Nghiên ứu ứng dụng bộ khuyếch đại quang trong các hệ thống thông tin quang

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 và đào tạo Trường Đại học bách khoa hà nộ i

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật

và công nghệ, nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng cao, đòi hỏi kỹ thuật thông tin cần có những bước phát triển mới, các hình thức thông tin phong phú, áp dụng các kỹ thuật công nghệ mới

Với các ưu điểm của mình, các hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày càng chứng tỏ không thể thiếu trong các mạng truyền dẫn tốc độ cao, yêu cầu khoảng cách lớn Trong các hệ thống đó việc sử dụng các

bộ khuếch đại quang sợi như thế nào để phù hợp nhất về chỉ tiêu kinh tế

và kỹ thuật là yêu cầu không thể thiếu khi tiến hành thiết kế tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang Do đó, Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu, tính toán, tối ưu hoá sử dụng khuếch đại quang trong các hệ thống truyền dẫn quang Luận văn được chia làm 3 chương và phần kết luận như 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

Chương I

Tổng quan về hệ thống thông tin cáp sợi quang

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang

Như chúng ta đã biết môi trường truyền dẫn trong kỹ thuật thông tin có thể là có dây hoặc không dây Tương ứng với tín hiệu truyền trên các môi trường đó là tín hiệu điện, quang hay sóng điện từ Trong thông tin cáp sợi quang, thông tin từ nguồn phát được biến đổi thành tín hiệu quang sau đó được truyền trên cáp sợi quang dưới dạng ánh sáng và đến đầu thu thông tin được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện

Tháng 2/1960 Maiman chế tạo ra Laser Rubi, tháng 6/1960 Javan chế tạo ra Laser He Ne và năm 1962 Basov, Prokhonov chế tạo ra Laser -bán dẫn được ứng dụng trong thông tin cáp sợi quang Nhưng các tham

số truyền dẫn của môi trường này thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không ổn định

Đến năm 1970 người ta đã chế tạo thành công những sợi quang đầu tiên có độ suy hao nhỏ hơn 20dB/km và cuộc cách mạng công nghệ sợi quang bắt đầu

Năm 1977 hệ thống thông tin quang bắt đầu được dùng cho truyền thoại, truyền số liệu tương tự, điện thoại hình và dịch vụ video Cùng năm

đó hãng NTT công bố loại sợi quang có độ suy hao 0,5dB/km tại bước sóng λ=1200nm

Năm 1980 và 1982 các hệ thống thông tin đường trục sử dụng cáp

sợi quang 45Mbit/s và 90 Mbit/s đó được lắp đặt.

Năm 1983 AT&T chế tạo thành cụng sợi đơn mode

Năm 1985 sản xuất sợi quang cụng tỏc tại bước súng λ=1550nm cựng với việc lắp đặt hệ thống siờu đường trục gồm 8 kờnh video/1 sợi và năm 1987 là 16 kờnh video/1 sợi, dung lượng hệ thống năm 1986 đó là 560Mbit/s

Cho đến năm 1988 cỏc hệ thống vẫn dựa trờn cơ sở ghộp kờnh khụng đồng bộ, chủ yếu dựa vào cỏc chuẩn giao tiếp DS-1 và DS 3, -chưa cú chuẩn giao tiếp quang

Năm 1989 xuất hiện cỏc chuẩn giao tiếp mạng quang đồng bộ SONET giỳp cho việc thiết kế cỏc hệ thống thụng tin cỏp sợi quang SDH được thuận lợi

1.2 Cấu trỳc của một hệ thống thụng tin cỏp sợi quang

Một tuyến truyền dẫn cỏp quang thường bao gồm cỏc phần tử được mụ tả như hỡnh 1.1 [43]

Nguồn phát quang

Mạch

đ iều khiển

Trạm lặp

Bộ tách hoặc ghép quang

Tín hiệu

Bộ nối quang

Bộ chia quang

Sợi quang

Khuyếch đại quang

Bộ thu quang

Khôi phục tín hiệu

Tách sóng quang

Tín hiệu

điện ra

Hỡnh 1.1 Sơ đồ của một hệ thống thụng tin quang

Hệ thống thông tin cáp sợi quang có cấu trúc tương tự như các hệ thống thông tin khác gồm : Phần phát, môi trường truyền và phần thu Với hệ thống thông tin cáp sợi quang thì môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang- có nhiệm vụ truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát đến phía thu.

Hiện nay các hệ thống thông tin cáp sợi quang chủ yếu là truyền dẫn tín hiệu số Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phát quang Phần thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, các trạm lặp, các trạm tách và ghép quang Các nguồn quang cơ bản sử dụng cho hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là Laser điốt (LD) hoặc điốt phát quang (LED) Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng, công suất quang ra phụ thuộc vào biến đổi của cường độ tín hiệu quang

Tín hiệu quang sau khi đã được điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang

sẽ có thể bị suy hao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc Độ dài của 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 thì cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu Trạm lặp gồm các thiết bị thu, biến đổi quang điện, khuếch đại điện và phát lại - quang vào đường truyền tiếp theo Các trạm lặp có thể được thay thế bằng các bộ khuếch đại quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc

photodiode APD vì chúng có hiệu suất làm việc cao và tốc độ biến đổi nhanh Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang nhỏ nhất (độ nhạy thu quang) có thể thu được ở một tốc độ bit truyền dẫn tại một tỉ lệ lỗi bit BER nào đó.

1.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang

Hệ thống thông tin cáp sợi quang nhìn chung có một số ưu điểm nổi 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 ở bước sóng 1300nm và 0,2-0,25 dB/km ở bước sóng 1500nm)

Tín hiệu truyền dẫn trong cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường ngoài Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao

Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ uốn cong cho phép ghép nhiều sợi trong một lõi cáp và dễ lắp đặt

Cho phép truyền dẫn khoảng cách lớn hơn các cáp kim loại và khoảng cách trạm lặp được xa hơn

Chương 2

Kỹ thuật khuếch đại quang sợi

Trong hệ thống thông tin cáp sợi quang khoảng cách lớn cần có các bộ lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang- điện và điện quang Khi mà tín hiệu quang rất yếu quá mức cho phép, –

sẽ được các trạm lặp thu lại, biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành xử lý tín hiệu điện này và cuối cùng là thực hiện biến đổi lại tín hiệu điện này thành tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền Các trạm lặp này đã được ứng dụng khá rộng rãi và ở hầu hết các tuuyến thông tin quang trong thời gian vừa qua [18]

Trong hơn chục năm trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà không cần qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kỹ thuật

khuếch đại quang Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của các trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, ảnh hưởng của tạp âm điện, Việc áp dụng các bộ khuếch đại quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho qúa trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển các mạng toàn 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 và khuếch đại quang sợi EDFA, Trong đó EDFA được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày nay Do vậy, trong Luận văn này chúng tôi sẽ nêu nguyên tắc hoạt động, các đặc điểm của chủ yếu của EDFA để làm tiền đề cho các nghiên cứu sau này, khi ứng dụng EDFA trong hệ thống thông tin quang

2.1 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA

Trong bộ khuếch đại quang sợi, người ta sử dụng một loại sợi quang được pha chất đặc biệt như Erbium (EDFA), Praseodymium

(PDFA), sợi này được gọi là DF(Doped Fibre) [17] Các sợi này được xem như là các sợi tích cực vì chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lý của chúng theo sự thay đổi của nhiệt độ, áp suất, và có tính chất bức

xạ ánh sáng Một tính chất đặc biệt của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có các kích thích phù hợp (hay được cung cấp nguồn bơm phù hợp)

Các chất pha tạp để tạo thành sợi DF là các chất đất hiếm (rare earth) Cơ chế của sợi pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại quang được thể hiện theo mô hình 3 hay là 4 mức: Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên mức có năng lượng cao hơn E2 Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ hoặc nếu như có một mức năng lượng thấp hơn E3 nó

sẽ thả không bức xạ tới mức đó Từ đây điện tử có thể phân rã xuống

mức E1 hoặc E4 thông qua quá trình bức xạ tự phát theo hình vẽ, trong

đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích

Nếu thời gian sống ở mức E3 đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xẩy ra nghịch đảo độ tích luỹ Đây là điều kiện

để có một số các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn mức tới (E1 hoặc E4) Một photon có năng lượng tương đương với sự chênh lệch mức năng lượng giữa mức E3 và E1 (3 mức) hay chênh lệch giữa mức E3 và E4 (4 mức) mà nó va chạm trên môi trường gây ra bức xạ kích thích của các phôton Trong mô hình trên, tại điều kiện bình thường không có kích thích nào thì hầu hết các điện tử đều nằm trong trạng thái

cơ bản E1 Như vậy nó sẽ dễ dàng tạo ra nghịch đảo nồng độ giữa các mức E3 và E4 hơn là giữa E3 và E1 Vì vậy thông thường các giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn các laser 3 mức

Có nhiều các ion đất hiếm có các dải huỳnh quang vì vậy chúng có khả năng bức xạ kích thích có khả năng được dùng để tạo ra sợi DF – ứng dụng cho khuếch đại quang Ví dụ như Nd 3 có dải bức xạ ở 1,06µm và 1,32µm hay chất Er3 + có dải bức xạ ở 1550nm và 2700nm,.v.v… Hiện nay các bộ khuếch đại quang pha tạp chất Er3 + được ứng dụng rộng rãi nên ta sẽ xét các tính chất chủ yếu của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

2.1.1 Cấu trúc của bộ khuếch đại EDFA

Cấu trúc cơ bản của một EDFA như sau [17, 43]:

Hình 2.1 Cấu trúc của EDFA

Các thành phần chính của một EDFA bao gồm một đoạn sợi EDF được pha tạp chất Erbium, nguồn laser bơm, bộ ghép bước sóng và các

bộ cách ly quang Để có được khuếch đại phải cung cấp cho sợi một nguồn pha tạp bơm Với EDFA nguồn bơm quang có bước sóng trong vùng 980nm hoặc 1480nm Công suất bơm khoảng từ 10mW tới 100mW

Chức năng chính của các thành phần cơ bản cấu tạo nên EDFA:

• Bộ ghép WDM: Thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi EDF hoặc trong một vài trường hợp nó lại tách các tín hiệu này

• Bộ cách ly có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống như phản xạ Rayleigh từ các bộ nối quang, ngược lại từ bộ khuếch đại

• Sợi pha tạp chất Er 3 + EDF là thành phần quan trọng nhất trong EDFA Nồng độ của erbium thường nhỏ hơn 0,1% Các sợi EDF này thường có lõi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn so với các sợi đơn mode tiêu chuẩn Ngoài sự pha tạp erbium trong lõi thì cấu trúc của EDF giống như cấu trúc của sợi đơn mode theo khuyến nghị của ITU-T G652

và G653 Với sợi EDF có NA cao thì cho EDFA có đặc tính khuếch đại hiệu quả cao

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của E DFA

Quá trình bức xạ xẩy ra trong EDFA bao gồm: Bức xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi các ion Er 3 + được kích thích từ trạng thái nền ( 4

2 / 15

I ) thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng lượng cao hơn cho tới khi nó tiến tới trạng thái siêu bền ( 4 ) Tín hiệu quang tới sẽ đi đến với các ion Erbium đã được kích thích Quá trình kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng quang như là tín hiệu tới Như vậy, đã đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới

sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ τ = 10 ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và hướng ngẫu

nhiên Tiêu biểu có ít hơn 1% phát xạ tự phát được giữ lại bởi mode sợi quang và nó trở thành một nguồn tạp âm quang Tạp âm này sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission)

2.1.3 Các tham số đặc trưng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

* Công suất và bước sóng nguồn bơm:

Trong EDFA có một vùng bước sóng bơm cho phép kích thích các ion Erbium Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc mạnh vào công suất và bước sóng của nguồn bơm tại hai bước sóng 980nm và 1480nm như được thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.2 Biể u đồ n ng lượng đối v i ion erbium hoá tr 3 ă ớ ị

* Khuếch đại trong EDFA:

Độ khuếch đại của EDFA được xác định theo công thức sau [17,

20, 43]:

in

sp out

P

P P

= (2.1)

trong đó, P ,in Pout là công suất vào và ra của bộ khuếch đại quang và Psp

là công suất tạp âm được phát ra từ bộ khuếch đại quang Độ khuếch đại

G của EDFA phụ thuộc nhiều vào chiều dài L của sợi EDF và công suất bơm như được mô tả trên hình 2.4 sau [17]:

* Khuếch đại bão hoà:

Với công suất vào nằm trong một giới hạn cho phép thì được EDFA khuếch đại lên Nhưng khi công suất vào tăng đến một giá trị nào

đó thì bắt đầu xuất hiện sự bão hoà và sự bão hoà độ khuếch đại được xem như là sự giảm khuếch đại trong khi công suất tín hiệu vào EDFA tăng Độ khuếch đại G của EDFA có thể được viết dưới dạng sau [17]:

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất bơm và chiều dài

i

in

P

P G

e G

G = 0. (1− ) (2.2)

0

G là độ khuếch đại tín hiệu nhỏ, P sat là công suất bão hoà Công suất bão hoà có thể được xem như là công suất ở nơi mà độ khuếch đại giảm

đi một nửa so với giá trị chưa bão hoà

* Phổ khuếch đại của EDFA:

Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng, trong thực tế người ta mong muốn EDFA có phổ khuếch đại bằng phẳng trong một khoảng bước sóng rộng Để mở rộng phổ khuếch đại của EDFA có nhiều cách nhưng cách làm hay dùng là pha sợi EDF chất Al hoặc P

2.2 Kỹ thuật khuếch đại quang bán dẫn

Nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại quang bán dẫn được thể hiện bằng các nguyên lý vật lý như hoạt động của các Laser bán dẫn Ở

Hình 2.5 S ự bão hoà khuếch đạ i trong EDFA

Hình 2.6 Phổ khu ch đại c a EDFA ế ủ

trạng thái bền vững , hệ số khuếch đại vật liệu cho một đơn vị độ dài gvphụ thuộc vào cường độ tín hiệu theo công thức:

s

v

I

I I

g g

sẽ được tính toán và mô phỏng với các tham số khác nhau của hệ thống.

3.1 Mô hình phân tích tạp âm trong bộ khuếch đại quang

Khuếch đại quang sợi EDFA ra đời đã đánh dấu một bước phát triển mới cho các hệ thống thông tin quang IM-DD, đặc biệt các hệ thống thông tin tốc độ cao, cự ly truyền dẫn dài Nó đã giải quyết những khó khăn khi sử dụng các thiết bị lặp thông thường trong đó phải thông qua quá trình biến đổi quang điện và điện - –quang

Khuếch đại quang có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với các bộ khuếch đại điện Đó là, chúng có băng tần khuếch đại cao hơn hẳn (có thể vài nghìn GHz) Cho phép giải quyết tốt hiện tượng tắc nghẽn thông tin tại các mạng thông tin quang (hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck))

Nó có thể khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu đầu vào với các bước sóng khác nhau một cách đồng thời Ngoài ra, các bộ khuếch đại quang sợi có

hệ số khuếch đại rất cao, cho phép giải quyết rất tốt vấn đề suy hao, yếu

tố giới hạn chính khoảng cách của tuyến thông tin quang Với những ưu

điểm trên các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng rất rộng rãi trên các tuyến thông tin quang tốc độ cao hiện nay Tuy nhiên, ngoài khuếch đại tín hiệu quang nó cũng phát sinh ra tạp âm bức xạ tự phát, tạp âm phách tín hiệu tự phát, do hiện tượng phách (giao thoa) giữa tín hiệu quang và - bức xạ tự phát SE (Spontaneous Emission), tạp âm phách tự phát- tự phát (phách giữa bức xạ SE với nhau).

Trong tuyến thông tin quang, các bộ khuếch đại quang có thể được đặt tại phía phát (BA), phía thu (PA), hoặc trên đường truyền (LA) (xem hình 3.1) Do đó, việc quyết định đặt bộ khuếch đại ở đâu sẽ có hiệu quả nhất là một vấn đề rất quan trọng Luận văn đưa ra phương pháp phân tích, tính toán so sánh nhằm sử dụng tối ưu các bộ khuếch đại này Phương pháp nghiên cứu ở đây là phân tích tạp âm của các bộ khuếch đại từ đó tính toán SNR và cự ly truyền dẫn cho từng loại bộ khuếch đại

Tạp âm trong bộ khuếch đại quang là một trong các tham số chính liên quan tới đặc tính truyền dẫn như cự ly truyền dẫn và tốc độ bit lớn nhất Nói chung bộ khuếch đại quang sợi có 2 thành phần tạp âm [23]: Tạp âm quang (hay còn gọi là tạp âm trường quang) và tạp âm cường

độ Tạp âm quang muốn nói đến phổ tạp âm quang và thường được đo bằng máy phân tích phổ quang Tạp âm cường độ muốn nói về sự thăng giáng công suất hoặc dòng có liên quan đến tín hiệu quang Tạp âm cường độ bao gồm: Tạp âm lượng tử, tạp âm phách tín hiệu tự phát, tạp -

âm phách t

Hình 3.1 S d ng b ử ụ ộ khuếch đạ i trên tuy n thông tin cáp s ế ợi

quang

(a) Tiền khuếch đại

(b) Khuếch đại công suất

Trước hết, hãy phân tích, tính toán các tạp âm cho trường hợp BA Hai trường hợp còn lại sẽ được suy ra từ trường hợp này Các tham số

sh I mI

I = + (3.1)

trong đó: I sp ( re ) = ℜ P sp ( re ) (3.2)

η là hiệu suất lượng tử, υ là tần số tín hiệu quang, e là điện tích electron, h là hằng số Planck, Is là dòng tín hiệu ánh sáng sau tách sóng

sp

I là dòng tạp âm bức xạ tự phát tại phía thu, m t là số mode ngang.Công suất tạp âm lượng tử được viết như sau:

)(

2

re sp t s e

sh = eB I +mI

σ (3.3)

3.1.2 Tạp âm nhiệt

Với photodiode PIN, nhìn chung tạp âm nhiệt là thành phần tạp âm trội, công suất tạp âm nhiệt cho bởi công thức sau:

Ở đây, k là hằng số Boltzman, là nhiệt độ (K), là điện trở tải, và T R

Trường cổ điển tổng hợp của chúng được viết như sau [17, 23]:

) ( ) ( t E t E

Etot = s + sp (3.5)

Trường cổ điển của tín hiệu quang đi tới bộ tách sóng được viết như sau:

) cos(

2 )

(3.6) Trường cổ điển của tạp âm đến bộ tách sóng quang được viết là:

] ) 2

cos[(

) 1 ( 2

M i

phát, được xác định bằng:

0 0 1

M N N

([)

iphtot =ℜ s + sp (3.8)

2 0 0

0 0

0

) cos(

2 ] ) 2 cos[(

) 1 ( 2

− ℜ

−

→

t P

t i G

N

M M

e sp

2 0

2

sp

e t sp

sp

B B I B

2 2 2

sp sp sp s th sh tot =σ +σ +σ − +σ −

(3.11) Thay các công thức (3.3), (3.4), (3.9) và (3.10) vào (3.11) ta có:

) 2 ( 2

4

4 ) (

2 0

2 0

2 )

(

sp

e t sp

in e e

re sp t s

e

tot

B B I B

B m I

GI B

B R

kTB I

m I

(3.12)

Tính toán tương tự như trên cho các trường hợp còn lại ta được

kết quả như sau:

• Với trường hợp PA (Pre-Amplifier)

) 2 (

2 4

4 ) (

2 0 0

) (

sp

e t sp in e e re

sp t s e tot

B B I B

B m I

GI B

B R

kTB I

m I

)

2 ( 2

4

4 ) (

2 0

2 2 0

2 2 )

(

sp

e t sp

in e e

re sp t s e tot

B B I B

B m I

GI B

B R

kTB I

m I

3.2.1 Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho ba phương án

Trong phần này chúng tôi nghiên cứu ứng dụng đầu tiên của bộ khuếch đại quang EDFA trong tuyến truyền dẫn quang là làm khuếch đại công suất BA, khuếch đại đường truyền LA hoặc làm tiền khuếch đại Trong tính toán, thiết kế việc chọn được vị trí đặt EDFA trên tuyến làm sao cho tối ưu SNR hoặc BER hay khoảng cách truyền dẫn cực đại của tuyến là cực kỳ quan trọng Do vậy, chúng tôi sẽ so sánh và đánh giá việc

sử dụng EDFA trên tuyến làm sao cho có hiệu quả nhất mà vẫn phải đảm bảo chất lượng truyền tín hiệu yêu cầu

Việc đánh giá chất lượng truyền tín hiệu dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm sau tách sóng quang và để tính Tỷ số tín hiệu trên tạp âm ta thực hiện tính toán theo những bước như sau:

Ứng với công suất quang tới bộ tách sóng là Ps, sau tách sóng quang theo luật bình phương công suất tách sóng quang được xác định bởi:

2

) ( Ps

2 0 2 2

0

2 2

2

) ( 4 ) 2 (

2 4

) (

2

) (

G R

kTB P

B B B

B m G P P GB

B P

m GP G

eB

P eSNR

e sp

e e

t sp

tx

e sp

t tx e

tx

ℜ +

− +

+ +

ℜ

=

αα

α

α

(3.16)

• Trường hợp LA

2 e 2

sp

e 0 2 0

e t 2

2 2 sp tx 0

e 1

2 2 sp t tx 1 2

2

e

2 tx 2 1

) pG ( R

kTB 4 P ) 2

B B ( B

B m G

2 P P GB

B 4 ) P m P G ( pG

eB

2

) P ( eSNR

+

− +

+ +

=

α α

α α

α

α α

• Trường hợp PA

2

2 0

2 0

2 0

2

2

) ( 4 ) 2 (

2 4

) (

2

) (

G R

kTB P

B B B

B m G P P GB

B P

m P G G

eB

P eSNR

e sp

e e

t sp

tx

e sp

t tx e

tx

ℜ +

− +

+ +

ℜ

=

αα

3.2.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận

Từ những kết quả thu được về eSNR (3.16), (3.17) và (3.18) cho các trường hợp sử dụng bộ khuếch đại EDFA làm BA, LA và PA ta có thể xây dựng sự phụ thuộc của eSNR, công suất thu Ps vào hệ số khuếch đại

G của EDFA ứng với giá trị công suất phát Ptxcho trước Kết quả được thể hiện trên hình 3.2 và 3.3 với Ptx = − 1 5 dBm

(3.17)

Hình 3.2 Kết quả so sánh tỷ số tín

hi u trên t p âm cho 3 tr ệ ạ ườ ng h p ợ

Hình 3.3 Kết quả so sánh công suất quang thu đượ c cho 3 tr ườ ng h p ợ

Kết quả tính toán ở trên cho thấy tỷ số tín hiệu trên tạp âm trong cả

ba phương án sử dụng EDFA trên tuyến đều tăng theo giá trị của hệ số khuếch đại G; tuy nhiên, khi G tăng đến một giá trị giới hạn nhất định nào

đó thì eSNR của cả ba phương án đều không tăng nữa và đạt đến giá trị bão hoà Kết quả này là phù hợp với thực tế, vì khi hệ số khuếch đại tăng, mặc dù tín hiệu quang tăng nhưng đồng thời công suất tạp âm cũng tăng và làm bão hoà eSNR Ta cũng có nhận xét là trong hệ thống sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với làm khuếch đại đường truyền hay khuếch đại công suất, bởi nó vừa dễ dàng cho việc giám sát nguồn bơm, vừa có tỷ số tín hiệu trên tạp âm cao Do

đó, trong trong mấy năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao độ nhạy thu quang của tuyến thông tin quang sử dụng tiền khuếch đại quang Trong bản Luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày sâu hơn một số kết quả đó trong thiết kế tính toán tuyến có sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại quang

3.3 Ứng dụng EDFA để tăng độ nhạy thu quang

Một trong những ứng dụng điển hình của EDFA là ứng dụng trong các tuyến thông tin quang làm tiền khuếch đại quang PA để tăng độ nhạy thu quang [43] Để nghiên cứu độ nhạy thu quang trước hết đi nghiên cứu tỷ tín hiệu trên tạp âm sau tách sóng quang của hệ thống này Theo công thức (3.18) ta có thể tính được tỷ số tín hiệu trên tạp âm của hệ thống tiền khuếch đại quang như sau:

2 ) (

4 ) 2 / (

2 4

) (

2

0 2

2 2 0 0

2

eG

h R

kTB B

B G

P B

B m P P GB

B G

P m P G

eSNR

e e

sp e t in sp e sp

t in e

in

υ

+

− +

+ +

(3.19)

trong đó, Pin là công suất đầu vào bộ khuếch đại quang EDFA, Be, B 0 là

băng tần điện của bộ thu và băng tần quang của bộ lọc quang sau EDFA; e,k, R, T lần lượt là điện tích electron, hằng số Boltzman, điện trở sau tách sóng và nhiệt độ tuyệt đối; Isp là dòng phôtô tạo ra do phát xạ tự phát sau tách sóng quang, Isp = ℜ Psp = ℜ nsphυ( G − 1 ) B 0; P sp là công suất của phát xạ tự phát; nsp, h ,υ , G tương ứng là hệ số phát xạ, hằng số Planck, tần số quang và hệ số khuếch đại của EDFA.

Từ công thức (3.19) giá trị của độ nhạy thu được tính như sau:

+ +

=

2 / 1 0

2 2 0

2 2

0 0

) 2 / ( )

( 4 ) (

G

eSNR B

B P B

B G

eSNR e

h R

kTB G

eSNR P

B

B G

đó, việc tính toán và phân tích các ảnh hưởng của các tham số trên đến

độ nhạy thu của hệ thống thông tin quang dùng EDFA làm tiền khuếch đại quang là hết sức có ý nghĩa

Trong Luận văn này chúng tôi sẽ đánh giá ảnh hưởng của hai tham số quan trọng trong hệ thống đó là hệ số khuếch đại G và BER đến độ nhạy thu và khoảng cách truyền dẫn của tuyến thông tin quang

Trước hết, chúng tôi nghiên cứu sự phụ thuộc của Tỷ số tín hiệu trên tạp âm sau tách sóng quang eSNR phụ thuộc vào hệ số khuếch đại G với

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của eSNR vào

G v i kho ng cách truy n khác nhau ớ ả ề

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của eSNR vào

G vớ i công su t phát khác nhau ấ

các khoảng cách truyền dẫn và công suất phát khác nhau, kết quả được chỉ ra trên hình 3.4 và hình 3.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm eSNR tăng theo giá trị của hệ số khuếch đại G, trong khi đó khoảng cácht ruyền dẫn của tuyến tăng thì eSNR lại giảm Ví dụ tại G=5dB, ở các khoảng cách tuyến là 100 km, 130 km và 150 km thì eSNR nhận các giấ trị là 23dB, 33dB và 43 dB tương ứng Tương tự như trên, eSNR của hệ thống cũng

tỷ lệ thuận với công suất phát, khi công suất phát tăng 5 dBm từ giá trị 10dBm đến giá trị 5dBm, tỷ số tín hiệu trên tạp âm tăng khoảng 10 dB -Đồng thời sự tăng của eSNR gần như tuyến tính với sự tăng của hệ số khuếch đại khi hệ số khuếch đại G còn nhỏ (từ 5-15 dB); tuy nhiên khi G lớn hơn 15 dB thì hầu như là eSNR giữ giá trị không đổi, lúc này việc tăng G để tăng eSNR là không còn ý nghĩa và ta muốn tăng eSNR phải dùng biện pháp kỹ thuật khác

bit Ngoài ra, yêu cầu về chất lượng truyền tin hay BER và tốc độtruyền dẫn cũng có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tín hiệu trên tạp âm của hệ thống Kết quả mô phỏng cho sự ảnh hưởng của tốc độ bit và BER lên tỷ

số tín hiệu trên tạp âm được thể hiện trên hình 3.6 Kết quả mô phỏng cho thấy khi tốc độ bit tăng thì giá trị tỷ số tín hiệu trên tạp âm giảm, ví dụ như khi tốc độ bit là 2,5 Gbps thì giá trị tỷ số tín hiệu trên tạp âm là 15 dB tại G= 15 dB, tuy nhiên khi tốc độ bit tăng đến 10 Gbps thì tỷ số tín hiệu t

Yêu cầu về chất lượng của hệ thống càng cao tức giá trị tỷ lệ lỗi bit

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của eSNR vào hệ

s ố khuếch đại G với tốc độ bit khác nhau

Hình 3.7 Sự phụ thuộc của eSNR vào

h s ệ ố khuếch đại G vớ i BER khác nhau

BER càng nhỏ thì độ nhạy thu của hệ thống càng giảm Trên hình 3.7 là kết quả mô phỏng cho sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào hệ số khuếch đại G của bộ khuếch đại quang EDFA với các yêu cầu về tỷ lệ lỗi bit khác nhau Ta thấy rằng độ nhạy thu của hệ thống tỷ lệ với G, khi G tăng lên thì độ nhạy thu của hệ thống cũng tăng theo và độ nhạy thu hầu như không tăng nữa khi G lớn (G> 20dB), đồng thời tỷ lệ lỗi bit BER giảm thì

độ nhạy thu giảm theo, ví dụ tại G= 20dB và yêu cầu BER = 10 − 9 thì độ nhạy thu là 72 dBm, trong khi vẫn giữ nguyên giá trị G trên và yêu cầu -

12

10 −

=

BER thì độ nhạy thu lúc này chỉ còn là -70dBm

Tiếp theo chúng tôi mô phỏng sự phụ thuộc của khoảng cách truyền dẫn của tuyến vào giá trị của hệ số khuếch đại G với các yêu cầu

về chất lượng khác nhau Khoảng cách truyền dẫn của tuyến L tăng nhanh theo G khi G còn nhỏ, và khi yêu cầu BER càng nhỏ thì khoảng cách truyền dẫn của tuyến giảm xuống, ví dụ khi yêu cầu BER = 10 − 6 thì khoảng cách truyền có thể đạt đến 110km, tuy nhiên khi BER giảm xuống

12

− thì khoảng cách truyền lúc này chỉ đạt 100km Từ hình 3.8 ta

có nhận xét rằng muốn tăng khoảng cách truyền dẫn của tuyến tại một giá trị BER nào đó có thể tăng hệ số khuếch đại G của EDFA với điều kiện G không tăng quá 25 dB, khi G lớn hơn 25 dB thì khoảng cách truyền dẫn L không tăng theo G nữa

Hình 3.9 mô phỏng cho mối quan hệ giữa khoảng cách truyền dẫn

và G với các giá trị công suất phát khác nhau Công suất phát càng cao

Hình 3.8 Khoảng cách truyền dẫn cực đại

v ới hệ ố khuếch đại G s

Hình 3.9 So sánh hệ th ống có khuếch đại quang và không có khuếch đại quang

thì khoảng cách truyền dẫn càng cao tại một giá trị BER cho trước, kết quả mô phỏng cho thấy khi sử dụng EDFA thì khoảng cách truyền dẫn của tuyến tăng hơn nhiều, ví dụ tại giá trị công suất phát Ptx= 0 dBmkhoảng cách truyền của tuyến khi không có EDFA là 40 km, nếu như sử dụng EDFA thì khoảng cách truyền đẫn của tuyến cao hơn nhiều, chẳng hạn như tại G = 15 dB thì khoảng cách truyền đã tăng đến 100km.

Như vậy ta thấy độ nhạy thu và khoảng cách truyền dẫn của tuyến truyền dẫn quang phụ thuộc vào rất nhiều tham số của hệ thống, và để tăng độ nhạy thu, cũng như là tăng khoảng cách truyền dẫn của tuyến ta

có thể sử dụng EDFA trên tuyến làm tiền khuếch đại

3.4 Nâng cao tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống thông tin quang[24]

3.4.1 Hệ thống thông tin quang không sử dụng khuếch đại quang

Việc thiết kế các hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống thông tin quang SDH dựa vào các chuẩn được khuyến nghị bởi ITU-T Tuy nhiên, tham số BER tham số thể hiện chất lượng của hệ thống thì - chưa được quy chuẩn và các nhà thiết kế có thể chọn BER = 10 − 10 hoặc

12

10 −

=

BER tuỳ theo hệ thống

Khái niệm về công suất bù BER được đưa ra nhằm đảm bảo cho

hệ thống hoạt động tại mọi giá trị BER yêu cầu và phương pháp tính toán công suất bù BER (∆ PBER) cho các hệ thống tin quang có và không có sử dụng EDFA được nghiên cứu Với phương pháp đó ta có thể tính toán thiết kế hệ thống truyền dẫn quang bảo đảm các giá trị BER theo yêu cầu

Trong phần này chúng tôi đưa ra phương pháp tính công suất bù BER cho hệ thống không sử dụng khuếch đại quang, bộ tách sóng sử dụng là PIN hoặc APD Phương pháp tính toán công suất bù BER trong

hệ thống thông tin cáp sợi quang có tính đến ảnh hưởng của mọi nguồn

tạp âm trong bộ tách sóng quang Từ kết quả thu được sẽ giúp các nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn quang xác định chính xác quỹ công suất khi muốn nâng cấp hệ thống.

3.4.1.1 Phương pháp tính công suất bù:

* Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR:

Để tính công suất bù trước hết ta thiết lập tỷ số tín hiệu trên tạp âm điện eSNR ở đầu ra của bộ tách sóng quang Công suất tạp âm sau tách sóng quang khi hệ thống dùng APD là [18]:

R kTB I eB FB M I I

total 2 ( ) 2 2 4 /

σ (3.21)

ứng với công suất quang Ps tới bộ tách sóng, theo luật bình phương công suất công suât tín hiệu là :

2

) ( Ps

S = ℜ , (3.22)

trong đó: k là hằng số Boltzman, T: nhiệt độ làm việc của hệ thống, Be: Băng tần điện bộ thu, M: Hệ số nhân thác của APD; I ,d ILlần lượt là dòng tối và dòng rò bề mặt của bộ tách sóng quang, R: điện trở tải;

eB F M I P eB

M P eSNR

e L e d

s e

s

4 2 ) ( 2

) (

2

2 2

+ + +

ℜ

ℜ

= (3.23)

- Với PIN:

R

kTB I

eB I

P eB

P eSNR

e L

e d

s e

s

4 2

) (

2

) ( 2

+ +

+ ℜ

giá trị ban đầu nào đó lên giá trị mới nhằm đảm bảo cho hệ thống có độ

tin cậy cao hơn, ví dụ từ BER = 10 − 10 lên BER = 10 − 12 hoặc BER = 10 − 14 và tính

Trong đó P và PNew là công suất thu được cực tiểu của bộ tách sóng ứng

với giá trị ban đầu BER = 10 − 10 và giá trị mới BER New của BER

Theo (3.23), (3.24), eSNR đều có dạng:

C BP

AP eSNR

Trong đó các hệ số A, B, C được tính như sau:

eB I

eB

L e d

e

4 2

=

- Hệ thống dùng tách sóng quang APD:

2 M

A ℜ =

F M eB

B = 2 eℜ 2

R

kTB I

eB F

M I eB

L e d

e

4 2

=

Từ phương trình (3.26) ta có:

0

P 2 − eSNR BP − eSNR C =

A s s (3.27)

Giải phương trình (3.27) theo Ps, ta tìm ra:

A

eSNR AC B

eSNR B

eSNR

Ps

2

4 ) (

+ +

4 ) (

eSNRB

eSNR AC B

eSNR B

+ +

+ +

3.4.1.2 Kết quả mô phỏng và kết luận:

Trong phần này chúng tôi đã đưa ra phương pháp tính toán công suất bù BER có tính đến ảnh hưởng của mọi nguồn tạp âm có trong bộ tách sóng quang

Từ kết quả trên, sau đây chúng tôi mô phỏng tính toán và so sánh với trường hợp tính toán gần đúng (chỉ có tạp âm nhiệt), các tham số hệ thống cho mô phỏng là : Bước sóng hoạt động λ = 1550 nm, T= 3000 K, băng tần điện Be= 2 5 GHz, băng tần quang B0 = 0 1 nmvà đáp ứng của bộ

Hình 3.10 chỉ ra mối quan hệ giữa công suất bù BER và giá trị BER của

hệ thống sử dụng tách sóng PIN ứng với công suất phát Ptx= − 1 5 dBm Kết quả mô phỏng cho hai trường hợp tính toán gần đúng với tạp âm nhiệt và tính đến ảnh hưởng của mọi nguồn tạp âm trong PIN Từ kết quả đó thấy rằng giá trị công suất bù BER khi tính toán gần đúng với tạp âm nhiệt có giá trị gần bằng với giá trị tính toán thực tế Từ kết quả đó cho thấy khi

thiết kế các hệ thống quang sử dụng tách sóng PIN ta chỉ cần tính ảnh hưởng của tạp âm nhiệt mà vẫn đảm bảo được giá trị công suất bù theo yêu cầu.

Hình 3.11 mô phỏng cho trường hợp hệ thống sử dụng tách sóng quang APD Từ kết quả mô phỏng cho thấy, giá trị công suất bù tính gần đúng và tính toán với mọi nguồn tạp âm gần như bằng nhau Do vậy, ta cũng có kết luận rằng với hệ thống sử dụng APD thì chỉ cần tính đến ảnh hưởng của tạp âm thác lũ

3.4.1.3 Kết luận:

Trong thiết kế nâng cấp hệ thống, các nhà thiết kế có thể tính công suất bù BER với giá trị gần đúng là tạp âm nhiệt (Nếu dùng tách sóng PIN) và tạp âm thác lũ (nếu dùng tách sóng APD) mà vẫn đảm bảo chính xác quỹ công suất và chất lượng của hệ thống

Với phương pháp tính toán công suất bù BER này, không những cho phép tính toán đảm bảo yêu cầu chất lượng của hệ thống mà còn cho phép thiết kế nâng cấp hệ thống thông tin cáp sợi quang để đáp ứng được với các yêu cầu dịch vụ mới băng rộng ngày nay

3.4.2 Hệ thống thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang

Trong mục này đưa ra phương pháp tính toán phần công suất bù

cho h ệ thống dùng PIN

cho hệ thống dùng APD

BER khi sử dụng EDFA làm BA, làm LA và làm PA từ đó giúp các nhà

thiết kế hệ thống truyền dẫn quang xác định chính xác quỹ công suất và

tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống

3.4.2.1 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm của hệ thống sử dụng EDFA

ch

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm của các trường hợp sử dụng bộ khuế

đại được xác định bởi (3.16), (3.17) và (3.18)

Nhìn chung trong cả 3 trường hợp trên, eSNR đều có thể viết dưới

dạng:

C BP

AP eSNR

(3.29) Các hệ số A, B, C được xác định cho từng trường hợp như sau:

 Với BA thì:

A = α (3.30)

sp e

GB

B G

eB B

= (3.31)

2 2

0 2 0 2 2

2 2

G R

kTB P

B B B

B m G P m G

eB

sp e e t sp

t e

ℜ +

− +

ℜ

= α α (3.32)

 Với LA thì:

2

1αα

=

A

(3.33)

sp e

GB

B G

eB B

0

2 2 1 2

2

α α α

ℜ

= (3.34)

2

2 0 2 0 2

2 2 2

2

) ( 4 ) 2 ( 2

2

G R

kTB P

B B B

B m G P m G

eB

sp e e t sp t e

ℜ +

− +

ℜ

= α α (3.35)

 Với PA thì:

=

A (3.36)

sp e

GB

B G

eB B

= (3.37)

2

2 0

2 0 2

2 2

G R

kTB P

B B B

B m G P m G

eB

sp e e

t sp t e

ℜ +

− +

ℜ

(3.38)

Ta sẽ sử dụng công thức chung về eSNR (3.29) để tính toán ∆ PBER rồi từ

đó sẽ suy ra cho từng trường hợp BA, LA, hoặc PA

3.4.2.2 Tính toán công suất bù BER ∆PBER

Nếu coi eSNR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm ứng với BER = 10 − 10 và

eSNR Newcho trường hợp BER bằng giá trị theo yêu cầu của thiết kế thì:

C BP

AP eSNR

và

C BP

AP eSNR

txNew

txNew New

+

=

2

) ( (3.40)

khi đó:

C BP

C BP

P

P eSNR

eSNR

tx txNew txNew

P dB P dB

PBER[ ] = txNew[ ] − tx[ ] = 10 log

(3.42)

Từ (3.41) và (3.42) có thể rút ra:

0 )

( )

tx New New

C eSNR k B eSNR k

P

C B eSNR (3.43)

Giải phương trình (3.43) ta được:

) ( 2

) (

4 )

tx

tx tx New New

New

P

C B eSNR

P

C P

C B eSNR eSNR B

eSNR B

eSNR k

+

+ +

4 ) (

tx New New

New BER

P

C B eSNR P

C P

C B eSNR eSNR B

eSNR B

eSNR dB

P

 Với BA thì:

3 ) ( log 10 ] ) (

4 ) (

− +

+ +

=

∆

tx tx

tx New New

New BER

P

C B eSNR P

C P

C B eSNR eSNR B

eSNR B

eSNR dB

P

trong đó:

2

2 0

2 0 2 2 0

2 2

2

) ( 4 ) 2 ( 2

4

) (

2

) (

G R

kTB P

B B B

B m G P P GB

B P

m GP G

eB

P eSNR

e sp

e e

t sp

tx

e sp

t tx e

tx

ℜ +

− +

+ +

ℜ

=

α α

α

α

2

2 0 2 0 2 2 0

2 2

2

) ( 4 ) 2 (

2 4

) (

2

) (

G R

kTB P

B B B

B m G P P GB

B P

m GP G

eB

P eSNR

e sp

e e

t sp

txNew e sp

t txNew e

txNew New

ℜ +

− +

+ + ℜ

=

α α

α

α

sp e

GB

B G

0 2 0 2 2

2 2

G R

kTB P

B B B

B m G P

t

e

ℜ +

− +

ℜ

 Với LA thì:

3 ) ( log 10 ] ) (

4 ) (

− +

+ +

=

New New

New BER

P

C B eSNR P

C P

C B eSNR eSNR B

eSNR B

eSNR dB

P

trong đó:

2

2 0

2 0 2

2 2 0

1

2 2 1

2

2

2 2 1

)(4)2(

24

)(

2

)(

GR

kTBP

BBB

BmGPPGB

BP

mPGG

eB

PeSNR

e sp

e e

t sp

tx

e sp

t tx e

tx

ℜ+

−+

++

ℜ

=

αα

αα

α

αα

2 0

2 0 2

2 2 0

1

2 2 1

2

2

2 2 1

) ( 4 ) 2 (

2 4

) (

2

) (

G R

kTB P

B B B

B m G P P GB

B P

m P G G

eB

P eSNR

e sp

e e

t sp

txNew

e sp

t txNew e

txNew

ℜ +

− +

+ +

ℜ

=

αα

αα

α

αα

sp e

GB

B G

eB

B

0

2 2 1 2

2

α α α

α

+ ℜ

=

2

2 0 2 0 2

2 2 2

2

) ( 4 ) 2 ( 2

2

G R

kTB P

B B B

B m G P

t

e

ℜ +

− +

ℜ

 Với PA thì:

3 ) (

log 10 ] ) (

4 ) (

tx New

New New

C B eSNR P

C P

C B eSNR eSNR B

eSNR B

eSNR dB

P

trong đó:

2

2 0

2 0

2 0

2

2

) ( 4 ) 2 ( 2

4 ) (

2

) (

G R

kTB P

B B B

B m G P P GB

B P

m P G G

eB

P eSNR

e sp

e e

t sp

tx e sp

t tx e

tx

ℜ +

− +

+ +

ℜ

=

α α

α

2

2 0

2 0 2 0

2

2

) ( 4 ) 2 ( 2

4 ) (

2

) (

G R

kTB P

B B B

B m G P P GB

B P

m P G

G

eB

P eSNR

e sp

e e

t sp

txNew e

sp t txNew e

txNew

ℜ +

− +

+ +

ℜ

=

α α

α

sp e

GB

B G

2 2

G R

kTB P

B B B

B m G P

t

e

ℜ +

− +

ℜ

3.4.2.3 Kết quả mô phỏng và kết luận:

Từ kết quả tính toán ta thấy: Công suất bù BER phụ thuộc nhiều vào công suất phát và nhiều thông số khác của tuyến chứ không phải chỉ đơn giản phụ thuộc vào eSNR như trường hợp chỉ có tạp âm nhiệt

Công suất bù BER còn phụ thuộc rất nhiều vào các loại tạp âm, vào cách sử dụng bộ khuếch đại làm BA, LA hoặc PA

Sau đây chúng ta sẽ mô phỏng kết quả tính toán trong cả ba trường hợp sử dụng EDFA với các tham số hệ thống: Bước sóng hoạt động

Hình 3.12 mô phỏng cho trường hợp công suất bù BER phụ thuộc vào L[km] Từ hình vẽ thấy rằng: Khi EDFA được dùng làm tiền khuếch đại PA thì công suất bù không thay đổi lớn khi L thay đổi và có giá trị nhỏ nhất Khi L còn nhỏ hơn 200 km thì công suất bù trong ba phương án là như nhau Khi L>200 km thì công suất bù tăng nhanh đối với BA và LA

Từ đó có thể tìm được một giá trị L tối ưu (Lopt) là khoảng cách truyền dẫn của tuyến có giá trị lớn nhất và công suất bù có giá trị nhỏ nhất (ở đây Lopt = 180 km)

Hình 3.13 mô phỏng giá trị của công suất bù BER khi EDFA được đặt ở các vị trí khác nhau trên tuyến với G = 25dB Từ hình vẽ ta thấy rằng công suất bù BER giảm dần khi EDFA dịch chuyển càng gần về phía thu, và tăng dần khi dịch chuyển gần về phía phát

Đồng thời ta cũng thấy rằng giá trị của công suất bù ít thay đổi khi EDFA còn gần phía nguồn phát và thu (giảm nhanh khi L1 thay đổi từ 80- 200km) Mặt khác, công suất bù đạt giá trị nhỏ nhất khi EDFA được làm tiền khuếch đại PA, theo tính toán giảm 3 lần so với trường hợp EDFA được dùng làm khuếch đại công

Hình 3.12 Quan hệ giữa ∆PBERvà khoảng cách tuyến L.

Hình 3.14 mô phỏng mối quan hệ giữa công suất bù BER và G cho

ba phương án sử dụng EDFA Từ hình vẽ thấy rằng khi G còn nhỏ (G< 20dB) thì công suất bù ít thay đổi trong cả ba phương án Khi G tăng lên (G>30dB) thì công suất bù tăng nhanh với phương án LA (đặt giữa đường truyền), công suất bù trong phương án BA và PA thay đổi không đáng kể khi G tăng Trong cả ba phương án, công suất bù nhỏ hơn 1dB khi G thay đổi Do vậy, trong thiết kế tính toán tuyến thông tin quang có thể bỏ qua sự thay đổi của công suất bù BER theo G

Hình 3.15 so sánh giá trị công suất bù BER trong 3 phương án sử dụng EDFA trên tuyến với hệ số khuếch đại G = 25dB Từ hình vẽ thấy rằng công suất bù tăng khi cần tăng độ tin cậy của hệ thống Công suất

bù BER cho cả ba phương án là xấp xỉ nhau khi G còn nhỏ (Như được

Hình 3.14 Quan h ệ giữ a công su ất bù BER và

chỉ ra trong hình 3.15).

Từ các kết quả trên, cho ta kết quả quan trọng là sử dụng EDFA làm

PA là có lợi nhất về mặt công suất bù và khoảng cách truyền dẫn

3.5 Ứng dụng EDFA trong các mạng quảng bá và lựa chọn 3.5.1 Đặt vấn đề

Để tăng dung lượng của hệ thống thông tin quang có 3 kỹ thuật ghép kênh đa truy nhập cơ bản là [19, 20]: Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) hay kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng WDMA, kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian quang OTDMA, và kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo

mã quang OCDMA So với hai kỹ thuật kia, kỹ thuật WDMA thực hiện đơn giản hơn cả và các cấu trúc thường gặp trong các mạng nội hạt dùng công nghệ WDMA là cấu trúc hình Sao, Bus, Ring hay cây

Cấu trúc hình Sao là cấu trúc rất phù hợp để phân bố công suất phát đều nhau trong mạng [20] Tuy nhiên, số người sử dụng trong các mạng này bị hạn chế rất nhiều bởi vì suy hao tín hiệu trong mạng quang

và quỹ công suất của mạng thì có hạn Do vậy để tăng số người sử dụng trong mạng này người ta thường sử dụng một trong các phương pháp sau: (1) tăng mức công suất phát; (2)Tăng độ nhạy thu; (3) sử dụng các

Hình 3.15 M ối quan hệ giữa công suất bù và BER

thiết bị ghép quang có suy hao nhỏ; (4) dùng các bộ lặp điện và (5) dùng các bộ khuếch đại quang Các phương pháp (1), (2) và (3) phụ thuộc nhiều vào công nghệ chế tạo thiết bị, còn phương pháp (4) thì cần phải

có sự chuyển đổi điện- quang và quang- điện, và cũng cần có các bộ khuếch đại điện, cũng như các bộ ghép/tách kênh quang,… Do đó kỹ thuật thứ (5) là một trong những kỹ thuật được quan tâm hơn cả

Các bộ khuếch đại quang được sử dụng trong mạng hình Sao làm

bộ khuếch đại công suất hoặc tiền khuếch đại Trong Luận văn này chúng tôi sẽ phân tích hiệu năng của hệ thống thông tin quang cấu trúc hình Sao có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA, kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng khuếch đại quang trong mạng thì quỹ công suất sẽ tăng khoảng 20 dB tại tốc độ bit 1Gbps, tức là số người sử dụng trong mạng được tăng lên đáng kể

3.5.2 Hệ thống cấu hình Sao không sử dụng EDFA

Một mạng hình sao gồm NuxNu người sử dụng, trong đó mỗi người sử dụng sẽ có một máy phát, máy thu quang riêng của mình và mỗi người sử dụng được gán một bước sóng nhất định Cấu trúc của một mạng nội hạt hình Sao không sử dụng EDFA trong mạng được chỉ ra như hình 3.16

Công suất phát được phân bố đều đến tất cả các máy thu Mỗi người sử dụng sẽ thu được tín hiệu trên tất cả các bước sóng được sử dụng trong mạng và một bước sóng có thể được chọn nhờ một một lọc quang sau

đó tín hiệu được qua bộ thu PIN

Hình 3.16 Mạng hình sao không sử dụng EDFA

Trong mạng nội hạt cấu trúc trên hình 3.16, công suất thu được ở

máy thu cho bit i (bit 0 hoặc bit 1) là [20]:

u

tr tx r

N

LiPi

;1

2)1(

+

=+

=

r

rPP

,Ptx= [ Ptx( 0 ) + Ptx( 1 )] / 2 là công suất phát trung bình, Is ( i ) = ℜ Pr ( i ) là dòng

phôtô sau tách sóng quang, L tr là suy hao giữa máy phát và máy thu bao

gồm cả suy hao ghép là:

) 10

4 2

(

10

sp CV FI

TI L L L L

L tr

L

+ + + +

−

=

α

(3.46)

hay có thể viết lại công thức (3.46) như sau:

Ltr [dB] =α 2L+LTI +LFI +LCV +4Lsp

(3.47)

trong đó, α là hệ số suy hao của sợi quang (dB/km), L là chiều dài sợi

quang giữa máy phát và máy thu (km), LFI là suy hao xen bộ lọc, L CV là

suy hao do sự chia công suất không đều của bộ ghép Sao, Lsp là suy hao

do ghép và LTI là tổng suy hao xen của bộ ghép, được tính như sau [8]:

u i

TI

N L

L là suy hao của một bộ ghép 2x2 coupler

Dòng tín hiệu và biến đổi nhiễu sau tách sóng quang là:

) ( )

( i P i

Is = ℜ r

(3.49)

và

R

kTB i

P eB

r

e ( ) 4 2

trong đó k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, R điện trở tải, và

biểu thức thứ 2 trong phương trình (3.50) là tạp âm nhiệt Xác suất lỗi

trung bình với mức nguỡng quyết định tối ưu là [18, 20]:

π2

)2/exp(

)2(5.0

2

Q

QQ

erfcBER

Nếu như bỏ qua thành phần tạp âm nhiệt và tỷ số phân biệt r=0, từ các

phương trình (3.49), (3.50) và (3.51) ta tính được Q như sau:

e

r s

eB

P I

Q

2

) 1 ( )

1 (

) 1 (

3.5.3 Hệ thống sử dụng EDFA làm khuếch đại công suất

Để giảm công suất phát yêu cầu P tx, EDFA có thể được sử dụng

trong mạng làm bộ khuếch đại công suất, khi đó cấu hình mạng như trên

hình 3.17