Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang

Nội dung text: Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Toàn Sinh viên thực hiện: Phạm Thị Mỹ Hải Hoàng Thị Mai Lớp: Kỹ thuật TT&TT K56 Tóm tắt: Tán sắc là một trong những thành phần chính ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn tín hiệu và do đó hạn chế cự ly truyền dẫn của hệ thống thông tin quang. Trong nghiên cứu này trình bày các nghiên cứu về tán sắc, ảnh hưởng của tán sắc và các kỹ thuật bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang. Nghiên cứu tập trung vào phương pháp bù tán sắc sử dụng sợi quang cách tử FBG. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của FBG trong hệ thống thông tin quang được trình bày, phần mềm OptiSystem được sử dụng để mô phỏng và đánh giá các hệ số chất lượng Q và tỷ số lỗi bit BER của hệ thống thông tin quang. Từ khóa: Tán sắc, bù tán sắc, sợi cách tử FBG, mô phỏng OptiSystem. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Truyền dẫn quang là một phương thức truyền thông vô cùng quan trọng trong mạng lưới viễn thông. Các hệ thống thông tin quang sở hữu những ưu điểm nổi trội hơn hẳn các hệ thống trước đó về băng tần, cự ly thông tin do đó có khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông có nội dung phong phú, hiện đại. Tuy nhiên, một vấn đề cần phải xem xét phải đối với các hệ thống thông tin quang là hiện tượng tán sắc. Tán sắc gây ảnh hưởng rất lớn tới hệ thống như làm méo tín hiệu, giao thoa giữa các kí tự, làm suy giảm chất lượng truyền dẫn, gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thông thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa. Vì vậy, việc xác định tán sắc và làm thế nào để giảm tán sắc trong hệ thống thông tin quang là rất cần thiết. Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 51
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI 2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Tán sắc và các phương pháp bù tán sắc 2.1.1. Tán sắc Tán sắc là hiện tượng xung bị biến dạng khi nó di chuyển dọc theo chiều dài sợi quang. Trong sợi quang, nguyên nhân gây ra tán sắc được chia làm bốn loại: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc phân cực mode. Các loại tán sắc này được thể hiện trong hình vẽ sau: Hình 1. Tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc mode phân cực 52 Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Tán sắc do sự khác biệt về thời gian lan truyền của các tia sáng có các đường truyền khác nhau trong quá trình truyền, làm cho các mode truyền trong sợi quang có độ trễ khác nhau tại đầu cuối sợi quang dẫn tới hiện tượng chồng lấn xung và gây khó khăn trong việc phân tích tín hiệu đầu ra. Hình 2. Sự ảnh hưởng của dãn rộng xung quang do tán sắc gây ra Sự dãn xung theo thời gian và cự ly truyền trong sợi dẫn tới hiện tượng giao thoa tín hiệu, làm cho các xung đầu ra chồng lên nhau dẫn tới bộ quyết định trong đầu thu quyết định sai và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm và do đó chất lượng hệ thống giảm. 2.1.2. Các phương pháp bù tán sắc Do bản chất của tán sắc là sự chênh lệch thời gian của các thành phần ánh sáng nên bản chất của việc bù tán sắc là làm trễ các thành phần này một lần nữa sao cho tổng thời gian trễ của chúng là như nhau khi đến bộ thu. Thiết bị bù tán sắc chủ yếu gồm ba loại: chip xử lý tín hiệu số DSP (Digital signal processing), sợi bù tán sắc DCF (Dispersion compensating fiber) và sợi chirp cách tử Bragg CFBG (chirp fiber Bragg grating). Thiết bị DCF và CFBG thực hiện việc này trên miền quang dựa vào thời gian di chuyển khác nhau của các bước sóng. Thiết bị chip DSP thực hiện việc này trên miền điện dựa vào nghịch đảo hàm truyền tín hiệu quang. Hiện nay, hướng nghiên cứu chủ yếu là sử dụng các sợi quang có lõi là các cách tử Bragg để bù tán sắc, đặc biệt là các tán sắc màu (chromatic dispersion). Ưu điểm của Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 53
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI phương pháp này là thiết bị có kích thước nhỏ gọn, chế tạo đơn giản và hoạt động rất có hiệu quả. Vì vậy bài báo này xin được trình bày về phương pháp bù tán sắc bằng sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi CFBG: Hình 3. Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi (CFBG) Trong sợi CFBG, tính chu kỳ của các chiết suất thay đổi dọc theo chiều dài cách tử. Khi chu kỳ thay đổi dọc theo trục, các bước sóng khác nhau được phản xạ bởi các phần khác nhau cảu cách tử và do đó bị trễ ở các khoảng thời gian khác nhau. Kết quả là hiện tượng nén (hay dãn xung) của các xung đầu vào có thể được điều chỉnh để bù cho tán sắc màu tổng hợp trên tuyến thông tin quang. Các thành phần sóng ánh sáng mặc dù đi vào cách tử ở các thời điểm khác nhau nhưng đều được phản xạ trở lại lối vào cùng một thời điểm. Hình 4. Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc CFBG Một xung bị dãn rộng khi lan truyền đi qua thiết bị ghép nối quang circulator để tới đoạn cách tử Bragg có chu kỳ biến đổi.Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữa trước khi được phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu. Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm hơn do bị 54 Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019
5. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tới cách tử Bragg. Kết quả là các sóng này sau khi làm trễ một lần nữa thì tổng thời gian trễ của chúng là như nhau khi đến bộ thu, khi đó xung tín hiệu sau khi đi qua thiết bị bù đã được hồi phục lại. 2.1.3. Mô phỏng bù tán sắc trong mô hình hệ thống thông tin quang Mô phỏng sử dụng phần mềm OptiSystem để khảo sát hiệu quả khi sử dụng FBG trong một hệ thống quang đơn giản để khảo sát các thông số BER, QFactor tại đầu ra hệ thống. Hình 5. Mô phỏng hệ thống quang sử dụng FBG bằng OptiSystem Bảng 1. Thông số hệ thống quang Thông số Giá trị Thông số Giá trị Tốc độ bit 10 Gbit/s Suy hao sợi quang 0.2 dB/km Tần số 193.1THz Tham số tán sắc 16.25 ps/nm/km Công suất phát 5 dBm Dispersion slope 0.0075 ps/nm^2/k Bước sóng 1550nm Độ dài FBG 7mm Độ dài sợi quang 70 km EDFA 5m Kết quả mô phỏng: Khi thay đổi chiều dài sợi quang: Chiều dài sợi Q.Factor Min.BER quang (Km) 50 20.358 1.90e-92 60 15.2628 6.36e53 70 10.6608 6.84e-28 80 7.82761 2.47e-15 90 3.44275 2.66e-04 100 3.37673 3.30e-04 Bảng 2. Chiều dài sợi quang Hình 6. Biểu đồ khảo sát theo chiều dài sợi Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 55
6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kết quả mô phỏng ở hình 6 cho thấy khi tăng chiều dài sợi quang thì hệ số chất lượng Q sẽ giảm đồng thời BER tăng lên. Khi thay đổi chiều dài FBG Hình 7. Biểu đồ khảo sát theo Chiều dài sợi FBG Từ kết quả mô phỏng ở hình 7 ta thấy khi thay đổi chiều dài sợi FBG sẽ dẫn tới sự thay đổi rõ rệt ở hệ số chất lượng Q, đối với tham số thiết kế hệ thống như bảng 1 thì chiều dài tối ưu sợi FBG là khoảng 7-9 mm. Khi thay đổi công suất phát Công Q. Facter Min.BER suất phát (dBm) 1 10.1975 9.88e-25 2 10.3367 2.33e-25 3 10.4914 4.53e-26 4 10.67 6.78e-27 5 10.8808 6.84e-28 6 10.8808 6.84e-28 7 11.1345 4.91e-29 8 11.808 1.70e-32 9 12.2358 9.55e-35 10 12.7034 2.71e-37 Bảng 3. Công suất phát Hình 8. Biểu đồ khảo sát theo công suất phát Từ hình 8 ta thấy khi tăng công suất phát sẽ giúp tăng hệ số chất lượng Q và giảm tỷ số lỗi bit BER 56 Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019
7. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI 3. KẾT LUẬN Như vậy bài báo đã trình bày các vấn đề về tán sắc sợi quang, khái niệm, phân loại, các ảnh hưởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang, đồng thời trình bày giải pháp sử dụng sợi quang cách tử để bù tán sắc trên hệ thống thông tin quang. Ngoài ra, phần mềm optisystem được sử dụng để mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống thông tin quang theo các tham số chất lượng Q và tỷ số lỗi bit BER theo sự biến thiên chiều dài của sợi quang và theo công suất đầu vào. Tài liệu tham khảo [1]. Chu Công Cẩn, “Cơ sở kỹ thuật thông tin sợi quang”, Bài giảng, Trường Đại học Giao thông Vận tải. [2]. Đinh Thị Thu Phong, Vũ Văn San, Estimation of Influence of Chromatic Dispersion in High-bit Rate Optical Fiber Communication Systems. [3]. GOVIND P. AGRAWAL, “Fiber-Optic Communication Systems”, The Institute of Optics University of Rochester Rochester, NY. [4]. N. K. Kahlon and G. Kaur, Various Dispersion Compensation Techniques for Optical System: A Survey. [5]. Natalia M. Litchinitser and David B. Patterson, Analysis of Fiber Bragg Gratings for Dispersion Compensation in Reflective and Transmissive Geometries. [6]. M. Sumetsky and B.J. Eggleton, Fiber Bragg gratings for dispersion compensation in optical communication systems. [7]. M.Tosson, Walid S. El-Deeb, A. E. Abdelnaiem, Dispersion Compensation Techniques for DWDM Optical Networks. [8]. Aasif Bashir, Dar Rakesh Kumar Jha, Chromatic dispersion compensation techniques and characterization of fiber Bragg grating for dispersion compensation. [9]. Gagandeep Kaur, Monika Aggarwa, Simulation Comparison of Different Dispersion Compensation Techniques in Single Channel Optical fibre Using Optisystem. Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2019 57