Edfa va cac ung dung 86241

Thông tin quang Đồ án môn học Mục Lục Môc Lôc .1 Lời nói đầu Chơng 1: Tổng Quan Về Kỹ Thuật Khuyếch Đại Quang .4 I Giới thiệu khuếch đại quang II Nguyªn lý khuếch đại quang .5 III Phân loại lhuếch đại quang Khuyếch đại laser b¸n dÉn (SLA) 1.1 Đặc tính Khuyếch đại, độ rộng băng .9 1.2 Đặc tính nhiễu .13 1.3 Lớp chống phản xạ 13 1.4 Các ứng dụng Khuyếch đại Laser bán dẫn .13 Khuyếch đại sợi phi tuyến 14 2.1 Khuyếch đại Raman sỵi 15 2.2 Khuyếch đại Brilluin sợi .17 Chơng II: Kỹ Thuật Khuyếch Đại Quang Sợi 19 I Giíi thiƯu vỊ kü tht khuch đại quang sợi .19 II Kỹ thuật khuyếch đại quang sợi 20 Cấu trúc khuyếch đại quang sợi EDFA 20 Nguyên lý làm việc đặc tính EDFA 22 2.1 Nguyên lý làm việc 22 2.2 Hệ số khuyếch đại, bÃo hoà nhiễu khuyếch đại quang sợi 25 2.2.1 Hệ số khuyếch đại 25 2.2.2 NhiÔu bé khuyÕch đại quang sợi 34 2.2.2.1 Nhiễu quang khuyếch đại quang sợi pha tạp EDFA 34 2.2.2.2 Nhiễu cờng độ khuyếch đại quang pha t¹p EDFA 37 a, NhiƠu lỵng tư 37 b, NhiƠu ph¸ch tÝn hiƯu-tù ph¸t 38 c, NhiƠu ph¸ch tù ph¸t-tù ph¸t 38 d, NhiƠu giao thoa nhiỊu lng (NhiƠu phản xạ) .39 e, Hình ảnh nhiễu (Giá trị) 40 2.3 Nguån b¬m thiết bị thu động cho EDFA 43 a, Cấu hình bơm ngợc .44 b, Cấu hình bơm xuôi 44 c, Cấu hình bơm song c«ng 44 d, So sánh cấu hình bơm .45 Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Thông tin quang Đồ án môn học Chơng 3: Các ứng Dụng Của Kỹ Thuật Khuyếch Đại Quang Sợi Trong Các Hệ Thống Thông Tin Quang Hiện Tại .45 I Tính kinh tế khuyếch đại quang sợi 46 1.1 Hạ thấp giá thành hệ thống nâng cấp sửa chữa .46 1.2 Độ tin cËy 46 1.3 Giảm giá thành thuê bao cho kênh truyền dẫn 47 1.4 Linh hoạt việc thiết kế cấu hình mạng truyền dẫn 47 1.5 Thi công dễ dàng 47 1.6 Đáp ứng nhu cầu khai thác thông tin quang tơng lai47 1.7 Rút ngắn thời gian chuyển giao công nghệ 48 II C¸c øng dơng .48 2.1 øng dơng hƯ thèng tun tÝnh sè 49 2.1.1 Bộ khuếch đại công suÊt (BA) .50 2.1.2 TiÒn khuếch đại (PA) .52 2.1.3 Khuếch đại đờng dây (LA) 53 2.2 øng dơng hƯ thèng t¬ng tù 56 2.3 øng dơng m¹ng néi h¹t .58 2.4 øng dơng hƯ thèng c¸p quang biĨn 58 Ch−¬ng IV: øng dụng khuếch đại quang sợi vo mạng viễn thông Việt Nam .59 1.Khả sử dụng khuếch đại quang tuyến đờng trục SDH 2,5Gbit/s Việt Nam 59 2.ứng dụng khuếch đại quang sợi mạng nội h¹t………………… 60 Ứng dụng khuếch đại quang cáp quang bin .63 Kết luận.64 Các chữ viết tắt .65 Tài liệu tham khảo 66 Lời nói đầu Ngày mạng viễn thông sử dụng rộng rÃi cáp quang nh môi trng truyền dẫn lý tởng, từ tuyến đờng trục mạng thuê bao, từ tuyến đất liền tuyến vợt đại dơng, đà mang lại lợi ích kinh tế thoả mÃn nhu cầu có đáp ứng dịch vụ tơng lai Do tính chất đặc thù hệ thống thông tin cáp sợi quang sử dụng tín hiệu quang để truyền thông tin, có vấn đề tất yếu đợc đặt chức khác mạng viễn thông, nh khuếch đại tín hiệu, tái tạo tín hiệu, chuyển m¹ch cã thĨ xư lý trùc tiÕp díi d¹ng tÝn hiệu quang đợc không? Khi kỹ thuật khuếch đại quang đời, cho phép khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp không cần phải có trình biến đổi điện Khuếch đại quang hứa hẹn tạo cách mạng thực kỹ thuật thông tin quang khả hạ thấp giá thành mạng viễn thông, nâng cao độ tin cậy chất lợng truyền dẫn Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Thông tin quang Đồ án môn học Để tiếp cận với kỹ thuật quang đầy tiền này, em đà vào nghiên cứu kỹ thuật khuếch đại quang sợi (là kỹ thuật khuếch đại quang) lấy tên đồ án EDFA ứng dụng Nội dung đồ ¸n gåm ch¬ng: - Ch¬ng 1: Tỉng quan vỊ kỹ thuật khuếch đại quang - Chơng 2: Kỹ thuật khuếch đại quang sợi - Chơng 3: Các ứng dụng kỹ thuật khuếch đại quang sợi hệ thống thông tin quang - Chng 4: ng dụng khuếch đại quang sợi vào mạng viễn thông việt nam Trên sở kiến thức này, có sở để đ a phơng pháp ứng dụng kỹ thuật khuếch đại quang vào mạng lới thông tin quang nhằm xây dựng mạng viễn thông đại, đảm bảo thoả mÃn nhu cầu viễn thông ngày phong phú đa dạng Mặc dù đà cố gắng nhng thời gian trình độ hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đợc thông cảm nhận xét quý báu từ phía thầy cô để đề tài hoàn thiện Chơng Tổng quan khuếch đại quang I Giới thiệu khuếch đại quang Suy hao sợi quang nguyên nhân giới hạn cự ly truyền hệ thống thông tin quang Ðối với hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn suy hao khắc phục cách sử dụng trạm lặp quang diện (optoelectronic repeater) Trong trạm lặp quang điện q trình khuếch đại tín hiệu quang thực qua nhiều bước Ðầu tiên, tín hiệu quang biến đổi thành dòng điện thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang nhu PIN hay APD Dòng quang điện thu tái tạo lại dạng xung, định thời khuếch đại mạch phục hồi tín hiệu mạch khuếch đại Sau dó, tín hiệu điện biến đổi thành tín hiệu quang thơng qua nguồn quang phát quang (optical transmitter) truyền i si quang Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Đồ ¸n m«n häc Th«ng tin quang Như vậy, trình khuếch đại tín hiệu thực miền điện Hình 1.1 Cấu trúc trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) Các trạm lặp quang điện sử dụng phổ biến hệ thống truyền dẫn quang buớc sóng hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, sử dụng cho hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng hệ thống WDM, nhiều trạm lặp quang điện cần sử dụng để khuếch đại tái tạo kênh quang có bước sóng khác Ðiều làm tăng độ phức tạp tăng giá thành hệ thống truyền dẫn quang WDM Một giải pháp khắc phục nhược điểm trạm lặp quang điện, sử dụng khuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong khuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng khuếch đ ại trực tiếp miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với trạm lặp, khuếch đại quang có ưu điểm sau: - Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, khơng có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (bộ biến dổi E/O O/E) Do khuếch đại quang trở nên linh hoạt hon Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Đồ án môn học Th«ng tin quang - Khơng phụ thuộc vào tốc độ bit phương thức điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản - Khuếch đại nhiều tín hiệu có buớc sóng khác truyền sợi quang II Nguyên lý khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang khuếch đại quang thực dựa tượng phát xạ kích thích khơng có cộng huởng xảy q trình khuếch đại.Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) ba tuợng biến dổi quang điện ứng dụng thông tin quang Các tượng minh họa hình 1.2 Hình 1.2 Các tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát xạ kích thích Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 1.2.c, xảy điện tử trạng thái lượng cao E2 bị kích thích photon có lượng h12 với độ chênh lệch lượng trạng thái lượng cao trạng thái lượng thấp điện tử (Eg= E2 – E1) Khi dó, điện tử chuyển từ trạng thái lượng cao xuống trạng thái lượng thấp tạo photon có luợng với lượng photon kích thích ban đầu Như vậy, từ photon ban đầu sau khi xảy tượng phát xạ kích thích tạo hai photon (photon ban đầu photon đuợc tạo ra) có phương truyền, phân cực, pha tần s (tớnh kt hp, Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Đồ ¸n m«n häc Th«ng tin quang coherent, ánh sáng) Hay nói cách khác, q trình khuếch đại ánh sáng thực Hiện tượng ứng dụng khuếch đại quang bán dẫn (OSA) khuếch đại quang sợi (OFA) Hiện tượng phát xạ kích thích ứng dụng việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm khác biệt laser khuếch đại quang khuếch đại quang không xảy tượng hồi tiếp cộng hưởng Vì xảy trình hồi tiếp cộng huởng laser, khuếch đại quang tạo ánh sáng kết hợp riêng cho dù khơng có tín hiệu quang ngõ vào Nguồn ánh sáng xem nhiễu xảy khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang làm tăng cơng suất tín hiệu ánh sáng đưa vào ngõ vào khuếch đại không tạo tín hiệu quang kết hợp riêng ngõ Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 1.2(a), xảy photon có lượng hf12 bị hấp thụ điện tử trạng thái lượng thấp Quá trình xảy nang luợng hf12 photon với độ chênh lệch lượng trạng thái lượng cao trạng thái lượng thấp điện tử (Eg = E2 – E1) Khi xảy tuợng hấp thụ, điện tử nhận lượng từ photon chuyển lên trạng thái lượng cao Hay nói cách khác, tượng hấp thụ nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang qua khuếch đại quang Quá trình xảy đồng thời với hai tuợng phát xạ tự phát phát xạ kích thích mơi truờng tích cực (active medium) khuếch đại Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 1.2(b), xảy điện tử chuyển trạng thái lượng từ Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Đồ án môn học Thông tin quang mức lượng cao E2 xuống mức lượng thấp E1 phát lượng Eg= E2 – E1 dạng photon ánh sáng Quá trình xảy cách tự nhiên trạng thái lượng cao E2 trạng thái lượng bền vững điện tử Sau khoảng thời gian gọi thời gian sống (life time) điện tử mức lượng cao, điện tử tự dộng chuyển trạng thái lượng thấp (trạng thái lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống điện tử khác Cho dù tượng phát xạ tự phát tạo photon ánh sáng, khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo độ lợi khuếch đại Nguyên nhân tượng xảy cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào khuếch đại Nếu khơng có ánh sáng tín hiệu đưa vào, có lượng ánh sáng tạo ngõ khuếch đại Ngoài ra, ánh sáng phát xạ tự phát tạo khơng có tính kết hợp tượng phát xạ kích thích Do vậy, phát xạ tự phát xem nguyên nhân gây nhiễu khuếch đại quang Loại nhiễu đuợc gọi nhiễu phát xạ tự phát khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise) III Phân loại khuch i quang Các khuếch đại quang thiết bị bù suy hao có hiệu cho sợi quang Các thiết bị khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần thông qua biến đổi quang-điện điện-quang Để xác định cách xác khuếch đại quang phần tử biến đổi biên độ tín hiệu ®Õn nhng kh«ng thĨ hiƯn viƯc håi phơc thêi gian ngỡng định Nhiều tín hiệu quang đợc điều tiết cách đồng thời Nó trao đổi thông tin với thiết bị điều hành hƯ thèng b»ng viƯc sư dơng mét kªnh tÝn hiƯu số, dạng tín hiệu quang điện Cho tới nay, có vài loại khuếch đại quang nh là: Khuếch đại laser bán dẫn SLA (Semiconductor Laser Amplifier), khuếch đại sợi pha tạp, khuếch đại Raman sợi khuếch đại Brilloun sợi Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Đồ án môn học Thông tin quang Khuếch đại laser bán dẫn (SLA) Khuếch đại quang SLA thực khuếch đại ánh sáng đến thông qua chế xạ kích thích, chế đà đợc ¸p dơng ë laser Thùc sù th× cÊu tróc cđa khuếch đại quang chủ yếu laser phản hồi Yếu tố hoạt động ta nhận đợc độ khuếch đại khuếch đại đợc bơm (quang điện) để đạt tới nghịch đảo tích luỹ (nghịch đảo mật độ) Thông thờng, khuếch đại laser SLA thể khuếch đại quang phản hồi, khuếch đại nh đợc gọi khuếch ®¹i sãng ch¹yTWA (Travelling Wave Amplier) ®Ĩ nhÊn m¹nh r»ng tín hiệu đợc khuếch đại truyền theo hớng xuôi Các khuếch đại laser bán dẫn SLA có cấu trúc dựa cấu trúc laser bán dẫn thông thờng, có độ rộng vùng tích cực W, ®é dµy d, dµi L vµ chØ sè chiÕt suÊt n Hình 1.3- Sơ đồ khuếch đại laser bán dẫn Hình 1.3- mô tả khuếch đại laser bán dẫn, độ phản xạ bề mặt vào đầu đợc ký hiệu tơng ứng R1 R2 Thiết bị đợc định thiên dới mức ngỡng phát để tránh dao động laser xuất Các lớp chống phản đợc áp vào mặt laser để làm giảm tính phản xạ (trong laser diode thông thờng R1 = R2 0,3), điều làm tăng băng tần khuếch đại tạo đặc tính truyền dẫn Ýt phơ thc vµo sù phơ thc vµo sù thay đổi dòng điện thiên áp, nhiệt độ tính phân cực ánh sáng đầu vào 1.1 Đặc tính khuếch đại, độ rộng băng Các tợng chi tiết vật lý để mô tả khuếch đại laser bán dẫn (SLA) giống nh laser bán dẫn hoạt động cửa sổ suy hao 1300nm 1550nm sợi dẫn quang Một phơng trình đánh giá mật độ hạt mang đủ để thể khuếch đại vùng tích cực trang thái bền vững, hệ số khuếch đại vật liệu cho đơn vị dài gv phụ thuộc vào cờng độ tín hiệu I theo quan hệ: Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT Thông tin quang Đồ ¸n m«n häc g g = 1+ I I v (1-1) Is cờng độ ánh sáng đà xác định, đợc gọi cờng độ bÃo hoà cha có tín hiệu vào, g0 đại lợng đặc trng cho hệ số khuếch đại cha bÃo hoà Rõ ràng thấy đợc ảnh hởng khuếch đại cờng độ đầu vào cao Nhìn chung, cờng độ khuếch đại phụ thuộc vào vị trí dọc theo độ dài khuếch đại Tuy nhiên, thấy rằng, việc thừa nhận tính phụ thuộc vào vị trí cho kết xác có phân bố trờng theo trục đợc tính trung bình dọc theo độ dài hốc Hệ số khuếch đại thực đơn vị độ dài g đợc xác định dới dạng gv, hệ số hạn chế (~0,3), hệ số suy hao hiệu dụng đơn vị độ dài (~50cm-1) có thÓ viÕt nh sau: g=Γ S g V −α (1- 2) hệ số tập mode dẫn bị giảm vùng hoạt tính Khi đó, hệ số khuếch đại đơn thông đợc viết nh sau: G =e gL (1-3) đợc diễn giải nh hàm cờng độ tín hiệu I bên khuếch ®¹i: S G =exp S g {( ) } Γ 1+ I I −α L S (1-4) Víi L độ dài khuếch đại hay khoảng cách hai mặt phản xạ Chỉ số chiết suất vật liệu hàm mật độ hạt mang cờng độ ánh sáng Ngoài dịch pha có liên quan tới tính đơn thông khuếch đại, có thành phần phụ thêm theo thay đổi mật độ hạt mang tín hiệu Lúc dịch pha đơn thông tổng đợc cho là: = πnn( v − c v 0)L = φ+ g 0 Lb I I+ I (1-5) Víi v tần số tín hiệu đến, v tần số mode cộng hởng khuếch đại, n chØ sè chiÕt st cđa vËt liƯu líp tÝch cùc, c tốc độ ánh sáng, dịch pha tín hiệu quang đầu vào b đợc gọi hệ số làm tăng độ rộng phỉ (hƯ sè gi·n phỉ) (b =  6) Các phơng trình (1-4) (1-5) hệ số khuếch đại đơn thông pha hàm số cờng độ ánh sáng, nguyên lý, ánh sáng đà điều biến cờng độ bị méo SLA gây Quá trình phân tích G s Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT S Thông tin quang Đồ án môn học phụ thuộc vào f, với f tần số tín hiệu đầu vào thời gian tái hợp hạt mang (~2ns) Khi f > 1/2, biến thời gian triệt tiêu I tỷ lệ với cờng độ tín hiệu trung bình Điều có nghĩa biểu dải động SLA bị tuổi thọ hạt mang chi phối Hệ số khuếch đại đơn thông Gs biểu thức (1-4) thể rõ khuếch đại sóng chạy TWA (Traveling Wave Amplifier) Băng tần quang 3dB khuếch đại không bÃo hoà viết nh sau: Δλ=2 In √a ΓL (1-6) Víi a2  0,15cm nm cã liªn quan tíi tÝnh điều hởng (lệch cộng hởng) bớc sóng hoạt động bớc sóng đỉnh khuếch đại vật liệu Băng tần không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại tuyệt đối hàm số độ dài thiết bị, giảm độ dài tăng lên Từ phơng trình (1-4) ta thấy đơng nhiên tính bÃo hoà khuếch đại xảy có tợng giảm nghịch đảo tích luỹ tăng phát xạ kích thích Các đặc tính bÃo hoà TWA đợc đánh giá từ công suất đầu bÃo hoà, đợc xác định nh công suất tín hiệu đà đợc khuếch đại độ khuếch đại đơn thông nhỏ giá trị khuếch đại không bÃo hào 3dB đợc viết nh sau: -1 -2 p = Wdhv Γτaa In2 os (1-7) Trong phơng trình này, hv lợng photon, tuổi thọ hạt mang a 2,7.10-16cm2 tuỳ theo phụ thuộc độ khuếch đại vật liệu vào mật độ hạt mang Với W = 1,5m, d = 0,15m, = 1,3m công suất đầu bÃo hoà 1dBm Trong thực tế, mặt lớp vỏ chống phản xạ có tính phản xạ d tạo thành hốc cộng hởng quang Đặc tính truyền dẫn khuếch đại có đỉnh Fabry-Perot tồn bớc sóng khoảng trống tuỳ thuộc vào kích thớc hốc cộng hởng, độ rộng theo độ khuếch đại đơn thông tính phản xạ bề mặt nh sau: G( )= R )(1 R ) G (1−√ R R Gs ) +4 √ R R G sin φ (1− S 2 S (1-8) Tû sè ®Ønh-lâm gợn sóng băng thông đợc viết là: V= ( 1+ √ R R Gs 1− √ R R2 G s Nguyễn Quốc Toản _K42ĐVT ) (1-9)