nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang wdm

MỤC LỤC Mục Lục 1 Danh mục các từ viết tắt 3 Danh mục hình vẽ 6 Danh mục bảng biểu 8 Lời nói đầu 9 Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 11 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 11 1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 12 1.2.1 Bộ phát quang 13 1.2.2 Bộ thu quang 13 1.2.3 Cáp sợi quang 13 1.2.4 Các thành phần khác 14 1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang 14 1.3.1 Cấu tạo sợi quang 14 1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang 15 1.4. Phân loại sợi quang 17 1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng 17 1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất 18 1.5. Các thông số của sợi quang 18 1.5.1 Suy hao 18 1.5.2 Tán sắc 23 1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang 24 1.6.1 Ưu điểm 24 1.6.2 Nhược điểm 25 Chương 2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDF 26 2.1. Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang 26 2.2. Tổng quan về khuếch đại quang 26 2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 26 1 2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang 29 2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang 30 2.2.4 Khuếch đại quang dùng laser bán dẫn 32 2.2.5 Các bộ khuếch đại quang sợi 35 2.3. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA 41 2.3.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA 41 2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 43 2.3.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm 45 2.3.4 Hệ số khuếch đại của EDFA 50 2.3.5 Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA 55 2.3.6 Phổ khuếch đại của EDFA 57 2.3.7 Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA 58 CHƯƠNG 3: Ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM 63 3.1. Ứng dụng của khuếch đại quang 63 3.2. Các ứng dụng trong hệ thống thông tin quang số 64 3.3. Ứng dụng trong các hệ thống tương tự 66 3.4. Các ứng dụng trong mạng nội hạt (LAN) 68 3.5. Ứng dụng trên hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM 68 3.5.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 69 3.5.2 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 71 3.5.3 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM 73 3.5.4 EDFA thế hệ mới cho hệ thống WDM 75 Kết luận 76 Tài liệu tham khảo 79 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại AWG Array Wave Grating Cách tử AWG BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu phát CPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha DC Dispersion Compensator Bộ bù tán sắc DCF Dispersion Compensator Fiber Sợi bù tán sắc DCG Dispersion Compensator Grating Cách tử bù tán sắc DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc DEM Dispersion Equalization Module Module điều chỉnh tán sắc DEMUX DEMultiplexing Bộ tách kênh DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển DXC Digital Cross Connect Bộ đấu chéo số EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang Erbium EDSFA Erbium-Doped Silicon-based Fiber Amplifier Khuếch đại quang Erbium dựa trên nền bán dẫn Silic EDTFA Erbium-Doped Tellurite Fiber Amplifier Khuếch đại quang Erbium trên nền bán dẫn Tellurium FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi Bragg FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng LA Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền LASER Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation LD Laser Diode Điốt phát quang laser LOA Line Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang đường truyền MAN Metropolitan Area Network Mạng nội thị MOR Multi-wavelength Optical Repeater Trạm lặp đa kênh quang MUX Multiplexing Bộ ghép kênh NDSF Non-Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển bằng không NF Noise Figure Hệ số tạp âm NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Sợi tán sắc dịch chuyển khác 3 Fiber không OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OAM Optical Amplifier Module Module khuếch đại quang OC Optical Channel Kênh quang ODEMUX Optical DEMultiplexing Bộ tách kênh quang ODU Optical Demultiplexing Unit Đơn vị tách kênh quang OL Optical Line Đường truyền quang OM Optical Multiplex Bộ ghép kênh quang OMU Optical Multiplexing Unit Đơn vị ghép kênh quang OMUX Optical Multiplexing Bộ ghép kênh quang OPM Optical Performance Monitor Thiết bị giám sát mạng quang OSC Optical Supervisor/Service Channel Kênh giám sát quang OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTPM Optical Translator Port Module Module cổng chuyển đổi quang OTU Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quang OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang PA Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại PDL Polarization Dependence Loss Suy hao phụ thuộc phân cực PLC Planar Lightwave Circuit Vi mạch quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực REG Regenerator Trạm lặp (3R) SNR Signal To Noise Ratio Tỷ số Tín hiệu/Tạp âm SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SMF Single-Mode Fiber Sợi quang đơn mode SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi cáp quang đơn mode chuẩn WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WT Wavelength Transponder Chuyển đổi bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin 11 Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang 12 Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang 14 Hình 1.4 : Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng 15 Hình 1.5 : Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16 Hình 1.6: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại laser bán dẫn 19 Hình 1.7: Cấu trúc các loại SLA 19 Hình 1.8: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 20 Hinh 1.9: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 21 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 22 Hình 1.11 : Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 22 Hình 1.12: Cấu trúc của EDFA 23 Hình 1.13: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 24 Hình 2.1: Các loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng 27 Hình 2.2: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang 29 Hình 2.3: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA 33 Hình 2.4: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 35 Hình 2.5: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 36 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 37 5 Hình 2.7: Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 38 Hình 2.8: Cấu trúc của EDFA 42 Hình 2.9: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 42 Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của ion Er 3+ trong lõi sợi EDF 44 Hình 2.11: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 48 Hình 2.12: Cấu hình bơm thuận 49 Hình 2.13: Cấu hình bơm ngược 49 Hình 2.14: Cấu hình bơm hai hướng 50 Hình 2.15: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA 51 Hình 2.16: Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với độ khuếch đại 51 Hình 2.17:Độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với ba công suất bơm khác nhau 52 Hình 2.18: Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với các công suất bơm khác nhau 54 Hình 2.19: Độ dốc khuếch đại 55 Hình 2.20: Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 57 Hình 2.21: Tạp âm phách tín hiệu-tự phát 61 Hình 2.22: Tạp âm phách tự phát- tự phát giữa các thành phần phổ ASE 62 Hình 2.23: Sự phản xạ quang tạo ra nhiễu giao thoa nhiều luồng 62 Hình 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA 64 Hình 3.2: ứng dụng EDFA làm khuếch đại công suất BA 65 Hình 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA 65 Hình 3.4: Mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên các hệ thống có EDFA 67 Hình 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang đơn hướng 70 Hình 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng 71 Hình 3.7: EDFA sử dụng trong hệ thống WDM 73 Hình 3.8: Phổ của tín hiệu quang ở đầu ra hệ thống 74 Hình 3.9: Cấu hình EDTFA 75 6 Hình 3.10: Ứng dụng của EDFA băng C và băng L trong hệ thống WDM 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: So sánh đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang 41 Bảng 2: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm 47 Bảng 3: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 56 7 LỜI NÓI ĐẦU Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin quang không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta đã thấy những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp viễn thông. Ngành công nghiệp viễn thông đã phát triển vượt bậc cho ra đời nhiều loại hình dịch vụ mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao của con người. Hiện nay, số lượng người sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng tăng nhanh. Xu hướng phát triển của viễn thông là các loại hình mạng với dung lượng cao, băng thông rộng, phạm vi hoạt động lớn và có khả năng chống nhiễu, bảo mật tốt. Để làm được điều này mạng truyền dẫn cần phải có sự phát triển mạng cả về qui mô và trình độ công nghệ 8 Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho viễn thông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang. Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càng được phát triển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Trong đó việc ra đời và ứng dụng của các bộ khuếch đại trên miền tín hiệu quang dần thay thế các bộ khuếch đại điện trước đó. Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Điều đáng chú ý là bộ khuếch đại quang trộn đất hiếm Erbium EDFA có thể khuếch đại toàn bộ bước sóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từng bước sóng. Tốc độ bit của tuyến đã đạt 100Gb/s và tích BL là 910 Tb/s-km vào năm 2000. Bộ khuếch đại quang EDFA được ứng dụng trên các hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Trong các hệ thống tuyến tính số các bộ EDFA có thể được sử dụng làm các bộ tiền khuếch đại PA, các bộ khuếch đại công suất BA hoặc khuếch đại đường truyền LA. Theo các tiêu chuẩn này thiết bị khuếch đại quang sợi OFA được đặt dọc theo tuyến quang. Ngoài ra bộ khuếch đại EDFA còn được ứng dụng trọng nhiều hệ thống khác. Trong tương lai, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hứa hẹn sẽ phát triển hệ thống thông tin quang trở nên mạnh mẽ hơn, ngày càng phát triển hơn. Để tìm hiểu về công nghệ chứa đựng nhiều ưu điểm và tiềm năng này, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang WDM ” Nội dung của đề tài gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về thông tin quang và các bộ khuếch đại quang Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang, nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tin quang. Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA 9 Chương 2 ta đi vào tìm hiểu về các bộ khuếch đại quang sợi, đặc biệt là bộ khuếch đại quang sợi EDFA sẽ được trình bày chi tiết. Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM. Chương cuối là các ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khả năng phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên hệ thống thông tin quang WDM. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG VÀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang Từ xa xưa loài người đã biết truyền tín hiệu, thông tin bằng khói, lửa, … Qua quá trình phát triển các hình thức truyền thông tin ngày càng phát triển trở nên phong phú và hiện đại hơn. Ngày nay, thông tin quang nổi lên như là một hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó được phát triển rất nhanh trên mạng lưới viến thông ở nhiều quốc gia trên thế giới. Thông tin quang là kỹ thuật truyền tin bằng ánh sang. Tại máy phát, thông tin dưới dạng tín hiệu điện được chuyển thành tín hiệu ánh sang và phát vào đường truyền (sợi quang). Tại máy thu, tín hiệu quang sẽ được biến đổi ngược lại thành tín hiệu điện. Về mặt nguyên tắc hệ thống thông tin quang cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác bao gồm các thành phần cơ bản như trong hình 1.2 dưới đây: Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin. 10 Nguồn tín hiệu Thiết bị phát Môi trường Thiết bị thu Nơi t/h đến [...]... khuếch đại có tín hiệu ánh sáng cần khuếch đại truyền qua, ánh sáng được khuếch đại phát ra từ đầu kia của môi trường khuếch đại Các bộ khuếch đại quang sợi gồm có khuếch đại Raman, khuếch đại Brillouin và khuếch đại quang sợi trộn đất hiếm được ứng dụng rất rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang như các bộ khuếch đại công suất ở máy phát bộ khuếch đại lặp trong tuyến và bộ tiền khuếch đại ở máy... hiệu quang vào Đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) thể hiện sự phụ thuộc hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang vào tần số Dải thông khuếch đại của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3 dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại Giá trị B 0 xác định dải thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông. .. bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở đầu ra chia cho công suất quang ở đầu vào Pout G = Pin (2.1) 30 Pout G (dB ) = 10 log[ Pin ] (2.2) Trong đó: G là hệ số khuếch đại tín hiệu của bộ khuếch đại quang P in, Pout tương ứng là công suất tín hiệu ánh sáng ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang (mW) b) Dải thông khuếch đại (Gain Bandwidth) Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang không... khác, quá trình khuếch đại của ánh sáng được thực hiện Hiện tượng bức xạ kích thích được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (OFA) 28 Hiện tượng bức xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch đại quang không xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vì... dùng trong các ứng dụng khác của hệ thống thông tin quang như bộ biến đổi bước sóng (wavelength convertor), phục hồi xung clock (clock recovery) và các ứng dụng xử lý tín hiệu quang (optical signal processing applications) Khuếch đại TWA có thể dùng làm bộ tiền khuếch đại (đặt ở phía trước photodiode) để cải thiện độ nhạy máy thu 2.2.5 Các bộ khuếch đại quang sợi Các bộ khuếch đại quang sợi được nghiên. .. thuộc vào dòng tín hiệu, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… Nhờ việc áp dụng các bộ khuếch đại quang vào trong hệ thống thông tin quang đang mở ra nhiều ý tưởng lớn cho quá trình phát triển hệ thống thông tin dùng khuếch đại quang từ đó tiến tới các mạng quang hóa hoàn toàn, cho phép mở rộng các dịch vụ đa truy nhập với tốc độ cao 2.2 Tổng quan về khuếch đại quang 2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang. .. do hệ số khuếch đại chịu ảnh hưởng của nhiệt độ + Ứng dụng: Với các đặc tính kỹ thuật trên, SOA có nhiều nhược điểm so với EDFA khi được dùng làm khuếch đại quang Do đó, cho dù SOA được nghiên cứu và chế tạo từ trước EDFA, nhưng SOA không được sử dụng làm bộ khuếch đại quang trong hệ thống WDM cũng như các hệ thống truyền dẫn quang khác hiện nay Thay vào đó, dựa trên các hiệu ứng phi tuyến đáp ứng. .. khoa học công nghệ Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội thì hệ thống thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phát triển nhanh vì những lợi ích thiết thực trong cuộc sống con người CHƯƠNG 2 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 2.1 Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang Như ta đã biết trên các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự li truyền dẫn dài dẫn đến suy hao lớn Khi suy... tử và viễn thông trong thế kỷ 21 1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 11 Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang Hệ thống truyền dẫn quang bao gồm các phần tử phát xạ ánh sáng (nguồn sáng), các sợi quang (môi trường truyền dẫn) và các phần tử thu để nhận ánh sáng truyền qua sợi quang (hình 1.2) Dưới đây là các thành phần chính và chức năng của hệ thống thông tin quang. .. quang đó có thể hoạt động được Thông thường, một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng d) Hệ số tạp âm (Noise Figure) 31 Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra tạp âm Nguồn tạp âm chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát Vì sự . âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA 58 CHƯƠNG 3: Ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM 63 3.1. Ứng dụng của khuếch đại quang 63 3.2. Các ứng dụng trong. của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM. Chương cuối là các ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khả năng phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên hệ thống. thông tin quang và các bộ khuếch đại quang Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang, nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tin quang. Chương