Luận văn thạc sĩ nghiên cứu bù tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ thống thông tin sợi quang

TRẦN HỮU LỘC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA TRẦN HỮU LỘC

TRẦN HỮU LỘC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC
NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NĂM 2019

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HỮU LỘC

NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC
NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa hoc:
PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN

Đà Nẵng – Năm 2019


1
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Nội dung cơng trình luận
văn “NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ
THÔNG THÔNG TIN SỢI QUANG”. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn
(ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Hữu Lộc

MỤC LỤC
TRANG PHỤ LỤC BÌA ................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................
MỤC LỤC ......................................................................................................................
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................
DANH MỤC HÌNH .....................................................................................................
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................

CHƢƠNG 1: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM .............................................................

1.1.Khái niệm về tán sắc ..............................................

1.2.Các loại tán sắc .......................................................
1.2.1. Tán sắc mode MD ...............
1.2.2. Tán sắc trong sợi đơn mode

1.2.2.1. Tán sắc vận tốc nhóm GVD ........................
1.2.2.2. Tán sắc vật liệu ...........................................


1.2.2.3. Tán sắc ống dẫn sóng .................................
1.2.2.4. Tán sắc bậc cao hơn ...................................
1.2.2.5. Tán sắc phân cực mode ..............................

1.3.Ảnh hƣởng tán sắc trên hệ thống WDM ..............

1.4.Kết luận chƣơng......................................................
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC ..........................

2.1.Giới thiệu chƣơng ..................................................

2.2.Sự cần thiết phải quản lý tán sắc ..........................

2.3.Kỹ thuật bù tán sắc trƣớc .....................................

2.4.Kỹ thuật bù tán sắc sau ..........................................
2.5. Bù tán sắc bằng sợi quang DCF ......................................................................

2.6.Bù tán sắc bằng các bộ lọc quang.........................

2.7.Bù tán sắc bằng Cách tử Bragg sợi .......................
2.7.1. Cách tử chu kỳ đều ......................................................................................
2.7.2. Cách tử sợi dịch tần .....................................................................................


3
2.8. Kết luận chƣơng................................................................................................
CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÙ TÁN SẮC SỢI DCF .........................
3.1. Giới thiệu chƣơng .............................................................................................
3.2. Bù tán sắc sợi DCF ...........................................................................................
3.2.1. Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc sợi DCF .....................................................
3.2.2. Mơ hình tỉ lệ của chỉ số ba lớp của sợi bù tán sắc DCF ..............................
3.2.3. Sợi bù tán sắc DCF có hệ số cộng hưởng cao .............................................
3.2.3.1. Suy hao sợi bù tán sắc DCF ................................................................
3.2.3.2. Suy hao tán xạ của sợi bù tán sắc DCF ..............................................
3.2.3.3. Suy hao ống dẫn sóng của sợi bù tán sắc DCF ...................................
3.2.3.4. Tăng giá trị hệ số tán sắc âm của sợi bù tán sắc DCF .......................
3.2.4. Sợi bù tán sắc DCF có hệ số độ dốc tán sắc cao .........................................
3.2.4.1. Kỹ thuật thiết kế sợi bù tán sắc DCF có độ dốc tán sắc cao...............
3.2.4.2. Mơ đun bù tán sắc DCF sợi kết hợp ....................................................
3.2.5. Mô đun bù tán sắc DCF có kích thước vật lý nhỏ gọn ................................
3.2.5.1. Suy hao uốn cong.................................................................................
3.2.6. Dịch pha phi tuyến của sợi bù tán sắc DCF ................................................
3.3. Các thông số đặc tính sợi DCF................................................................
3.3.1. Đặc tính sợi CF nguyên mẫu của mơ đun thơng thường ..........................
3.3.2. Đặc tính của mô đun DCF thông thường ....................................................
3.3.3. Hệ số độ tin cậy của mơđun DCF thơng thường .........................................

3.3.4. Đặc tính sợi DCF của mơ đun thu nhỏ kích thước ......................................
3.3.5. Đặc tính của mơ đun thu nhỏ kích thước ....................................................
3.3.6. Độ tin cậy của module FC-DCF thu nhỏ kích thước ...................................
3.4. Mơ hình thiết kế vị trí đặt Mơđun DCF trong hệ thống WDM ...................
3.4.1. Bù Trước ......................................................................................................
3.4.2. Bù Sau .........................................................................................................
3.4.3. Bù đối xứng .................................................................................................
3.5. Các kết quả thử nghiệm bù tán sắc bằng DCF ..............................................
3.6. Kết luận chƣơng................................................................................................
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VIỆC SỬ DỤNG KỸ
THUẬT BÙ TÁN SẮC DCF VÀ FBG TRÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
WDM .............................................................................................................................

4.1. Giới thiệu chƣơng .............................................................................................
4.2. Các mơ hình mô phỏng dùng các kỹ thuật bù tán sắc ..................................
4.2.1. Mơ hình mơ phỏng dùng kỹ thuật bù tán sắc DCF .....................................
4.2.2.1. Mơ hình chỉ dùng sợi SMF ...................................................................


4.2.1.2. Mơ hình bù trước DCF .........................................................................
4.2.1.3. Mơ hình DCF bù sau ............................................................................
4.2.1.4. Mơ hình bù đối xứng DCF ....................................................................
4.2.3. Mơ hình dùng kỹ thuật bù tán sắc FBG .......................................................
4.2.3.1. Mơ hình FBG đặt ở đầu phát ...............................................................
4.2.3.2. Mơ hình FBG đặt ở đầu thu .................................................................
4.2.3.3. Mơ hình FBG đặt ở cả hai đầu phát và thu ..........................................
4.3. Kết quả thu đƣợc của các mơ hình .................................................................
4.3.1. Ở tốc độ 2.5Gb/s cự ly truyền 900km và 1200km ......................................
4.3.1.1. Mơ hình chỉ dùng sợi SMF ...................................................................
4.3.1.1. Bù trước DCF

4.3.1.2. Bù sau DCF ..........................................................................................
4.3.1.3. Bù đối xứng DCF ..................................................................................
4.3.1.4. Bù FBG đặt ở đầu phát ........................................................................
4.3.1.5. Bù FBG ở đầu thu .................................................................................
4.3.1.6. Bù FBG ở cả hai đầu phát và thu .........................................................
4.3.2. Ở tốc độ 10Gb/s cự ly truyền 900km và 1200km .......................................
4.3.2.1. Mơ hình chỉ dùng sợi SMF ................................................................
4.3.2.2. Bù trước DCF
4.3.2.3. Bù sau CF ..........................................................................................
4.3.2.4. Bù đối xứng
4.3.2.5. Bù FBG ở đầu phát ...............................................................................
4.3.2.6. Bù FBG tại đầu thu...............................................................................
4.3.2.7. Bù FBG ở cả hai đầu phát và thu .........................................................
4.3.3.1. Bù trước DCF
4.3.3.2. Bù sau DCF ..........................................................................................
4.3.3.3. Bù đối xứng DCF ..................................................................................
4.3.2.4. Bù FBG ở đầu phát ...............................................................................
4.3.2.4. Bù FBG ở đầu thu .................................................................................
4.3.2.4. Bù FBG tại cả hai đầu phát và thu .......................................................
4.4. Mơ hình và kết quả của việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc FBG kết hợp với
kỹ thuật bù tán sắc DCF .........................................................................................
4.4.1. Mơ hình bù trƣớc DCF kết hợp với FBG ở đầu thu ..................................
4.4.2. Kết quả thu đƣợc của mơ hình ở 40Gb/s .....................................................
4.4.2.1. Bù trước DCF .......................................................................................
4.4.2.2. Bù trước DCF kết hợp FBG đặt ở đầu thu ...........................................
4.5. Kết luận chƣơng................................................................................................


5
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...................................................

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ...................................................................................
PHỤ LỤC .....................................................................................................................


6

NGHIÊN CỨU BÙ TÁN SẮC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG
THÔNG TIN SỢI QUANG
Học viên: Trần Hữu Lộc. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: CH680. Khóa: 36. Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
Tóm tắt: Công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao WDM có vai trị rất quan
trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu tăng lên về tốc độ, dung lượng và băng thông rộng cho
các dịch vụ hiện tại như: kênh thoại, kênh dữ liệu hình ảnh đa phương tiện, dữ liệu phim ảnh
video, hội nghị truyền hình, video call, kênh data tốc độ cao,… Tuy nhiên, có một số ảnh
hưởng tác động lên hệ thống quang WDM, kể đến trước tiên là ảnh hưởng của tán sắc, tán sắc
làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit, làm
xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM. Hơn thế nữa, vấn đề quản lý tán sắc
trong hệ thống WDM là vấn đề rất được quan tâm hiện nay. Vì vậy, em đã lựa chọn nội dung
tán sắc làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học, tập trung vào nghiên cứu tán sắc, kỹ thuật bù
tán sắc, mô phỏng kỹ thuật bù tán sắc DCF và một số kỹ thuật bù tán sắc khác trong các hệ
thống thông tin quang tốc độ cao WDM để đánh giá chất lượng hệ thống do ảnh hưởng của
tán sắc.
Từ khóa: Tán sắc, Sợi quang bù tán sắc (DCF), Sợi quang cách tử Bragg (FBG), công
nghệ kỹ thuật WDM, Pre/Post DCF, phần mềm mô phỏng OptiSystem 7.0 của Optiwave
Photonic Softwave.

STUDY ON DISPERSION COMPENSATION TECHNIQUES TO IMPROVE THE
QUALITY OF FIBER-OPTIC COMUNICATIONS SYSTEMS

Student: Tran Huu Loc. Major of Master program: Electronic Engineering.
Student code: CH680. Course: K36. The University of Da Nang - University of
Science and Technology.
Abstract: WDM high-speed optical communication technology plays a very
important role in meeting the increased requirements for speed, capacity and bandwidth for
current services such as voice channel, multimedia image data channel, video film data, video
conferencing, video call, high-speed data channel, etc. However, there are some influences on
optical WDM system, first of all The effect of dispersion, that limits the transmission distance
as well as the speed of the WDM system, causing bit errors, and seriously degrading the
characteristics of the WDM system. Moreover, the problem of dispersive management in
WDM system is a matter of great concern today. Therefore, I selected the content of
dispersion as a master's thesis, focusing on dispersion research, dispersion compensation
technique, simulating DCF dispersion compensation technique and some diffusion techniques.
Other colors in WDM high-speed optical information systems to assess system quality due to
the effect of dispersion.
Key words: Dispersion, Dispersion compensation Fiber (DCF), Fiber Bragg Grating
(FBG), WDM technologies, Pre/Post-Compensation, OptiSystem 7.0 of Optiwave Photonic
Softwave.


7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AM
APS
ATM
BER
BLSR

Amplitude Modulatio
Automatic Protection
Asynchronous Transf
Bit Error Rate
Bidirectional Line Sw

BPF
CD
DBR
DCF
DCM
DDF
DEMUX
DFB
DSF
DWDM
EA
EDFA
FBG
FM
FP
FOM
FSK
FWM
GI
GVD
HFOM
KERR
IOF
IP

LASER

Bandpass filter
Chromatic Dispersion
Distributed Bragg Ref
Dispersion Compensa
Dispersion Compensa
Dispersion Decreasin
Demultiplexer
Distributed Feedback
Dispersion Shifted Fib
Dense WDM
Electroabsorption Mo
Erbium Dopped Fibre
Fiber Bragg Grating
Frequency Modulatio
Fabry-Perot
Figure Of Merit
Frequency Shift Keyi
Four-Wave Mixing
Graded index
Group Velocity Dispe
High Figure Of Merit
Magneto-optic Kerr e
Inter-Office Facility
Internet Protocol
Light Amplified and S
Emission of Radiation
Modified Chemical V
Deposition

Modal Dispersion
Mode Field Diameter

MCVD
MD
MFD


MMF
MPI
MUX
MZ
NA
NLS
NZDF
NZDSF
OA
OADM
OPC
PC
PDH
PMD
PSP
RC
RDS
RING
RMS
RZ
SBS
SDH

SI
SMF
SNR
SOA
SONET
SOP
SPM
SRS
SW
TDM
TEC
TF
WDM
XPM
ZD

Multimode Fibre
Multi Path Interference
Multiplexer
Mach-Zehnder Interfero
Numerical Aperture
Nonlinear Schroedinger
Non-zero dispersion-shi
mode optical fiber
None-Zero Dispersion S
Fiber
Optical Amplifier
Optical Add/Drop Multi
Optical Phase Conjugati
Polarization Controller

Plesiochronous Digital H
Polarization Mode Disp
Principal State of Polari
the Radiation Caustic
the Relative Dispersion
Ring
Root-Mean-Square
Return to Zero
Stimulated Brillouin Sca
Synchronous Digital Hie
Step index
Single Mode Fibre
Signal to Noise Ratio
Semiconductor Optical A
Synchronous Optical Ne
State of Polarization
Self of Polarization
Stimulated Raman Scatt
Optical Switch
Time Division Multiplex
Thermally Expanded Co
Transmission Fiber
Wavelength Division M
Cross Phase Modulation
Zero-Dispersion


Số hiệu
bảng
Bảng 1.1.

Bảng 1.2.
Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3.
Bảng 3.4.
Bảng 3.5.
Bảng 3.6.
Bảng 3.7.
Bảng 3.8.
Bảng 3.9.
Bảng 3.10.
Bảng 3.11.
Bảng 3.12.


Số hiệu
hình
Hình 1.1.
Hình 1.2.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8.
Hình 1.9.
Hình 1.10.
Hình 1.11.
Hình 1.12.
Hình 1.13.

Hình 2.1.
Hình 2.2.

Hình 2.3.
Hình 2.4.
Hình 2.5.
Hình 2.6.
Hình 2.7.
Hình 2.8.


11
Hình 2.9.
Hình 2.10.
Hình 2.11.
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.
Hình 3.4.
Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.
Hình 3.9.
Hình 3.10.
Hình 3.11.
Hình 3.12.
Hình 3.13.
Hình 3.14.

Hình 3.15.
Hình 3.16.
Hình 3.17.
Hình 3.18.
Hình 3.19.
Hình 3.20.
Hình 3.21.
Hình 3.22.


12
Hình 3.23.
Hình 3.24.
Hình 3.25.
Hình 3.26.
Hình 3.27.
Hình 3.28.
Hình 4.1.
Hình 4.2.
Hình 4.3.
Hình 4.4.
Hình 4.5.
Hình 4.6.
Hình 4.7.
Hình 4.8.
Hình 4.9.
Hình 4.10.
Hình 4.11.
Hình 4.12.
Hình 4.13.

Hình 4.14.
Hình 4.15.
Hình 4.16.
Hình 4.17.
Hình 4.18.
Hình 4.19.
Hình 4.20.
Hình 4.21.
Hình 4.22.
Hình 4.23.
Hình 4.24.
Hình 4.25.


13
Hình 4.26.
Hình 4.27.
Hình 4.28.
Hình 4.29.
Hình 4.30.


14
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:
Công nghệ truyền dẫn tốc độ cao đóng vai trị rất quan trọng trong mạng xương
sống “Backbone” của các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông trong nước cũng như
quốc tế. Hệ thống mạng truyền dẫn đường trục Backbone là yếu tố hàng đầu quyết
định cho sự thành công hay thất bại của nhà mạng. Sự ra đời của công nghệ kỹ thuật
điều chế và kỹ thuật ghép kênh WDM đã đáp ứng được những yêu cầu tăng lên rất lớn

để cải thiện đáng kể tốc độ, dung lượng và băng thông rộng. Đáp ứng được tất cả các
yêu cầu của dịch vụ hiện tại như: kênh thoại, internet, kênh thuê riêng, kênh dữ liệu
hình ảnh đa phương tiện, dữ liệu phim ảnh video, hội nghị truyền hình, video call,
kênh data tốc độ cao, … Cơng nghệ quang ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM
ra đời tạo ra xu hướng phát triển chung đối với các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn
thông trong nước nói chung, đồng thời cũng là nhu cầu cấp thiết và xu hướng chung
phát triển, nâng cao chất lượng truyền dẫn trong ngành viễn thơng nói chung.
Tuy nhiên, do một số những ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên
những nhà khai thác mạng viễn thông vẫn chưa tận dụng được hết những ưu điểm vượt
trội của hệ thống này. Những ảnh hưởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh
hưởng của tán sắc đối với hệ thống WDM. Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền
dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit, làm xuống cấp nghiêm trọng
đặc tính của hệ thống WDM. Do đó vấn đề tán sắc trong hệ thống WDM là vấn đề rất
được quan tâm. Vì vậy, tác giả chọn nội dung “ Nghiên cứu tán sắc nhằm nâng cao
chất lượng hệ thống thông tin sợi quang” làm luận văn tốt nghiệp cao học.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:
- Nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc tác động lên hệ thống quang WDM

gây suy giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống.
- Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật bù tán sắc nhằm nâng cao chất lượng hệ
thống thông tin sợi quang WDM như kỹ thuật bù tán sắc sợi DCF và kỹ thuật bù tán
sắc sợi FBG.
- Xây dựng mơ hình thiết kế, tính tốn và thực hiện mơ phỏng bằng phần mềm
Optisystem của hãng OptiWave nhằm so sánh đánh giá chất lượng (BER, Q-Factor)
của hệ thống.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
a) Đối tƣợng nghiên cứu:
- Nghiên cứu tán sắc và nguyên nhân của ảnh hưởng tán sắc tác động lên hệ

thống gây suy giảm chất lượng hệ thống.

15
- Các kỹ thuật bù tán sắc.
- Tính tốn thiết kế sợi bù tán sắc sợi DCF.
- Ứng dụng chương trình“OptiSystem” để mơ phỏng.
b) Phạm vi nghiên cứu:
- Hệ thống thông tin sợi quang WDM.
- Nguyên nhân của ảnh hưởng tán sắc.
- Các kỹ thuật bù tán sắc.
- Tập trung vào thiết kế sợi bù tán sắc DCF.
- Mô phỏng kỹ thuật bù tán sắc DCF và FBG nhằm so sánh đánh giá chật lượng

hệ thống.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Phương pháp luận xuyên suốt 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 thơng tin liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc.
- Tập trung vào kỹ thuật bù tán sắc bằng sợi DCF và thiết kế sợi bù tán sắc DCF.
- Tính tốn, thiết kế và xây dựng mơ hình kỹ thuật bù tán sắc DCF và FBG.
- Sử dụng phần mềm “OptiSystem” để thực hiện mô phỏng để đánh giá chất
lượng hệ thống quang W M dưới ảnh hưởng của tán sắc khi sử dụng kỹ thuật bù tán
sắc sợi DCF và FBG.
- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên kết quả mô phỏng.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:

Vấn đề tán sắc gây ảnh hưởng đến suy giảm chất lượng hệ thống quang WDM
cũng như giới hạn khoảng cách truyền. Đây là vấn đề lớn rất được quan tâm hiên nay.
Thực tế làm thế nào để đánh giá chất lượng hệ thống và nâng cao cải thiện chất lượng

mạng truyền dẫn thông tin sợi quang WDM khi đã và đang vận hành trong nước cũng
như ngoài nước. Do vậy, bù tán sắc là vấn đề thực tiễn đang được quan tâm hiện nay,
nhằm nâng cao chất lượng hệ thống.
6. KẾT CẤU LUẬN VĂN:

Nôi dung luận văn gồm các chƣơng:
- Chƣơng 1: Nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc trong hệ thống thông tin
sợi quang WDM.
- Chƣơng 2 : Nghiên cứu các kỹ thuật bù tán sắc.
- Chƣơng 3: Tính tốn thiết kế bù tán sắc DCF.


16
- Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả việc sử dụng kỹ thuật bù tán sắc

DCF và FBG trên hệ thống thơng tin quang WDM.
Tìm hiểu nghiên cứu tán sắc và ảnh hưởng tán sắc. Nghiên cứu các kỹ thuật bù
tán sắc nhằm để quản lý tán sắc và tập trung nghiên cứu kỹ thuật bù tán sắc DCF. Hơn
nữa, mô phỏng và nhận xét đánh giá kỹ thuật bù tán sắc DCF với một số kỹ thuật bù
tán sắc khác trên hệ thống quang WDM.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn của
em khơng thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của
các thầy cơ giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy PGS.TS Tăng Tấn Chiến đã
tận tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt
thời gian thực hiện luận văn.


17
CHƢƠNG 1: TÁN SẮC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ

THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM
1.1. Khái niệm về tán sắc
Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang truyền dọc trong sợi quang bị giãn xung.
Nếu xung giãn lớn hơn chu kì bit, gây ra sự chồng lấp giữa các bit kế cận nhau. Kết
quả đầu thu không nhận biết được bit 1 hay bit 0 đã truyền đi ở đầu phát, đồng nghĩa
bộ chọn tại đầu thu sẽ chọn sai, và khi đó tỉ số BER tăng lên, tỉ số S/N giảm và chất
lượng hệ thống suy giảm. Hình 1.1 minh họa tán sắc gây giãn xung. [1]

Hình 1.1. Tán sắc gây giãn xung và tăng tỉ số BER
Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi, đơn vị là giây (s). Khi đó D được xác
đinh bởi cơng thức:
D=
Trong đó: Ti, To lần lượt là độ rộng xung tại đỉnh bằng một nữa công suất cực
đại của xung ngõ vào và ngõ ra của sợi, đơn vị là giây (s). Độ tán sắc qua mỗi km sợi
quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Với loại tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ
của nguồn phát quang thì lúc đó đơn vị tính là ps/km-nm.[1],[4],[5][6]
1.2. Các loại tán sắc
Trong hệ thống thơng tin quang có thể có 3 loại tán sắc: tán sắc mode, tán sắc
phân cực mode và tán sắc sắc thể (gồm tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu). Với
sợi quang đa mode thì có tất cả các loại tán sắc nói trên. Khi cơng nghệ chế tạo sợi
quang phát triển thì sợi quang đơn mode ra đời, khắc phục được tán sắc mode của sợi
đa mode. Tuy nhiên, vì bản chất chiết suất Silica phụ thuộc vào bước sóng, hơn nữa
nguồn phát không thể phát ra ánh sáng đơn sắc (ánh sáng chỉ có 1 bước sóng) mà là
một chùm tia sáng với một độ rộng phổ dải bước sóng hẹp nào đó. Chính vì vậy trong
sợi đơn mode vẫn tồn tại tán sắc, đó là tán sắc phân cực mode và tán sắc sắc thể. Ngày
nay, công nghệ chế tạo phát triển mạnh mẽ, chế tạo ra được các loại sợi quang mới cần


18
tốc bit cao và cự ly lớn. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về các loại tán

sắc trong sợi quang như hình 1.2:[1],[4],[5],[6]

Hình 1.2. Thể hiện các loại tán sắc trong sợi
quang 1.2.1. Tán sắc mode MD
Khi truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi quang, thì tín hiệu ánh sáng truyền đi
theo nhiều đường khác nhau, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những
mode sóng. Một mode sóng có thể được xem là một trạng thái truyền ổn định của ánh
sáng trong sợi quang và có thể xem gần đúng một mode sóng ứng với một tia sáng.
Tán sắc mode do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode. Mỗi
mode được truyền với vận tốc nhóm khác nhau, nên thời gian truyền đến đầu thu của
các mode khác nhau là khác nhau, gây ra tán sắc.
Tán sắc mode phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi sợi. Tán
sắc mode chỉ tồn tại ở sợi đa mode. Do đó loại bỏ tán sắc mode thì dùng sợi quang đơn
mode.
Thật vậy ánh sáng truyền trong sợi quang gồm tập hợp những tia sáng riêng lẻ.
Nói cách khác, nếu ta có khả năng nhìn vào sợi ta sẽ thấy tập hợp những tia ánh sáng
truyền với góc α biến thiên từ 0 đến αc thể hiện ở hình 1.3 sau:

Hình 1.3. Thể hiện phương thức truyền các luồng ánh sáng tương ứng với các
mode truyền trong sợi quang[1],[4][5][6]
Các luồng tia sáng khác nhau được định nghĩa là các mode truyền. Ta phân biệt
các mode bằng góc truyền của chúng, hay đánh số thứ tự để phân biệt các mode riêng
biệt. Nguyên tắc, góc truyền của mode càng nhỏ thì thứ tự mode càng thấp. Vì vậy,
mode truyền dọc theo tâm sợi quang mode 0 (mode cơ bản) và mode truyền ở góc tới
hạn αc là mode có thứ tự lớn nhất có thể khi truyền vào sợi quang. Nhiều mode có thể
cùng tồn tại trong sợi quang, và sợi quang có nhiều mode truyền gọi là sợi đa mode.
Số lượng mode: số lượng mode của sợi quang phụ thuộc vào đặc tính và dạng
hình học của sợi quang. Nếu đường kính lõi càng lớn, lõi sợi quang càng truyền được
nhiều mode sóng. Nếu khẩu độ số càng lớn thì số lượng mode sóng trong sợi thu được

19
càng nhiều. Vì vậy, chúng ta có thể kết luận là số lượng mode sóng trong sợi quang tỉ
lệ thuận với đường kính sợi quang (d), khẩu độ số NA và tỉ lệ nghịch với bước sóng
ánh sáng sử dụng truyền (λ).
Gọi V là tần số chuẩn hóa, thì V được xác định theo cơng thức sau:
π

(1.2)

=

=

2

2

Thì số lượng mode được tính như sau: N = V /2 áp dụng với sợi SI và N = V /4 áp
dụng với sợi GI.
Vì vậy, với sợi đa mode khi luồng sáng phát ra từ nguồn phát, đi vào sợi quang
chia thành một tập hợp mode. Trong sợi quang, công suất quang tổng cộng được mang
bởi nhiều mode riêng lẻ, và tại đầu ra những phần nhỏ hợp lại thành luồng ra với cơng
suất của chúng. Hình 1.4 thể hiện vần đề vừa đề cập trên với 4 mode làm ví dụ.[1],

Hình 1.4. Thể hiện công suất quang được mang bởi 4 mode truyền và gây tán sắc
Từ hình 1.4 trên ta thấy độ rộng xung tín hiệu sau sợi quang được bắt đầu bằng
mode 1 và kết thúc bằng mode 4. Do độ trễ về thời gian giữa các mode nên xung tín
hiệu bị giãn ra (∆t).
Mode tới hạn truyền cuối sợi quang mất khoảng thời gian là tc được tính như sau: = ′ với t’c là từng đoạn nhỏ của đường truyền và được tính như sau:[1]

′

Trong đó, L’ là hình chiếu của t’c xuống phương trục sợi. Vậy ta có được:[1]

Cuối cùng ta tính được:[1]
=∆ =

Lưu ý biểu thức này tính cho sợi SI nên cịn được ký hiệu là ∆T . Gọi ∆ =
chênh lệch chiết suất thì tính được:[1]


Sau đây là hình ảnh minh họa tán sắc mode trong sợi quang SI và sợi quang GI:


20

Hình 1.5. Tán sắc mode trong sợi quang SI và
GI 1.2.2. Tán sắc trong sợi đơn mode
Tán sắc mode là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hạn chế tốc độ bit trong hệ
thống thông tin quang dùng sợi đa mode. Để khắc phục tán sắc mode, người ta đã chế
tao ra loại sợi quang chỉ truyền một mode sóng, gọi là sợi đơn mode.
Vì thế tốc độ truyền cải thiện đáng kể và tăng cự ly truyền. Ngoài ra sợi quang
đơn mode còn chịu ảnh hưởng các loại tán sắc khác như: tán sắc sắc thể (nguyên nhân
chính hạn chế tốc độ bit) và tán sắc phân cực mode.
Hiện tượng tán sắc sắc thể trong sợi quang đơn mode do bộ phát quang không
phát ra được ánh sáng đơn sắc, mà chúng phát ra một chùm tia sáng có bước sóng
trung tâm (cơng suất phát cực đại) và các bước sóng biên, hay cịn gọi là độ rộng phổ
nguồn phát. Tức nguồn phát, phát ra ánh sáng nằm trong dải tần. Chúng ta biết, chiết
suất của sợi quang làm từ Silica là một hàm phụ thuộc vào bước sóng, nên vận tốc lan

truyền của các thành phần tần số khác nhau thì khác nhau, và nó phụ thuộc vào bước
sóng theo cơng thức sau: v = c/n(λ).
Tán sắc sắc thể có hai nguyên nhân sinh ra: tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn
sóng. Thứ nhất, tán sắc vật liệu là do các thành phần tần số khác nhau di chuyển với
vận tốc khác nhau do tán sắc. Thứ hai, tán sắc ống dẫn sóng sinh ra do năng lượng ánh
sáng truyền đi có một phần trong lõi và một phần trong lớp vỏ bọc. Sự phân bố năng
lượng giữa lõi và lớp vỏ bọc là một hàm của bước sóng, cụ thể là nếu bước sóng dài
hơn thì năng lượng trong lớp vỏ bọc nhiều hơn. Vì vậy, nếu bước sóng thay đổi, sự
phân bổ năng lượng sẽ thay đổi và kết quả là hệ số lan truyền cũng thay đổi.[5]
Bên cạnh tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode, trong sợi quang còn tồn tại
một loại tán sắc khơng kém phần quan trọng đó là tán sắc vận tốc nhóm. Như chúng ta
biết, ưu điểm chính của sợi đơn mode là khơng có tán sắc mode bởi vì năng lượng đưa
vào là xung chỉ được truyền tải bởi một mode đơn nhất và duy nhất. Tuy nhiên giãn
xung khơng biến mất hồn tồn, vì vận tốc nhóm của mode cơ bản thì phụ thuộc vào
tần số do tán sắc sắc thể. Kết quả là các thành phần phổ khác nhau của xung truyền có
vận tóc nhóm khác nhau một chút, và tán sắc có nguyên nhân như trên được gọi là tán
sắc vận tốc nhóm.


21
1.2.2.1. Tán sắc vận tốc nhóm GVD
Xét sợi đơn mode có chiều dài L. Một thành phần phổ riêng biệt tại bước sóng λ
có tần số góc là ω sẽ đến ngõ ra cuối sợi quang và độ trễ về mặt thời gian là T = L/v g.
Trong đó, vg là vận tốc nhóm và được định nghĩa là: [1],[4], [5],[6]
vg = ( dβ/dω)-1
(1.8)
Bằng cách áp dụng β =
ko = ω/c ; với β là hằng số lan truyền. Thay vào
phương trình (1.4) ta có thể tính được v g = c/
được cho bởi:[1],[4],[5],[6]

g

. Trong đó,

g

là chiết suất nhóm và

= + ω(d /dω)
Sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc nhóm dẫn đến việc mở rộng xung, đơn
giản là bởi vì các thành phần phổ khác nhau của xung bị tán sắc trong suốt q trình
lan truyền và khơng đến ngõ ra của sợi cùng một lúc.
g

Nếu Δω là độ rộng phổ của xung thì phạm vi mở rộng xung đối với sợi có chiều
dài L được cho bởi: [1],[4], [5],[6]
ΔT =
ω

2

2

Trong đó, phương trình (1.8) được sử dụng để biến đổi. Tham số β2 = d β/dω được
gọi là tham số tán sắc vận tốc nhóm. ham số này quyết định xung quang bị mở rộng
bao nhiêu khi lan truyền trong sợi quang.
Trong một số hệ thống thông tin quang, việc trải rộng về mặt tần số Δω được
quyết đinh bởi dải các bước sóng Δλ đã phát bởi nguồn quang. Thông thường ta sử
2

dụng Δλ thay cho Δω. Bằng cách sử dụng ω = 2πc/λ và Δω = (-2πc/ λ ).Δλ. Phương
trình (1.10) có thể được viết lại là: [1],[4], [5],[6]
ΔT =
Trong đó:
D=
D được gọi là hệ số tán sắc và có đơn vị là ps/km-nm.
Ảnh hưởng của tán sắc lên tốc độ bit B có thể được ước tính bằng cách sử dụng
điều kiện B.ΔT < 1. Bằng cách sử dụng ΔT trong phương trình (1.7) thì điều kiện này
trở thành:
B.L.|D|.Δλ < 1
Phương trình (1.13) cho chúng ta ước tính về tích B.L của sợi quang đơn mode.
Đối với sợi quang đơn mode chuẩn thì D tương đối nhỏ trong vùng bước sóng 1,3µm
(D xấp xỉ 1 ps/km-nm). Đối với Laser diode bán dẫn có độ rộng phổ Δλ từ 2 đến 4 nm


thì giá trị B.L có thể vượt q 100Gbps-km. Trong thực tế chúng ta có các hệ thống
hoạt động tại bước sóng 1,3 µm có tốc độ bit là 2Gpbs với khoảng cách trạm lặp từ