Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Đoàn Thị Hồng
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO
ĐOÀN THỊ HỒNG
TN
2012 THÁI NGUYÊN 2012
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Học viên: ĐOÀN THỊ HỒNG
Người HD Khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI
THÁI NGUYÊN – 2012
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: "Hệ thống
truyền dẫn quang tốc độ cao” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn
của PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Đây không phải là bản sao chép của bất
kỳ một cá nhân, tổ chức nào. Các số liệu, kết quả trong luận văn đều
do tôi làm thực nghiệm, xác định và đánh giá.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã
trình bày trong Luận văn này.
Thái Nguyên, ngày ...... tháng ..... năm 2012
HỌC VIÊN
Đoàn Thị Hồng
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………….1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG............... 3
1.1. Khái quát chung .......................................................................................... 3
1.2. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống thông tin quang ......................................... 4
1.2.1. Ưu điểm................................................................................................... 4
1.2.2. Nhược điểm ............................................................................................ 4
1.3. Cấu hình hệ thống thông tin quang........................................................... 4
1.4. Các thông số truyền dẫn quang cơ bản..................................................... 5
1.4.1. Các sợi quang đơn mode dùng trong hệ thống quang tốc độ cao. ...... 5
1.4.2. Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang............................................... 8
1.4.2.1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi quang ...................................................... 9
1.4.2.2. Suy hao do tán xạ .............................................................................. 10
1.4.2.3. Suy hao uốn cong sợi ........................................................................ 10
1.4.3. Tán sắc tín hiệu truyền trong sợi quang ............................................. 11
1.4.3.1. Tán sắc vật liệu.................................................................................. 12
1.4.3.2. Tán sắc dẫn sóng............................................................................... 13
1.4.3.3. Tán sắc vận tốc nhóm ....................................................................... 14
1.4.3.4. Tán sắc bậc cao ................................................................................. 15
1.4.3.5.Tán sắc phân cực mode ..................................................................... 16
CHƢƠNG 2: TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO………….18
2.1. Nguồn phát quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống 40Gbit/s)................ 18
2.1.1. Laser phản hồi phân tán DFB............................................................. 19
2.1.2. Phương thức điều chế nguồn phát quang tốc độ cao(hệ thống
40Gb/s)............................................................................................................ 20
2.1.2.1. Ưu điểm của nguồn điều chế ngoài. ................................................ 21
2.1.2.2. Nguyên lý điều chế ngoài.................................................................. 22
2.2. Bộ thu quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s)............. 25
CHƢƠNG 3: ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỄU TRONG TUYẾN TRUYỀN
DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO............................................... 28
3.1. Khuêch đại đƣờng truyền......................................................................... 28
3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động......................................................... 28
3.1.2. Các đặc tính cơ bản của EDFA........................................................... 30
3.1.2.1. Nguồn bơm quang............................................................................. 30
3.1.2.2. Hệ số khuếch đại............................................................................... 33
3.1.3. Bão hoà hệ số khuếch đại.................................................................... 36
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
3.1.3.1. Hấp thụ và bức xạ giữa các phần: ................................................... 38
3.1.3.2. Các phương trình tốc độ hạt mang và khuếch đại. ......................... 39
3.1.3.3. Độ đài tối ưu của EDFA:.................................................................. 40
3.1.3.4. Tạp âm và hệ số tạp âm..................................................................... 41
3.2. Các ứng dụng của EDFA........................................................................... 45
3.2.1. Bộ khuếch đại công suất (BA-Booster Amplifier):............................. 45
3.2.2. Tiền khuếch đại (PA: Pre-Amplifer)................................................... 46
3.2.3. Khuếch đại đường dây(LA-Line Amplifier)........................................ 47
3.2.4. Lựa chọn hệ thống sử dụng EDFA..................................................... 48
3.3. Một số hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (40Gb/s)……………….48
3.3.1. Sơ lược về hệ thống.............................................................................. 48
3.3.2. Phương pháp đánh giá hoạt động của hệ thống. ............................... 49
3.3.3. Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ trên tuyến có độ tán sắc được quản
lý (DM line)..................................................................................................... 51
3.3.3.1. Giải pháp xung ổn định (DM soliton).............................................. 51
3.3.3.2. Các đặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với giải pháp xung
DM................................................................................................................... 55
3.3.4. Hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ với điều chế đồng bộ thông thường.
......................................................................................................................... 57
3.3.4.1.Cấu trúc hệ thống 40Gb/s sử dụng giải pháp điều chế đồng bộ thông
thường............................................................................................................. 57
3.3.4.2. Đặc trưng của hệ thống truyền dẫn 40Gb/s với điều chế đồng bộ thông
thường.............................................................................................................. 58
3.3.5. Hệ thống truyền dẫn RZ 40Gb/s với điều chế đồng bộ cải tiến. ........ 61
3.3.5.1. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s sử dụng công nghệ điều chế đồng bộ
cải tiến............................................................................................................. 61
3.3.5.2. Đặc trưng truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s với điều chế đồng bộ cải
tiến................................................................................................................... 62
CHƢƠNG 4: ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ BÙ TÁN SẮC TRONG
HỆ THỐN QUANG TỐC ĐỘ CAO..................................... 66
4.1. Ảnh hƣởng của tán sắc đến hệ thống ...................................................... 66
4.1.1. Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp)................................................ 66
4.1.2. Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn ..................................................... 68
4.1.3. Ảnh hưởng của chirp tần số ................................................................ 70
4.2. Bù tán sắc trong hệ thống......................................................................... 70
4.2.1. Bù tán sắc bằng sùi tán sắc cao........................................................... 71
4.2.2. Kỹ thuật bù trước ................................................................................. 74
4.3. Ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến đến hệ thống thông tin quang.76
4.3.1. Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng KERR..................................... 76
4.3.1.1. Hiệu ứng Self-phase ModulatioD (SPM)......................................... 76
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
4.3.1.2. Hiệu ứng Cross-phase Modulation (XPM)...................................... 79
4.3.1.3. Hiệu ứng Four-wave Mixing (FWM) .............................................. 81
4.3.2. Các hiệu ứng liên quan đến tán xạ ..................................................... 83
4.3.2.1. Hiệu ứng Raman (SRS).................................................................... 83
4.3.2.2. Hiệu ứng Brillouin (SBS)................................................................. 86
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CHO TUYẾN TRUYỀN DẪN
QUANG................................................................................... 88
5.1. Sơ đồ thuật toán của chƣơng trình.......................................................... 88
5.2. Các chức năng chính của phần mềm: ..................................................... 88
5.2. Các chức năng chính của phần mềm: ..................................................... 89
5.3. Các form chính của phần mềm................................................................ 89
5.4. Các hàm thiết kế chính:............................................................................ 94
5.4.1. Hàm nhập thiết bị EDFA: ................................................................... 94
5.4.2. Hàm xoá thiết bị EDFA ....................................................................... 96
5.4.3. Hàm thiết kế tuyến ............................................................................... 96
5.4.4. Hàm tính toán thông số hệ thống........................................................ 98
5.4.5. Hàm mô phỏng hệ thống trình bày trong chương 6......................... 101
KẾT LUẬN ………………………………………………………………….103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 104
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
CÁC TỪ VIẾT TẮT
APD : Avalanche Photodiode
ASE : Amplified Spontaneous Emission
BA : Booster Amplifier
BER : Bit Error Rate
DFB : Distributed Feedback
DM : Dispersion Management
DSF : Dispersion Shifted Fiber
EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier
ESA : Excited State Absorption
FWHM : Full Width Half Max
FWM : Four Wave Mixing
GVD : Group Velocity Dispersion
LA : Line Ampifier
LD : Laser Diode
LEAF : Lerger Effective Area Fiber
MZ : Mach - Zehnder
MMF : Multi-Mode Fiber
NRZ : Non_Return to Zero
NZ-DSF : Nonzero Dispersion Shifted Fiber
NEP : Noise Equivalent Power
NF : Noise Figure
O/E : Optical- Electric converter
OEIC : Optoelectronic Intergrated Circuit
PA : Power Amplifier
PMD : Polarization Mode Dispersion
PRBS : Psedo-Random Bit Sequences
PIN : P_type Intrinsic N_type
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
SBS : Simulated Brilium Scattering
SOA : Semiconductor Optical Amplifier
SNR : Signal to Noise Rate
SMF : Single Mode Fiber
SPM : Self Phase Modulation
SRS : Stimulated Raman Scattering
TL : Teralight
RZ : Return to Zero
WDM : Wavelength Division Multiplexing
XPM : Cross Phase Modulation
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tán sắc của các loại sợi SMF. DSF và NZ-DSF .................................................. 6
Hình 1.2 Các đặc tính suy hao theo bước sóng của sợi dẫn quang với các cơ chế ............ 10
Hình 1.3. Sự suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R.............................................. 11
Hình 1. 4. Chỉ số chiết suất và chỉ số nhóm ........................................................................ 12
Hình 1.5. Tham số b và các vi phân của nó d (Vb) và Vd2
thay đổi theo V ...................... 13
Hình 1.6. Các loại tán sắc cho sợi đơn mode. M: tán sắc vật liệu G: tán sắc dẫn sóng; T:
tán sắc tổng P: tán sắc do mặt cắt gây ra, R: tán sắc dư...................................................... 14
Hình 1.7. Tán sắc phân cực mode trong sợi quang ............................................................. 16
Hình 2.1. Cấu trúc của DFB................................................................................................. 19
Hình 2. 2 Nguồn phát sử dụng kĩ thuật điều chế ngoài....................................................... 20
Hình 2.3. Bộ điều chế Mach-zehnder.................................................................................. 22
Hình. 2.4. Sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu điện quang Mach-zehnder ................... 23
Hình 2. 5. Bộ điều chế âm quang......................................................................................... 25
Hình 2.6. Cấu trúc bộ thu quang tổ hợp OEICs.................................................................. 27
Hình 3.1: Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA ........................................ 29
Hình 3.2: Các mức năng lượng trong EDFA ...................................................................... 30
Hình 3.3. Giản đồ năng lương của Er3+qe
............................................................................. 31
Hình 3.4. Bơm 1540nm, do ảnh hưởng Stark nên xảy ra sự tách biệt trong mức cơ bản và
mức gần ổn định ra nhiều mức nhỏ riêng biệt..................................................................... 31
Hình 3.5. Hai loại bơm (a)bơm dọc (b) bơm ngang.......................................................... 33
Hình 3.6. Tính năng của 3 phương thức bơm...................................................................... 33
Hình 3.7. Phổ khuếch đại của EDFA ở bước sóng bơm 980nm ........................................ 34
Hình 3.8. Quan hệ giữa hệ số khuếch đai và nồng độ trộn Er3+
......................................... 34
Hình 3.9 miêu tả sự thay đổi hệ số khuếch đại, mức nhiễu, công suất bão hòa................. 35
Hình. 3.10. Đặc tuyến vào ra của EDFA............................................................................. 37
Hình 3.11.Phổ hấp thụ của Er ở bước sóng 1540 nm ......................................................... 39
Hình 3.12. độ dài sợi EDF.................................................................................................... 41
Hình 3.13. Hàm mật độ phổ công suất của tạp âm ASE..................................................... 42
Hình 3.14. Minh họa cách tính NF ...................................................................................... 43
Hình 3.15. Hệ số tạp âm của EDFA .................................................................................... 44
Hình 3 16: Các ứng dụng của EDFA................................................................................... 45
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Hình 3.17. Cấu hình của hệ thống 40Gb/s RZ trên tuyến Dm gồm SMF và DCF............ 49
Hình 3.18. Sự phát triển của độ rộng xung quang phổ và Dchirp được đo tại EDFA (a) Độ
rộng phổ; (b) Dchirp................................................................................................................ 52
Hình 3.19. Độ rộng phổ và Dchirp xung DM đươc đo ở một EDFA như một hàm của năng
lương xung............................................................................................................................ 54
Hình 3.20. Khoảng cách truyền dẫn qua đó hệ số Q>7 trong hệ thống 40Gb/s trong tuyến
DM gồm SMF. .................................................................................................................... 56
Hình 3.21. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s RZ dùng công nghệ điều chế đồng bộ đội tuyến
thông thường và cấu trúc cua bộ điều chế đồng bộ............................................................. 58
Hình 3.22. Chỉ ra khoảng cách truyền dẫn cho hệ số Q >7 trong hệ thống 40Gb/s với sự
điều chế đồng thông thường như được chỉ ra ở hình 5.5 .................................................. 59
Hình 3.23. Dạng sóng của xung........................................................................................... 60
Hình 3.24.Cấu trúc của hệ thống 40 Gb/s RZ sử dụng công nghệ điều chế đồng bộ nội
tuyến cải tiến......................................................................................................................... 61
Hình.3.25. Khoảng cách truyền dẫn của hệ thống 40Gb/s RZ với Q> 7 trên tuyến.......... 62
Hình 3.26. Sự phát triển độ rộng xung, độ rộng phổ và Dchirp khi một xung đơn được
truyền trên tuyến DM với điều chế đồng bộ cải tiến........................................................... 63
Hình 3.27. Sự phát triển dạng sóng của xung trên tuyến DM với điều chế đồng bộ cái
tiến (a)sự truyền dẫn xung đơn; truyền dẫn 2 xung …………………………………..64
Hình 4.1. Hệ số giãn xung phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn đối với các xung Gaussian ... 67
Hình 4. 2 Giới hạn tốc độ bít của sợi đơn mode phụ thuộc vào cự ly ................................ 69
Hình 4.3. Đặc tính tán sắc của hai sợi DCF......................................................................... 73
Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng................................................74
Hình 4.4 Sự phụ thuộc của FWM vào D trong sợi quang .................................................. 80
Hình 4. 5. Sự tương tác giữa photon và phonon quang....................................................... 84
Hình 4. 6. Hiện tượng Raman nghiêng................................................................................ 85
Hình 4 .7. Phổ khuếch đại Ra man của silic ở bước sóng bơm
p
1 m......................... 86
Luận văn cao học Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao
HV: Đoàn Thị Hồng
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số loại sợi NZ-DSF ................................................................................7
Bảng 3.1.So sánh các công nghệ ghép bước sóng:.......................................................32
Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng ...............................................74