Trang 1 Bộ giáo dục và đào tạoTrường Đại học bách khoa hà nội LÊ TRUNG THÀNHLUẬN VĂN TH C SĨ KHOA HẠỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANGTRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Trang 2
Bộ giáo dục đào tạo Trường Đại học bách khoa hà nội LÊ TRUNG THÀNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG MÃ SỐ : Người hướng dẫn khoa học: GS TS TRẦN ĐỨC HÂN HÀ NỘI 2005 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205100451000000 Ngày với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật công nghệ, nhu cầu trao đổi thơng tin người ngày cao, địi hỏi kỹ thuật thơng tin cần có bước phát triển mới, hình thức thơng tin phong phú, áp dụng kỹ thuật công nghệ Với ưu điểm mình, hệ thống thơng tin cáp sợi quang ngày chứng tỏ thiếu mạng truyền dẫn tốc độ cao, yêu cầu khoảng cách lớn Trong hệ thống việc sử dụng khuếch đại quang sợi để phù hợp tiêu kinh tế kỹ thuật yêu cầu thiếu tiến hành thiết kế tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang Do đó, Luận văn tập trung nghiên cứu, tính tốn, tối ưu hố sử dụng khuếch đại quang hệ thống truyền dẫn quang Luận văn chia làm chương phần kết luận sau: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG Chương 2: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ************************************************************** Mọi chi tiết xin liên hệ với tác giả: LÊ TRUNG THÀNH, Bộ môn Thông tin Viễn thông, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội Cấm Copy, chép hình thức mà chưa đồng ý tác giả Luận văn Chương I Tổng quan hệ thống thông tin cáp sợi quang 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin cáp sợi quang Như biết môi trường truyền dẫn kỹ thuật thơng tin có dây khơng dây Tương ứng với tín hiệu truyền mơi trường tín hiệu điện, quang hay sóng điện từ Trong thông tin cáp sợi quang, thông tin từ nguồn phát biến đổi thành tín hiệu quang sau truyền cáp sợi quang dạng ánh sáng đến đầu thu thông tin biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Tháng 2/1960 Maiman chế tạo Laser Rubi, tháng 6/1960 Javan chế tạo Laser He-Ne năm 1962 Basov, Prokhonov chế tạo Laser bán dẫn ứng dụng thông tin cáp sợi quang Nhưng tham số truyền dẫn môi trường thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không ổn định Đến năm 1970 người ta chế tạo thành công sợi quang có độ suy hao nhỏ 20dB/km cách mạng công nghệ sợi quang bắt đầu Năm 1977 hệ thống thông tin quang bắt đầu dùng cho truyền thoại, truyền số liệu tương tự, điện thoại hình dịch vụ video Cùng năm hãng NTT cơng bố loại sợi quang có độ suy hao 0,5dB/km bước sóng λ =1200nm Năm 1980 1982 hệ thống thông tin đường trục sử dụng cáp sợi quang 45Mbit/s 90 Mbit/s lắp đặt Năm 1983 AT&T chế tạo thành công sợi đơn mode Năm 1985 sản xuất sợi quang cơng tác bước sóng λ =1550nm với việc lắp đặt hệ thống siêu đường trục gồm kênh video/1 sợi năm 1987 16 kênh video/1 sợi, dung lượng hệ thống năm 1986 560Mbit/s Cho đến năm 1988 hệ thống dựa sở ghép kênh không đồng bộ, chủ yếu dựa vào chuẩn giao tiếp DS-1 DS-3, chưa có chuẩn giao tiếp quang Năm 1989 xuất chuẩn giao tiếp mạng quang đồng SONET giúp cho việc thiết kế hệ thống thông tin cáp sợi quang SDH thuận lợi 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin cáp sợi quang Một tuyến truyền dẫn cáp quang thường bao gồm phần tử mơ tả hình 1.1 [43] TÝn hiệu điện vào Bộ phát quang Mạch điều khiển Bộ nối quang Bộ chia quang Nguồn phát quang Trạm lặp Khuyếch đại quang Sợi quang Bộ tách ghép quang Tách sóng quang Khôi phục tín hiệu Bộ thu quang Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống thơng tin quang TÝn hiƯu ®iƯn 10 Hệ thống thơng tin cáp sợi quang có cấu trúc tương tự hệ thống thông tin khác gồm : Phần phát, môi trường truyền phần thu Với hệ thống thông tin cáp sợi quang mơi trường truyền dẫn cáp sợi quang- có nhiệm vụ truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát đến phía thu Hiện hệ thống thông tin cáp sợi quang chủ yếu truyền dẫn tín hiệu số Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang mạch điều khiển phát quang Phần thu quang bao gồm tách sóng quang, mạch khuếch đại điện mạch khơi phục tín hiệu Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, nối, chia, trạm lặp, trạm tách ghép quang Các nguồn quang sử dụng cho hệ thống thơng tin cáp sợi quang Laser điốt (LD) điốt phát quang (LED) Tín hiệu quang phát từ LD LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào phát dạng số tương tự Thiết bị phát quang thực biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng, cơng suất quang phụ thuộc vào biến đổi cường độ tín hiệu quang Tín hiệu quang sau điều chế khối nguồn phát lan truyền dọc theo sợi dẫn quang Trong q trình lan truyền, tín hiệu quang bị suy hao méo dạng qua ghép nối, mối hàn sợi sợi yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc Độ dài tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao sợi quang theo bước sóng Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều cần phải đặt thêm trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu Trạm lặp gồm thiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện phát lại quang vào đường truyền Các trạm lặp thay khuếch đại quang Phần thu quang gồm tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện Trong phần thường sử dụng photodiode PIN 11 photodiode APD chúng có hiệu suất làm việc cao tốc độ biến đổi nhanh Yêu cầu quan trọng thu quang công suất quang nhỏ (độ nhạy thu quang) thu tốc độ bit truyền dẫn tỉ lệ lỗi bit BER 1.3 Ưu điểm hệ thống thông tin sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang nhìn chung có số ưu điểm trội sau: Độ rộng băng tần truyền dẫn lớn Tốc độ truyền dẫn cao Suy hao truyền dẫn thấp ( khoảng 0,35- 0,4 dB/km bước sóng 1300nm 0,2-0,25 dB/km bước sóng 1500nm) Tín hiệu truyền dẫn cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng điện từ trường ngồi Có tính bảo mật tín hiệu thơng tin cao Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ uốn cong cho phép ghép nhiều sợi lõi cáp dễ lắp đặt Cho phép truyền dẫn khoảng cách lớn cáp kim loại khoảng cách trạm lặp xa 12 Chương Kỹ thuật khuếch đại quang sợi Trong hệ thống thông tin cáp sợi quang khoảng cách lớn cần có lặp để khuếch đại tín hiệu đường truyền Các trạm lặp thực khuếch đại tín hiệu thơng qua q trình biến đổi quangđiện điện – quang Khi mà tín hiệu quang yếu mức cho phép, trạm lặp thu lại, biến đổi thành tín hiệu điện, sau tiến hành xử lý tín hiệu điện cuối thực biến đổi lại tín hiệu điện thành tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền Các trạm lặp ứng dụng rộng rãi hầu hết tuuyến thông tin quang thời gian vừa qua [18] Trong chục năm trở lại đây, với phát triển khoa học kỹ thuật người ta thực trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà khơng cần qua q trình biến đổi điện nào, kỹ thuật 13 khuếch đại quang Kỹ thuật khuếch đại quang đời khắc phục nhiều hạn chế trạm lặp băng tần, cấu trúc phức tạp, ảnh hưởng tạp âm điện, Việc áp dụng khuếch đại quang đưa ý tưởng lớn cho qúa trình phát triển tuyến thơng tin hồn tồn dùng khuếch đại quang từ tiến tới phát triển mạng tồn quang (All- optical networks) Có nhiều loại khuếch đại quang như: Khuếch đại quang bán dẫn loại hốc cộng hưởng, khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy khuếch đại quang sợi EDFA, Trong EDFA sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày Do vậy, Luận văn nêu nguyên tắc hoạt động, đặc điểm chủ yếu EDFA để làm tiền đề cho nghiên cứu sau này, ứng dụng EDFA hệ thống thông tin quang 2.1 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA Trong khuếch đại quang sợi, người ta sử dụng loại sợi quang pha chất đặc biệt Erbium (EDFA), Praseodymium (PDFA), sợi gọi DF(Doped Fibre) [17] Các sợi xem sợi tích cực chúng thay đổi đặc tính vật lý chúng theo thay đổi nhiệt độ, áp suất, có tính chất xạ ánh sáng Một tính chất đặc biệt sợi chúng có khả tự khuếch đại tái tạo tín hiệu có kích thích phù hợp (hay cung cấp nguồn bơm phù hợp) Các chất pha tạp để tạo thành sợi DF chất đất (rare earth) Cơ chế sợi pha tạp đất để trở thành khuếch đại quang thể theo mơ hình mức: Khi điện tử trạng thái E1 kích thích từ nguồn xạ có bước sóng phù hợp, hấp thụ lượng chuyển lên mức có lượng cao E2 Từ mức phân rã trực tiếp xuống trạng thái theo cách xạ có mức lượng thấp E3 thả khơng xạ tới mức Từ điện tử phân rã xuống 14 mức E1 E4 thông qua trình xạ tự phát theo hình vẽ, 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 xẩy nghịch đảo độ tích luỹ Đây điều kiện để có số điện tử mức siêu bền E3 nhiều mức tới (E1 E4) Một photon có lượng tương đương với chênh lệch mức lượng mức E3 E1 (3 mức) hay chênh lệch mức E3 E4 (4 mức) mà va chạm mơi trường gây xạ kích thích phơton Trong mơ hình trên, điều kiện bình thường khơng có kích thích hầu hết điện tử nằm trạng thái E1 Như dễ dàng tạo nghịch đảo nồng độ mức E3 E4 E3 E1 Vì thơng thường giá trị ngưỡng laser bốn mức thấp laser mức Có nhiều ion đất có dải huỳnh quang chúng có khả xạ kích thích có khả dùng để tạo sợi DF – ứng dụng cho khuếch đại quang Ví dụ Nd +3 có dải xạ 1,06 µ m 1,32 µ m hay chất Er 3+ có dải xạ 1550nm 2700nm,.v.v… Hiện khuếch đại quang pha tạp chất Er 3+ ứng dụng rộng rãi nên ta xét tính chất chủ yếu khuếch đại quang sợi EDFA 2.1.1 Cấu trúc khuếch đại EDFA Cấu trúc EDFA sau [17, 43]: Hình 2.1 Cấu trúc EDFA 15 Các thành phần EDFA bao gồm đoạn sợi EDF pha tạp chất Erbium, nguồn laser bơm, ghép bước sóng cách ly quang Để có khuếch đại phải cung cấp cho sợi nguồn pha tạp bơm Với EDFA nguồn bơm quang có bước sóng vùng 980nm 1480nm Công suất bơm khoảng từ 10mW tới 100mW Chức thành phần cấu tạo nên EDFA: • Bộ ghép WDM: Thực ghép ánh sáng tín hiệu ánh sáng bơm vào sợi EDF vài trường hợp lại tách tín hiệu • Bộ cách ly có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống phản xạ Rayleigh từ nối quang, ngược lại từ khuếch đại • Sợi pha tạp chất Er 3+ EDF thành phần quan trọng EDFA Nồng độ erbium thường nhỏ 0,1% Các sợi EDF thường có lõi nhỏ độ số NA cao so với sợi đơn mode tiêu chuẩn Ngoài pha tạp erbium lõi cấu trúc EDF giống cấu trúc sợi đơn mode theo khuyến nghị ITU-T G652 G653 Với sợi EDF có NA cao cho EDFA có đặc tính khuếch đại hiệu cao 2.1.2 Nguyên tắc hoạt động EDFA Quá trình xạ xẩy EDFA bao gồm: Bức xạ kích thích xạ tự phát Khi ion Er 3+ kích thích từ trạng thái ( I 154 / ) thông qua hấp thụ ánh sáng bơm, phân rã khơng phát xạ từ mức lượng cao tiến tới trạng thái siêu bền ( ) Tín hiệu quang tới đến với ion Erbium kích thích Q trình kích thích tạo photon phụ có pha hướng quang tín hiệu tới Như vậy, đạt trình khuếch đại EDFA Các ion kích thích mà khơng tương tác với ánh sáng tới phân rã tự phát tới trạng thái với số thời gian xấp xỉ τ = 10ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha hướng ngẫu