Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực và nhiễu liên quan trong hệ thống thông tin quang (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

Đinh Thị Thu Phong

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC
MODE PHÂN CỰC VÀ NHIỄU LIÊN QUAN
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng
Mã số:
62 52 70 05

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2010


Cơng trình được hồn thành tại:
Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng.

Người hướng dẫn khoa học:
GS. TSKH. Đào Khắc An
TS. Phùng Văn Vận

Phản biện 1: GS.TSKH. Đinh Văn Hoàng
Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia HN
Phản biện 2: PGS.TS. Phan Hữu Huân
Đại học dân lập Phương Đông
Phản biện 3: PGS.TS. Vương Đạo Vy

Đại học Công nghệ-Đại học Quốc gia Hà Nội
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước
họp tại: Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng (PTIT),
Số 122 Hồng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội.
Vào hồi 14 giờ , ngày 22 tháng 10 năm 2010.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
Thư viện Quốc gia;
Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng.


DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1. Dinh Thi Thu Phong, Phung Van Van, Dao Khac An (2009), “Bit
Error Rate Measurement in Optical Systems Induced by Chromatic
Dispersion, Polarization Mode Dispersion”, Tạp chí Khoa học và Cơng
nghệ, Tập 47, số 1, tr. 11-15.
2. Dinh Thi Thu Phong, Phung Van Van, Dao Khac An (2008),
“Polarization Mode Dispersion Monitoring using Radio Frequency
Clock Power Measurement”, Research, Development & Applications on
Electronics, Telecommunications and Information Technology, Journal
on Information Communications and Technologies*, Series 3, June
2008, p. 11-15.
3. Đinh Thị Thu Phong, Phùng Văn Vận, Đào Khắc An (2007), “Phương
pháp giám sát tán sắc mode phân cực (PMD) bằng hình mắt trong hệ
thống thơng tin quang 10Gbit/s”, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Học viện
CNBCVT lần thứ 10, Hà Nội 07-13/9/2007, tr. 174-177.
4. Đinh Thị Thu Phong, Phùng Văn Vận, Đào Khắc An (2006), “DOPbased Polarization Mode Dispersion Monitoring in 10Gbit/s Optical
Fiber Communication Systems”, Kỷ yếu Hội nghị Vô tuyến Điện tử Việt
Nam lần thứ 10, REV'06, Hà Nội 6-7/11/2006, tr. 321-323.

5. Đinh Thị Thu Phong, Vũ Văn San (2005), “Xác định ảnh hưởng của
tán sắc trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao”, Chuyên san các cơng
trình nghiên cứu – triển khai viễn thơng và cơng nghệ thơng tin, Tạp chí
Bưu chính Viễn thơng và Công nghệ thông tin, số 15, tháng 12, tr. 28-35.
6. Đinh Thị Thu Phong, Phùng Văn Vận, Đào Khắc An (2005), “Đo tán
sắc mode phân cực sợi quang trong hệ thống thông tin quang”, Kỷ yếu
Hội nghị chuyên ngành KHKT Đo lường toàn quốc lần thứ 4, Hà Nội,
10-11/11/2005, tr. 131-136.
7. Dinh Thi Thu Phong, Phung Van Van, Dao Khac An (2005),
“Polarization Mode Dispersion and its Effects in Optical Fiber
Communication Systems”, Osaka University Press, Proc. Frontier of
Basic Science towards New Physics- Earth & Space ScienceMathematics, Hanoi, Sep. 27-29, p.363-364.


8. Dinh Thi Thu Phong, “Performance induced by polarization-modedispersion in optical fiber communication systems”, Proc. Asian InfoCommunication Council 32nd conference in Vietnam, WG-1, Doc. 50,
May 2005.
P

P

9. Dinh Thi Thu Phong, Chu Minh Hoan, “Investigation of Optical
Power Budget Dependence on Dispersion for 10Gbit/s Optical
Transmission Systems”, Proc. Asian Info-Communication Council 29th
conference in Japan, WG-1, Doc. 42, Japan, December 2003.


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Để xây dựng các hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao và cự ly xa,
tán sắc đang là một vấn đề nan giải cần có biện pháp giải quyết phù hợp.
Khi hệ thống hoạt động tại bước sóng vùng 1550 nm hoặc sử dụng
khuếch đại EDFA trên sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652, giá trị tán
sắc sẽ lớn làm dãn xung quá mức, dẫn tới suy giảm nghiêm trọng chất
lượng tín hiệu, làm hạn chế rất nhiều tốc độ bit và cự ly truyền dẫn.
Tán sắc sợi quang bao gồm cả tán sắc CD và tán sắc mode phân cực
(PMD). Mặc dù tán sắc CD đã được nghiên cứu và có những giải pháp
hữu hiệu hạn chế được ảnh hưởng của nó. Tuy nhiên, khi tốc độ truyền
dẫn từ 10Gbit/s trở lên, thì PMD trở thành nhân tố chính làm giảm
nghiêm trọng chất lượng tín hiệu, hạn chế rất nhiều cự ly truyền dẫn.
Hơn nữa, nhiễu trong môi trường tốc độ bit lớn kết hợp với PMD, yêu
cầu cao của tỷ số lỗi bit BER = 10-12 cho các hệ thống ≥10Gbit/s cũng trở
thành yếu tố khắt khe đối với việc kiểm sốt PMD. Với tính phức tạp về
bản chất PMD trong bối cảnh nhu cầu xây dựng các truyến thông tin
quang tốc độ cao ngày càng tăng, việc nghiên cứu về ảnh hưởng của
PMD đang là hướng nghiên cứu hấp dẫn và rất thời sự hiện nay. Đã có
nhiều cơng trình nghiên cứu gần đây, thể hiện những nỗ lực và bước đầu
thu được kết quả quan trọng. Tuy nhiên, nghiên cứu về PMD là lĩnh vực
mới, nhiều vấn đề liên quan vẫn còn chưa được giải quyết thấu đáo. Do
đó đề tài luận án mong muốn được nghiên cứu cụ thể hơn về vấn đề này
nhằm làm sáng tỏ bức tranh toàn cảnh về PMD.
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Tán sắc PMD là một đặc tính quan trọng của sợi quang đơn mode
trong đó năng lượng tín hiệu tại bước sóng đã cho được chuyển vào hai
mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền khác nhau. Nếu xung đầu
vào kích thích cả hai thành phần phân cực, nó sẽ bị dãn rộng ra tại đầu ra
của sợi. Với tính phức tạp về bản chất, PMD của sợi quang đơn mode tại

2

một bước sóng xác định nào đó thường là khơng ổn định, bản chất thống
kê của PMD cùng với sự thay đổi ngẫu nhiên dưới tác động của môi
trường làm cho việc nghiên cứu bản chất và các ảnh hưởng của nó cùng
với nhiễu liên quan trong hệ thống là một vấn đề nan giải nhưng hấp dẫn.
Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của PMD và nhiễu liên quan cho các hệ
thống là đối tượng nghiên cứu trong luận án này.
Nội dung luận án được nghiên cứu cho các hệ thống tốc độ 10 Gbit/s và
40 Gbit/s. Điểm bắt đầu của việc nghiên cứu với giả thiết rằng suy hao
tuyến truyền dẫn được giải quyết bằng các bộ khuếch đại quang sợi
EDFA, khi đó tán sắc mode phân cực PMD kết hợp với CD, chirp tần số
được tiến hành nghiên cứu. Sau đó, để kiểm chứng ảnh hưởng của PMD
đến hệ thống, giải pháp giám sát mode phân cực được tiến hành thông
qua mô phỏng và đo trên hệ thống thực tiễn. Luận án cũng đề xuất tính
tốn thiết kế tuyến truyền dẫn có ảnh hưởng của PMD. Đây là những nội
dung được luận án tập trung nghiên cứu, giải quyết, có thể áp dụng hiệu
quả trong việc thiết kế xây dựng và nâng cấp các hệ thống thông tin
quang tốc độ cao.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC
Từ đối tượng nghiên cứu của luận án đòi hỏi nhất thiết phải có được
phương pháp và phương tiện nghiên cứu hiện đại, trong khi ở Việt Nam
chưa có được nguồn tài liệu và trang thiết bị thí nghiệm chuyên ngành
tương xứng. Tuy nhiên, điều thuận lợi là luận án đã có được thời gian
thực hiện ở nước ngồi. Do đó, phương pháp nghiên cứu của luận án
được áp dụng là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tính tốn mơ phỏng, đo
thực nghiệm kiểm chứng trong điều kiện phịng thí nghiệm với các trang
thiết bị hiện đại. Nội dung luận án có nghiên cứu lý thuyết, đánh giá ảnh
hưởng của PMD thông qua nhiễu liên quan và nghiên cứu mô phỏng, đo
thực nghiệm. Các nội dung này được bố cục như sau :

Chương 1 : Giới thiệu về tán sắc trong hệ thống thông tin quang, đánh
giá tổng quan về kết quả nghiên cứu có trước, xác định mục tiêu và nội
dung nghiên cứu chủ yếu của luận án..


3

Chương 2 : Nghiên cứu về PMD, các tham số đặc trưng, ảnh hưởng đến
hệ thống; trình bày kết quả nghiên cứu xác định tính phân cực và ảnh
hưởng tác động gây nhiễu từ PMD.
Chương 3 : Trình bày nghiên cứu mô phỏng và xác định ảnh hưởng của
PMD bằng giải pháp giám sát PMD và những kết quả thu được cho hệ
thống tốc độ cao.
Chương 4 : Trình bày việc áp dụng nghiên cứu thu được để tính tốn
cấu hình tuyến thơng tin sợi quang nhiều Gbit/s trong thực tế.
- Phần kết luận trình bày tóm tắt kết quả chính của luận án.

II. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
VÀ TÁN SẮC CỦA HỆ THỐNG
Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin quang, các
đặc điểm chủ yếu của hệ thống trong đó nhấn mạnh những thành phần
thiết bị, sợi quang và các tham số tạo nên cấu hình của một hệ thống tốc
độ bit cao nhiều Gbit/s. Trên cơ sở cấu trúc hệ thống như vậy, hệ phương
trình Maxoen và vấn đề tán sắc của hệ thống được phân tích.
Luận án đã phân tích bản chất chung của hiệu ứng tán sắc CD, tán sắc
mode phân cực PMD từ hệ phương trình Maxoen trong sợi quang; khảo
sát, phân tích đặc trưng của một số phần tử hệ thống thiết bị tương tác
với PMD và tạo nên nhiễu hệ thống có liên quan để từ đó xác định mục
tiêu, nội dung nghiên cứu chính của Luận án là sẽ tập trung vào vấn đề

ảnh hưởng của PMD trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Tuy
nhiên, để tiến hành công việc nghiên cứu, nghiên cứu sinh (NCS) đã đưa
ra những thông tin cần thiết và nhận định về các kết quả từ một số cơng
trình nghiên cứu có trước có liên quan. Từ đó đặt ra các vấn đề mà đề tài
luận án cần phải giải quyết, đó là nội dung nghiên cứu, phương pháp tiếp
cận và tiến hành nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, và kết quả cần phải
đạt được.


4

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TÁN SẮC MODE PHÂN
CỰC VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
2.1. Khái quát tán sắc mode phân cực trong sợi quang
2.1.1. Các mode phân cực: Nghiên cứu bản chất của các mode phân
cực trong sợi quang, các tác động vào trạng thái phân cực, sự lệch pha
của mode phân cực và ảnh hưởng tới truyền dẫn ánh sáng.
2.1.2. Bản chất vật lý của tán sắc mode phân cực
Phần này phân tích về lưỡng chiết, độ dài phách, hàm truyền đạt phân
cực, các trạng thái phân cực nguyên lý; sự thể hiện của các tham số này
trong sợi quang đơn mode. Phần này quan tâm sâu đến vector Jones,
tham số stokes và mặt cầu Poincare’ để xem xét tính phân cực, làm cơ sở
cho việc mơ phỏng sau này của luận án.
2.2. Nghiên cứu đặc điểm, tính chất tán sắc mode phân cực trong hệ
thống thông tin quang
2.2.1. Các tham số cơ bản của tán sắc mode phân cực
Nêu các tham số cơ bản bao gồm: Độ trễ nhóm vi phân; Biểu thức tán
sắc mode phân cực của sợi quang; Tán sắc mode phân cực bậc 2; Tán sắc
CD phụ thuộc phân cực (PDCD);
2.2.2. Ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực trong hệ thống thông

tin quang
Để xem xét cơ chế ảnh hưởng của PMD và tính thay đổi ngẫu nhiên của
nó, luận án nghiên cứu mơ hình ghép cơng suất mode để từ đó xem xét
việc đền bù công suất do ảnh hưởng của PMD thuần gây ra là bao nhiêu,
và xác định giới hạn cho phép này.
Ảnh hưởng của PMD cũng được nghiên cứu trong trường hợp kết hợp
với các nguồn nhiễu khác như suy hao phụ thuộc phân cực, nhiễu phát xạ
tự phát ASE tích lũy từ khuếch đại quang EDFA làm giảm tỷ số tín hiệu
trên nhiễu SNR.


5

2.3. Các phương pháp đo tán sắc mode phân cực
Phần này giới thiệu các phương pháp đo PMD như: Kỹ thuật qt tần
số (cịn gọi là kỹ thuật phân tích cố định); Kỹ thuật giao thoa; Kỹ thuật
đo sử dụng ma trận Jones.
2.4. Kết quả mô phỏng, đo xác định tán sắc mode phân cực
2.4.1. Kết quả mô phỏng biểu diễn phân cực qua mặt cầu Poincare’
Để nghiên cứu các trạng thái phân cực (SOP) thông qua biểu diễn các
vector PMD trên mặt cầu Poincare’, chúng tôi thực hiện mô phỏng với
các giá trị của tham số Stokes. Kết quả mơ phỏng khẳng định rằng khi
phân cực hồn tồn và khơng có lưỡng chiết, quỹ đạo điểm cuối của
vectơ PMD là đường tròn trên mặt cầu, như được biểu diễn trên hình 2.8
a). Khi có thành phần lưỡng chiết thì quỹ đạo điểm cuối vector PMD trên
mặt cầu Poincare thay đổi và khơng cịn là đường trịn nữa. Nó hồn tồn
có thể thay đổi ngẫu nhiên, như hình 2.8 b).

a)

b)

Hình 2.8. Kết quả mô phỏng trạng thái phân cực trên mặt cầu Poincare’.

2.4.2. Kết quả mô phỏng đo tán sắc mode phân cực
Chúng tôi thiết lập sơ đồ mô phỏng đo DGD bằng phương pháp phân
tích cố định và tiến hành khảo sát kết quả mô phỏng. Kết quả cho thấy
rằng trên cùng 1 dải bước sóng, tổng số các cực trị của phổ ở cả 3 giá trị
của bộ phân cực là không thay đổi. Luận án cũng thiết lập để mơ phỏng
đo trễ xung tín hiệu do tán sắc mode phân cực PMD gây ra. Kết quả mô
phỏng đo trễ xung cho thấy BER của hệ thống sẽ được bảo đảm. Tuy
nhiên, khi bị ảnh hưởng của tán xạ thì ngồi việc xung bị trễ, xung sẽ bị


6

dao động và gây méo tín hiệu như thể hiện trong hình 2.12, làm xuống
cấp chất lượng BER do tỷ số tín hiệu trên nhiếu SNR giảm mạnh.
Trễ xung khi có PMD
Xung vào

Xung bị
PMD

b) Trễ xung có tán xạ 500 ps

Hình 2.12. Kết quả mơ phỏng trễ xung với các giá trị tán xạ khác nhau.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN
SẮC MODE PHÂN CỰC BẰNG GIÁM SÁT MODE PHÂN CỰC

3.1.

CƠ SỞ NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu ở đây được tiếp cận bằng phương pháp quy các
ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực khi kết hợp với những ảnh hưởng
khác về dưới dạng mất mát (thiệt thịi) cơng suất của hệ thống do PMD
gây ra. Để xác định ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực PMD, việc
giám sát PMD là phần quan trọng không thể thiếu được trong các bộ bù
PMD, nó cung cấp thơng tin cho thuật tốn điều khiển của bộ bù PMD.
Nội dung nghiên cứu phần này tập trung vào phương pháp giám sát
mode phân cực thông qua mô phỏng bằng công cụ mô phỏng VPI
Transmission. VPI Transmission là bộ công cụ phần mềm của VPI
systems. Nó cho phép mơ phỏng hoạt động của các phần tử điện và
quang của hệ thống thông tin quang. Đây là công cụ hữu hiệu để tiến
hành nghiên cứu, đặc biệt là các thiết bị hiếm khi được trang bị cho
phịng thí nghiệm.


7

Ở đây chúng tôi giả thiết rằng suy hao tuyến truyền dẫn được giải
quyết bằng các bộ khuếch đại EDFA, khi đó tán sắc mode phân cực
PMD kết hợp với di tần tần số và suy hao phụ thuộc phân cực (PDL) ảnh
hưởng tới chất lượng của tuyến truyền dẫn được tiến hành nghiên cứu.
Sau đó, để kiểm chứng ảnh hưởng của PMD đến hệ thống, giải pháp
giám sát mode phân cực được thực hiện thông qua mô phỏng và đo thực
tiễn. Phương pháp giám sát PMD của luận án ở đây được mô phỏng trên
cơ sở xác định mất mát công suất do ảnh hưởng của PMD và tán sắc CD
trên các hệ thống thông tin quang tốc độ cao tới 10Gbit/s và 40Gbit/s với

các dạng tín hiệu RZ và NRZ.
3.2. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG
3.2.1. Thiết lập sơ đồ mô phỏng
Chúng tôi thiết lập sơ đồ mô phỏng như trong hình 3.1.
Đo cơng
suất

LD

Hiển thị
BER

Lọc
quang

Modul phát
Tín hiệu

Điều chế
LiNbO3

Khếch đại
quang

Suy hao
quang

Khuếch đại
quang

Thu
quang

Hiện sóng
Bộ phân tích phổ

Hình 3.1. Sơ đồ mơ phỏng ảnh hưởng của PMD đến hệ thống thông tin
quang 10Gbit/s và 40Gbit/s tín hiệu NRZ .

Tín hiệu laser phát sóng liên tục được điều chế bằng bộ điều chế quang
LiNbO3 với chuỗi tín hiệu số (27-1) với tốc độ 10Gbit/s hoặc 40Gbit/s.
Laser diode LD làm việc ở bước sóng 1552,5nm với góc ngẩng 45 độ
nhằm tạo ra tỷ lệ phân chia công suất phân cực γ = 0,5 đại diện cho
trường hợp ảnh hưởng phân cực xấu nhất. Sau đó, tín hiệu đã điều chế đi
qua bộ phỏng tạo PMD có tham số tán sắc CD và tham số độ trễ nhóm vi


8

phân (DGD) thay đổi được. Bộ suy hao được dùng để thay đổi giá trị suy
hao khi tiến hành đo đặc tính BER. Bộ thu p-i-n photodiode được dùng
để tách sóng quang. Bộ khơi phục tín hiệu đồng hồ dùng cho việc tách
BER và đồ thị biểu thị mối liên hệ giữa BER và công suất thu quang
được hiển thị trên màn hình XY. Tín hiệu hình mắt được đo và hiển thị
trên thiết bị hiện sóng (scope).
3.2.2. Xác định các phương pháp giám sát
Chất lượng hệ thống sẽ bị suy giảm do ảnh hưởng của tán sắc CD và
PMD, và với các tốc độ bit cao, chỉ riêng PMD cũng đã dễ dàng làm dãn
xung và gây ra nhiễu giữa các ký tự ISI. Sự suy giảm này được xác định
bằng cách đo tỷ số lỗi bit BER. Trong các hệ thống với các tốc độ bit

10Gbit/s trở lên hoặc hệ thống sử dụng khuếch đại quang thì yêu cầu tỷ
số lỗi bit BER nghiêm ngặt hơn, đạt từ 10-12 đến 10-13. Do đó, độ trễ
nhóm vi phân DGD lớn hơn 10% độ rộng bít cũng có thể ảnh hưởng tới
đặc tính BER và dẫn đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống. Các
phương pháp giám sát được hiểu như sau:
• Phương pháp giám sát hình mắt:
Ở phương pháp này, sự suy giảm độ mở mắt bị ảnh hưởng của cả tán
sắc PMD và tán sắc CD và các nhiễu khác.
• Phương pháp giám sát bằng cách xác định cơng suất đồng hồ tín
hiệu RF
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là cường độ tín hiệu RF thu
được bởi photodiode là một hàm số của DGD. Ảnh hưởng của PMD có
thể tách ra được bằng cách giám sát cường độ của cơng suất tín hiệu RF,
vì PMD làm suy giảm cơng suất RF.
• Giám sát bằng xác định DOP
Đây là kỹ thuật giám sát quang thuần túy, sử dụng độ phân cực (DOP Degree of Polarization) để giám sát ảnh hưởng của PMD trong hệ thống.
Tín hiệu DOP thay đổi bởi PMD được tính theo cơng thức sau:


9
DOP = S12 + S 22 + S 32 / S 0

Trong đó S1, S2 and S3 là các tham số Stokes của tín hiệu quang, các
tham số này chỉ rõ độ chênh lệch công suất giữa từng cặp phân cực trực
giao, và S0 là tổng cơng suất của tín hiệu. Xác định DOP là phương pháp
được quan tâm nhiều đối với việc bù PMD.
3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH
3.3.1. Tiến hành xác định tỷ số lỗi bit BER
Để quan sát sự suy giảm tín hiệu do ảnh hưởng của tán sắc CD, các
tham số của bộ mô phỏng PMD được thiết lập như sau: hệ số PMD là 0

ps/m1/2, hệ số tán sắc là 16×10-6 s/m2 và độ dốc tán sắc là 0,08×103 s2/m3,
hệ số suy hao là 0,2×10-3 dB/m.
BER ứng với giá trị CD cho tín hiệu 10Gbit/s NRZ

BER ứng với giá trị PMD cho tín hiệu 10Gbit/s NRZ

C=0
9
8
7

1

a)

1
7

2
1

3
4

6

2

5

5

3

6

4

7

3

8

2

Công suất quang thu được

4
5

9

b)

6

6

2

7

1 3 4

5

Công suất quang thu được

Hình 3.3. Đặc tính BER phụ thuộc vào cơng suất quang thu được.

Kết quả mơ phỏng đặc tính BER phụ thuộc vào công suất quang thu
được trong các trường hợp tán sắc CD và PMD như ở hình 3.3. Từ kết
quả thu được này cho thấy rằng với giá trị tỷ lệ lỗi bit BER = 10-9, khi
đấu trực tiếp (back-to-back) thì cơng suất quang thu được là -20,3 dB đối
với hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu NRZ và -21,9 dB đối với hệ thống
10 Gbit/s dạng tín hiệu RZ. Từ đây, luận án cũng tìm ra rằng tín hiệu


10

dạng NRZ chịu ảnh hưởng của tán sắc CD ít hơn so với dạng tín hiệu
RZ. Mất mát 1dB đối với tốc độ 10 Gbit/s cho dạng tín hiệu NRZ có thể
chịu được tán sắc CD tích lũy tới 900 ps/nm, trong khi đó dạng tín hiệu
RZ với cùng tốc độ chỉ chịu được tán sắc CD tích lũy là 500 ps/nm. Với
tổn thất cơng suất tín hiệu 1dB, tích lũy CD mà hệ thống có thể chịu
được sẽ giảm đi 16 lần khi tốc độ bít tăng từ 10G bit/s lên 40 Gbit/s.
6
PP10GRZ
Mất mát cơng suất (dB)

5

PP10GNRZ

4
3
2
1
0
0

20

40

60

80

Độ trễ nhóm vi phân, DGD (ps)

Hình 3.5. Mất mát cơng suất do ảnh hưởng của PMD.

Luận án đã nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của tán sắc PMD đối với
hệ thống. Hình 3.5 là kết quả mô phỏng thu được cho thấy sự phụ thuộc
của mất mát cơng suất tín hiệu vào tán sắc PMD đối với hệ thống 10
Gbit/s với các dạng tín hiệu RZ và NRZ. Với giá trị DGD càng lớn thì
đường cong BER của tín hiệu dạng RZ có độ dốc lớn hơn đường cong
BER của tín hiệu dạng NRZ, như vậy mất mát công suất đối với NRZ là

lớn hơn. Vì thế hệ thống 10 Gbit/s tín hiệu NRZ sẽ được xem xét để sử
dụng so sánh các phương pháp giám sát mode phân cực PMD.
Bây giờ, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tán sắc PMD kết
hợp với tán sắc CD. Kết quả mô phỏng thu được như được thể hiện trong
hình 3.6. Ta thấy rằng sự kết hợp ảnh hưởng của tán sắc PMD và CD
làm xuống cấp nghiêm trọng chất lượng hệ thống. Mất mát công suất do


11

ảnh hưởng của các tán sắc trên thể hiện sự xuống cấp nhanh khi giá trị
DGD đạt trên 40 ps. Giá trị CD và DGD càng lớn thì mất mát cơng suất
tín hiệu càng lớn.
6
PMD
CD480ps/nm&PMD
CD640ps/nm&PMD
CD800ps/nm&PMD

Mất mát cơng suất (dB)

5
4
3
2
1
0
0

10

20

30

40

50

60

DGD (ps)

Hình 3.6. Mất mát công suất do ảnh hưởng của tán sắc PMD và CD.

3.3.2. Thực hiện giám sát hình mắt của tín hiệu
Trong các nghiên cứu về truyền dẫn đối với tín hiệu số có tốc độ bit
cao, người ta hay sử dụng hình mắt tín hiệu để đánh giá đặc tính và chất
lượng tín hiệu. Hình mắt tín hiệu càng bị khép lại thì mất mát cơng suất
tín hiệu càng lớn. Suy giảm độ mở mắt được xem xét như là một
phương pháp giám sát hữu hiệu. Do đó, phần này của luận án tiến hành
nghiên cứu và đánh giá hình mắt tín hiệu chịu tác động từ tán sắc và từ
đó xác định đặc tính BER cho hệ thống. Kết quả mơ phỏng hình mắt thu
được của luận án cho hệ thống 10 Gbit/s và dạng tín hiệu NRZ đã nhận
thấy hình mắt tín hiệu bị biến dạng hoàn toàn khi cho giá trị tán sắc CD
tăng đến 1120 ps/nm. Khi giá trị CD tăng lên thì độ rộng xung tín hiệu bị
dãn ra và hệ quả là làm suy giảm hình mắt tín hiệu.


12

Tiếp theo, luận án đã khảo sát ảnh hưởng của PMD. Kết quả mô
phỏng thu được như thể hiện tại hình 3.9. Kết quả cho thấy rằng khi giá
trị DGD tăng làm cho độ mở mắt bị thu hẹp lại. Khơng giống như ảnh
hưởng CD thuần túy là làm hình mắt tín hiệu méo đối xứng, trong
trường hợp này, PMD làm hình mắt tín hiệu thu hẹp bên trái hoặc bên
phải nhiều hơn tùy thuộc vào cơng suất tín hiệu lan truyền ở trục nhanh
lớn hơn hay trục chậm lớn hơn. Tại hình 3.9(c), khi DGD nhận giá trị 60
ps, bên phải của hình mắt bị thu hẹp, bị méo nhiều hơn bên trái do công
suất lan truyền ở trục nhanh lớn hơn công suất lan truyền ở trục chậm.
Dạng sóng quang ứng với giá trị PMD cho tín hiệu 10Gbit/s NRZ.

a)

c)

Hình 3.9. Mơ phỏng về ảnh hưởng của PMD đối với 10 Gbit/s NRZ
(a) DGD = 0 ps, (c) DGD = 60 ps .

Ảnh hưởng của tổ hợp tán sắc CD và PMD cũng được luận án nghiên
cứu. Sự suy giảm hình mắt tín hiệu được tìm thấy như kết quả thu được
trên hình 3.10 ứng với giá trị CD là 480 ps/nm . Độ mở mắt từ từ suy
giảm và khi DGD đạt tới 60 ps thì tín hiệu bị méo nghiêm trọng, điều
này sẽ gây lỗi tại mạch quyết định tại bộ thu quang và hệ quả là tăng tỷ
số BER do hiệu ứng nhiễu giữa các ký tự (ISI) gây ra. Giá trị CD càng
lớn thì DGD càng phải nhỏ để đảm bảo độ mở mắt đạt được theo tiêu
chuẩn quy định về đo hình mắt.
Qua nghiên cứu này, chúng tôi cũng nhận thấy rằng phương pháp giám
sát hình mắt phụ thuộc nhiều vào dạng tín hiệu. Khi xem xét với dạng
tín hiệu RZ và NRZ dưới ảnh hưởng của CD và PMD, biên độ tín hiệu

13

RZ suy giảm nhanh chóng và vì thế rất khó để tách được ảnh hưởng của
CD và PMD trong trường hợp này.
Dạng sóng quang ứng với giá trị CD&PMD cho tín hiệu 10Gbit/s.

a)

c)

Hình 3.10. Kết quả ảnh hưởng của CD&PMD 10 Gbit/s NRZ
(a) DGD= 0 ps, (c) DGD= 60 ps với CD = 480 ps/nm.

3.3.3. Xác định công suất clock RF
Trong phần này, chúng tôi thiết lập sơ đồ mô phỏng giám sát DGD bằng
phương pháp xác định công suất RF. Rồi sau đó thiết lập các tham số tán
sắc CD của bộ mô phỏng PMD bằng 1,8 để quan sát ảnh hưởng của
PMD. Các giá trị DGD được quét từ 0 ps đến 10 ps. Kết quả tìm thấy
rằng hệ thống 10 Gbit/s NRZ khi khơng có ảnh hưởng của CD, công suất
ở tần số 10GHz không thay đổi khi DGD biến thiên trong chu kỳ RF.

a)

c)

Hình 3.15. Mơ phỏng về công suất RF đối với 10 Gbit/s NRZ với DGD
ở (a) 0 ps và (c) 50 ps với CD = 480 ps/nm.

14

Bây giờ ta lần lượt cho các giá trị CD bằng 1,8 ps/nm, 480 ps/nm và
640 ps/nm. Hình 3.15 là kết quả mơ phỏng thu được, đặc tính này hiển
thị công suất RF ở tần số 10 GHz cho hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu
NRZ khi giá trị CD là 480 ps/nm với các giá trị DGD khác nhau. Từ đây
có thể thấy rằng khi DGD tăng lên thì cơng suất RF giảm nhanh chóng
và đạt đến giá trị nhỏ nhất khi tần số bằng một nửa chu kỳ RF.
Tín hiệu điều khiển (a.u.)

1.E+06

CD=1.8ps/nm
CD=480ps/nm
CD=640ps/nm
CD=800ps/nm

1.E+06
8.E+05
6.E+05
4.E+05
2.E+05
0.E+00
0

20

40
60

DGD (ps)

80

100

Hình 3.17. Kết quả mơ phỏng công suất RF phụ thuộc vào DGD với các giá
trị CD khác nhau cho hệ thống 10 Gbit/s dạng sóng NRZ.

Phần này của luận án cũng nghiên cứu sự ảnh hưởng của CD và PMD
làm công suất RF thay đổi tuần hồn. Nó suy giảm tới giá trị cực tiểu ở
nửa chu kỳ RF và sau đó tăng dần đến giá trị cực đại ở cuối chu kỳ. Sự
chênh lệch về cơng suất là khơng đáng kể và có thể bỏ qua, song nó vẫn
cho thấy ảnh hưởng của CD đối với công suất RF. Kết quả mô phỏng sự
phụ thuộc công suất RF vào DGD ở tần số 10 GHz với các giá trị CD là
1,8 ps/nm, 480, 640 và 800 ps/nm được thể hiện trên hình 3.17. Rõ ràng
rằng khơng có cơng suất RF ở tần số 10 GHz, vì thế, DGD khơng thể
giám sát ở tần số này.
3.3.4. Xác định độ phân cực DOP
Phần này sẽ tiến hành đo độ phân cực DOP. Chúng tôi thiết lập sơ đồ
giám sát DOP như mô tả như trong hình 3.20 với các thành phần thiết bị
cần thiết. Dữ liệu đầu ra (I/O), và thiết bị phát tín hiệu chuẩn 10Gbit/s


15

hoặc 40 Gbit/s. Phương pháp này được đánh giá là có nhiều lợi thế hơn
so với những phương pháp giám sát điện, đó là: (1) khơng cần có các
thiết bị tốc độ cao, (2) không phụ thuộc vào tốc độ bít và khá đơn giản.
Các kết quả mà chúng tơi mô phỏng thu được cho thấy rằng sự suy giảm

DOP do ảnh hưởng của PMD không bị ảnh hưởng bởi tán sắc CD tích
lũy, di tần điều chế hay tốc độ bit. Nó chỉ phụ thuộc vào dạng điều chế.
LD

Bộ mơ phỏng
PMD

Modul phát
tín hiệu

DOP

Modul tách
ma trận

I/O

Điều chế
LiNbO3

Hiện sóng

Hình 3.20. Sơ đồ thiết lập mô phỏng xác định DOP.

Hai tốc độ bit là 10 Gbit/s và 40 Gbit/s với dạng sóng NRZ cũng được
thiết lập để khảo sát sự phụ thuộc của DOP vào tốc độ bít, và thấy rằng
tuy có sự khác biệt về giá trị bão hòa ở chu kỳ bit tiếp theo, nhưng trong
chu kỳ bit cần giám sát thì DOP khơng phụ thuộc vào tốc độ bít.
1

Độ phân cực, DOP

0.8

0.6

0.4
10GNRZ P-ext13dgd

0.2

10GRZ P-ext13dgd

10GNRZ P-ext30dgd

10GRZ P-ext30dgd

0
0

50

100

150

200

DGD (ps)

Hình 3.26. sự phụ thuộc của DOP vào dạng tín hiệu.


16

Luận án cũng tiến hành nghiên cứu và mô phỏng sự phụ thuộc của
DOP vào dạng sóng tín hiệu NRZ và RZ. Kết quả được hiển thị trên hình
3.26. Với tín hiệu NRZ, DOP giảm dần và bắt đầu bão hòa khi DGD
trong khoảng từ 100 ps đến 200 ps. Tuy nhiên đối với trường hợp dạng
sóng RZ thì DOP giảm nhanh chóng trong thời gian ở mức 1 và sau đó
tăng dần tới giá trị bão hịa ở cuối chu kỳ bit. Chu kỳ bit sau lại được lặp
lại như vậy nhưng giá trị ban đầu là giá trị bão hịa. Do sự thay đổi có
tính chu kỳ như vậy nên thực ra phương pháp này khơng thật thích hợp
đối với dạng tín hiệu RZ. Tuy nhiên, đối với tín hiệu NRZ, phương pháp
này lại tỏ ra hữu hiệu cho việc giám sát DGD trong dải thời gian 1 bit.
Đồng thời, đối với cả hai dạng tín hiệu NRZ và RZ, tỷ số phân biệt càng
lớn thì DOP càng nhạy với những ảnh hưởng của PMD.
1.2

OSNR=5dB

OSNR=15dB

1

OSNR=20dB

DOP

0.8

0.6
0.4
0.2
0
0

50

100

150

200

DGD (ps)

Hình 3.28. Ảnh hưởng của nhiễu ASE tới DOP.

Ảnh hưởng của nhiễu ASE tới DOP được tính tốn mơ phỏng như
chỉ ra trong hình 3.28. Khi giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu quang OSNR
tới 5 dB đã làm giảm 20% giá trị cực đại của DOP. Tuy vậy, giá trị bão
hịa thì ít bị ảnh hưởng hơn. Khi OSNR đạt tới giá trị 20 dB thì DOP
giảm khơng đáng kể so với giá trị cực đại. Điều đó có nghĩa là khi OSNR
đủ lớn thì ASE có thể coi như khơng ảnh hưởng tới việc giám sát DOP.


17

Ngồi ra, chúng tơi cũng nghiên cứu, mơ phỏng DOP phụ thuộc vào
DGD với tỷ số phân biệt, độ dài chuỗi bit, di tần.

3.4. KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
Luận án cũng khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của PMD đối với hệ
thống 10 Gbit/s dạng sóng NRZ. Hình 3.31 là kết quả đo tín hiệu hình
mắt thu được tốc độ 10 Gbit/s. Ta thấy rằng, tín hiệu ngay tại đầu ra máy
phát là chuối tín hiệu xung vuông chuẩn giả ngẫu nhiên PRBS mẫu 223-1.
Sau khi được truyền qua sợi quang dài 20 km, tín hiệu bị méo và hình
mắt bị khép lại đáng kể. Tương tự tại hình 3.32 là kết quả đo mẫu tín
hiệu hình mắt cho tín hiệu 10 Gbit/s NRZ được so sánh giữa hai trường
hợp chúng tôi nối trực tiếp thiết bị phát quang với thu quang (0 km) và
trường hợp truyền qua sợi quang 20 km giữa phát và thu quang.

a) Ngay sau máy phát PRBS

b) Sau bộ điều chế ngồi

Hình 3.31. Tín hiệu của chuỗi 223-1, tốc độ 10Gbit/s:

.

a) Đấu trực tiếp phát-thu

b) Sau khi truyền qua 20km sợi quang

Hình 3.32. Tín hiệu 10Gbit/s NRZ sau bộ thu.


18

Để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của PMD tới chất lượng của hệ
thống, khi đo thực nghiệm, chúng tôi đã tiến hành thay đổi các giá trị của

bộ phỏng tạo PMD trong dải từ 0 ps tới 80 ps. Hình 3.34 là kết quả đo
thực nghiệm đặc tính BER thu được, và chúng tôi thấy rằng tỷ lệ
DGD/Tb lớn 30% thì chất lượng truyền dẫn của hệ thống suy giảm
nghiêm trọng. Ở đây, độ dự phòng 1dB theo khuyến nghị của ITU-T cho
PMD đã khơng đủ để duy trì giá trị BER cần thiết .

DGD
30 ps

40ps
50ps

60ps

Công suất thu đo được (dBm).
Hình 3.34. Kết quả đo thực nghiệm cơng suất thu và BER hệ thống do ảnh
hưởng từ PMD.

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG TÍNH
TỐN CẤU HÌNH TUYẾN THƠNG TIN QUANG CĨ ẢNH HƯỞNG
CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC
4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
4.2. BÀI TỐN VÀ TRÌNH TỰ TÍNH TỐN
4.2.1. Đặt bài tốn
Bài tốn được giả thiết đặt ra cho đề tài là tính tốn thiết kế một tuyến
truyền dẫn quang tốc độ cao (từ 10 Gbit/s trở lên) hoạt động tại vùng


19

bước sóng 1550 nm trên cáp sợi quang G.652, có sử dụng khuếch đại
quang sợi EDFA và sợi bù tán sắc DCF. Như vậy, cấu hình tiêu biểu của
tuyến truyền dẫn cự ly xa tổng quát trong trường hợp này như thể hiện ở
hình vẽ 4.1. Cấu trúc của tuyến truyền dẫn quang được giả định là tuyến
truyền dẫn thông thường được lắp đặt khai thác trên thực tế.
Phát LD
1550nm

Thu
photodiode

G.652

EDFA

Các
chặng
khác

LD
DCF

F

PD

F

Chặng thứ n

Hình 4.1: Cấu hình tổng qt của tuyến thơng tin quang 1550 nm

4.2.2. Xác định giới hạn tán sắc tuyến để thiết kế:
Trong hệ thống gồm có sợi quang và các phần tử quang được xác định
và thay đổi ngẫu nhiên thì có thể được tính bằng:
PMD

tot

⎡
= ⎢ L tuyen PMD
⎣

2
Q

+

∑ PMD
i

2
ci

⎤
⎥
⎦

1/ 2

+

∑ PMD

Dj

j

Ở đây: PMDtot là giá trị PMD cực đại của hệ thống (ps); PMDQ là hệ số
PMD của sợi quang (ps/km1/2), Ltuyến là độ dài tuyến (km); PMDci là giá
trị PMD thay đổi ngẫu nhiên của phần tử quang thứ i (ps); PMDDj là giá
trị PMD cố định của phần tử quang thứ j (ps);
Đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, hầu hết các phần tử
quang đều chịu tác động của phân cực, do đó để đơn giản hố việc tính
tốn tổng PMDtot của hệ thống, người ta có thể lấy gần đúng PMDtot bằng
hai lần tán sắc PMD của sợi quang:

PMD tot ≈ 2 PMD Q Ltuyen
Đây cũng chính là giá trị DGD trung bình của tuyến truyền dẫn.


20

4.2.3. Áp dụng tính tốn thiết kế tuyến truyền dẫn
4.2.3.1 Xác suất gián đoạn của hệ thống thông tin quang phụ thuộc
vào tán sắc mode phân cực
Hình 4.2 là kết quả thu được khi chúng tơi tính tốn sự phụ thuộc xác
suất gián đoạn của hệ thống đối với tán sắc mode phân cực PMD cho hệ
thống 10 Gbit/s và 40Gbit/s với các tỷ số phân chia công suất là γ bằng
0,3 và 0,5 giữa hai mode phân cực. Đối với trường hợp xấu nhất là phân

chia công suất đều nhau thì ở tốc độ 40Gbit/s, với yêu cầu xác suất gián
đoạn hệ thống là 10-5 , giá trị DGD thoả mãn chỉ đạt được khoảng 3,5 ps,
còn ở tốc độ 10Gbit/s giá trị DGD khoảng 13 ps.
0

40Gbit/s

Log (P(O))

-5

γ = 0,5

γ= 0,3

-10

10Gbit/s
-15

-20
0

5

10

15

20

25

DGD (ps)

Hình 4.2. Xác suất gián đoạn hệ thống bị hạn chế do PMD.

4.2.3.2
Dạng mã đường truyền và tham số của bộ thu
Từ kết quả tính tốn sự phụ thuộc của đền bù cơng suất cho lượng
cơng suất tín hiệu bị mất mát do ảnh hưởng của PMD. Luận án thấy rằng
với cùng một giá trị đền bù công suất thì bộ thu nào có tham số A cao
hơn sẽ cho lợi thế khắc phục hạn chế của PMD tốt hơn.Với tốc độ 40
Gbit/s cho phép đền bù công suất 1dB với A = 25 thì DGD trung bình
thoả mãn yêu cầu sẽ có giá trị 10 ps.


21

4.2.3.3

Cự ly truyền dẫn bị hạn chế do tán sắc mode phân cực

Cự ly truyền dẫn

700

L tại 10Gbit/s

600

L tại 40Gbit/s

500
400
300
200
100
0
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

<DGD>/Tb
Hình 4.4. Cự ly truyền dẫn bị hạn chế do PMD.

Hình 4.4 là kết quả tính tốn cự ly truyền dẫn đối với hệ thống 10
Gbit/s và 40Gbit/s bị hạn chế do tán sắc mode phân cực PMD với tiêu
chí rằng độ dãn xung do tán sắc mode phân cực gây ra không vượt quá
10% độ rộng bit như biểu thức tính. Kết quả chỉ ra rằng, khi tuyến truyền
dẫn sử dụng sợi đơn mode G.652, thì cự ly lớn nhất của tuyến là khoảng
550 km đối với hệ thống 10 Gbit/s. Song đối với hệ thống 40 Gbit/s thì

cự ly này chỉ còn là 40 km. Điều này là trở ngại lớn với các tuyến cự ly
xa, vì vậy bắt buộc phải có giải pháp bù tán sắc mode phân cực PMD
cho các hệ thống tốc độ cao.
4.2.3.4

Tỷ lệ lỗi bit của hệ thống phụ thuộc vào PMD

Luận án đã tiến hành nghiên cứu tính tốn thiết kế cho hệ thống thông
tin quang tốc độ 10 Gbit/s và 40 Gbit/s có sử dụng tiền khuếch đại quang
EDFA như đã được mơ tả trong hình 4.1. Độ nhạy bộ thu được tính cho
trường hợp bộ thu trong tuyến có khuếch đại quang. Hình 4.5 là kết quả
tính tốn tỷ lệ lỗi bít cho hệ thống. Dễ dàng nhận thấy rằng, để thiết kế
thoả mãn yêu cầu BER =10-12 cho hệ thống 40 Gbit/s thì DGD nằm trong
giới hạn 4ps. Cịn đối với hệ thống 10Gbit/s, khi công suất phát đủ lớn