Nghiên cứu chuyển đổi bước sóng dựa vào hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang phi tuyến cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

TỪ THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG
DỰA VÀO HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG
TRÊN SỢI QUANG PHI TUYẾN CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

TỪ THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG
DỰA VÀO HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG
TRÊN SỢI QUANG PHI TUYẾN CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 852.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quang Như Quỳnh

Đà Nẵng – Năm 2019



ii

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG HIỆU
ỨNG TRỘN BỐN SÓNG TRÊN SỢI QUANG CÓ HỆ SỐ PHI TUYẾN CAO
Học viên: Từ Thanh Tùng
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số:
Khóa: K35 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ một bước sóng thành một bước sóng khác
cùng mang thơng tin giống nhau là rất cần thiết để tăng sự linh hoạt và hiệu quả của mạng ghép kênh
quang theo bước sóng WDM, đặc biệt là trong mạng quang định tuyến bước sóng, nơi mà các tín hiệu
được định tuyến và chuyển mạch dựa trên bước sóng. Để thực hiện chuyển đổi bước sóng, các hiệu
ứng phi tuyến trong sợi quang có tính phi tuyến cao, trong đó hiện ứng trộn bốn bước sóng four wave
mixing (FWM) được xem là một trong những hiệu ứng được ứng dụng rộng rãi để thực hiện chuyển
đổi bước sóng. Luận văn trình bày tổng quan về hệ thống thơng tin quang, hiệu ứng phi tuyến trộn bốn
bước sóng, các kỹ thuật chuyển đổi bước sóng và thực hiện mơ phỏng trên phần mềm Optisystem. Kết
quả mô phỏng gồm phổ các tín hiệu trong q trình thực hiện kỹ thuật chuyển đổi bước sóng, tỉ lệ lỗi
bit BER của các tín hiệu cho thấy q trình mơ phỏng đạt kết quả tốt. Các phân tích về sự đạt được kết
quả này được giới thiệu và tác giả đã đưa ra các hướng phát triển tiếp theo.
Từ khóa – Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng, sợi quang có hệ số phi
tuyến cao HNLF, hệ thống thông tin quang, phần mềm mô phỏng Optisystem

A RESEARCH ON WAVELENGTH CONVERSION TECHNIQUE BASED ON FOUR-WAVE
MIXING USING HIGHLY NONLINEAR FIBER
Abstract – The wavelength conversion technique for converting from one wavelength into different

wavelength carrying the same information is essential to increase the flexibility and efficiency of
WDM networks, especially in wavelength routing networks where signals are routed and switched
based on their wavelengths. In order to implement wavelength conversion, nonlinear effects in highly
nonlinear fibers (HNLF), four wave mixing (FWM) is one of the widely used effects for wavelength
conversion. The thesis presents an overview of optical fiber systems, wavelength conversion
techniques based on four-wave mixing nonlinear effects, and simulation on Optisystem software.
Simulation results include the spectra of signals during the wavelength conversion processing, bit error
rate (BER). Free-error operation is achieved with power penalty which is less than 2 dB at BER of 10 -9
Analysis of the achievement of this result was explained and the further development was discussed.
Key words – Four-wave mixing (FWM), wavelength conversion, highly nonlinear fiber (HNLF),
optical fiber communication system, Optisystem simulation software.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ix
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ...........................................2
6. Kết cấu luận văn ....................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ...................3
1.1. Giới thiệu ..................................................................................................................3

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống thông tin sợi quang trong mạng viễn thông ..............3
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang: .......................................4
1.3.1. Sợi quang ........................................................................................................5
1.3.2. Bộ phát quang .................................................................................................5
1.3.3. Bộ thu quang ...................................................................................................6
1.4. Các tín hiệu điều chế RZ-OOK, NRZ-OOK ........................................................... 7
1.4.1. Các tín hiệu điều chế NRZ-OOK ....................................................................7
1.4.2. Các tín hiệu điều chế RZ-OOK.....................................................................11
1.4.3. Một sô các thông số đánh giá chất lượng tín hiệu thu ..................................13
1.5. Các hệ thống thơng tin sợi quang cơ bản .............................................................. 17
1.5.1. Tuyến điểm – điểm ....................................................................................... 17
1.5.2. Hệ thống thông tin sợi quang tương tự ......................................................... 19
1.5.3. Hệ thống thông tin sợi quang số ...................................................................20
1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin sợi quang............20
1.6. Kết luận................................................................................................................... 21
CHƯƠNG 2. CÁC HIỆU ỨNG QUANG PHI TUYẾN ...........................................22
2.1. Giới thiệu ................................................................................................................22
2.2. Các hiệu ứng quang phi tuyến ................................................................................22
2.3. Hiệu ứng tán xạ kích thích ...................................................................................... 23
2.3.1. Tán xạ Brillouin kích thích ...........................................................................23


iv
2.3.2. Tán xạ Raman kích thích ..............................................................................25
2.4. Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến ............................................................................26
2.4.1. Quá trình tự điều chế pha ..............................................................................26
2.4.2. Quá trình điều chế pha chéo..........................................................................27
2.5. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-Wave Mixing .................................................28
2.6. Kết luận................................................................................................................... 28
CHƯƠNG 3. HIỆU ỨNG TRỘN BỐN BƯỚC SÓNG FWM VÀ CÁC ỨNG

DỤNG ........................................................................................................................... 30
3.1. Giới thiệu chương ...................................................................................................30
3.2. Lý thuyết của hiệu ứng Trộn bốn bước sóng .......................................................... 30
3.2.1. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM sử dụng một tín hiệu bơm (Single
Pump)............................................................................................................................. 30
3.2.2. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng sử dụng nhiều tín hiệu bơm (multi-pump) ....32
3.3. Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng FWM ......................................33
3.4. Vật liệu và thiết bị phi tuyến ..................................................................................34
3.5. Các ứng dụng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng .................................................... 35
3.6. Kết luận................................................................................................................... 36
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUANG DÙNG KỸ THUẬT
CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG .................................................................................... 37
4.1. Giới thiệu ................................................................................................................37
4.2. Xây dựng cấu hình mơ phỏng ................................................................................37
4.3. Giới thiệu phần mềm mô phỏng OPTISYSTEM 7.0 .............................................38
4.4. Thiết lập mô phỏng trên phần mềm Optisystem 7.0 ..............................................40
4.4.1. Mô tả và đặt các giá trị thiết bị mô phỏng: ................................................... 42
4.4.2. Mô tả hoạt động của sơ đồ mô phỏng .......................................................... 44
4.5. Kết quả mô phỏng và đánh giá ...............................................................................45
4.6. Kết luận................................................................................................................... 57
KẾT LUẬN ..................................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 59
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
A
AM

Amplitude Modulation: Điều chế biên độ

APD

Avalanche Photodiode
B

BER

Bit Error Ratio: Tỉ lệ lỗi bit

BL

Bit Length: Tích tốc độ bit và chiều dài
C

CNR

Carrier to noise ratio : Tỉ số sóng mang trên nhiễu

XGM

Cross-Gain Modulation
D

DCF

Dispersion – Compensating Fiber

DSF

Dispersion – Shifted Fiber

DWDM

Dense WDM
E

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

EAM

An electro-absorption modulator
F

FM

Frequency Modulation: Điều chế tần số

FSK

Frequency Shift Keying: Khóa dịch tần

FTTX

Fiber-to-the-X : Internet cáp quang

FWM

Four-Wave Mixing: Trộn bốn bước sóng

FWHM

Full width at half maximum
G

Gbps

Gigabits per second: Gigabit/giây

GVD

Group – Velocity Dispersion
H

HDTV

High Definition Television: Truyền hình độ nét cao

HNLF

Highly Nonliner Fiber: Sợi quang có tính phi tuyến cao (hay có hệ số
phi tuyến cao)
I


vi

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers: Tổ chức IEEE

IM

Intensity Modulation: Điều chế cường độ

IP TV

Internet Protocol TV

ISI

Inter-symbol Interference
L

LED

Light Emitting Diode: Điốt phát quang

LD

Lazer Diode: Điốt Lazer

Lazer CW

Lazer Continuous Wave: Lazer tạo sóng liên tục
M

MZM

Mach – Zehnder Modulator
N

NRZ

Non Return to Zero: Không trở về 0
O

OTDM
OOK

Optical Time Domain Multiplexing : Ghép kênh theo thời gian trong
miền quang
On-Off Keying: Điều chế khóa bật tắt
P

PCF

Photonic Crystal Fiber

PIN

Passive Intrinsic Negative

PM

Phase Modulation: Điều chế pha

PMD

Polarization Mode Dispersion: Tán sắc mode phân cực

PSK

Phase Shift Keying: Khóa dịch pha

PRBS

A Pseudorandom Binary Sequence
Q

QAM

Quadrature amplitude modulation: Điều chế biên độ trực giao

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying: Khoá dịch pha trực giao
S

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

SRS

Stimulated Raman Scattering

SNR

Signal-to-Noise Ratio: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPM

Self-Phase Modulation: Tự điều chế pha
V

VOA

Variable Optical Attenuator : Bộ suy hao quang


vii
W
WDM

Wavelength-division multiplexing: Ghép kênh theo bước sóng
X

XPM

Cross-Phase Modulation: Điều chế pha chéo


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

4.1.

Các tham số của sợi quang HNLF

44

4.2.

Tổng hợp số liệu mô phỏng các kênh chuyển đổi.

51


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1.

Gia tăng tích BL trong giai đoạn 1840-2015

3

1.2.

Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin sợi quang

4

1.3.

Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế ngồi.

6

1.4.

Sơ đồ khối bộ thu quang

7

1.5.
1.6.

Phát tín hiệu NRZ 10 Gbps. a) Dạng xung của tín hiệu NRZ; b)
Phát tín hiệu NRZ 10Gb/s.

Tín hiệu NRZ 10Gbps. (a) Sơ đồ mơ phỏng phát tín hiệu NRZ
10Gb/s; (b) Phổ quang; (c)Giản đồ mắt.

8
10

1.7.

Phát tín hiệu RZ 10Gb/s: a) Dạng xung của tín hiệu RZ b) Phát
thực tế c) Phát lý tưởng

11

1.8.

Tín hiệu RZ 10Gbps. (a) Sơ đồ mơ phỏng phát tín hiệu RZ
10Gb/s; (b) Phổ quang; (c)Giản đồ mắt.

13

1.9.

Tín hiệu quang ở các định dạng NRZ (Non Return to Zero) và
RZ (Return to Zero) và Giản đồ mắt tương ứng.

14

1.10.

Phán đoán chất lượng tín hiệu dựa trên đồ thị mắt

15

Sự dao động của tín hiệu tại bộ thu; (b). Hàm mật độ xác suất
của bit “0” và bit “1”

16

1.12.

Mô tả hệ số Q theo thời gian

17

1.13.

Sơ đồ tuyến kết nối điểm – điểm

18

1.14.

Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin sợi quang tương tự

19

1.15.

Các phần tử cơ bản trong hệ thống thông tin sợi quang số.

20

2.1.

Phổ khuếch đại Brillouin được đo khi sử dụng nguồn bơm
1,525µm cho ba loại sợi quang khác nhau: (a) sợi lõi thủy
tinh, (b) sợi vỏ bị ép, (c) sợi dịch tán sắc [4].

24

2.2.

(a) Phổ khuếch đại Raman của thủy tinh nóng chảy tại λp =
1,5µm và (b) Giản đồ mức năng lượng trong quá trình SRS

25

1.11 (a).

Sự biến đổi theo thời gian gây ra bởi SPM: (a) độ dịch pha NL
2.3.

2.4.

và (b) độ chirp tần cho các xung Gauss (đường đứt nét) và siêu
Gauss (đường liền)
Q trình trộn bốn sóng, (a) trường hợp suy biến và (b) trường
hợp không suy biến (Non-Degenerate)

27

28


x
Số hiệu

Tên hình

hình
3.1.

Hiệu ứng trộn bốn sóng trong trường hợp có một tín hiệu mẫu
thử (a) và nhiều tín hiệu mẫu thử (b).

Trang
30

3.2.

Mơ hình sử dụng nhiều tín hiệu bơm để tạo ra nhiều bản sao tín
hiệu idler

32

3.3.

Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của tín hiệu chuyển đổi bước sóng

34

4.1.

Cấu hình hệ thống mơ phỏng sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước
sóng sử dụng hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng FWM

38

4.2.

Sơ đồ mơ phỏng hệ thống thơng tin quang dùng kỹ thuật chuyển
đổi bước sóng

41

4.3.

Nguồn tín hiệu Laser phát CW

42

4.4.

Thiết lập các tham số toàn cục

42

4.5.

Bộ tạo chuỗi bít

42

4.6.

Bộ tạo xung mã NRZ

43

4.7.

Bộ điều chế Mach-Zehnder

43

4.8.

Bộ ghép kênh Coupler

43

4.9.

Bộ tách kênh WDM

43

4.10.

Sợi quang có tính phi tuyến cao HNLF

43

4.11.

Bộ khuếch đại quang EDFA

44

4.12.

Phổ của các tín hiệu chuyển đổi tại đầu ra cuộn dây HNLF,
trường hợp Ppump = 10 dBm.

45

4.13.

Phổ của các tín hiệu chuyển đổi tại đầu ra cuộn dây HNLF,
trường hợp Ppump = 25 dBm.

46

4.14.

Phổ của các tín hiệu tại đầu vào cuộn dây HNLF

46

4.15.

Phổ của các tín hiệu sau khi chuyển đổi bước sóng tại đầu ra
HNLF.

47

4.16.

Phổ của tín hiệu chuyển đổi tại đầu ra bộ tách kênh WDM

48

4.17.

Công suất thu tại đầu ra bộ khuếch đại EDFA2

48

4.18.

Giản đồ mắt của kênh chuyển đổi 1544.43 nm.

49

4.19.

Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng ban đầu 1560.61 nm
và kênh chuyển đổi 1544.43 nm

49

4.20.

Hệ số phẩm chất (Q-factor) theo cơng suất thu của kênh bước
sóng ban đầu 1560.61 nm và kênh chuyển đổi 1544.43 nm.

50

4.21.

Hiệu suất chuyển đổi (CE)

50


xi
Số hiệu

Tên hình

hình
4.22.
4.23.
4.24.

Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng 1553.33 nm tại đầu ra
của bộ EDFA2
Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng 1555.75 nm tại đầu ra
của bộ EDFA2
Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng 1558.17 nm tại đầu ra

của bộ EDFA2

Trang
53
54
54

4.25.

Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng 1563.05 nm tại đầu ra
của bộ EDFA2

55

4.26.

Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng 1565.5 nm tại đầu ra
của bộ EDFA2

55

4.27.
4.28.

Đồ thị đặc tính BER của kênh bước sóng 1567.95 nm tại đầu ra
của bộ EDFA2
Hiệu suất chuyển đổi các kênh bước sóng khảo sát

56
56

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Truyền thông quang hỗ trợ mạnh mẽ các mạng truyền thông hiện đại và rộng
lớn, đặc biệt là mạng internet toàn cầu. Thật vậy, sẽ khơng có mạng internet tốc độ cao
tồn cầu nếu khơng có mạng quang đường trục.
Theo thống kê chỉ trên Youtube, cứ mỗi 1 phút trôi qua trên 10 năm video được
theo dõi, và trên 72h các nội dung mới được cập nhật, trong số đó ¼ lưu lượng đến từ
các thiết bị di động. Từ năm 2005 đến 2020, giá trị số tồn cầu ước tính tăng 307 lần
lên đến 40 nghìn tỷ gigabytes, từ năm 2015 đến 2020 ước tính sẽ tăng gấp đơi mỗi 2
năm [7].
Ngày nay, với cuộc cách mạng của truyền thông sợi quang, các dịch vụ có băng
thơng lớn như chia sẻ video, điện toán đám mây, các hệ thống tập hợp dữ liệu,…đã tạo
ra nhu cầu cao về dung lượng trong việc truyền và xử lý tín hiệu. Tất cả các mạng truy
nhập từ các đầu cuối users khác nhau ở khu dân cư, thương mại hay di động đều được
truyền trên mạng metro. Mạng lớn nhất được kết nối với nhiều mạng metro là mạng
core. Lý do xuất phát từ thực tế là việc kết nối kinh tế giữa nhiều thành phố khác nhau
được tổng hợp bởi các tuyến vật lý khác nhau mà ở đó có rất nhiều lưu lượng được
truyền trên mạng core. Mạng core mục đích để kết nối các mạng metro với nhau thông
qua các nodes mạng. Liên quan đến tác động cấu trúc viễn thông công nghiệp, các hệ
thống truyền thông quang là phương tiện truyền dẫn tiềm năng nhất về dung lượng lớn
trên khoảng cách xa như mạng metro và mạng core.
Từ khi bắt đầu các liên kết truyền thông quang trong những năm cuối của thập
niên 1970 cho đến nay, dung lượng tăng trưởng theo cấp số nhân cho phép rất nhiều
dịch vụ viễn thông được triển khai thông qua mạng internet. Để đáp ứng nhu cầu liên
tục về dung lượng lớn, các công nghệ quang đóng vai trị chính trong những thách thức
gia tăng các kênh truyền tốc độ cao. Trong tương lai, các mạng quang khả năng sẽ sử

dụng các lợi thế của kỹ thuật chuyển đổi. Về cơ bản, chuyển đổi tín hiệu quang sẽ
được thực hiện với một bước sóng cố định bởi các bộ chia tín hiệu. Có hai giải pháp
phổ biến để gia tăng dung lượng của mạng quang là ghép các tín hiệu: ghép phân chia
theo bước sóng (WDM) và ghép phân chia theo thời gian quang (OTDM). Tuy nhiên,
hiện nay WDM đang chiếm ưu thế bởi sự đơn giản trong việc phát tín hiệu và vận
hành, hoặc nâng cấp dung lượng. Trong mạng quang định tuyến bước sóng sử dụng kỹ
thuật WDM, các tín hiệu cần được định tuyến và chuyển mạch. Vì vậy, sử dụng kỹ
thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ một bước sóng thành bước sóng khác
cùng mang thơng tin giống nhau là rất cần thiết để định tuyến và chuyển mạch trong
mạng quang định tuyến bước sóng, tăng sự linh hoạt và hiệu quả của mạng WDM. Để


2

thực hiện chuyển đổi bước sóng, các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có tính phi
tuyến cao, trong đó hiệu ứng trộn bốn bước sóng Four-wave Mixing (FWM) được xem
là một trong những hiệu ứng được ứng dụng rộng rãi để thực hiện chuyển đổi bước
sóng. Vì vậy luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng
hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang có hệ số phi tuyến cao Highly Nonlinear
Fiber (HNLF).
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng
hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang HNLF trên phần mềm mô phỏng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn tập trung nghiên cứu mạng
WDM, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng FWM trên sợi quang HNLF
và phần mềm Optisystem.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
- Khảo sát, phân tích các thành phần của hệ thống sử dụng kỹ thuật chuyển đổi
bước sóng sử dụng hiệu ứng trộn bốn bước sóng trên sợi quang có hệ số phi tuyến cao.
- Sử dụng phần mềm Optisystem để thực hiện mô phỏng hệ thống.
- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên tính tốn mơ phỏng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi từ một bước sóng thành
các bước sóng khác nhau cùng mang thơng tin giống nhau là rất cần thiết để tăng sự
linh hoạt và hiệu quả của mạng WDM, đặc biệt là trong mạng quang định tuyến bước
sóng.
6. Kết cấu luận văn
Luận văn có bốn chương, gồm:
Chương 1 : Tổng quan hệ thống thông tin quang
Chương 2 : Các hiệu ứng quang phi tuyến
Chương 3 : Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM và các ứng dụng
Chương 4 : Mô phỏng hệ thống quang dùng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
1.1. Giới thiệu
Mạng truyền dẫn dựa trên hệ thống truyền thông sợi quang là xương sống của
mạng viễn thông. Để nắm rõ hơn các thành phần trong hệ thống thông tin quang chúng
ta cần tìm hiểu về nó. Luận văn trình bày tổng quan về lịch sử phát triển, tầm quan
trọng của hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông, các thành phần cơ bản và
đặc điểm của hệ thống thông tin quang sợi, các hệ thống thông tin quang cơ bản.
1.2. Tầm quan trọng của hệ thống thông tin sợi quang trong mạng viễn
thông

Truyền thông quang hỗ trợ mạnh mẽ các mạng truyền thông hiện đại và rộng
lớn, đặc biệt là mạng internet tồn cầu. Thật vậy, sẽ khơng có mạng internet tốc độ cao
tồn cầu nếu khơng có mạng quang đường trục backbone. Từ năm 2005 đến 2020, giá
trị số tồn cầu ước tính tăng 307 lần lên đến 40 nghìn tỷ gigabytes. Từ năm 2015 đến
2020 ước tính sẽ tăng gấp đơi mỗi 2 năm [7].

Hình 1.1. Gia tăng tích BL trong giai đoạn 1840-2015
Trên Hình 1.1, sự xuất hiện của các công nghệ mới được đánh dấu bằng chấm
đỏ, đường nét đứt cho thấy khuynh hướng gia tăng. Sự thay đổi độ dốc vào khoảng
năm 1977 khi sợi quang lần đầu được sử dụng trong truyền thông quang học.
Ngày nay, với cuộc cách mạng của truyền thông sợi quang, cung cấp các dịch
vụ Fiber-to-the-X (FTTX) đã nổi lên như một phương tiện truyền dẫn chính để cung
cấp các dịch vụ như truyền hình độ nét cao (HDTV) bằng truyền hình cáp hoặc truyền
hình internet (IPTV).
Tất cả các mạng truy nhập từ các đầu cuối users khác nhau ở khu dân cư,
thương mại hay di động đều được truyền trên mạng Metro. Mạng Metro có cấu trúc
bảo vệ dạng lưới hoặc ring. Mạng Metro sử dụng ghép kênh phân chia thời gian


4

(TDM), và các công nghệ ghép quang tại các lớp thấp nhất trong topo mạng. Mạng lớn
nhất được kết nối với nhiều mạng Metro là mạng Core. Xu hướng cấu trúc của mạng
core có topo dạng lưới tại lớp thấp nhất. Lý do xuất phát từ thực tế là việc kết nối kinh
tế giữa nhiều thành phố khác nhau được tổng hợp bởi các tuyến vật lý khác nhau mà ở
đó có rất nhiều lưu lượng được truyền trên mạng Core. Mạng Core mục đích để kết nối
các mạng Metro với nhau thông qua các nodes mạng. Tuy nhiên, chú ý rằng mạng
Core khác biệt đáng kể về cấu trúc do các vùng địa lý. Ví dụ mạng Core của châu Âu
có các giới hạn khoảng cách nhỏ hơn, có các công nghệ khác nhau và cấu trúc mạng
khi so sánh với mạng Core của Hoa Kỳ. Các công nghệ tại lớp thấp nhất của mạng

Core dường như giống mạng Metro. Tuy nhiên, mạng Core cung cấp các dịch vụ khác
nhau từ các mạng Metro về các yêu cầu cung cấp, chất lượng dịch vụ (QoS). Do đó,
liên quan đến tác động cấu trúc viễn thông công nghiệp, các hệ thống truyền thông
quang là phương tiện truyền dẫn tiềm năng lớn nhất về dung lượng khổng lồ trên
khoảng cách xa như mạng Metro và mạng Core.
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang:
Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, kênh truyền và một bộ thu như trên
Hình 1.2, đây được xem là ba phần tử cơ bản và chung nhất cho tất cả các hệ thống
thông tin. Các hệ thống thông tin quang có thể được phân thành hai loại: có mơi
trường dẫn (guided) và không dẫn (unguided). Trong trường hợp hệ thống quang có
mơi trường dẫn, chùm quang từ bộ phát bị giam hãm về không gian khi lan truyền và
được thực hiện qua việc sử dụng sợi quang trong thực tế.
Tín
hiệu
vào

Bộ phát
quang

Sợi
quang

Bộ thu
quang

Tín
hiệu
ra

Hình 1.2. Sơ đồ khối tổng qt hệ thống thông tin sợi quang

Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không môi trường dẫn, chùm
quang từ bộ phát trải rộng trong không gian tương tự hệ thống vô tuyến. Tuy nhiên,
các hệ thống này ít phù hợp cho các ứng dụng quảng bá như hệ thống vô tuyến vì các
chùm quang chủ yếu tập trung theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả của
bước sóng ngắn của chùm quang). Việc sử dụng các hệ thống này đòi hỏi việc căn
chỉnh chính xác giữa bộ phát và bộ thu. Trong trường hợp truyền dẫn khoảng cách lớn,
tín hiệu trong hệ thống khơng dẫn có thể bị suy giảm đáng kể bởi tán xạ trong khí
quyển. Tuy nhiên vấn đề này biến mất trong thông tin không gian tự do ở trên bầu khí
quyển trái đất (ví dụ thơng tin liên lạc giữa các vệ tinh). Mặc dù hệ thống thông tin
quang không gian tự do được sử dụng trong một số ứng dụng và đã được nghiên cứu


5

mạnh mẽ, nhưng hầu hết các ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng hệ
thống thông tin quang sợi.
1.3.1. Sợi quang
Vai trị của một kênh thơng tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ
thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi
quang như là kênh thơng tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn ánh sáng với
suy hao nhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km. Thậm chí cơng suất quang giảm chỉ còn 1% sau 100
km. Do vậy suy hao sợi quang có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống và
xác định khoảng cách bộ lặp hoặc bộ khuếch đại của một hệ thống thông tin quang
khoảng cách lớn. Một vấn đề thiết kế quan trọng khác là tán sắc sợi quang gây ra sự
trải rộng các xung quang khi truyền dẫn. Nếu các xung quang trải rộng nhiều ra ngoài
khe thời gian được cấp phát cho chúng, thì chất lượng tín hiệu bị suy giảm nghiêm
trọng và khó có thể khơi phục được tín hiệu ban đầu với độ chính xác cao. Vấn đề này
là nghiêm trọng nhất trong trường hợp các sợi đa mode do mức độ dãn xung cỡ ~ 10
ns/km. Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin quang ngày nay sử dụng sợi đơn mode
có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1 ns/km).

Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo mục đích sử dụng
hay tính năng của sợi. Nếu dựa vào đặc tính truyền dẫn các sợi quang có thể có thêm
các loại sợi dịch tán sắc (DSF) có đặc tính tán sắc thay đổi so với sợi chuẩn, sợi bù tán
sắc (DCF) sử dụng để bù ảnh hưởng của tán sắc, sợi duy trì phân cực cho phép duy trì
trạng thái phân cực của tín hiệu khi lan truyền, sợi phi tuyến có hệ số phi tuyến cao
(HNLF) dùng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu quang. Dựa vào cấu trúc đặc biệt hiện
nay có các loại sợi tinh thể photonic (PCF) hay cịn gọi là sợi vi cấu trúc có lớp vỏ và
cả vùng lõi trong vài trường hợp chứa các lỗ không khí chạy dọc theo sợi. Sự sắp xếp
cấu trúc trong một PCF sẽ xác định đặc tính dẫn ánh sáng của sợi.
Tán sắc ống dẫn sóng phụ thuộc vào cấu trúc sợi quang, bằng cách biến đổi cấu
trúc sợi như kích thước lõi hay mặt cắt chiết suất (nhiều lớp lõi có chiết suất khác
nhau) tán sắc ống dẫn sóng sẽ biến đổi rất lớn, kết quả là đường cong đặc tính tán sắc
tổng sẽ dịch chuyển theo mong muốn. Đây cũng là nguyên tắc cơ bản được sử dụng để
thiết kế các sợi quang đơn mode có đặc tính tán sắc mong muốn như sợi dịch tán sắc
(DSF), sợi dịch tán sắc khác không (NZ-DSF) hay sợi tán sắc phẳng. Đối với sợi đơn
mode chuẩn, hệ số tán sắc tổng bằng 0 ở gần bước sóng 1310 nm, cịn tại vùng 1550
nm nơi có suy hao thấp nhất thì hệ số tán sắc trong khoảng 15–18 ps/(nm.km). Đối với
các sợi DSF, sợi được thiết kế để dịch bước sóng tán sắc khơng về lân cận 1550 nm.
Cịn sợi NZ-DSF, giá trị D thường nhỏ trong dải rộng bước sóng từ 1300 – 1600 nm.
1.3.2. Bộ phát quang
Bộ phát quang có vai trị chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và


6

đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn. Hình 1.3 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của
một bộ phát quang, trong đó bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế, và một bộ
ghép nối với sợi quang. Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát quang (LED)
được dùng như những nguồn quang vì khả năng tương thích của chúng với kênh sợi
quang. Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều chế sóng mang quang. Có hai

phương thức điều chế: điều chế trực tiếp và điều chế ngồi. Ở phương thức điều chế
trực tiếp, tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm trực tiếp nguồn quang
thơng qua mạch kích thích mà khơng cần sử dụng bộ điều chế ngoài. Phương thức
điều chế trực tiếp mặc dù hiệu quả về chi phí nhưng bị giới hạn về tính năng khi điều
chế dữ liệu ở tốc độ cao.
Mạch điều
khiển

Nguồn quang

Tín hiệu
đầu vào
điện

Mạch điều
chế

Bộ ghép
quang
(coupler)

Tín hiệu
đầu ra
quang

Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ phát quang điều chế ngoài.
Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao. Ở
đây nguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, cịn tín
hiệu điện điều chế sóng mang quang thơng qua bộ điều chế ngoài. Nhờ sử dụng bộ
điều chế ngoài, ngồi định dạng điều chế cường độ (IM) thì các định dạng điều chế

tiên tiến khác như Khóa dịch pha (PSK), Khóa dịch tần số (FSK) hay Điều chế biên độ
cầu phương (QAM) cũng có thể được thực hiện dễ dàng như trong các hệ thống thông
tin quang Thế hệ thứ năm. Trong bộ phát quang, bộ ghép nối thường là một vi thấu
kính để hội tụ tín hiệu quang đầu ra vào trong sợi quang với hiệu suất ghép cao nhất.
1.3.3. Bộ thu quang
Bộ thu quang là sự tổ hợp của bộ tách sóng quang, bộ tiền khuếch đại điện, và
các phần tử xử lý tín hiệu điện. Sơ đồ khối của bộ thu quang số được minh họa ở Hình
1.4. Bộ tách sóng quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang ngõ vào thành
tín hiệu điện. Do tín hiệu quang ngõ vào đã bị suy yếu do truyền trên đường truyền nên
tín hiệu ở ngõ ra bộ tách sóng quang cần đưa đến bộ tiền khuếch đại. Yêu cầu của bộ
tiền khuếch đại phải có nhiễu thấp. Chúng ta thường thấy bộ tiền khuếch đại nhiễu
thấp có băng thơng khơng đủ để đáp ứng tín hiệu số tốc độ cao trong thơng tin quang,
do đó cần bộ equalizer để cân bằng lại băng thông như yêu cầu. Ngồi ra bộ qualizer
cịn được sử dụng để làm giảm bớt sự chồng lấp xung do trải rộng xung. Sau đó, tín


7

hiệu được tiếp tục qua bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại này thường sử dụng bộ AGC
(Automatic Gain Control) để điều chỉnh độ lợi cho phù hợp. Bộ lọc đặt sau bộ khuếch
đại để loại bỏ các thành phần tần số khơng mong muốn sinh ra do q trình xử lý tín
hiệu. Trong các bộ thu quang tốc độ thấp, người ta thường sử dụng tách sóng bất đồng
bộ, sử dụng bộ so sánh để quyết định xung đó có hiện diện hay khơng, tức là xác định
xem bit đó là 1 hay 0. Loại dữ liệu khôi phục này được giả sử là các xung có dạng
cạnh lên và xuống. Đối với tuyến thông tin quang tốc độ cao, để đạt được chất lượng
tối ưu, xung đồng hồ dữ liệu được mã hố vào trong tín hiệu phát và được khôi phục ở
bộ thu thông qua mạch khôi phục xung đồng hồ. Xung đồng hồ khôi phục được đưa
tới mạch quyết định bit để quyết định xem mức điện áp hiện tại là mức 1 hay mức 0.
Dựa vào kết quả quyết định, ngõ ra của mạch quyết định bit chính là luồng dữ liệu đã
được khơi phục, có thể chứa một số bit lỗi trong đó.

Hình 1.4. Sơ đồ khối bộ thu quang
Một trong những thông số biểu thị chất lượng của một hệ thống thông tin quang
số được xác định qua tỉ số lỗi bit (BER) như là xác suất trung bình thu sai bit. Hầu hết
các hệ thống thông tin quang sợi xác định BER cỡ 10-9 như là yêu cầu tối thiểu khi
hoạt động, một số hệ thống thậm chí cịn u cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14.
1.4. Các tín hiệu điều chế RZ-OOK, NRZ-OOK
1.4.1. Các tín hiệu điều chế NRZ-OOK
NRZ là định dạng điều chế được ứng dụng chủ yếu trong các hệ thống truyền
dẫn quang ngày nay. Kỹ thuật phát xung NRZ là khá nổi tiếng từ lý thuyết thông tin cổ
điển. Nguồn thông tin phát ra một dãy bit ký hiệu nhị phân tại một tốc độ bit R=1/T B,
ở đây TB là khoảng thời gian của mỗi bit (chu kỳ bit) được biết như là khe bit. Dãy tín
hiệu của các bit có thể được biểu diễn như sau:
( )

∑

(

)

(

)


8

Ở đây: qi là ký hiệu thơng tin được trình bày bởi một chuỗi nhị phân của các giá
trị 0 và 1. Hàm chức năng f(t) diễn giải hình dạng xung, một khoảng thời gian T0 (gần

như xung vng), nó tỷ lệ với tốc độ bit được sử dụng, khoảng thời gian của một xung
NRZ là bằng chiều dài của khe thời gian (T0=Tb). Một khe thời gian xung NRZ duy trì
cùng một biên độ và giữa các bit 1 kế tiếp khơng có xảy ra sự thay đổi biên độ tín hiệu.
Một dãy tín hiệu điện điều khiển bộ điều chế ngoài được tạo ra trong bộ mã NRZ.
Thời gian lên của tín hiệu điện được chỉnh lại cho thích hợp bằng cách sử dụng một bộ
lọc điện và tổng số thời gian lên bằng 25% độ rộng xung. Thời gian lên thể hiện độ
dốc biên của xung NRZ và phụ thuộc vào kiểu bộ lọc sử dụng để tạo dạng xung điện.
Đường bao phức của tín hiệu NRZ quang có thể được biểu diễn như sau:
( )

∑

(

)

(

)

Ở đây, Tb là chiều dài bit và h(t) là hình dạng xung ban đầu được tạo ra trong
MZM bởi sự tích chập hình dạng xung với hàm chức năng chuyển đổi bộ lọc. an thể
hiện hệ số của dãy mã hoá với các giá trị 0 cho khoảng cách (space) và 1 cho dấu
(mark) tín hiệu, phát tín hiệu quang của các xung NRZ được minh hoạ trong hình 1.5
[3].

a) Dạng xung của tín hiệu NRZ

b) Phát tín hiệu NRZ
Hình 1.5. Phát tín hiệu NRZ 10 Gbps. a) Dạng xung của tín hiệu NRZ;

b) Phát tín hiệu NRZ 10Gb/s.


9

Ánh sáng của sóng bơm liên tục (CW) được điều chế ngoài trong một MZM
LiNbO3. Bộ MZM được điều khiển bằng điểm cầu phương (quadrature-point) của hàm
chức năng chuyển đổi cơng suất bộ điều chế với một tín hiệu điện NRZ. Tạo ra xung
NRZ cũng có thể được thực hiện với một bộ điều chế hấp thụ điện (EAM). Điều bất
tiện của EAM là tỷ lệ phân biệt ER nhỏ (10dB) và chirp điều chế nội. Tuy vậy, điện áp
phân cực cho EAM nhỏ và nó có thể được tích hợp trên cùng một chip với một laser,
dẫn đến giảm chi phí sản xuất. Một tiêu chuẩn cho độ rộng xung của một tín hiệu
quang là chu kỳ làm việc (tỷ lệ làm việc).
Chu kỳ làm việc được xác định là độ rộng xung tồn phần tại tối đa ½
(FWHM) so với khe bit. Trong trường hợp NRZ, chu kỳ làm việc bằng 1, các xung
NRZ có độ dốc các biên tín hiệu rất lớn. Độ dốc của biên ảnh hưởng đến các đặc tính
phi tuyến của truyền dẫn quang trên cơ sở NRZ, làm gia tăng tác động của hiệu ứng
SPM và SPM tỷ lệ trực tiếp với độ dốc của các biên tín hiệu. Độ dốc của biên mạnh
hơn tạo ra các thành phần phổ mới do hiệu ứng SPM, dẫn đến phổ của tín hiệu bị dãn
rộng. Làm tăng thêm tác động lẫn nhau giữa SPM và tán sắc vận tốc nhóm (GVD),
hiệu ứng SPM làm biến đổi điều chế pha thành điều chế cường độ (PM-IM) và làm
ảnh hưởng đáng kể các giới hạn hệ thống truyền dẫn quang.
Các xung NRZ có thành phần phổ quang hẹp do sự chuyển biến giữa hai trạng
thái on-off thấp hơn trong các dòng bit NRZ. Phổ NRZ được tập trung và nén chặt
xung quanh tần số sóng mang thể hiện một đặc điểm điều chế quan trọng, chúng nén
các tác động hiệu ứng truyền lan khác nhau (vd: GVD và ISI). Khi độ rộng phổ được
giảm, nó cải thiện dung sai tán sắc của định dạng điều chế nhưng làm tăng hiệu ứng
ISI giữa các xung. Vấn đề này trở nên rõ ràng hơn cho khoảng cách ly giữa các dãy
của các dấu, ở đó năng lượng của các dấu lân cận bị biến đổi trong khe thời gian của
khoảng cách ly dẫn đến hiệu ứng ISI và chất lượng hệ thống bị suy giảm.

Sơ đồ mô phỏng phát tín hiệu NRZ 10Gb/s được thể hiện trong Hình 1.6

(a) Sơ đồ mơ phỏng phát tín hiệu NRZ 10Gb/s


10

(b) Phổ quang

(c) Giản đồ mắt
Hình 1.6. Tín hiệu NRZ 10Gbps. (a) Sơ đồ mơ phỏng phát tín hiệu NRZ 10Gb/s;
(b) Phổ quang; (c)Giản đồ mắt.
Phổ hẹp của các xung NRZ mang lại hiệu quả tốt hơn trong hệ thống WDM,
cho phép tận dụng tốt hơn băng tần hệ thống và các dấu xung NRZ bị ảnh hưởng mạnh
hơn đối với các tác động tán sắc và dẫn dến dung sai tán sắc cao hơn. Dung sai tán sắc
lớn có thể quan trọng trong hệ thống WDM tốc độ bit cao với số kênh lớn bởi vì sự
xuất hiện lâu dài của tán sắc dư, tán sắc dư phụ thuộc vào tổng băng tần hệ thống và
các kiểu sợi quang truyền dẫn được sử dụng.


11

1.4.2. Các tín hiệu điều chế RZ-OOK
Các xung RZ chỉ chiếm một phần của khe bit, dẫn đến giá trị chu kỳ làm việc
nhỏ hơn 1. Các phương pháp khác nhau có thể được sử dụng phát xung RZ. Hình 1.7
minh hoạ hai phương pháp khác nhau cho việc phát các xung quang RZ. Phương pháp
được sử dụng rộng rãi cho việc phát xung RZ sử dụng hai tầng điều chế (Hình 1.7a).
Trong tầng điều chế MZM1, xung NRZ quang được được phát trong một MZM
LiNbO3, chúng được điều khiển bởi một tín hiệu NRZ 10Gb/s đã được lọc điện. Trong
MZM2, sự chuyển đổi hình dạng từ NRZ thành RZ diễn ra, bộ MZM2 (hình 1.7a)

được điều khiển bởi một tín hiệu sin-clock 10GHz tại điểm cầu phương (quadraturepoint) của hàm chuyển đổi công suất điều chế. Mặc dù được sử dụng rộng rãi và thực
tế khá thích hợp nhưng khó thực hiện đồng bộ giữa hai tầng điều chế và hình dạng
xung bị giới hạn bởi các đặc điểm của MZM2 gây ra suy giảm tỷ lệ phân biệt (ER) của
xung RZ được phát.
Hình 1.7b minh hoạ sự gần đúng lý tưởng cho việc phát xung RZ, việc tạo dạng
xung RZ được thực hiện bởi một bộ mã điện RZ 10GHz. Để giảm tính phức tạp của
việc phát, các xung RZ có thể được phát bởi sự kết hợp của bộ điều chế pha và giao
thoa kế đường trễ. Công nghệ này không yêu cầu đồng bộ của hai tín hiệu điều khiển
điện và cho phép độ nhạy lớn (>2dB), nhưng trễ trong giao thao kế phải được điều
chỉnh chính xác. Băng tần bộ điều chế bị giới hạn là một vấn đề trong trường hợp RZ
do việc phổ quang dãn rộng. Để tách sóng, bộ tách sóng NRZ thơng thường có thể
được sử dụng.

a) Dạng xung của tín hiệu RZ

Hình 1.7. Phát tín hiệu RZ 10Gb/s: a) Dạng xung của tín hiệu RZ
b) Phát thực tế c) Phát lý tưởng


12

Biên độ tín hiệu RZ giữa hai bit “1” liền kề trở về zero. Cho cùng một cơng suất
trung bình của xung RZ và xung NRZ, công suất đỉnh của xung RZ bằng hai lần của
xung NRZ và độ rộng xung bằng 1/2 độ rộng xung NRZ. Đặc điểm chính của tín hiệu
được điều chế RZ là phổ quang rộng.
Sơ đồ mơ phỏng phát tín hiệu RZ 10Gb/s được thể hiện trong Hình 1.8

(a) Sơ đồ mơ phỏng phát tín hiệu RZ 10Gb/s

(b) Phổ quang