Cân bằng phổ khuếch đại EDFA và mô phỏng đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA

Luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Giới thiệu tóm tắt về khuếch đại EDFA, hệ thống WDM đơn giản, ảnh hưởng của độ khuếch đại phụ thuộc bước sóng, và các phương pháp cân b

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ TUẤN LÂM

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự bùng nổ của công nghệ thông tin liên lạc, nhu cầu về băng thông ngày càng cao Do đó với những ưu điểm về tính chính xác, băng thông rộng của hệ thống truyền dẫn quang thì hiện nay hệ thống đã được triển khai rộng rãi

Các công nghệ truyền tải quang mới cũng liên tục được nghiên cứu và ứng dụng triển khai để nâng cao dung lượng truyền tải, tận dụng hiệu quả băng thông rộng của sợi quang Một trong những công nghệ đã được ứng dụng đó là “Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” Mặc dù hiệu quả hệ thống WDM đem lại là rất lớn, về băng thông, độ ổn định…nhưng vẫn gặp phải những vấn đề quan trọng: suy hao sợi, tán sắc, ảnh hưởng bởi các hiệu ứng phi tuyến, phổ khuếch đại không bằng phẳng cho các bước sóng ghép

Hiện nay bộ khuếch đại quang EDFA đã được ứng dụng trong các hệ thống WDM thực tế, với những ưu điểm: độ rộng phổ khuếch đại lớn, biên độ khuếch đại cao Tuy vậy, bộ khuếch đại EDFA vẫn chưa giải quyết triệt để vấn đề: phổ khuếch đại không bằng phẳng cho mỗi bước sóng ghép trong các hệ thống WDM

Vì vậy, luận văn này sẽ đi vào nghiên cứu đưa ra giải pháp cân bằng phổ khuếch đại EDFA, các ảnh hưởng của phổ khuếch đại EDFA, và cuối cùng khảo sát đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA kết hợp với phương pháp cân bằng.Với những lý

do trên em chọn đề tài :” Cân bằng phổ khuếch đại EDFA và khảo sát đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA ” để làm luận văn tốt nghiệp Luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu tóm tắt về khuếch đại EDFA, hệ

thống WDM đơn giản, ảnh hưởng của độ khuếch đại phụ thuộc bước sóng, và các phương pháp cân bằng phổ khuếch đại EDFA

Chương 2: Trình bày lý thuyết về bộ lọc cách tử Bragg được

ứng dụng làm bộ lọc cân bằng phổ EDFA Đưa ra một số đặc tính phản xạ cơ bản của cách tử Bragg

2

Chương 3: Mô phỏng và khảo sát một hệ thống WDM có

sử dụng khuếch đại EDFA kết hợp với bộ lọc cân bằng cách tử Bragg

Em xin chân thành cảm ơn TS VŨ TUẤN LÂM đã hướng dẫn em tận tình để hoàn thành luận văn này

Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Khuếch đại quang sợi EDFA

Khuếch đại quang sợi hoạt động theo nguyên lý: các nguyên

tử cấu tạo nên sợi quang (các nguyên tử được pha tạp) sẽ hấp thụ năng lượng được cung cấp bởi một nguồn cung cấp bên ngoài, sau

đó các hạt chuyển sang trạng thái kích thích ở mức năng lượng cao hơn, khi hết thời gian sống (ở trạng thái kích thích) hoặc có tín hiệu cần khuếch đại truyền trong sợi quang thì các hạt sẽ chuyển về mức năng lượng thấp hơn và giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng, cùng bước sóng và cùng pha với tín hiệu Kết quả tín hiệu được khuếch đại

1.1.1 Khuếch đại EDFA

Khuếch đại EDFA là loại khuếch đại quang sợi được pha tạp chất Erbium Với dải bước sóng khuếch đại không đồng dạng 1500 –

1600 nm, đỉnh khuếch đại xung quanh bước sóng 1532nm Do đó EDFA phù hợp để sử dụng cho các hệ thống WDM thường sử dụng của sổ 1530 – 1565 nm (C-band) để truyền tải tín hiệu

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của khuếch đại EDFA

a) Các mức năng lượng của ion Er+3

Sự chuyển tiếp mức năng lượng của ion Er+3 tương ứng với

sự hấp thụ năng lượng từ bước sóng bơm được chỉ ra trong hình vẽ

3

Hình 1.1 Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er+3

b) Nguyên lý hoạt động của EDFA

Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi các ion Erbium Er+3 được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái giả bền 4I13/2 Tín hiệu quang tới sẽ gặp các ion Erbium đã được kích thích Lúc này sẽ xảy

ra quá trình bức xạ kích thích các ion Erbium sẽ chuyển từ mức giả bền 4I13/2 xuống mức năng lượng nền thấp nhất 4I15/2 (nơi mà mật độ điện tử cao) và tạo ra các photon có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới Như vậy đã đạt được quá trình khuếch đại quang trong EDFA

1.2 Hệ thống Wavelength Division Multiplexing (WDM)

Để tăng dung lượng dữ liệu truyền trên sợi quang, hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã được nghiên cứu và

4 ứng dụng Hệ thống sẽ ghép các kênh tại từng bước sóng bằng bộ ghép kênh quang Sau đó truyền trên cùng một sợi quang Tới điểm cuối các kênh nàyg được tách bởi bộ tách kênh quang Tổng dung lượng của hệ thống N kênh WDM sẽ tăng lên N lần

1.2.1 Khuếch đại quang

1.2.2 Độ khuếch đại phụ thuộc bước sóng

Khi thực hiện quá trình khuếch đại bù suy hao cho tín hiệu quang WDM, lý tưởng yêu cầu độ khuếch đại mỗi kênh bước sóng phải bằng nhau Tuy nhiên thực tế, các phương pháp khuếch đại quang sợi (phát xạ kích thích (EDFA),tán xạ kích thích Raman) đều phụ thuộc vào bước sóng Do đó, hai bước sóng với cùng công suất phát đi sẽ có công suất không bằng nhau sau khi khuếch đại Và sau khi truyền dẫn qua nhiều bộ khuếch đại quang sợi, thì sự khác biệt công suất và tỉ số signal-to-noise (NSRs) sẽ tăng lên đến mức không thể chấp nhận được Kết quả một số kênh trở nên quá yếu, làm cho tỉ

số SNR quá nhỏ không thể nhận biết được kênh, dẫn đến tín hiệu trên kênh sẽ bị mất

Hình 1.4 Độ khuếch đại phụ thuộc công suất của EDFA

1.2.3 Các phương pháp cân bằng độ khuếch đại

Pre-emphasis kênh

Hoạt động của Pre-emphasis kênh khá đơn giản: Nếu biết được tổng độ lợi của tất cả các bộ khuếch đại trên tuyến cho từng kênh WDM, thì chúng ta có thể thiết lập công suất lối vào cho từng

5 kênh một để có thể đạt được công suất lối ra cũng như tỉ số SNR cho từng kênh WDM gần bằng nhau Khi thông tin công suất lối ra tại node đích được phản hồi về node nguồn bằng các phương pháp truyền tải(quang, vô tuyến ), thì một cơ chế điều chỉnh tại node nguồn sẽ điều chỉnh lại công suất lối vào cho từng kênh để đạt được phổ khuếch đại tối ưu tại node đích

Hai loại bộ lọc cân bằng thường sử dụng là: bộ lọc cách tử sợi quang – fiber gratings (LPG, FBG) và bộ lọc dielectric thin-film Cả hai loại này đều đã được tích hợp trong các module EDFA thương mại thực tế

Hình 1.6 Hoạt động của bộ lọc cân bằng

Cân bằng động

Đây là kĩ thuật được mở rộng từ kĩ thuật lọc cân bằng, cân bằng động dựa trên các bộ lọc với phổ truyền đạt có thể điều chỉnh được Bằng việc theo dõi phổ khuếch đại lối ra, một bộ cân bằng động có hể điều chỉnh theo thời gian thực để bù lại những thay đổi của độ khuếch đại Một số kĩ thuật cân bằng động đã được phát triển: Tunable Fiber Bragg gratings, acoustooptic tunable filters, micro – electro – mechanical system…

xạ hoặc phản xạ ánh sáng chạy dọc sợi Cách tử Bragg quang (FBG) thực chất là sự xáo trộn cấu trúc chỉ số chiết suất theo dạng chu kì dọc theo hướng truyền sóng của sợi quang và được mô tả trong hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc cách tử Bragg

2.2 Nguyên lý hoạt động của FBG

Quá trình truyền ánh sáng trong một ống dẫn sóng (sợi quang) có thể được mô tả dưới dạng một tập hợp của các sóng điện

từ định hướng được gọi là các mode của ống dẫn sóng Trong sợi quang các điều kiện biên lõi-vỏ sẽ dẫn đến sự ghép cặp giữa các thành phần trường điện và từ

Mỗi một mode đều có các hằng số truyền đạt cụ thể β Nếu

có sự xáo trộn theo chu kì dọc theo sợi quang thì mode sẽ trao đổi năng lượng của nó Hiện tượng này được biết đến như là hiện tượng

7 ghép mode Và điều kiện để xảy ra phản xạ hoàn toàn trong cách tử

Bragg được mô tả bởi:

b 2n eff  

(2.5)

Bước sóng mà tại đó có sự phản xạ hoàn toàn được gọi là bước sóng

Bragg λ b

2.3 Lý thuyết ghép mode

Mối liên hệ đơn giản giữa bước sóng Bragg λB, chu kì cách

tử và chỉ số khúc xạ ảnh hưởng neff không đưa ra bất cứ thông tin

nào về băng thông đáp ứng bộ lọc hay độ phản xạ của cách tử Một

công cụ rất hữu ích đã được sử dụng để mô tả các thuộc tính của

cách tử Bragg đó là lý thuyết ghép mode

Phương trình ghép mode có thể đơn giản hoá bằng việc giảm

số mode xuống còn hai mode và được mô tả như sau:



 

(2.8)

Trong đó R(z) = A + (z)exp( iδz – θ/2) và S(z) = A - (z)exp[- iδz + θ/2)],

R(z) là mode hướng tới và S(z) là mode của hướng phản xạ ngược

trở lại, cả hai là các hàm thể hiện các mode bao thay đổi chậm  là

một hệ số tự ghép mode chung DC, tương ứng với hệ số mất điều

hướng δ), k là hệ số ghép mode “AC” hay còn được gọi là độ mạnh

ghép mode bên trong của cách tử

Đối với mỗi dạng cách tử Bragg các phương trình ghép

mode ở trên có các phương pháp giải tương tự nhau, nhưng đưa ra

các kết quả về thuộc tính của cách tử khác nhau Phần sau đây sẽ giải

quyết các phương trình trên theo các loại cách tử

8

2.3.1 Cách tử Bragg đều (Uniform FGB)

Cách tử Bragg quang chu kì đều UFBG là cách tử có chu kì

Λ không đổi và chiết suất của cách tử thay đổi tuần hoàn dọc theo cách tử

Bằng việc giải phương trình ghép mode (2.8) theo các điều kiện ban đầu của cách tử Bragg đều, ta được độ phản xạ lớn nhất của cách tử (xảy ra tại bước sóng Bragg) được mô tả bởi

r max = tanh 2 (kL) (2.19)

Từ phương trình (2.19) thấy rằng độ phản xạ sẽ thay đổi theo

sự thay đổi của chỉ số điều chế chiết suất, và độ phản xạ cũng thay đổi theo chiều dài của cách tử Hiển nhiên từ phương trình này hệ số phản xạ của FBG là gần tới 1 khi điều chế chỉ số chiết suất và độ dài cách tử được tăng độ chính xác

Hình 2.7 Mô tả độ phản xạ (nét đứt) và sự truyền đạt (nét liền) của cách tử Bragg L=1 cm, λB = 1550 nm, neff =1.45, kL=2

2.3.2 Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi

2.3.3 Cách tử Bragg điều biến chiết suất

Đối với hệ thống ghép kênh quang WDM, sau khi được khuếch đại qua EDFA có đặc tính phổ khuếch đại không bằng phẳng, kèm theo là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại thì công suất các kênh sẽ không đều nhau Nếu chúng ta xác định được sự không đồng đều của các kênh WDM sau khi khuếch đại EDFA, thì chúng ta có thể sử dụng cách tử Bragg với một bộ các tham số độ mạnh phản xạ khác nhau thích hợp để thu được phổ khuếch đại bằng phẳng hơn

2.4.1 Cân bằng dựa vào đặc tính công suất của từng kênh WDM

Với đặc tính phản xạ của cách tử Bragg, nó được sử dụng làm bộ lọc suy hao cho từng kênh bước sóng theo các độ phản xạ cần thiết để làm cân bằng công suất giữa các kênh WDM Trong mô hình này một chuỗi các cách tử Bragg được đặt sau bộ khuếch đại EDFA Mỗi cách tử chịu trách nhiệm suy hao cho một bước sóng

Hình 2.13 Cấu trúc chuỗi bộ lọc FBG cân bằng phổ khuếch đại

EDFA

10

2.4.2 Cân bằng dựa trên nhiễu được khuếch đại ASE

Trong cấu hình sử dụng bộ cân bằng khuyếch đại này, cách

tử Bragg được đặt ngay trước sợi quang pha Erbium nhằm mục đích phản xạ gần như toàn bộ nhiễu khuyếch đại tự phát ASE quay trở lại sợi EDF nhằm giảm bão hoà gây nên bởi tín hiệu, do vậy đã làm tăng dải biến thiên công suất đầu vào

11

Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM SỬ DỤNG

BỘ LỌC CÁCH TỬ BRAGG CÂN BẰNG PHỔ KHUẾCH

ĐẠI EDFA 3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng OptiSystem

3.2 Mô hình mô phỏng

3.2.1 Yêu cầu mô phỏng

a) Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có

sử dụng khuếch đại EDFA với các yêu cầu như sau:

- Tốc độ bít: 10Gbit/s

- Cự ly truyền dẫn : 120 km

- Số lượng kênh bước sóng: 8 kênh

- Loại sợi quang: Sợi đơn mode chuẩn (G.655)

- Đảm bảo chênh lệch công suất tín hiệu đầu phát/thu nhỏ

- Đảm bảo công suất các kênh đồng đều nhau

b) Sử dụng phầm mềm Otisystem xây dựng mô hình theo phương

án mô phỏng ở trên

- Chạy mô phỏng

- Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến

- Thay đổi các tham số của các phần tử bộ lọc để đạt được

độ cân bằng công suất giữa các kênh

c) Báo cáo và đánh giá kết quả mô phỏng

3.2.2 Xây dựng hệ thống WDM theo phương án thiết kế

a) Phần phát quang và ghép kênh

- Nguồn phát 8 kênh WDM

- Bộ ghép 8 kênh quang MUX (ghép 8 kênh)

b) Tuyến truyền dẫn quang

- Sợi quang: G.655, tuyến 120 km

- Khuếch đại EDFA

- Cách tử Bragg đều UFBG

c) Phần thu/tách kênh quang

- Bộ tách 8 kênh quang

12 d) Thiết bị đo

- Máy phân tích phổ quang (Optical Spectrum Analyzer)

- Máy phân tích các kênh WDM (WDM Analyzer)

- Máy phân tích các kênh WDM 2 cổng (Dual Port WDM Analyzer)

3.3 Chạy mô phỏng

Phần này sẽ thực hiện chạy mô phỏng mô hình đã xây dựng ở trên Sau đó đưa ra kết quả lần lượt cho các mô hình hệ thống WDM không có khuếch đại EDFA, có khuếch đại EDFA chưa làm phẳng

và sử dụng cách tử Bragg đều để làm phẳng

3.3.1 Kết quả mô hình không có khuếch đại EDFA

Công suất kênh WDM phát và sau tryền dẫn

a)

b) Hình 3.13 a) Công suất tín hiệu phát; b) Công suất tín hệu sau

truyền dẫn

13

Nhận xét:

Từ kết quả nhận được sau khi chạy mô phỏng ta thấy rằng: quang phổ tín hiệu tại lối ra của bộ hợp kênh quang WDM là khá đều nhau ~ - 22.9 dBm Sau khi truyền dẫn qua tuyến quang 120 km thì

rõ ràng lúc này công suất tín hiệu của các kênh đều bị giảm xuống do suy hao đường truyền 24 dB, và lúc này công suất các kênh vẫn khá đều nhau ~ -46,9 dBm Với giá trị số công suất nhỏ như thế này thì

rõ ràng bộ thu khó có thể phân biệt được tín hiệu, do đó điều cần thiết là phải sử dụng bộ khuếch đại EDFA ~ 24 dBm để bù lại suy hao này Đảm bảo không gây mất thông tin khi truyền trên tuyến

3.3.2 Kết quả mô hình có khuếch đại EDFA chưa cân bằng

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM sử dụng EDFA chưa

cân bằng

truyền dẫn

15

Công suất tín hiệu sau khuếch đại và truyến dẫn

a)

b) Hình 3.18 a) Công suất tín hiệu phát; b) Công suất tín hệu sau

truyền dẫn sử dụng EDFA

Nhận xét:

Từ kết quả mô phỏng rõ ràng sau khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA thì công suất mỗi kênh đã được nâng lên với kênh công suất thấp nhất tại196.4 THz ~ -21.631 dBm và kênh công suất cao nhất tại 195.6 THz là -15.272 dBm, thay cho giá trị -46,9 dBm như trước khi sử dụng khuếch đại

16 Tuy tín hiệu đã được khếch đại nhưng độ khuếch đại giữa các kênh là không đồng đều nhau, sự chênh lệch công suất lớn nhất giữa các kênh là ~ 6.7 dBm Sự không đồng đều này sẽ gây ảnh hưởng xấu tới những tuyến truyền dẫn dài mà có sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA, khi sự chênh lệch công suất lớn thì những kênh

có độ khuếch đại cao sẽ nhanh chạm tới mức bão hòa và trong khi

đó các kênh nhỏ hơn vẫn tiếp tục tăng Kết quả tới phía thu sẽ có kênh bị mất tín hiệu Do đó điều rất cần thiết đó là phải cân bằng độ khuếch đại giữa các kênh Ở phần sau sẽ sử dụng cách tử Bragg như một bộ lọc công suất cho từng kênh tín hiệu để đạt dược sự cân bằng giữa các kênh

Ngoài ra ta cũng thấy rằng, sau khi sử dụng khuếch đại EDFA thì công suất nhiễu đã tăng lên ở mỗi kênh ~ -67.574 dBm thay cho giá trị -100dBm trước khi sử dụng khuếch đại Và xuất hiện thêm một số bước sóng hài xung quanh những bước sóng sử dụng truyền dẫn Điều này xảy ra là do đặc tính của khuếch đại EDFA tạo

ra các bức xạ tự phát được giữ ở trong sợi quang, và các hiệu ứng phi tuyến do ảnh hưởng sóng bơm

3.3.3 Kết quả mô hình có khuếch đại EDFA được cân bằng

Theo bảng công suất tín hiệu sau khuếch đại EDFA ta thấy, công suất thấp nhất tại kênh 196.4 THz ~ 2.292 dBm Giả sử đây chính là mức công suất của các kênh sau khi qua bộ lọc cân bằng cách tử Bragg đều, thì ta chỉ cần cân bằng 7 kênh bước sóng còn lại

Do đó cần thêm vào một chuỗi gồm 7 cách tử Bragg đều sau bộ khuếch đại EDFA, mỗi cách tử Bragg tương ứng với một kênh trong

7 kênh bước sóng Mỗi cách tử có chức năng như một bộ phản xạ làm suy hao công suất mỗi kênh bước sóng này để đạt được mức công suất yêu cầu