Đề tài Ghép kênh quang WDM, khuếch đại quang EDFA

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Hệ thống thông tin quang: Các thành phần chính của một tuyến thông tin quang: Tín hiệu điện vào THIẾT BỊ PHÁT QUANG Các t/bị khác Mối hàn Bộ nối quang TRẠM LẶP Mạch điều khiển Nguồn phát quang Thu quang Xen rẽ kênh mạch điện Phát quang Tín hiệu điện ra Bù tán sắc THIẾT BỊ THU QUANG Tách sóng quang Chuyển đổi tín hiệu Khuếch đại quang Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang 1.2 Sợi quang: 1.2.1 Cấu trúc của sợi quang: Cấu trúc cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1. Đặc điểm của các mode truyền trong sợi quang: - Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng. - Các mode hoàn toàn độc lập với nhau. - Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước sóng xác định. 1.2.2 Phân loại sợi quang: 1.2.2.1 Phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất: + Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index): Hình 1.2 Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc (SI:Step Index) Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với chiết suất lớp vỏ phản xạ. Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao và cự ly quá dài. + Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index): Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi thay đổi một cách liên tục, giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần. Độ tán sắc của GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI Hình 1.4 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index) 1.2.2.2 Phân loại theo mode truyền dẫn: + Sợi đa mode (MM: Multi Mode): Sợi đa mode là sợi truyền dẫn đồng thời nhiều mode sóng khác nhau, có thể là đa mode có chiết suất phân bậc (SI) hoặc chiết suất giảm dần (GI). Cấu trúc của sợi đa mode: đường kính lõi a=50mm, đường kính lớp bọc 125mm, độ lệch chiết suất D=0,01, chiết suất lõi n=1,46. Tần số mode M đi vào được xác định (gần đúng) V là tần số chuẩn hóa (hay còn gọi là tham số V). + Sợi đơn mode (SM: Single Mode): Hình 1.5 Sợi quang đơn mode (SM:Single Mode) Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc và chỉ truyền một mode sóng trong sợi, do đó độ tán sắc xấp xỉ bằng không. Thông số cấu trúc của sợi đơn mode: đường kính lõi (a=9-10mm), đường kính lớp bọc 125mm, độ lệch chiết suất D=0,003, chiết suất lõi n=1,46. Đường kính trường mode MFD (Mode Field Diameter): là một hàm của bước sóng cho các loại đơn mode khác nhau, nó biểu thị sự phân bố tập trung trong không gian của cường độ trường mode cơ bản. 1.2.3 Các đặc tính của sợi dẫn quang: 1.2.3.1 Suy hao tín hiệu trong sợi quang: (1.7) Suy hao tín hiệu thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao (a) và được xác định: L: [km] a: được tính bằng dB/km + Suy hao hấp thụ trong sợi quang: - Hấp thụ do tạp chất: Đây là suy hao đáng kể nhất, để giảm suy hao, người ta chế tạo sợi quang sao cho các sự tập trung ion OH rất nhỏ để suy hao 0,2dB/km tại bước sóng 1550nm. - Ngoài ra suy hao do sự hấp thụ vật liệu (Các liên kết nguyên tử của vật liệu sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài) và suy hao do sự hấp thụ điện tử (Trong vùng cực tím ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn). Vì vậy cũng gây ra sự suy hao nhỏ ở cửa sổ đường truyền. + Suy hao do tán xạ Rayleigh: Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các bước sóng khác nhau, khi nó gặp phải một vật có kích thước không quá nhỏ so với bước sóng của nó. Nguyên nhân do quá trình chế tạo có sự không đồng nhất về mật độ vật liệu và sự thay đổi thành phần oxit (P2O5, SiO2, GeO2). + Suy hao uốn cong (suy hao bức xạ): Đây là suy hao ngoài bản chất của sợi, sợi dẫn quang khi bị uốn cong gây ra hiện tượng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi. Có 2 loại uốn cong: Uốn cong vĩ mô, vi uốn cong. 1.2.3.2 Méo tín hiệu trong sợi dẫn quang: Tán sắc làm cho các xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng ra và điều này gây nên méo tín hiệu. Khi xung bị dãn quá sẽ có thể gây ra hiện tượng phủ chờm các xung kề nhau, phủ chờm đến một mức nào đó thiết bị thu quang sẽ không phân biệt được các xung này nữa và sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu. + Tán sắc mode: Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, nó tồn tại trên các sợi đa mode vì các mode trong sợi sẽ lan truyền theo các đường đi khác nhau, do đó thời gian lan truyền khác nhau. + Tán sắc vật liệu: Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm của bất kỳ mode nào. + Tán sắc dẫn sóng: Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi. Tán sắc dẫn thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần quan tâm trong sợi đơn mode. 1.3 Bộ phát quang: Có chức năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang. 1.3.1 Nguyên lý phát xạ ánh sáng: E2 E2 E2 E2 E1 E1 E1 E1 a) Cân bằng nhiệt b) Hấp thụ c) Phát xạ tự phát d) Phát xạ cưỡng bức Hình 1.6 Nguyên lý phát xạ ánh sáng 1.3.2 Các bộ phát quang gồm có: + Diode phát quang (LED: Light Emitting Diode): - Cấu trúc LED phát mặt (SLED: Surface Emitting Led). - Cấu trúc LED phát cạnh (ELED:Edgle Emitting Led). + Laser Diode (LD: Laser Diode): - Diode laser đa mode thông thường sẽ cho đa phổ nhưng làm việc không ổn định ở tốc độ cao. - Diode laser đơn mode có độ rộng phổ hẹp, hoạt động dựa theo nguyên lý bộ phản xạ cách tử Bragg. Chúng đáp ứng tốt yêu cầu làm việc ổn định ở các hệ thống thông tin có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa. 1.3.3 So sánh LED và LD: - LED có chi phí thấp hơn LD. - LED có cấu trúc đơn giản hơn LD. - LED bức xạ ánh sáng đúng hướng, góc mở bức xạ lớn nên khả năng ghép vào sợi quang thấp. - LD có ánh sáng bức xạ lớn, góc mở bức xạ bé (tạo một phổ vạch). Do đó khả năng ghép vào sợi quang tốt. 1.4 Bộ thu quang: Bộ thu quang có chức năng chính là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện, rồi khuếch đại và hồi phụ trở lại thành tìn hiệu cùng dạng ở đầu vào thiết bị phát quang. Bộ biến đổi quang điện thường là bộ tách sóng photodiode. Có 02 loại photodiode được dùng là photodiode PIN và photodiode thác APD. Trong thông tin quang bộ tách sóng quang phải thỏa mãn yêu cầu về độ nhạy thu cao, tốc độ nhanh, tạp âm thấp và bước sóng hoạt động phù hợp. Cấu trúc và nguyên lý chung của bộ thu quang: Gồm các vùng bán dẫn p, n ở giữa là một lớp tự dẫn i rất mỏng gồm các vùng bán dẫn p, n ở giữa là một lớp tự dẫn i rất mỏng. Bình thường photodiode được phân cực ngược, diode không có dòng, chỉ có dòng ngược rất nhỏ gọi là dòng tới. Khi có ánh sáng đi vào photodiode nếu một photon sinh ra tại lớp p, i, n một cặp điện tử và lỗ trống. Các điện tử thì bị hút về miền n vì có điện áp dương, còn các lỗ trống thì về phía miền p có điện áp âm nhờ điện trường ngoài. Bộ thu quang gồm có: + Bộ tách sóng photodiode PIN (Passive Intricsic Negative): + Diode quang thác APD (Avalanche Photodiode): Cấu trúc gồm lớp bán dẫn p, n và lớp bán dẫn yếu p-n+ còn gọi là miền thác, cường độ điện trường trong miền này rất lớn, ở đây xảy ra quá trình nhân điện tử. + So sánh PIN và APD: - Hai loại diode quang PIN và APD đều được phân cực ngược, để khi không có ánh sáng thì chỉ có dòng trôi rất nhỏ. - Diode PIN có tạp âm nội nhỏ, song không có khả năng khuếch đại dòng điện nên không nâng cao độ nhạy máy thu được. Ngược lại diode APD có tạp âm nội lớn nhưng có khả năng khuếch đại dòng điện nên nâng cao độ nhạy, song diode Ge-APD lại có tạp âm nội lớn, nên hạn chế công suất thu tối thiểu cho phép. - Các diode PIN chỉ hoạt động với tốc độ bit không lớn đến vài ba trăm Mbit/s, còn APD có thể hoạt động với tốc độ bit tới hàng Gbit/s. - Diode PIN cần điện áp cung cấp nhỏ, ngược lại APD cần điện áp cung cấp lớn hàng trăm volt, đặc tính làm việc của APD phụ thuộc vào nhiệt độ nhiều do đó cần sử dụng nguồn áp để điều chỉnh nhiệt độ, nên chi phí tăng. ____________________________________ CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG 2.1 Nguyên lý cơ bản ghép kênh quang theo bước sóng: ·· · MUX Nguyên lý cơ bản của việc ghép kênh quang theo bước sóng được minh họa như hình 2.1 sau: O1(l1) DEMUX I1(l1) Sợi dẫn quang ·· · O(l1...ln) I(l1...ln) On(ln) In(ln) Hình 2.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng Người ta chia các thiết bị ghép bước sóng quang thành 3 loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX, DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo một hướng, còn bộ MUX-DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng được mô tả như hình 2.2. Các tín hiệu được ghép Ik(lk) Sợi dẫn quang Ok(lk) Các tín hiệu được giải ghép Hình 2.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang: + Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng, hình 2.3. Kênh 1 Kênh 1 Thiết bị WDM Thiết bị WDM Nguồn l1 Thu l1 Kênh 2 Kênh 2 Một sợi l1, l2...ln l1 Nguồn l2 Thu l2 Kênh n Kênh n Thu ln Nguồn ln Hình 2.3: Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng + Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng, hình 2.4. Kênh ra Kênh vào Thiết bị WDM Thiết bị WDM Nguồn l1 Thu l1 Một sợi l1 l2 Kênh ra Kênh vào Thu l2 Nguồn l2 Hình 2.4: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng 2.3 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng: Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính các bộ ghép tách hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. 2.3.1 Suy hao xen: Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được biểu diễn qua công thức sau (xét bộ MUX-DEMUX mô tả ở hình 2.7). Trong đó Li là suy hao tại bước sóng li khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. - Ii(li), Oi(li) tương ứng là tín hiệu có bước sóng li đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ ghép. - Ii(li), Oi(li) tương ứng là tín hiệu có bước sóng li đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ tách. 2.3.2 Xuyên kênh: Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét. Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do: - Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênh khác. Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suất trong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận. - Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộ lọc. - Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode. Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suất quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác cũng như vậy. Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng li sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng li. Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của một thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: (2.3) Trong bộ giải ghép thì Ui(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk bị dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng li, hình 2.8a. Oi(li) ...Ui(lk) Sợi quang I(li) ...I(lk) MUX Hình 2.8a: Xuyên kênh ở bộ giải ghép Trong các thiết bị tách hỗn hợp như hình 2.8b có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên âm đầu gần và xuyên âm đầu xa. Ii(li) I(li)...I(lk) Sợi quang Oi(lj) Ui(lk)+Ui(lj) Hình 2.8b: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp - Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(lj). - Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ Ii(lk) sinh ra Ui(lj). 3.3.3 Độ rộng kênh: Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sủ dụng bước sóng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA. Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp EDFA khoản 30nm. Nếu ta muốn xếp khoảng 16 kênh trong dải bước sóng này thì độ rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm. Độ rộng kênh là tiêu chuẩn trong miền tần số hơn là bước sóng. Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ 250GHz. Vậy độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang. Dải bước sóng C của các bộ khuếch đại EDFA là 1530-1550nm. Nếu nguồn phát thứ nhất phát xạ tại 1530, thì nguồn phát thứ hai phải phát xạ tại 1531,875nm và các nguồn phát khác tương tự. Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm. Đối với nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn từ 10 đến 20 lần LD vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn. 2.3.4 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất tín hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn của hệ thống WDM thì mức công suất này thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh. Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thể chia thành hai loại là hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ). 2.3.4.1 Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS: - Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống. - Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có hiện tượng như SRS nhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau chiều tán xạ. Ảnh hưởng càn lớn thì ngưỡng công suất càng thấp. 2.3.4.2 Hiệu ứng Kerr: Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM: - Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự biến pha của sóng quang. Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ tần dãn rộng và tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang càng lớn. - Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa là trong hệ thống nhiều bước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha của tín hiệu bị điều chế bởi công suất của kênh khác. - Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quang truyền dẫn hồn hợp trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên nhiễu làm hạn chế số bước sóng được sử dụng. Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây các hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. 2.4 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM: So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM có những ưu điểm nổi trội: + Dung lượng truyền dẫn lớn. Hiện nay hệ thống có tổng dung lượng 200Gb/s đã được thực nhiệm thành công với WDM 80 bước sóng, mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gb/s. + Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao. + Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang. + Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và phân bố bước sóng trong mạng WDM. + Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượng cao, cự ly dài. + Giảm chi phí đầu tư mới. ___________________________________ CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TRỘN ERBIUM Việc sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin sợi quang hiện nay được dùng nhiều nhất trong các tuyến thông tin quang. Trong chương này sẽ trình bày về cấu trúc và hoạt động của EDFA, EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng và cuối cùng là hệ thông tin sợi quang IM-DD đường dài sử dụng các EDFA mắc chuỗi để thay thế cho các trạm lặp. 3.1 Các loại khuếch đại quang: Bảng 3.1 Các đặc điểm của các chủng loại khuếch đại quang: Loại thiết bị Khuếch đại laser FP-LD Khuếch đại quang sợi Khuếch đại Raman Khuếch đại Brillouin Khuếch đại Laser TW-LD Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Tán xạ Raman được kích thích Tán xạ Brillouin được kích thích Bức xạ từ nghịch đảo độ tích lũy môi trường Công suất bãohòa lối ra(dBm) 8 11 20 - 9 Băng tần khuếch đại (1-3)Ghz (0,5-4)Thz 1Thz 50 Mhz >5 Thz Mức tạp âm (6-9) dB (3-5) dB - - 5,2 dB Suy hao ghép vào sợi lớn nhỏ nhỏ nhỏ lớn Phân cực tín hiệu TE-mode độc lập Tín hiệu/bơm Tín hiệu/bơm TE-mode Hệ số khuếch đại (25-30)dB (40-50)dB ~50dB ~30dB (20-30)dB Dòng/công suất bơm 10mA 20-100mW ~vài W ~vài W ~100mW Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp: Các chất kích tạp và các chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm. Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành để trở thành các bộ khuếch đại theo hình 3.1. E2 E2 Phân rã E3 Phân rã E3 l bơm E4 l bơm Phân rã E1 E1 a) b) Hình 3.1 Cơ chế bức xạ ba mức a) và bốn mức b) 3.2 Bộ khuếch đại EDFA Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA như hình 3.2. EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium. Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống. Bộ cách ly Bộ ghép WDM Sợi quang phaBộ cách ly tạp Erbium Vào Bộ lọc quang Ra Laser bơm Hình 3.2 Cấu tạo của một EDFA Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hình 3.3. Er3+ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấp nhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức năng lượng cao hơn. Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao có hạt chuyển lên cũng khác nhau. Sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát hay kích thích. Trong quá trình bức xạ kích thích, nó tạo ra số photon cùng pha cùng hướng với photon tới, như vậy là đã tạo ra được quá trình khuếch đại trong EDFA. Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích. Mức kích thích Phân rã không bức xạ Mức siêu bền Bơm năng lượng l=980nm Tín hiệu được khuếch đại Mức cơ bản Hình 3.3 Giản đồ năng lượng Erbium Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm. Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm. Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu. 3.3.1 Đặc tính của bộ khuếch đại EDFA: 3.3.1.1 Đặc tính tăng ích (đặc tính khuếch đại): Đặc tính tăng ích biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm: Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất. Theo thực nghiệm hệ số khuếch đại của EDFA có khả năng khuếch đại cao nhất khi tín hiệu ở bước sóng 1530nm và 1550nm. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi và phương thức bơm (bước sóng bơm và công suất bơm): Hệ số khuếch đại còn phụ thuộc vào phương thức bơm là cùng chiều hay ngược chiều với tín hiệu. 3.3.1.2 Đặc tính tạp âm nhiễu: Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại: - Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang; - Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE); - Tạp âm phách giữa quang phổ ASE và tín hiệu; - Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE. Trong 4 tạp âm trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quan trọng quyết định tính năng của EDFA. 3.3.1.3 Đặc tính công suất ra: Khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang bức xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bão hòa tăng ích, công suất phát có xu hướng ổn định. 3.3.2 EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng: Bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng trong hệ thống WDM vì đảm bảo các yêu cầu: + Băng tần tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao. Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng. + Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng. + Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh. + EDFA có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh. 3.3.2.1 Sự phân bố bước sóng quang trong hệ thống WDM: Hiện nay tất cả các bộ khuếch đại quang nói chung có thể dùng trong phổ tần tổn hao thấp của sợi quang có tăng ích là 1530 ¸ 1565 cũng tức là tất cả các kênh tín hiệu của hệ thống WDM đều phải nằm trong băng tần này. Khoảng băng tần tăng ích có thể sử dụng là 20 - 40nm chỉ có thể thỏa mãn cho hệ thống ghép kênh 3 - 32 kênh tín hiệu. Do đó nếu muốn tăng băng tần hơn nữa để lợi dụng tài nguyên bước sóng thì cần phải có bộ khuếch đại kiểu mới. Ngoài ra việc lựa chọn các khoảng cách tần số giữa các kênh phải thỏa mãn số lượng bước sóng không quá nhiều để đảm bảo cho việc điều khiển giám sát, tất cả các bước sóng này phải nằm trên đường cong tăng ích của EDFA làm cho tăng ích đồng đều trong phạm vi toàn bước sóng. 3.3.2.2 Sự biến đổi tăng ích và công nghệ điều chỉnh tăng ích của EDFA: Sự biến đổi tăng ích: Trong hệ thống WDM yêu cầu độ tăng ích bằng phẳng của một bộ khuếch đại phải hạn chế trong 1dB. Các công nghệ điều chỉnh tăng ích: Những biện pháp khắc phục các vấn đề do tăng ích của EDFA không bằng phẳng gây ra: + Chọn lựa khu vực tăng ích bằng phẳng của EDFA: Trong đoạn sóng 1548 ~ 1560nm tăng ích của EDFA tương đối bằng phẳng. Căn cứ vào khuyến nghị của ITU-T trong đoạn sóng này chọn 16 bước sóng làm bước sóng công tác của hệ thống WDM. + Công nghệ tăng ích cân bằng: Sử dụng đặc tính tổn hao của bộ cân bằng và đặc tính tăng ích bước sóng của bộ khuếch đại ngược nhau đã loại bỏ được sự không bằng phẳng của tăng ích. Sợi quang EDF Sợi quang EDF Bộ lọc cân bằng Bộ phối ghép quang Bộ cách ly quang Bộ phối ghép quang Bộ cách ly quang Bơm quang Bơm quang Hình 3.12 Nguyên lý hoạt động của công nghệ cân bằng tăng ích 3.3.2.3 Điều khiển giám sát EDFA trong hệ thống WDM: + Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng ngoài băng: ITU-T khuyến nghị nên dùng một bước sóng nhất định để làm kênh tín hiệu điều khiển giám sát, bước sóng này nằm ở ngoài băng tần truyền dẫn dịch vụ, có thể chọn 1310nm, 1410nm, 1510nm, nhưng ưu tiên chọn 1510±10nm. + Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng trong băng: Chọn bước sóng trong băng tần tăng ích của EDFA 1532±4nm để làm tín hiệu điều khiển giám sát. Ưu điểm là lợi dụng được tăng ích của EDFA. Lúc này tốc độ truyền dẫn của hệ thống điều khiển giám sát nâng lên đến 155Mbit/s. + Công nghệ điều khiển giám sát bước sóng kết hợp trong và ngoài băng: Ngoài ra còn sử dụng thêm phương thức kết hợp giữa tín hiệu điều khiển giám sát trong và ngoài băng tùy theo các lớp trong hệ thống truyền dẫn. 3.3.3 Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang: + Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát): Cho tỷ số eSNR lớn hơn trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển. Tuy nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi quang. Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát. + Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thể cho công suất đến máy thu lớn. Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào máy thu do ít bị suy giảm. Điều này giới hạn tỷ số eSNR. + Trường hợp LA (đặt giữa đường truyền): Ở trường hợp này, ta có thể tăng công suất phát và hệ số khuếch đại EDFA một cách hợp lý để đạt được công suất tín hiệu và eSNR thích hợp. ___________________________________ CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN SỐ BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ VỊ TRÍ ĐẶT CHÚNG TRONG TUYẾN CÁP SỢI QUANG SỬ DỤNG CHUỖI EDFA, TÌM HIỂU TÍCH LŨY VÀ BER TẠI MÁY THU CỦA HỆ THỐNG NÀY Khi sử dụng EDFA để thay thế bộ lặp trong hệ thống thông tin sợi quang, vấn đề quan tâm nhất là ảnh hưởng của các nhiễu giao thoa tại đầu ra của bộ khuếch đại đến đầu vào của máy thu. Nếu thiết kế tuyến truyền dẫn có độ dài lớn thì cần phải sử dụng nhiều EDFA, nhiễu tạo bởi các EDFA này sẽ hợp thành nhiễu tích lũy có giá trị lớn. Nhiễu tích lũy có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR và đặc tính BER của tín hiệu tại đầu vào máy thu. 4.1 Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi: Về mặt lý thuyết, thì cự ly truyền dẫn rất dài có thể thực hiện được bằng cách xen nhiều bộ khuếch đại quang theo phương pháp LA. Tuy nhiên, khi có nhiều bộ khuếch đại được mắc chuỗi trên tuyến, đặc tính hệ thống sẽ bị giảm do có sự xuất hiện nhiễu tích lũy từ các EDFA và các hiệu ứng phi tuyến. EDFA 1 EDFA 2 EDFA k nk,lk RX n1,l1 n0,l0 TX Hình 4.1 Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi Khuếch đại tổng G và suy hao tổng L của hệ thống được xác định như sau: Ở đây Gi và Li là bộ khuếch đại EDFA thứ i và suy hao quang của phân đoạn thứ i. Do có tích lũy nhiễu, công suất phát xạ tự phát tổng được xác định như sau: Với Pspi như ta đã biết là công suất phát xạ tự phát của EDFA thứ i nó được tính bằng công thức: Pspi = mthvnspi(Gi - 1)B0 (*) Với mt, hv, nspi lần lượt là số mode truyền dẫn, năng lượng photon và hệ số bức xạ tự phát của EDFA. 4.2 Tính toán Nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng một EDFA: EDFA a,d0 a,d1 Ptx Pin Pout Ps Hình 4.2 Cấu trúc một hệ thống LA 4.2.1 Nhiễu lượng tử: Nhiễu lượng tử còn gọi là nhiễu bắn (shot) do dòng tín hiệu vào và dòng phát xạ tự phát sinh ra. Suy ra nhiễu lượng tử sinh ra trong trường hợp LA là: (pA2) (4.1) Với: số lần suy hao trên đoạn d0. số lần suy hao trên đoạn d1. Â: hệ số chuyển đổi quang điện  = eh/hu h:h/suất l/tử, u: t/số t/h quang 4.2.2 Nhiễu nhiệt: (pA2) (4.2) Nhiễu nhiệt được tính như sau: 4.2.3 Nhiễu phách: + Mật độ công suất tương đương của nhiễu phách tín hiệu - tự phát là: (pA2) (4.3) (pA2) (4.4) + Thành phần nhiễu phách tự phát - tự phát là: 4.2.4 Nhiễu tổng tại ngõ ra của bộ tách sóng là: (4.5) s2tot = s2th + s2sh + s2s-sp +s2sp-sp 4.3 Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng k bộ EDFA: (4.6) 4.3.1 Nhiễu phách tín hiệu - tự phát: 4.3.2 Nhiễu lượng tử: (4.7) (4.8) 4.3.3 Nhiễu phách tự phát - tự phát: Để tiện tính toán, giả thiết rằng có k EDFA giống nhau tức là: G=Gj, nsp=nspj, Psp=Pspj; lúc này ta có công thức tính các nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA (4.6), (4.7) và (4.8) được rút gọn như sau: (4.10) (4.9) (4.11) (4.12) 4.4 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong các trường hợp sử dụng k bộ EDFA giống nhau: Công thức trên được dùng để tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (điện) trong trường hợp tổng quát, đối với hệ thống thông tin sợi quang sử dụng k bộ EDFA mắc chuỗi và bộ lọc quang đặt sau nó khác nhau. Như đã nói ở trên, đây là một quá trình tính toán phức tạp. Trong khuôn khổ đồ án này, công thức tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở trường hợp này là: (4.13) Ta có công thức tính BER khi biết eSNR như sau: (4.14) Với 4.6 Bài toán mô phỏng: Tìm số bộ khuếch đại cần thiết khi cho trước: Khoảng cách truyền dẫn AB, Công suất phát Ptx, tốc độ bit của hệ thống Rb, tỷ lệ lỗi bit BER, Suy hao trung bình toàn tuyến a, hệ số khuếch đại G của các bộ khuếch đại EDFA, Các thông số khác có liên quan. + Công suất phát tối đa của máy phát là 9dBm, công suất dự phòng 6dBm. Vậy công suất phát Ptx là: 9 - 6=3dBm. + Độ nhạy thu là một hàm của tỷ lệ lỗi bit BER và tốc độ Rb. Nếu ta chọn Be = 2,5Ghz, yêu cầu BER=10-12 thì độ nhạy thu bằng -27,5dBm. Gọi l0 là khoảng truyền dẫn mà hệ thống làm việc tốt (máy thu vẫn thu tốt tín hiệu từ máy phát) mà không cần EDFA. Ta có: l0 = (Ptx - Pr)/a Như vậy khoảng cách truyền dẫn cần bù lượng tổn hao do nó gây ra: AB - l0 Suy hao do khoảng cách này gây ra: (AB - l0)a (AB - l0)a Như vậy số EDFA cần sử dụng là: k = G Nếu ta chọn độ nhạy máy thu Pr = -27,5 dBm. Công suất tới bộ tách sóng Ps phải lớn hơn độ nhạy thu này. Ta chọn Ps = -25dBm. Ta có Ptx = 3 dBm. Vậy: 3 - (-25) l0 = ¾¾¾¾ = 130km, Chọn l0 = 100km 0,21 Tính tỷ số eSNR khi biết các thông số khác: Các thông số được cho như sau: Công suất phát Ptx = 3dBm; Tốc độ bit Rb = 2,5Ghz; Tỷ lệ lỗi bit BER = 10-12; Băng tần điện Be = Rb = 2,5 (5 và 7,5) Ghz; Suy hao trung bình toàn tuyến a = 0,21dB/km; Băng tần quang B0: c ÞB0 = D¦ = ¾ Dl l2 Chọn Dl = 0,4nm ta có B0 = 50Ghz Các thông số khác: Hiệu suất lượng tử h = 0,9; Bước sóng của tín hiệu quang l = 1550nm; Số mode phân cực: do dùng sợi đơn mode nên chỉ có một mode phân cực ngang mt = 1; Trở kháng tải của bộ tách sóng Rl = 50W; Tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s; Nhiệt độ tuyệt đối T = 3000K. Với các thông số đã cho ở trên thế vào (*), (4.9), (4.10),(4.11),(4.12) tính được: s2sp-sp = 8,22.10-6k2(pA2) s2th = 0,828(pA2) S = 1,26.1012(Ptx/n0)2 Thế vào công thức (4.13) ta có: Áp dụng công thức 4.14 tính BER khi biết eSNR. _______________________________________ Lưu đồ thuật toán: Thay thế công suất phát P=Pđạt Bắt đầu Nhập khoảng cách, công suất phát P và độ khuếch đại. Chọn tốt độ bit Tính số bộ EDFA cần thiết Tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR, tỷ lệ lỗi bit BER Tính công suất phát Pđạt để BER = 10-12 Hiển thị các thông số tính được BER£10-12 Thử lại Thiết kế thành công. Bạn muốn thử lại không Thiết kế chưa thành công. Bạn muốn thử lại không Hiện thị hình vẽ Y N N Y Kết thúc