Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang wdm

NGUYỄN HỮU SƠN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỮU SƠN KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG KHĨA 2013B Hà Nội – Năm 2014 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG Hà Nội – Năm 2014 ii MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 11 1.1 Q trình phát triển hệ thống thơng tin quang 11 1.2 Tổng quan công nghệ WDM 13 1.2.1 Giới thiệu 13 1.2.2 Quá trình phát triển mạng truyền dẫn 16 1.2.3 Công nghệ WDM 17 1.2.4 Các thành phần hệ thống thơng tin quang 21 1.2.5 Tính ƣu việt hệ thống thông tin quang 22 CHƢƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 25 2.1 Khái quát chung khuếch đại quang 25 2.2 Nguyên lý khuếch đại quang 27 2.3 Các thơng số sợi quang 28 2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại 28 2.3.2 Băng thông độ lợi 30 2.3.3 Công suất ngõ bão hoà 30 2.3.4 Hệ số nhiễu 32 2.4 Phân loại khuếch đại quang 32 2.4.1 Khuếch đại quang bán dẫn 33 2.4.2 Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA) 35 2.4.3 Nguyên lý hoạt động EDFA 37 2.5 Các đặc tính kỹ thuật khuếch đại EDFA 42 2.5.1 Đặc tính tăng ích 42 2.5.2 Đặc tính cơng suất 44 2.5.3 Đặc tính tạp âm 45 2.6 Kết cấu kết cấu tối ƣu EDFA 47 2.6.1 Kết cấu EDFA 47 2.6.2 So sánh đặc tính ba phƣơng thức bơm 48 2.6.3 Kết cấu EDFA tối ƣu 48 2.6.4 EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều 49 2.7 Các khuếch đại quang sợi băng rộng 50 2.7.1 Bộ khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium (Pr) PDFA 50 2.7.2 EDFA trộn nhôm (Al) 50 2.7.3 EDFA pha tạp Flo 51 2.7.4 EDFA băng rộng trộn tellurium 52 2.7.5 Bộ khuếch đại quang sợi Raman 53 2.7.6 Bộ khuếch đại sợi quang bán dẫn SOA 53 2.7.7 EDFA mắc song song 54 2.8 Giải pháp kĩ thuật cho tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại quang sợi 55 2.8.1 Nhiễu tích lũy 55 2.8.2 Điều chỉnh tán sắc 57 CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH, THAM SỐ KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 59 3.1 Phƣơng trình 59 3.2 Tính tốn hệ số tạp âm 59 3.3 Hệ số khuếch đại 60 3.4 Công suất bơm ngƣỡng 62 3.5 Cơng suất bão hịa tín hiệu 62 3.6 Tính tốn cơng suất bơm ngƣỡng, cơng suất tới hạn, cơng suất bão hồ, hệ số khuếch đại EDFA 63 3.7 Các ứng dụng PA, BA, LA 64 3.7.1 Tiền khuếch đại (PA) 64 3.7.2 Khuếch đại công suất (BA) 66 3.7.3 Khuếch đại đƣờng truyền (LA) 67 3.7.4 Tính số tín hiệu tạp âm 69 3.7.5 Tính cơng suất bù trƣờng hợp BA, LA, PA để đạt đƣợc tỷ số lỗi bit cho trƣớc 69 3.8 Các tham số sợi EDF thông dụng 71 3.9 Các sơ đồ ứng dụng EDFA 71 3.10 Các tham số thiết kế hệ thống làm việc bƣớc sóng 1550nm 72 3.10.1 Tham số sợi quang 74 3.10.2 Nguyên lí làm việc NZ – DSF 75 3.10.3 Thiết kế hệ thống 77 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN 85 4.1 Kết đạt đƣợc 85 4.2 Hƣớng phát triển đồ án 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC A I PHỤ LỤC B II LỜI CAM ĐOAN Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô viện Điện tử viễn thông, thầy cô viện Đào tạo sau đại học trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi cho học viên trình học tập nghiên cứu Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quốc Trung tận tình bảo, hƣớng dẫn em hoàn thành nội dung luận văn Em xin cam đoan nội dung luận văn hoàn tồn em tìm hiểu, nghiên cứu viết Có hƣớng dẫn, góp ý sửa chữa giáo viên hƣớng dẫn, số liệu đƣợc công bố hoàn toàn trung thực Các số liệu tham khảo khác có dẫn nguồn gốc xuất xứ đƣợc nêu phần tài liệu tham khảo cuối luận văn Em xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Hà Nội, ngày 09 tháng 09 năm 2014 Tác giả Nguyễn Hữu Sơn THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Re-Shaping Định dạng lại Re-Timing Định thời lại Re-Amplifying Khuếch đại ADM Add-Dop Multiplexer Bộ ghép tách kênh APD Avalanche Photodiode Đi ốt tách sóng quang thác APS Automaic Protection Chuyển mạch bảo vệ tự động 3R Switching ASE Bức xạ tự phát có khuếch đại Amplified Spontaneous Emission BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit CCIT Consultative Committee Uỷ ban tƣ vấn quốc tế for International Telephony điện thoại điện báo and Telegraphy DCF Sợi bù tán sắc Dispersion Compensation Fiber Bộ tách kênh DEMUX DeMultiplexer DFB Distributed Feedback laser Laser quang phân bố hồi tiếp DSF Dispersion Shifted fiber Sợi quang phân tán dịch chuyển Dense Wavelength Ghép kênh theo bƣớc sóng Division Multiplexing mật độ cao EDF Erbium Doped fiber Sợi quang pha tạp Erbium EDFA Erbium Doped fiber Bộ khuếch đại quang sợi pha Amplifier tạp Erbium Electromagnetic Nhiễu điện từ DWDM EMI interferenc FEC Forward error correcting Sửa lỗi trƣớc FP-LD Fabry-Perot laser diode Điốt laser Fabry-Perot FWHM Full width at half Độ rộng xung nửa giá trị maximum cực đại FWM Four Wave Mixing Bộ trộn bốn bƣớc sóng GF Gain Flatting Tăng ích phẳng IM Indensity Modulation Điều chế cƣờng độ IM-DD Indensity Modulation - Điều chế cƣờng độ - Tách Direct Detection sóng trực tiếp Integrated Services Digital Mạng tích hợp dịch vụ số ISDN Network ITU Hiệp hội viễn thông quốc tế International Telecommunication Union ITU-T International Hiệp hội viễn thông quốc tế - Telecommunication Union Tiêu chuẩn viễn thông - Telecommunication Standardization Sector LA In-Line Amplifier Khuếch đại tuyến LAN Local Area Network Mạng cục LD Laser Diode Điốt laser LED Light Emiting Diode Đi ốt phát quang MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NF Noise Figure Hệ số tạp âm NRZ Non Return to Zero Không trở không OC-N Optical Carrier level-N Sóng mang quang mức N OE opto-electro O/E Bộ chuyển đổi quang điện converters OFA Khuếch đại quang Optical Fiber amplifier Optical Parametric Khuếch đại tham số Amplifiers quang Optical Time Division Ghép kênh quang phân chia Multiplexing theo thời gian PA Preamplifier Tiền khuếch đại PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã PDFA Praseodymium Doped fiber Bộ khuếch đại quang sợi pha Amplifier tạp Praseodymium Plesiochronous Digital Phân cấp cận đồng OPA OTDM PDH Hierarchy PIN Positive Instrinsic Negative Cấu trúc PIN RFI Radio frequency Nhiễu tần số vô tuyến interference ROA Raman Optical Amplifier Khuếch đại quang Raman Rx Receiver Bộ thu RZ Return to Zero Trở mức SDH Synchronous Digital Phân cấp đồng Hiarachi SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode SNR Single Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu SOA Optical Semiconductor Khuếch đại quang bán dẫn Amplifier SRS Tán xạ Raman kích thích Scattering Raman stimulation STM-M TDM TWA Synchronous Transfer Mode truyền dẫn đồng Mode level - M mức M Time Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing thời gian Traveling Wave Amplifier Bộ khuếch đại sóng chạy Tx Transmitter Bộ phát WDM Wavelength Division Ghép kênh theo bƣớc sóng Multiplexing DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các giá trị OC-N STM-M 16 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Hai hệ thống truyền dẫn tốc độ cao 12 Hình Hệ thống (mạng) WDM 14 Hình Sự suy giảm ánh sáng sợi Silic (thạch anh) 15 Hình Các thành phần hệ thống thơng tin quang 21 Hình Bộ phát quang 21 Hình EDFA 22 Hình Bộ thu quang 22 Hình Bộ lặp quang điện 25 Hình 2 Tuyến truyền dẫn quang 26 Hình Các tƣợng biến đổi quang điện 27 Hình Mối tƣơng quan hệ số khuếch đại hệ số độ lợi 29 Hình Sự phụ thuộc công suất (theo Ps) theo G (theo G0) 31 Hình Sơ đồ khối SOA 33 Hình Các ứng dụng SOA 34 Hình Sơ đồ mức lƣợng ion Er3+ tự 35 Hình Cấu tạo EDFA 37 Hình 10 Quan hệ tăng ích với nồng độ pha Er3+ sợi quang 43 Hình 11 Quan hệ độ lợi tín hiệu cơng suất bơm quang 43 nhỏ Có thể đạt tán sắc không phạm vi tƣơng đối nhỏ dƣới 1550 nm (nhƣ 1520 1570 nm) Điểm bật dùng NZ –DSF có ƣu điểm hai sợi quang G652 DSF, đồng thời giải nhƣợc điểm cố hữu sợi quang G652 bị hạn chế tán sắc So sánh NZ-DSF DSF ngồi dịch chuyển điểm tán sắc khơng, đặc tính khác giống chỗ bƣớc sóng 1550nm có tổn hao tán sắc nhỏ Tuy nhiên hệ số tán sắc khác không, nhƣng so với sợi quang G652 giảm nhiều, mở rộng cự li bị hạn chế tán sắc chủ yếu khai thác thuận lợi hệ thống WDM nhiều bƣớc sóng giai đoạn có tán sắc tổn hao thấp, mà không bị ảnh hƣởng FWM Phân tích lý thuyết rõ, tốc độ truyền dẫn sợi quang NZ-DSF đạt 80 Gbps, sau nâng cấp tƣơng đối linh hoạt, tức xây dựng hệ thống WDM trƣớc không cần bù cách lựa chọn lí tƣởng tốc độ cao cự li dài  Ứng dụng NZ – DSF Để sử dụng rộng rãi hệ thống EDFA/WDM thiết kế chế tạo NZDSF cần ý điểm sau:  Trong khu vực bƣớc sóng 1540 - 1565 nm cần điều chỉnh tán sắc 14ps/nm.km  Tăng cƣờng đƣờng kính trƣờng mode sợi quang (MFD) để giảm mật độ công suất giảm hiệu ứng phi tuyến  Trong khu vực bƣớc sóng cơng tác phải trì tổn hao thấp xấp xỉ 0,2 dB/Km  Tán sắc phân cực phải nhỏ 0,5ps/ km.nm  Phân bố hiệu suất khúc xạ lõi sợi quang theo hình tam giác hình thang  Tăng MFD dịch chuyển điểm tán sắc khơng bƣớc sóng làm tăng tổn hao uốn cong phải cần thiết kế tối ƣu 76 Hiện công tác nghiên cứu NZ - DSF đƣợc quan tâm nhiều công ty viễn thông giới Theo dự đoán, hệ thống sợi quang đất liền với cự li truyền dẫn 1.000 km dùng cửa sổ truyền dẫn tán sắc dƣơng dƣới cửa sổ tán sắc khơng có lợi cho bù tán sắc Nhƣng cự li truyền dẫn dài (nhƣ cáp quang dƣới biển 9.000 km) dùng cửa sổ truyền dẫn tán sắc âm cửa sổ tán sắc không để ổn định điều chế 3.10.3 Thiết kế hệ thống 3.10.3.1 Phân tích quỹ thời gian lên cho hệ thống Thiết lập quỹ thời gian q trình kiểm tra giới hạn băng thơng hệ thống: tsys=( t i )1/2 bậc tổng bình phƣơng thành phần tsystem= ( t ls2  t F2  t PD )1/2 tls, tF , tPD lần lƣợt thời gian lên nguồn quang, thiết bị thu quang, hệ thống Sự suy giảm thời gian dịch chuyển tổng truyền dẫn số không nên vƣợt 70% chu kỳ bit với NRZ 35% chu kỳ RZ Ở chu kỳ bit đƣợc xác định nhƣ hàm thuận nghịch tốc độ số Thông số tán sắc cực đại  TS [ps/nm] đƣợc đƣa để xác định giới hạn khoảng cách tuyến theo quỹ thời gian, tức là: t F   TS   Với   độ rộng phổ tín hiệu Khi L