BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 2 HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Bài mô phỏng số 3 Mô phỏng bộ khuyếch đại quang EDFA Giảng viên Phạm Thị Thuý An Học viên Chu Hải Dương – H30 Hà Nội, tháng 6, năm 2022 MỤC LỤC PHẦN I TỔNG QUAN KHUYẾCH ĐẠI QUANG 1 1 Các đặc điểm chung của chủng loại khuyếch đại quang 1 2 Nguyên lý hoạt động của bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp PHẦN II BỘ KHUYẾCH ĐẠI EDFA 2 1 Cấu trúc bộ khuyếch đại EDFA 2 2 Đặc tính của bộ khuyếch đại EDF.
1 HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN HỆ THỐNG VIỄN THƠNG Bài mơ số 3: Mô khuyếch đại quang EDFA Giảng viên: Phạm Thị Thuý An Học viên: Chu Hải Dương – H30 Hà Nội, tháng 6, năm 2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển vơ mạnh mẽ cơng nghệ thơng tin nói chung kỹ thuật viễn thơng nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển nhanh tạo áp lực ngày cao tăng dung lượng thông tin Cùng với phát triển kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn không ngừng đạt thành tựu to lớn, đặc biệt kỹ thuật truyền dẫn môi trường cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang sử dụng rộng rãi mạng viễn thông coi môi trường truyền dẫn lý tưởng mà khơng có mơi trường truyền dẫn thay Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng nhiễu khả bảo mật cao, phù hợp với tuyến thơng tin xun lục địa đường trục có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Cùng với bùng nổ nhu cầu thông tin, hệ thống thông tin quang ngày trở nên phức tạp Để phân tích, thiết kế hệ thống bắt buộc phải sử dụng công cụ mô OptiSystem phần mềm mô hệ thống thơng tin quang Phần mềm có khả thiết kế, đo kiểm tra thực tối ưu hóa nhiều loại tuyến thơng tin quang, dựa khả mơ hình hóa hệ thống thơng tin quang thực tế Với toán: “Khảo sát ảnh hưởng sợi quang đến thông tin quang”, em xin trình bày hệ thống thơng tin quang đơn kênh đơn giản để làm rõ ảnh hưởng sợi quang đến chất lượng hệ thống thông tin quang sử dụng phần mền OptiSystem Mặc dù cố gắng nhiều, trình độ cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu xót Rất mong nhận ý kiến đóng góp cơ, bạn để tập em hoàn thiện 4 PHẦN I TỔNG QUAN KHUYẾCH ĐẠI QUANG 1.1 Các đặc điểm chủng loại khuyếch đại quang Loại thiết bị Ngun lý Cơng suất bão hồ lối ra(dBm) Băng tần khuyếch đại Mức tạp âm Suy hao ghéo vào sợi Phân cực tín hiệu Hệ số khuyếch đại Dịng/cơng suất bơm Khuyếch đại laser FP-LD Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ mơi trường Khuyếch đại quang sợi Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ mơi trường Khuyếch đại Raman Tán xạ Raman kích thích Khuyếch đại Brillouin Tán xạ Brillouin kích thích 11 20 - Khuyếch đại Laser TW-LD Bức xạ từ độ nghịch đảo độ tích luỹ mơi trường (1-3)Ghz (0,5-4)Thz 1Thz 50Mhz >5Thz (6-9)dB (3-5)dB - - 5,2dB Lớn Nhỏ Nhỏ Nhỏ Lớn TE-mode Độc lập (40-50)dB Tín hiệu / bơm ~30dB TE-mode (25-30)dB Tín hiệu / bơm ~50dB (20-30)dB 10mA 20-100mW ~vài W ~vài W ~100mW 1.2 Nguyên lý hoạt động khuyếch đại quang sợi - pha tạp Các chất kích tạp chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với mức độ tập trung khác chất có chứa ion đất Cơ chế hoạt động sợi quang pha tạp đất để trở thành để trở thành khuếch đại theo hình Khi điện tử trạng thái E1 kích thích từ nguồn xạ có bước sóng phù hợp, hấp thụ lượng chuyển tới mức cao E2, từ mức phân rã trực tiếp xuống trạng thái theo cách xạ phát photon Hoặc có mức lượng thấp E3 thả khơng xạ tới mức đó, từ điện tử phân rã xuống mức lượng E1 (hình a) hay E4 (hình b) thơng qua q trình xạ tự phát, lượng dư thu nhờ phát photon có bước sóng dài bước sóng kích thích Nếu thời gian sống mức E3 đủ dài để điện tử nguồn bơm kích thích xảy nghịch đảo độ tích luỹ Đây điều kiện để có số điện tử mức siêu bền E3 nhiều mức tới (E1 hay E4) Một photon có mức lượng tương đương với chênh lệch mức E3 E1 (đối với mức) hay E3 E4 (đối với mức) kích thích điện tử mức E3 rơi xuống mức E1 hay E4 phát thêm photon, photon pha hướng với photon tới (hiện tượng gọi xạ kích xạ kích thích photon) Bức xạ làm xuất thêm photon pha hướng với photon tới, điều có nghĩa ánh sáng khuếch đại Trong hình cịn lưu ý điều kiện khơng kích thích, hầu hết điện tử trạng thái E1, nên thơng thường giá trị ngưỡng laser bốn mức thấp so với laser ba mức Có nhiều ion đất có dải huỳnh quang, cho khả xạ kích thích, điều tạo ứng dụng khuếch đại tín hiệu quang Đáng ý Nd3+ có dải xạ 1,06μm 1,32μm; Er3+ có dải xạ 1,55μm 2,7μm Ngồi cịn có Ho3+ xạ 2,08μm Tm3+ cho xạ 2,3μm Hiện sử dụng rộng rãi khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) có nhiều ưu điểm tăng ích đưa cao, băng tần rộng, tạp âm thấp phù hợp với bước sóng suy hao có sẵn sợi quang Phần II BỘ KHUYẾCH ĐẠI EDFA 1.3 Cấu trúc khuyếch đại EDFA Cấu trúc tiêu biểu EDFA hình EDFA có thành phần gồm đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium Erbium nguyên tố đất có tính quang tích cực Đoạn sợi pha tạp Erbium ký hiệu EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10-20m Ngồi EDFA cịn có laser bơm để cung cấp lượng cho đoạn EDF, ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống 7 Biểu đồ mức lượng ion Erbium mơ tả hình ER3+ trạng thái khơng bị tín hiệu quang kích thích, mức lượng thấp nhất, bơm quang hạt Erbium hấp thụ lượng chuyển tiếp lên mức lượng cao Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, mức lượng cao có hạt chuyển lên mức lượng cao Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, mức luọng cao có hạt chuyển lên khác nhua Sự dịch chuyển điện tử từ mức lượng cao xuống mức lượng phát photon, photon xạ tượng xạ tự phát (sự phân huỷ tự nhiên ion mà khơng có mọt động tac chen vào) hay kích thích (do có mặt photon có chứa lượng lượng dịch chuyển, kích thích phát xạ tạo photon tỷ lệ với số photon chùm sáng) Trong q trình xạ kích thích, tạo số photon pha hướng với photon tới, tạo trình khuếch đại EDFA Bức xạ tự phát tạo photon pha hướng ngẫu nhiên, điều gây nhiễu EDFA gọi nhiễu xạ tự phát khuếch đại (ASE) Tuy nhiên thời gian sống điện tử mức lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay nhiều xạ gây xạ tự phát hầu hết ion Erbium đợi để khuyếch đại tín hiệu xạ tự kích thích Hình so sánh đáp ứng quang Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng truyền dẫn Sự hấp thụ quang xảy loại cáp thông thường thấp dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ 1km Ngược lại tập trung Erbium vào khoảng 100ppm lõi gây hấp thụ 2dB/km bước sóng bơm 9 Laser bơm EDFA laser bán dẫn thông thường gọi nguồn bơm Nguồn bơm bơm nhiều bước sóng hiệu cao hai bước sóng 980nm 1480nm Khi sử dụng EDFA cần nguồn bơm có cơng suất nhỏ từ 10 đến 100mW đủ để công suất lớn theo yêu cầu, điều giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt Độ tin cậy đặc điểm quan trọng laser bơm bơm cho khoảng cách dài để tránh làm nhiễu tín hiệu Hiện bước sóng bơm 1480nm sử dụng rộng rãi chúng có sẵn độ tin cậy cao Nếu tăng độ ổn định laser diode có bước sóng 980nm chúng chọn làm nguồn bơm 1.4 Đặc tính khuyếch đại EDFA Các đặc tính EDFA đặc tính tăng ích, đặc tính cơng suất đặc tính âm 10 2.2.1 Đặc tính tăng ích (đặc tính khuyếch đại) Đặc tính tăng ích biểu thị khả khuếch đại khuếch đại, định nghĩa tỷ số công suất công suất vào Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào cơng suất bước sóng bơm Nhiều kết nghiên cứu cho kết luận hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất bước sóng bơm đặt bước sóng bơm 980nm 1480nm cho hiệu cao Theo hình hệ số khuếch đại EDFA có khả khuếch đại cao tín hiệu bước sóng 1530nm 1550nm Nhận xét: + Với cơng suất bơm cao, bước sóng 980nm cho hệ số khuếch đại cao so với bước sóng bơm 1480nm, điều có nghĩa bước sóng 980nm đạt nghịch đảo mật độ cao so với bước sóng 1480nm + Với cơng suất bơm cao, hệ số khuếch đại bước sóng 1530nm cao so với bước sóng 1550nm 11 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài sợi phương thức bơm: Hình biểu thị mối quan hệ chiều dài sợi quang Lúc đầu khả tăng ích tăng lên chiều dài sợi quang tăng, sau sợi quang dài độ dài định, tăng ích giảm dần, có độ dài định để đạt khả khuếch đại tối đa 12 Ngồi hệ số khuếch đại cịn phụ thuộc vào phương thực bơm chiều hay ngược chiều với tín hiệu hình 3.7 2.2.2 Đặc tính tạp âm nhiễu Trong sợi pha tạp Erbium, photon xạ tự phát có pha hướng ngẫu nhiên Một số photon xạ tự phát giữ lại mode sợi quang, lan truyền dọc theo lõi sợi khuếch đại thành nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang Tạp âm EDFA chủ yếu có loại: - Tạp âm tán hạt tín hiệu quang - Tạp âm tán hạt xạ tự phát bị khuếch đại (ASE) - Tạp âm phách quang phổ ASE tín hiệu - Tạp âm phách quang phổ ASE Trong tạp âm có loại tạp âm thứ thứ có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ nhân tố quang trọng định tính EDFA Ngồi cịn có nhiễu bắn có nguồn gốc phát sinh thời gian đến photon tách quang không giống tốc độ chuển động số lượng hạt tải điện qua tiếp giáp P-N tách quang thay đổi ngẫu 13 nhiên theo thời gian Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nguồn sinh nhiễu bắn Nguồn gốc nhiễu khuếch đại quang: Gọi , mật độ photon ngõ vào ngõ khuyếch đại, G hệ số khuyếch đại chung khuyếch đại Mật độ photon ngõ khuyếch đại cho sau: =G+ Trong vế phải, thành phần thứ tương ứng với tín hiệu khuếch đại, thành phần thứ tương ứng với phát xạ tự phát khuếch đại hay nhiễu ngõ khuếch đại Ta tính tốn cơng suất nhiễu ngõ cho mode tính số mode dải tần số ⱱ để thu công suất nhiễu ngõ băng thơng ⱱ xung quang tần số ⱱ hệ số khuếch đại khuếch đại G: Là phương trình việc tính nhiễu hệ thống khuếch đại quang, dùng nhiều phần tính tốn thiết kế đồ án Một ý quan trọng biểu thức tính phương trình cần nhân thêm hệ số để thu tổng cơng suất nhiễu ASE 14 Hình cho thấy ảnh hưởng phương thức bơm khác hệ số tạp âm, sợi quang trồn Erbium tương đối dài hệ số tạp âm bơm ngược chiều cao với bơm chiều Nhiễu ngõ khuếch đại quang: Trong hệ thống thông tin ánh sáng dùng khuếch đại quang, tín hiệu quang biễn đổi sang tín hiệu điện cuối đường truyền Các tách sóng biến đổi photon thành electron, phát xạ tự phát tồn khuếch đại quang gây gia tăng tín hiệu điện, xem nhiễu, hồn tồn ngẫu nhiên khơng chứa thông tin Điện trường tổng cộng tách sóng tổng trường ánh sáng phát xạ tự phát ánh sáng tín hiệu: Dùng photodiode tạo ngõ thu: 15 Thành phần cường độ tín hiệu Các thành phần tương ứng với nhiễu Thành phần thứ tương ứng với sản phẩm điện trường phát xạ tự phát với thân gọi thành phần nhiễu pha tự phát - tự phát (sp - sp) Thành phần cịn lại sản phẩm điện trường tín hiệu điện trường phát xạ tự phát, gọi thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp) Dấu (*) để thành phần phức bù Tính tỷ số nhiễu NF (Noise Figure) Trong khuếch đại quang, tỷ số nhiễu đưa nhằm đánh giá chất lượng khuếch đại quang Nó định nghĩa: Với SRNin, SRNout: Tỷ số tín hiệu nghiễu đầu vào đầu khuếch đại Qua q trình tính tốn NF cho sau: Ta thấy G>>1, công suất đầu vào cao băng thơng quang đủ nhỏ NF ~ 2nsp Trong trường hợp lý tưởng, nsp=1 NF=2(dB) Các khuếch đại quang pha tạp Erbium đạt tỷ số nhiễu giới hạn 3dB 2.2.3 Đặc tính cơng suất Với khuếch đại quang lý tưởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, tín hiệu quang đề khuếch đại theo tỷ lệ Nhưng thực tế vậy, công suất vào tăng lên, xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bão hịa tăng ích, cơng suất phát có xu hướng ổn định Bão hịa tăng ích đặc tính hệ số khuếch đại giảm tín hiệu vào tăng Đặc tính bão hịa tăng ích đặc tính vô 16 quan trọng công suất đầu khuếch đại liên quan đến cự ly truyền dẫn cự ly trạm lặp làm tăng số đầu cấu hình phân phối sợi quang Hình 3.10 thể mối quan hệ đầu vào đầu EDFA 1.5 EDFA hệ thống ghép kênh theo bước sóng Đặc điểm bật hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM khả tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng khu vực tổn hao thấp sợi quang đơn mode Những năm gần cơng nghệ WDM có đột phá lớn Sở dĩ công nghệ WDM phát triển nhanh chóng việc nghiên cứu thành cơng ứng dụng khuếch đại quang pha tạp Erbium EDFA Để nâng cao chất lượng hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch đại quang dụng hệ thống WDM cần phải đảm bảo yêu cầu sau: + Băng tần đủ tăng ích phẳng, hệ số tạp âm thấp công suất đưa cao Đặc biệt tăng ích phẳng u cầu đặc biệt hệ thống truyền dẫn WDM EDFA + Phổ khuếch đại đồng tất kênh bước sóng + Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh 17 + EDFA phải có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại tất kênh 1.5.1 Sự phân bố bước sóng quang hệ thống WDM Hình 11 biểu diễn đường cong suy hao sợi quang cửa sổ 1310nm 1550nm Hiện tất khuếch đại quang nói chung dùng phổ tần tổn hao thấp sợi quang có tăng ích 1530 1565 tức tất kênh tín hiệu hệ thống WDM phải nằm băng tần Tuy nhiên để phát triển đầy đủ tài nguyên bước sóng, khuếch đại quang lý tưởng phải có đủ băng tần tăng ích Khoảng băng tần tăng ích sử dụng 20 - 40nm thỏa mãn cho hệ thống ghép kênh - 32 kênh tín hiệu Do muốn tăng băng tần để lợi dụng tài ngun bước sóng cần phải có khuếch đại kiểu Ngoài việc lựa chọn khoảng cách tần số phải thỏa mãn số lượng bước sóng khơng q nhiều để đảm bảo cho việc điều khiển giám 18 sát, tất bước sóng phải nằm đường cong tăng ích EDFA làm cho tăng ích đồng phạm vi tồn bước sóng 1.5.2 Sự biến đổi tăng ích cơng nghệ điều chỉnh tăng ích EDFA + Sự biến đổi tăng ích: Yêu cầu đặc biệt hệ thống truyền dẫn WDM EDFA tăng ích phẳng (Gain Flatting) Trong hệ thống WDM, công suất đưa vào biến đổi chí hẳn vài kênh, tăng ích cơng suất đưa kênh cịn lại biến đổi nhảy vọt, cơng suất bơm EDFA phân phối lại kênh lại, dẫn đến tắc nghẽn đường dây Cho nên EDFA hệ thống WDM phải có chức kìm hãm tăng ích Trong hệ thống WDM u cầu độ tăng ích phẳng khuếch đại phải hạn chế 1dB + Các công nghệ điều chỉnh tăng ích: Những biện pháp khắc phục vấn đề tăng ích EDFA khơng phẳng gây ra: Chọn lựa khu vực tăng ích phẳng EDFA: Giai đoạn hệ thống WDM thực tế phần lớn làm việc đoạn sóng 1548 ~ 1560nm Căn vào khuyến nghị ITU-T đoạn sóng chọn 16 bước sóng làm bước sóng cơng tác hệ thống WDM Trong đoạn sóng tăng ích EDFA tương đối phẳng, thực u cầu tăng ích Cơng nghệ tăng ích cân bằng: Cơng nghệ cân tăng ích sử dụng đặc tính tổn hao cân đặc tính tăng ích bước sóng khuếch đại ngược loại bỏ không phẳng tăng ích Bộ cân sử dụng chủ yếu lọc quang tiêu chuẩn, lọc màng mỏng nhiều lớp, lưới sợi quang đường dẫn sóng phẳng 19 Sử dụng cơng nghệ cân tăng ích làm giảm khả sai lệch tăng ích lớn Ví dụ truyền dẫn tín hiệu 32 kênh WDM sai lệch tăng ích khuếch đại ước chừng 5dB, có cân tăng ích có sử dụng lọc quang tiêu chuẩn thích ứng với 8, 16, 32 kênh WDM sai lệch tăng ích 0,28dB, đảm bảo độ phẳng tăng ích 1.5.3 Điều khiển giám sát EDFA hệ thống WDM Khác với hệ thống SDH thông thường, hệ thông WDM có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA nên tăng thêm nhu cầu giám sát quản lý EDFA; yêu cầu hệ thống WDM phải có hệ thống điều 20 khiển giám sát, thường dùng cách truyền dẫn tín hiệu bước sóng + Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng ngồi băng: Đối với hệ thống ghép kênh sử dụng khuếch đại đường dây cần thêm tín hiệu điều khiển giám sát kênh, tín hiệu có tỷ lệ lỗi bit vừa đủ thấp để tách nhập chuyển tiếp hay khuếch đại quang ITU-T khuyến nghị nên dùng bước sóng định để làm kênh tín hiệu điều khiển giám sát, bước sóng nằm băng tần truyền dẫn dịch vụ, chọn 1310nm, 1410nm, 1510nm, ưu tiên chọn 151010nm + Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng băng: Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng băng chọn bước sóng băng tần tăng ích EDFA 1532 4nm để làm tín hiệu điều khiển giám sát Ưu điểm lợi dụng tăng ích EDFA Lúc tốc độ truyền dẫn hệ thống điều khiển giám sát nâng lên đến 155Mbit/s + Cơng nghệ điều khiển giám sát bước sóng kết hợp ngồi băng: Ngồi cịn sử dụng thêm phương thức kết hợp tín hiệu điều khiển giám sát băng tùy theo lớp hệ thống truyền dẫn 1.6 Các vị trí đặt EDFA tuyến cáp sợi quang + Trường hợp BA (đặt sau máy phát): Cho tỷ số eSNR lớn trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ không cao 15dBm điều kiện kết nối với sợi quang Điều giới hạn độ khuếch đại EDFA công suất phát + Trường hợp PA (đặt trước máy thu): Có thể cho cơng suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu đầu EDFA có giá trị lớn đầu vào máy thu bị suy giảm Điều giới hạn tỷ số eSNR 21 + Trường hợp PA (đặt đường truyền): Ở trường hợp này, ta tăng công suất phát hệ số khuếch đại EDFA cách hợp lý để đạt công suất tín hiệu eSNR thích hợp 22 Phần III Thực Hành ... photodiode tạo ngõ thu: 15 Thành phần cường độ tín hiệu Các thành phần tương ứng với nhiễu Thành phần thứ tương ứng với sản phẩm điện trường phát xạ tự phát với thân gọi thành phần nhiễu pha tự phát... phát - tự phát (sp - sp) Thành phần lại sản phẩm điện trường tín hiệu điện trường phát xạ tự phát, gọi thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp) Dấu (*) để thành phần phức bù Tính tỷ số... khuyếch đại Mật độ photon ngõ khuyếch đại cho sau: =G+ Trong vế phải, thành phần thứ tương ứng với tín hiệu khuếch đại, cịn thành phần thứ tương ứng với phát xạ tự phát khuếch đại hay nhiễu ngõ