn hướng và hệ thống truyền dẫn quang ghép bước sóng song hướng.
- Sơ đồ hệ thống hai sợi thể hiện trong hình 1.2.
- Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của từng kênh được điều biến với một sóng mang quang ( 1,2.
- Bộ ghép OMUX thực hiện ghép các tín hiệu này rồi truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu.
- Tín hiệu trên đường truyền được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại quang.
- Bộ ghép phải có suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu đến đầu ra còn đủ lớn.
- Tại phía thu, ODMUX thực hiện tách các tín hiệu có bước sóng ( 1,2.
- Trên mỗi sợi quang, tín hiệu phát tại một đầu và thu tại một đầu, mang tính đơn hướng.
- Ngoài hệ thống truyền dẫn ghép bước sóng sử dụng hai sợi còn có sơ đồ ghép sử dụng một sợi như trong hình 1.3.
- Các sóng mang có bước sóng λ1…λN được điều biến bởi các tín hiệu điện từ N kênh và phát theo một hướng.
- Các sóng mang có bước sóng λN+1…λ2N cũng được điều biến bởi tín hiệu điện từ N kênh và phát theo hướng ngược lại.
- Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng hai sợi 1λNλNλλλ,....,211λNλ1+NλN2λ1+NλN2λNN λλ+ Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng một sợi 1.3 WDM và DWDM Các hệ thống WDM được chia thành hai loại: WDM thông thường và DWDM (Dense WDM – ghép mật độ cao).
- Các hệ thống có trên 8 bước sóng tích cực trên một sợi quang thường được coi là DWDM còn các hệ thống có ít hơn 8 bước sóng tích cực trên một sợi quang được coi là WDM thông thường.
- WDM theo chuẩn của ITU về thuật ngữ có nghĩa là hai (hoặc nhiều hơn) tín hiệu ghép trên cùng một sợi quang, trong đó một tín hiệu trong dải 1550 nm và một tín hiệu trong dải 1310 nm.
- Mới đây, ITU đã chuẩn hoá hệ thống có khoảng cách kênh 20 nm để sử dụng cho WDM, dùng các bước sóng giữa 1310 nm và 1610 nm.
- Đặc điểm chính của WDM theo chuẩn ITU là các tín hiệu chưa có khoảng cách thích hợp cho khuếch đại bằng EDFA.
- Nguyên nhân là do khoảng cách truyền hạn chế của WDM, chỉ khoảng 60 km với tín hiệu 2,5 Gb/s, chỉ đủ cho các ứng dụng mạng nội thị.
- WDM cũng được sử dụng cho các mạng cáp TV, tại đó các bước sóng khác nhau được sử dụng cho các tín hiệu luồng lên và xuống.
- Trong các hệ thống này, các bước sóng thường được phân chia rộng, chẳng hạn tín hiệu luồng xuống tại 1310 nm trong khi tín hiệu luồng lên tại 1550 nm.
- DWDM – WDM mật độ cao, chỉ những tín hiệu quang được ghép trong dải 1550 nm, tận dụng được khả năng khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các bước sóng từ nm).
- Một hệ thống DWDM cơ bản có những thành phần chủ yếu như sau: một bộ ghép kênh đầu cuối, bộ khuếch đại EDFA có thể tích hợp vào trong bộ ghép này hoặc tách riêng, một thiết bị đầu cuối quang trung gian, còn gọi là bộ ghép quang xen/rẽ, một bộ tách kênh đầu cuối, kênh giám sát quang.
- Các bước sóng WDM được đặt trong hệ thống có khoảng cách kênh chính xác là 100GHz (khoảng 0,8 nm), với tần số tham khảo cố định khoảng 190,10 THz (1552,52 nm).
- Hệ thống chính được đặt bên trong băng tần khuếch đại sợi quang nhưng có thể mở rộng cho các băng tần rộng hơn.
- Các hệ thống DWDM ngày nay sử dụng khoảng cách kênh 50 GHz hoặc thậm chí là 25 GHz và có thể có đến 160 kênh.
- Các hệ thống DWDM đắt hơn rất nhiều so với WDM vì các bộ phát laser cần phải ổn định hơn so với WDM thông thường.
- Các hệ thống DWDM yêu cầu điều khiển nhiệt độ chính xác trong các laser phát để tránh sự “kéo trôi” bước sóng trung tâm rất hẹp.
- Thêm vào đó, DWDM có xu hướng sử dụng trong các mức cao của hệ thống truyền thông, chẳng hạn như đường trục Internet và do đó được kết hợp với các tốc độ điều chế cao, tuy nhiên thị trường cho các thiết bị DWDM cũng có mức hiệu năng cao, tương ứng với giá thành 10 cao.
- Những đổi mới gần đây trong các hệ thống truyền tải DWDM bao gồm các module thu phát có khả năng điều chỉnh phần mềm, hoạt động với 40 hoặc 80 kênh.
- Bên cạnh đó sử dụng hệ thống WDM cho mạng truyền tải có thể truyền nhiều loại tín hiệu có đặc tính khác nhau, đáp ứng nhiều loại hình dịch vụ đa dạng.
- Tuy nhiên trong hệ thống còn có những yếu tố gây suy giảm chất lượng hệ thống không thể tránh khỏi.
- Trong khuôn khổ có hạn, đề tài này nghiên cứu các hệ thống phi tuyến để từ đó có biện pháp làm giảm ảnh hưởng của nó đến chất lượng hệ thống WDM.
- 11 CHƯƠNG 2 : CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG SỢI QUANG Các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn WDM: bộ phát quang, bộ thu quang, bộ lọc quang, các bộ tách/ghép kênh quang, bộ khuếch đại quang và sợi quang.
- Trong hệ thống truyền dẫn quang, sợi quang đóng vai trò là phương tiện truyền dẫn.
- Sợi quang DSF tuân theo khuyến nghị G.653, có tán sắc bằng không tại bước sóng 1550 nm, thích hợp sử dụng trong các hệ thống WDM thông thường.
- Tuy nhiên do hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh nên nó không được sử dụng trong các hệ thống kênh mật độ dày đặc DWDM.
- Trong các hệ thống DWDM người ta sử dụng sợi NZ-DSF (Non-zero DSF), loại sợi này có mức tán xạ thấp tại cửa sổ thứ ba.
- Gần đây, tập đoàn điện tử Sumitomo của Nhật đã tuyên bố vừa phát triển được loại sợi quang mới sử dụng cho các hệ thống WDM có tên gọi PureMetro[15].
- Đây là sợi NZ-DSF đa chức năng, có các đặc điểm rất tốt cho cả các hệ thống WDM đô thị và các đường trung kế.
- Người ta dự đoán sợi quang này sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống WDM thông thường và DWDM.
- Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao trong sợi quang là hiệu ứng phi tuyến.
- Các nhà thiết kế và người sử dụng các hệ thống truyền thông quang sợi cần đặc biệt quan tâm đến tham số này, vì tính nhất quán cao của năng lượng laser mà các hệ thống này sử dụng.
- Chính vì vậy, ngay cả các mức công suất vừa phải trong các hệ thống WDM nhất quán cao cũng dẫn đến các mức trường điện đủ lớn để gây ra các hiệu ứng phi tuyến.
- Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cường độ tín hiệu laser (công suất trên một đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngưỡng.
- Đồng thời, các hiệu ứng phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vượt qua một độ dài nào đó của 13 sợi quang, phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt động của sợi quang.
- Trong thực tế, trường điện (E) của tín hiệu lan truyền tỉ lệ với công suất tín hiệu P lần hệ số phi tuyến n2 chia cho diện tích hiệu dụng Aeff của lõi sợi theo công thức sau [5.
- Các hiệu ứng phi tuyến thường chia thành hai loại, phụ thuộc vào sự thay đổi của γ.
- Với hiện tượng tán xạ, tín hiệu laser bị tán xạ bởi các sóng âm (các phonon âm thanh) hoặc các dao động trong phân tử sợi quang (các phonon ánh sáng) và sẽ bị dịch đến các bước sóng dài hơn.
- Trong các hiện tượng chiết suất, công suất tín hiệu đủ cao để chiết suất không thể coi là hằng số nữa mà xấp xỉ theo công thức sau 02nn nI=+ (2.3) với n0 là chiết suất tuyến tính, I là cường độ tín hiệu, n2 là hệ số phi tuyến (khoảng 2 đến 3.10-16 cm2/W với sợi quang silic).
- Dưới đây là những nét cơ bản về các hiệu ứng phi tuyến nói trên.
- Hiệu ứng điều chế tự dịch pha (SPM.
- Hiệu ứng điều chế dịch pha chéo (XPM.
- Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) 2.1.1 Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) Trong hiệu ứng này, tín hiệu laser tạo ra các vùng tuần hoàn hoặc thay đổi chiết suất, có nghĩa là một cách tử tuần hoàn truyền đi như một sóng âm từ tín hiệu.
- Hiệu ứng SBS dẫn đến một tín hiệu lan truyền theo hướng đi không ổn định và rất nhiễu vì rất nhiều năng lượng quang bị tán xạ ngược.
- Với các sợi quang G.653 tại bước sóng 1552 nm chẳng hạn thì tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống phía dưới khoảng 10,7 GHz (=0,085 nm) với băng tần khoảng 60 MHz.
- Với sợi quang G.652 trong cùng cửa sổ, tín hiệu bị tán xạ ngược bị dịch xuống khoảng 11 GHz (+0,088 nm) với băng tần khoảng 30 MHz.
- Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để khử SBS trong các hệ thống thực tế.
- Tuy nhiên, tần số tín hiệu lại bị dịch đến những tần số thấp hơn rất nhiều (từ 10 đến 15 THz trong cửa sổ 1550 nm, hoặc tại bước sóng dài hơn 1600 nm) với băng tần rộng hơn nhiều (khoảng 7 THz hay 55 nm).
- Trong các hệ thống WDM hiệu ứng này là sự chuyển công suất từ các kênh bước sóng ngắn đến các kênh bước sóng dài hơn.
- Điều chế tự dịch pha (SPM) Khi cường độ tín hiệu laser trở nên quá cao, tín hiệu có tự điều chế pha.
- Việc điều chế này nới rộng phổ của tín hiệu và tạm thời nới rộng hoặc nén tín hiệu, phụ 15 thuộc vào dấu (âm hay dương) của tán sắc sắc thể.
- Một sự dịch chuyển các bước sóng ngắn xảy ra tại phần đuôi của tín hiệu và dịch chuyển các bước sóng dài tại phần đầu tín hiệu.
- Trong các hệ thống WDM, sự nới rộng phổ do SPM gây ra trong một kênh tín hiệu có thể giao thoa với các tín hiệu liền kề.
- Điều chế dịch pha chéo (XPM) Trong trường hợp này thì tín hiệu của một kênh điều chế pha của tín hiệu trong kênh liền kề.
- Trong các hệ thống WDM sử dụng sợi có diện tích hiệu dụng lớn thì XPM không phải là một vấn đề quan trọng.
- Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) Đây là hiệu ứng phi tuyến có tính chất phá vỡ nhiều nhất trong các hệ thống WDM.
- Khi cường độ tín hiệu laser đạt đến giá trị tới hạn, các tín hiệu bóng xuất hiện và một số có thể rơi vào các kênh có thực.
- Số lượng kênh bóng được tính theo công thức N2(N-1)/2 với N là số kênh tín hiệu.
- Theo cách tính này thì trong một hệ thống 4 kênh sẽ xuất hiện 24 kênh bóng, hệ thống 8 kênh xuất hiện 224 kênh bóng, hệ thống 16 kênh xuất hiện 1920 kênh bóng.
- Hiệu ứng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống sử dụng sợi quang dịch tán sắc G.653

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt