nghiên cứu nâng cao chất lượng tuyên thông tin sợi quang wdm xuyên biển sử dụng hfa

- 1 - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Sinh viên - 2 - MỤC LỤC Trang Lời cam đoan 1 Mục lục 2 Các từ viết tắt 5 Lời mở đầu 6 Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng bộ khuếch đại ghép lai EDFA/Raman 1.1. Giới thiệu chương 8 1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM 8 1.2.1. Sơ lược về hệ thống WDM 8 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh phân theo bước sóng 1.2.2. Cấu hình của một hệ thống WDM 1.3. Mô hình hệ thống WDM sử dụng HFA 10 11 12 1.3.1 Khả năng ứng dụng bộ HFA trong thông tin sợi quang 12 1.3.2 Mô hình chung của hệ thống WDM sử dụng bộ HFA 14 1.4. Kết luận chương 14 Chương 2 Nguyên lý và đặc điểm của các bộ khuếch đại quang 2.1. Giới thiệu chương 16 2.2. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 16 2.2.1 Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA 16 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 17 2.2.3 Các đặc tính của EDFA 18 2.2.4 Bơm cho EDFA 20 2.3. Bộ khuếch đại Raman 21 2.3.1 Cấu trúc bộ khuếch đại Raman 21 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 22 2.3.3 Các đặc tính của bộ khuếch đại Raman 23 - 3 - 2.3.4 Cấu hình bơm của RA 29 2.4. Cơ sở của sự kết hợp bộ khuếch đại Raman và bộ khuếch đại pha tạp Erbium 29 2.5. Bộ khuếch đại ghép lai EDFA/Raman (HFA) 31 2.5.1 Cấu trúc bộ HFA 31 2.5.2 Đặc diểm của bộ HFA 31 2.6. Kết luận chương 33 Chương 3 Tín hiệu và nhiễu trong hệ thống WDM có HFA mắc chuỗi 3.1. Giới thiệu chương 34 3.2. Tán xạ Rayleigh kép(DRB) 34 3.2.1. Công suất nhiễu tán xạ Rayleigh 35 3.2.2. Công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép tích lũy 3.3. Nhiễu ASE 3.3.1. Nhiễu ASE trong các bộ khuếch đại 36 37 37 3.3.2. Nhiễu ASE tích lũy 3.4. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM 3.4.1 Hiệu ứng FWM 39 39 40 3.4.2 Công suất sóng FWM trong hệ thống WDM có các HFA mắc chuỗi 42 3.5. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR 45 3.6. Kết luận chương 46 Chương 4 Mô phỏng nhiễu trong hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA 4.1 Giới thiệu chương 47 4.2 Cấu hình tuyến WDM dùng bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA 47 4.3 Mô phỏng nhiễu tán xạ Rayleigh kép 48 4.3.1 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép do bộ khuếch đại Raman sinh ra 48 4.3.2 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép tích luỹ 49 4.4 Mô phỏng nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) 50 - 4 - 4.4.1 Nhiễu ASE do từng bộ khuếch đại tạo ra 51 4.4.2 Nhiễu ASE tích lũy 52 4.5 Mô phỏng hiệu ứng trộn bốn bước sóng 53 4.6 Mô phỏng các thông số ảnh hưởng đến độ khuếch đại Raman 54 4.7 So sánh sự ảnh hưởng của các loại nhiễu đến tỉ số OSNR của 56 hệ thống WDM sử dụng HFA 4.8 Kết luận chương 58 Chương 5 Tính toán nâng cao chất lượng tuyến thông tin quang WDM cho Segment 9 của hệ thống cáp quang biển quốc tế SEA-ME-WE3 5.1 Giới thiệu chương 59 5.2 Đặc điểm của tuyến Segment 9 và cấu hình tuyến dùng cho tính toán 59 5.2.1 Đặc điểm tuyến Segment 9 của hệ thống cáp quang biển SEA-ME-WE 3 59 5.2.2 Cấu hình tuyến dùng cho tính toán 60 5.3 Phương pháp tính toán tối ưu tỉ số tín hiệu quang trên nhiễu cho tuyến cáp quang biển từ Sesimbra đến Penmarch 61 5.3.1 Phương pháp tính toán 61 5.3.2 So sánh chất lượng của hệ thống sử dụng HFA mắc chuỗi với hệ thống sử dụng EDFA mắc chuỗi 62 5.4 Hiệu chỉnh độ khếch đại của 2 bộ EDFA trong bộ HFA 62 5.5 Tính toán tối ưu tỉ số OSNR 64 5.6 Kết quả và nhận xét 69 5.7 Kết luận chương 71 Kết luận và hướng phát triển đề tài 72 Tài liệu tham khảo 74 Phần phụ lục 76 - 5 - CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH ASE Amplified Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại BA Boost Amplifier Bộ khuếch đại công suất BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CW Continuos Wave Sóng liên tục DCF Dipersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc DMUX DEMUX Bộ giải ghép kênh DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố DRB Double Rayleigh Back Scattering Tán xạ Rayleigh kép DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi thay đổi vị trí tán sắc DWDM Dense Wave Division Miltiplexer WDM mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng GFF Gain Flattening Filter Bộ lọc làm phẳng độ lợi HFA Hybrid Raman/EDFA Amplifier Bộ khuếch đại Raman/EDFA ghép lai LA Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NDSF Non- Dispersion Shifted Fiber Sợi không thay đổi vị trí tán sắc NZDSF None Zero Dispersion Fiber Sợi dịch tán sắc khác không NF Noise Figure Hệ số nhiễu OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang PA Pre- Amplifier Bộ tiền khuếch đại - 6 - Lời mở đầu Với những ưu điểm nổi bật về dung lượng và khoảng cách truyền dẫn, thông tin sợi quang là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Cùng với sự ra đời của các kĩ thuật mới như kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao và đặc biệt là sự xuất hiện và nhanh chóng được thương mại hoá của EDFA đã đáp ứng được nhu cầu về trao đổi thông tin ngày càng cao trong những năm gần đây. Tuy nhiên, mạng viễn thông hiện nay đang đứng trước nguy cơ quá tải do các loại hình dịch vụ và phương thức đa truy cập mới của mạng Internet ra đời và phát triển với tốc độ chóng mặt. Tốc độ truyền dẫn của các tuyến thông tin sợi quang WDM đạt đến hàng nhiều Gbit/s và sử dụng hết băng thông khuếch đại của EDFA. Trước thực trạng đó, yêu cầu về nâng cấp mạng thông tin quang đang trở nên ngày càng cấp thiết hơn. Mô hình bộ khuếch đại ghép lai HFA - sự kết hợp giữa EDFA và bộ khuếch đại Raman - đã mở ra nhiều triển vọng cho các hệ thống viễn thông. Bộ khuếch đại này mang ưu điểm của cả EDFA và Raman, vừa tăng khả năng chống nhiễu, giảm hiệu ứng phi tuyến của Raman đồng thời tăng độ khuếch đại cao nhờ EDFA. Tuy nhiên, sự kết hợp này cũng tạo ra nhiều loại nhiễu hết sức phức tạp. Để đạt được các ưu điểm trên cần phải nghiên cứu nghiêm túc bộ khuếch đại này, tiến hành khảo sát cẩn thận về nhiễu và tín hiệu. Sau đó đề xuất cấu hình bộ khếch đại ghép lai HFA thích hợp để dùng cho tuyến thông tin sợi quang WDM xuyên biển hiện nay. Tiếp đến xây dựng lưu đồ thuật toán, tính toán mô phỏng tối ưu hóa bộ khuếch đại ghép lai HFA nhằm nâng cao chất lượng của tuyến. Với mục đích như trên, đồ án tập trung vào vấn đề “Nghiên cứu nâng cao chất lượng tuyên thông tin sợi quang WDM xuyên biển sử dụng HFA”. Nội dung của đồ án chia làm 5 chương như sau: Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng HFA Chương 2 Nguyên lý và đặc điểm của các bộ khuếch đại quang Chương 3 Tín hiệu và nhiễu trong hệ thống WDM có HFA mắc chuỗi - 7 - Chương 4 Mô phỏng nhiễu trong hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA Chương 5 Tính toán nâng cao chất lượng tuyến thông tin quang WDM cho Segment 9 của hệ thống cáp quang biển quốc tế SEA-ME-WE3 Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của đồ án là lý thuyết kết hợp với tính toán, mô phỏng bằng ngôn ngữ lập trình Mathcad. Em xin chân thành cảm ơn Ts. Nguyễn Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn, động viên trong thời gian nghiên cứu đề tài này. Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã nhiệt tình dạy dỗ, cung cấp trang bị cho em những kiến thức quí báu, góp phần giúp em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, ngày 25 tháng 5 năm 2007 Sinh viên thực hiện - 8 - Chươ n g 1 T ổ ng quan v ề hệ th ố ng thông tin s ợi qua n g WDM … CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM SỬ DỤNG BỘ KHUYẾCH ĐẠI GHÉP LAI RAMAN/EDFA 1.1. Giới thiệu chương Hệ thống tin quang WDM sử dụng các bộ khuếch đại EDFA đã được triển khai trên toàn thế giới để truyền tải thông tin với dung lượng lớn. Nhưng do sự phát triển nhanh của các dịch vụ mới, của internet làm nhu cầu về băng thông tăng lên nhanh chóng. Các hệ thống thông tin quang WDM sử dụng EDFA hiện hành trở nên quá tải. Vì vậy cần phải nâng cấp hệ thống WDM sao cho đảm bảo dung hoà giữa dung lượng truyền dẫn, chất lượng tín hiệu và giá thành. Trong chương này, đồ án sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM, cấu hình của một hệ thống WDM hiện nay và các tiêu chuẩn nâng cấp hệ thống. Sau đó, đồ án đưa ra một mô hình mới là hệ thống WDM sử dụng bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA. 1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM 1.2.1 Sơ lược về hệ thống WDM Tiến trình phát triển của dung lượng truyền dẫn khẳng định rằng WDM, kể từ khi xuất hiện đã mang lại hiệu suất cao hơn so với các kỹ thuật truyền đơn kênh. WDM ghép nối các kênh ở trong lòng cùng một sợi quang thay cho việc xử lý chúng riêng lẽ bằng tín hiệu điện. Điều này hết sức hữu ích, vì chỉ cần một bộ khuếch đại quang học duy nhất cho phép kéo dài việc truyền trên đoạn tiếp theo, không phải trang bị cho mỗi kênh quang học một hệ thống điện tử để tái tạo lại tín hiệu trên kênh đó[8]. - 9 - Chươ n g 1 T ổ ng quan v ề hệ th ố ng thông tin s ợi qua n g WDM … Hình 1.1 Tiến trình phát triển của dung lượng truyền dẫn[8] Sự ra đời của công nghệ truyền tin WDM bắt nguồn từ các tiến bộ khoa học liên quan đến việc tiến hành hiệu chỉnh các laser đầu tiên, tiếp đến là quá trình chế ngự chất lượng của sợi quang học và cuối cùng là sự chế ngự chất lượng của các linh kiện sợi quang học, các laser diôt. WDM được cải tiến sau hai sự kiện chính: thứ nhất là do sự xuất hiện của công nghệ EDFA, thứ hai là nhu cầu sử dụng trọn vẹn dải băng tần đó sau khi đã kiểm soát được hiệu ứng xuyên kênh trong trường hợp lưu lượng của mỗi kênh lớn. Tiến trình ứng dụng kỹ thuật WDM vào thực tế: nếu trong phòng thí nghiệm chỉ cần một vài năm có thể tăng được dung lượng của từng kênh thì điều đó chậm hơn rất nhiều khi chuyển qua đấu thầu thương mại, lắp đặt vận hành hệ thống trên thực tế. Cho tới hiện nay, số lượng kênh được sử dụng trên thực tế không hề vượt quá 40 kênh. Các hệ thống trên mặt đất được lắp ráp sao cho tương thích với các mối liên kết đã tồn tại và các điểm khuếch đại đã có sẵn trên mặt đất. Các hệ thống ngầm dưới đại dương cũng được lắp đặt cùng thời điểm với sợi truyền trên mặt đất và bản thân khoảng cách giữa các bộ khuếch đại được tối ưu hoá. Như vậy việc này luôn sử dụng công nghệ hiện đại nhất, và cũng bởi vì chúng cho phép vượt qua các khoảng cách dài nhất. Chúng cũng là các hệ thống vượt khoảng các dài đầu tiên sử dụng khuếch đại quang học và chúng còn cho ta tích số giữa dung lượng và khoảng cách - 10 - Chươ n g 1 T ổ ng quan v ề hệ th ố ng thông tin s ợi qua n g WDM … Thiết bị WDM một sợi quang Thiết bị WDM ë 1 , ë 2 , , ë n ë cao nhất trong các hệ thống thương mại hiên nay. Các hệ thống được thương mại hoá hiện nay sử dụng lưu lượng trên mỗi kênh là 10Gb/s 1.2.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh phân theo bước sóng Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang [2]. Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng quang được minh hoạ như hình 1.2. Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ 1 , λ 2 , , λ n . Tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này được ghép vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép kênh MUX, bộ ghép kênh phải bảo đảm có suy hao nhỏ. Tín hiệu sau đó sẽ được truyền dọc theo sợi quang để tới phía thu. Ở đầu thu, các bộ tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng lẻ sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng. Nguồn ë 1 Nguồn 1 phát ë 2 quang ë MUX DMUX ë 2 thu ë n ë 1 , ë 2 , , ë n ë 1 , ë 2 , ,ë n n Hình 1.2 Nguyên lý của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng [1] Với nguyên lý cơ bản như trên, hệ thống WDM có hai hình thức cấu thành là truyền dẫn 1 chiều và truyền dẫn 2 chiều được biểu diễn như hình 1.3(a), (b) Kênh 1 Kênh 2 Nguồn ë 1 Nguồn ë 2 Thu ë 1 Thu ë 2 Kênh 1 Kênh 2 Kênh n Nguồn ë n Thu ë n Kênh n Hình 1.3 (a) Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng [...]... thng thụng tin si quang WDM Kờnh vo Ngun ở1 Thu ở1 Thit b WDM Kờnh ra Thu ở2 Mt si ở1 ở2 Kờnh ra Thit b WDM Ngun ở2 Kờnh vo Hỡnh 1.3 (b) H thng ghộp bc súng theo hai hng[2] 1.2.3 Cu hỡnh ca mt h thng WDM Cỏc b phỏt Cỏc b thu B khuch i Si quang B ghộp kờnh B gii ghộp Hỡnh 1.4 Tuyn truyn dn WDM in hỡnh [13] Cu hỡnh in hỡnh ca mt h thng WDM im-im thng bao gm cỏc thit b sau (hỡnh 1.4) - Cỏc b phỏt quang vi... dựng cỏc b khuch i quang mi 1.3 Mụ hỡnh h thng WDM s dng HFA 1.3.1 Kh nng ng dng b HFA trong thụng tin si quang T khi ra i, cỏc b EDFA ó nhanh chúng tr nờn thng mi húa v c s dng rng rói trong hu ht cỏc h thng thụng tin quang trờn ton th gii Cỏc h thng thụng tin hin nay ó s dng ht ton b bng thụng khuch i ca EDFA (bng C v bng L) Tuy nhiờn khi dung lng kờnh tng cao hn na vi nhu cu ngay cng tng hin nay thỡ... ghộp kờnh bm Cỏc bm laser B gii ghộp Hỡnh 1.6 Mụ hỡnh h thng WDM s dng b khuych ghộp lai HFA 1.4 Kt lun chng Chng ny ó cho ta mt cỏi nhỡn khỏi quỏt v h thng WDM truyn thng ỏn nhn mnh tm quan trng ca vic a ra mt gii phỏp cho vn tng bng thụng ca mng ng quang trc, thy rừ vic s dng HFA rt hiu qu -14- Chng 1 Tng quan v h thng thụng tin si quang WDM cho vic nõng cp h thng trong tng lai m khụng cn thay i... mt tuyn quang Gim mộo tớn hiu khong cỏch truyn dn ca tuyn quang di hn ỏp ng cỏc tiờu chun ny, cú nhiu cỏch thc hin cỏc mụ hỡnh thit k mi S dng ca s truyn dn mi trong min bc súng Dựng cỏc loi b khuch i quang mi bao ph mt di thụng tớn hiu cao tng dung lng d liu Truyn dn WDM hai hng cho phộp kh cỏc tng tỏc si phi tuyn Sau õy, ỏn s trỡnh by mt cu hỡnh mi cho h thng WDM dựng cỏc b khuch i quang mi... nay thỡ trong tng lai khụng xa thỡ cỏc h thng da trờn cỏc b EDFA s i mt vi vn l: nu tớn hiu i vo b khuch i quỏ cao, nú phi chu cỏc hiu ng phi tuyn trong si quang nhng nu tớn hiu mc quỏ thp thỡ nú s nhn mc nhiu cao cỏc b khuch i tip theo -12- Chng 1 Tng quan v h thng thụng tin si quang WDM Hỡnh 1.5 S so sỏnh mc tớn hiu khi cú khuch i EDFA v DRA gii quyt vn mt cỏch hiu qu nht c v mt k thut v kinh... dng cỏc b HFA mc chui, si truyn dn SMF v DCF, vi chiu di mi phõn on l 50km thỡ chiu di tuyn -13- Chng 1 Tng quan v h thng thụng tin si quang WDM cc i cú th t c l 7500km v cú kh nng chu ng phi tuyn ln hn nhiu so vi h thng ch s dng EDFA Cỏc kt qu trờn cựng vi nhiu thnh cụng ca nhiu nh khoa hc khỏc trong lnh vc ny cho phộp m ra mt k nguyờn mi trong ngnh vin thụng quang hc: h thng truyn dn quang tc Tb/s,... quang (MUX) - Cỏc on si truyn dn, thng s dng cỏc loi si n mode nh SSMF, DSF, NZ-DSF - Cỏc b khuch i quang, thng l EDFA - Cỏc thit b bự tỏn sc, nh DCF - Mt b gii ghộp quang (DEMUX) - Cỏc b thu quang vi cỏc bc súng tng ng b phỏt Trong nhng nm gn õy, nhu cu dch v tng t ngt do s phỏt trin nhanh chúng ca Internet to ra cỏc thay i mi cho nhng ngi thit k h thng -11- Chng 1 Tng quan v h thng thụng tin si quang. .. truyn hiu rừ v bn cht v tớnh toỏn cỏc loi nhiu ny, ta s tỡm hiu chỳng chng tip theo - 33 - Chng 3 Tớn hiu v nhiu trong h thng WDM cú HFA mc chui Chng 3 TN HIU V NHIU TRONG H THNG WDM Cể HFA MC CHUI 3.1 Gii thiu chng So vi cỏc h thng thụng tin khỏc, h thng thụng tin quang cú u im ni tri khụng b nhiu bờn ngoi tỏc ng Tuy nhiờn, bn thõn cỏc thit b trong h thng li sinh ra nhiu, c bit l cỏc b khuch i Nhiu... khuch i ghộp lai HFA, trong nhng chng sau ỏn s i sõu vo tỡm hiu nguyờn lý v cỏc c im ca cỏc b khuch i EDFA v Raman, tng bc chng minh nhng u im ca HFA -15- Chng 2 Nguyờn lý v c im ca cỏc b khuch i quang CHNG 2 NGUYấN Lí V C IM CA CC B KHUCH I QUANG 2.1 Gii thiu chng B khuch i l cn thit trờn cỏc tuyn truyn dn m bo mt cụng sut tớn hiu ln ti im thu nhn So vi cỏc b khuch i in, cỏc b khuch i quang cú u im... khuch i tt c cỏc bc súng mt ln m khụng cn s bin i quang- in -quang( OEO) Cỏc khuch i quang c dựng khuch i tớn hiu trờn ng truyn, nõng cụng sut tớn hiu sau khi ghộp kờnh hoc trc khi tỏch kờnh Chng ny s trỡnh by v nguyờn lý v c im ca b khuch i EDFA, b khuch i Raman T ú a ra cu hỡnh hp lý cho b khuch i ghộp lai HFA v nờu nhng c tớnh u vit ca nú 2.2 B kuych i quang pha tp Erbium (EDFA) Cho n nay, EDFA chớnh . nhằm nâng cao chất lượng của tuyến. Với mục đích như trên, đồ án tập trung vào vấn đề Nghiên cứu nâng cao chất lượng tuyên thông tin sợi quang WDM xuyên biển sử dụng HFA . Nội dung của đồ. hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA Chương 5 Tính toán nâng cao chất lượng tuyến thông tin quang WDM cho Segment 9 của hệ thống cáp quang biển quốc. hệ thống WDM 1.3. Mô hình hệ thống WDM sử dụng HFA 10 11 12 1.3.1 Khả năng ứng dụng bộ HFA trong thông tin sợi quang 12 1.3.2 Mô hình chung của hệ thống WDM sử dụng bộ HFA 14