Khuếch đại quang trong hệ thống dwdm lh_1600g nortel tại vthcm (vtn2)

LỜI MỞ ĐẦUCông nghệ truyền dẫn quang đã có những bước phát triển mạnh mẽ trong thời gian qua trên cả hai hướng ghép kênh phân chia thời gian TDM và ghép kênh quang WDM. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu phát triển TDM có những hạn chế nhất định về công nghệ, đồng thời những khó khăn công nghệ của WDM được giải quyết thành công với bộ khuếch đại quang EDFA đã thúc đẩy WDM phát triển hơn nữa với công nghệ ghép kênh quang mật độ cao DWDM. Công nghệ DWDM được ứng dụng trong hầu hết các mạng đường trục của các nước trên thế giới.Cùng với sự phát triển của nền kinh tế xã hội, nhu cầu phát triển về thông tin liên lạc ngày càng đòi hỏi cấp bách. Hiện tại và trong thời gian tới, nhu cầu phát triển các loại hình dịch vụ thoại, các dịch vụ băng rộng và đặc biệt là Internet sẽ rất lớn. Sự bùng nổ thông tin kích thích sự tăng trưởng như vũ bão của dịch vụ thông tin toàn cầu, mà ảnh hưởng trực tiếp là hiện tượng cạn kiệt sợi quang. Đối với tiền vốn xây dựng, đầu tư ban đầu của hệ thống thông tin quang là rất lớn do chi phí lắp đặt thiết bị cũng như cơ sở hạ tầng đáp ứng.Phương pháp mở rộng dung lượng truyền thống là dùng phương thức ghép kênh phân chia theo thời gian TDM. Dùng phương pháp này sẽ nâng cao hiệu quả truyền dẫn, là biện pháp hữu hiệu để hạ thấp giá thành truyền dẫn. Nhưng theo sự tăng lên nhanh chóng nhu cầu dung lượng truyền dẫn của mạng viễn thông hiện đại, phương thức TDM đã ngày càng đến gần giới hạn của các mạch điện tử trong điều kiện hiện nay. Theo lý thuyết, băng thông của sợi đơn mốt có suy hao thấp khoảng 50THz, trong khi tốc độ thu phát điện chỉ có thể đạt 10GHz nghĩa là mới chỉ khai thác 15000 băng thông truyền dẫn rộng lớn của sợi quang. Giải pháp cho vấn đề này trở thành công nghệ then chốt cho truyền dẫn quang: “Ghép kênh bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplex) – truyền dẫn nhiều kênh bước sóng trên một sợi quang”.Các kênh bước sóng được truyền đồng thời trên một sợi quang sẽ cải tiến hiệu suất truyền dẫn và nâng cao tốc độ ghép kênh. Như vậy công nghệ ghép kênh theo bước sóng tận dụng được hiệu quả tài nguyênbăng rộng của sợi quang, tăng thêm dung lượng truyền dẫn của hệ thống, nâng cao lợi ích kinh tế.Để hệ thống DWDM hoạt động hiệu quả cần phải có sự phối hợp của nhiều thiết bị mạng như bộ đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal), bộ xenrớt quang OADM (Optical AddDrop Multiplexer), bộ kết nối chéo quang OXC (Optical Crossconnect) và bộ khuếch đại đường truyền OLA (Optical Line Amplifier). Mỗi thiết bị đều có vai trò quan trọng đối với hệ thống trong đó bộ khuếch đại đường truyền được đặc biệt quan tâm. Mục đích của việc khuếch đại là bù các suy hao trên đường truyền để tín hiệu được thu đúng. Để khuếch đại trong thực tế người ta sử dụng khuếch đại quang là phổ biến vì những ưu điểm của nó về băng thông, nhiễu, sự trong suốt đối với tín hiệu.Hiện nay, công nghệ WDM đã và đang được triển khai rộng rãi trên mạng lưới của công ty viễn thông liên tỉnh (VTN). Công nghệ này được xác định là nền tảng cho việc triển khai mạng thế hệ sau NGN tại Việt Nam của công ty VTN. Hệ thống thiết bị DWDM OPTera Long Haul 1600 (LH1600) của hãng Nortel Networks đã được công ty VTN lựa chọn và đưa vào lắp đặt khai thác.Từ những điều đã trình bày ở trên, qua đồ án này, tôi muốn đưa ra một cái nhìn sơ lược về công nghệ WDM và sẽ tập trung chủ yếu vào kỹ thuật khuếch đại quang cũng như ứng dụng của khuếch đại quang trong các hệ thống WDM, đặc biệt là các bộ khuếch đại quang – một thành phần cực kỳ quan trọng – được sử dụng trong hệ thống DWDM LH1600 của Nortel Networks.Với một công nghệ tiên tiến như thế, mà kiến thức và thời gian làm đồ án thì có hạn nên không tránh được những thiếu sót, kính mong sự đóng góp của quý Thầy Cô và các bạn sinh viên có quan tâm về vấn đề này. Xin chân thành cám ơn

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG oOo Hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ trong các mạng viễn thông trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Việc tăng khả năng truyền dẫn và mở rộng khoảng cách truyền dẫn là vấn đề cần được giải quyết khi triễn khai hệ thống thông tin quang. Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang. Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) và bộ khuếch đại. Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM. Cho nên mặc dù có những đặc điểm hấp dẫn nhưng bộ lặp không thể sử dụng cho các tuyến và mạng WDM. Vì vậy sự dịch chuyển từ TDM sang WDM trong mạng truyền dẫn quang không thể thực hiện mà không có bộ khuếch đại quang. Bộ khuếch đại quang có nhiều ưu điểm hơn so với bộ lặp như : không phụ thuộc vào tốc độ bit, phương thức điều chế tín hiệu, khả năng khuếch đại các tín hiệu trên nhiều bước sóng cùng truyền trên một sợi quang (trong khi đó mỗi bộ lặp chỉ hoạt động với một kênh bước sóng mà thôi). Tuy nhiên, bộ khuếch đại quang cũng có khuyết điểm là gây nhiễu cho tín hiệu được khuếch đại, nhiễu này có thể được tích hợp qua nhiều chặng khuếch đại, có thể làm nhận sai tín hiệu. Có hai loại khuếch đại quang là: bán dẫn và sợi. Bộ khuếch đại quang phổ biến nhất là bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium (Erbium-doped fiber amplifier_EDFA), nó mở ra cánh cửa cho việc sử dụng hệ thống truyền dẫn quang WDM. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về định nghĩa chung của khuếch đại quang (chủ yếu đi vào khuếch đại quang sợi EDFA và khuếch đại Raman vì đây là hai loại khuếch đại quang chủ lực trong hệ SV:Tống Hoàng Vũ 1 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang thống DWDM LH-1600G của Nortel sử dụng tại VTN2), và ứng dụng của khuếch đại quang trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM. 1.1 Tổng quan về khuếch đại quang 1.1.1 Nguyên lý khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh họa trên hình 1.1. Hình 1.1 Các hiện 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 1.1(c), xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E 2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf 12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (E g = E 2 – E 1 ). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng). Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện. Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA). Hiện tượng phát 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 SV:Tống Hoàng Vũ 2 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào. Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại. Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra. Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 1.1(a), xảy ra khi một photon có năng lượng hf 12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf 12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (E g = E 2 – E 1 ). Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang. Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại. Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 1.1(b), xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E 2 xuống mức năng lượng thấp E 1 và phát ra một năng lượng E g = E 2 – E 1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E 2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững). Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau. Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyên nhân là do hiện tượng này xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại. Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại. Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích. Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise). 1.1.2 Các kỹ thuật khuếch đại quang SV:Tống Hoàng Vũ 3 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình 1.2. Hình 1.2 Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong trong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium). Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source). Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực. Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Khu ế ch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier): - Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. - Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn. Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ. - Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện Khu ế ch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier): - Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Do đó, OFA còn được gọi là DFA (Doped-Fiber Amplifier) - Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. - Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi. Một số loại OFA tiêu biểu: + EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm SV:Tống Hoàng Vũ 4 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang + PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm + TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm + NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm hoặc 1400nm Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). 1.1.3 Các kỹ thuật khuếch đại quang khác Có một số loại khuếch đại quang khác bên cạnh SOA và OFA. Các loại này sử dụng các hiệu ứng phi tuyến để khuếch đại hơn là phát xạ kích thích. Hai loại khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng này là Raman và Brillouin. Sử dụng các hiệu ứng trên có thể xây dựng phân tán, chứ không phải gom lại, sự khuếch đại quang của tín hiệu quang. Chúng có ưu điểm sau: các thành phần giống nhau của sợi quang có thể truyền dẫn và khuếch đại đồng thời. Thêm nữa, ta có thể thay thế thành phần này tại vị trí rất xa nguồn bơm, do đó chúng ta có thể điều khiển và cung cấp sự khuếch đại từ trung tâm quản lý. Những linh kiện trên hứa hẹn mở ra nhiều viễn cảnh tươi sáng cho kỹ thuật khuếch đại quang. Một bộ khuếch đại Raman có ba dạng : tập trung ,phân phối và rời rạc. Cấu hình phổ biến ngày nay là các bộ khuếch đại lai EDFA/Raman, một thiết bị mà bộ khuếch đại Raman đền bù cho phần thiếu sót của độ lợi bước sóng trong khoảng từ 1570nm đến 1630nm. Một ứng dụng quan trọng của bộ khuếch đại Raman phân tán là tránh các hiệu ứng có hại được tạo ra bởi độ lợi cao của bộ khuếch đại EDFA. Như là độ lợi cần được tăng khoảng cách giữa hai bộ khuếch đại gần nhau, nhưng nó là kết quả của việc bơm ánh sáng công suất cao vào sợi quang ngay sau khi được khuếch đại. Điều này là nguyên nhân của một vài hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Sự thay thế của khuếch đại Raman kết thúc mỗi khoảng cách giữa các EDFA cho phép. 1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) 1.2.1 Nguyên lý và sơ đồ khối của EDFA 1.2.1.a Sơ đồ khối Hình 1.3a và 1.3b mô tả hai đặc điểm chính của khuếch đại quang sợi. Một sợi quang đóng vai trò như một vùng tích cực là trộn một số lượng lớn ion Erbium (Er). Năng lượng ngoài được cung cấp là ánh sáng, chứ không phải điện tích, như các SOA. SV:Tống Hoàng Vũ 5 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang Qúa trình bơm được thực hiện với một laser diode phát xạ công suất ánh sáng tại một bước sóng khác chứ không phải là ánh sáng của tín hiệu thông tin nào đó. Đặc biệt, một tín hiệu thông tin được truyền dẫn trong vùng lân cận của 1550nm nhưng laser bơm phát xạ tại bước sóng 980nm hay 1480nm hoặc cả hai. Cả hai tín hiệu thông tin và ánh sáng bơm vào được đặt vào cùng một sợi quang bởi một coupler. Hai ánh sáng này lan truyền cùng trên sợi quang trộn Erbium, nơi mà tín hiệu thông tin được khuếch đại trong khi đó tín hiệu bơm bị mất đi. Ta có thể tưởng tượng rằng, ánh sáng bơm vào cung cấp năng lượng cho tín hiệu và sau đó “chết”. Tín hiệu bơm có thể được bơm cùng chiều (bơm thuận) với tín hiệu thông tin, như hình 1.3a minh hoạ, hoặc có thể được bơm ngược chiều (bơm nghịch), như quá trình thực hiện trong hình 1.3b. Trường hợp bơm ngược chiều có các đặc điểm là nhiễu thấp và công suất ra thấp, trong khi đó bơm cùng chiều cung cấp công suất quang ra cao nhưng cũng tạo ra nhiễu cao. Trong các loại khuếch đại quang thương mại, chúng ta có thể bơm song hướng với bơm thuận và bơm nghịch đồng thời. Một coupler thứ hai loại bỏ phần ánh sáng bơm dư từ sợi quang. Một bộ cách ly (isolator) ngăn ngừa ánh sáng phản hồi lan truyền trong sợi quang; nếu không, ánh sáng này sẽ được khuếch đại, một đại lượng khá lớn bởi vì sự khuếch đại có thể chỉnh như một bộ khuếch đại vào laser, không cần đề cập sự tăng nhiễu không mong muốn. Một bộ lọc sẽ tách các bước sóng còn lại khác với tín hiệu thông tin. SV:Tống Hoàng Vũ 6 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang Hình 1.3 Khuếch đại quang sợi EDFA SV:Tống Hoàng Vũ 7 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang Sự khuếch đại trong EDFA xảy ra qua quá trình phát xạ kích thích. Năng lượng trong quá trình bơm sẽ kích thích các ion Erbium lên vùng năng lượng cao hơn. Tín hiệu thông tin kích thích sự di chuyển của các ion được kích thích xuống vùng năng lượng thấp hơn. Quá trình dịch chuyển này sẽ phát xạ ra các photon có cùng mức năng lượng- điều này có nghĩa là cùng bước sóng- chúng ta có tín hiệu ra. Bởi vì EDFA có một mối quan hệ với chiều rộng của độ lợi băng thông, nó có thể khuếch đại nhiều bước sóng (nhiều kênh) đồng thời. Những tín hiệu được khuếch đại (các kênh bước sóng riêng biệt) có thể kết hợp với nhiễu trong bộ EDFA như trên hình 1.3c. Một bộ khuếch đại quang sợi thông thường là một thiết bị đơn hướng, như trên hình 1.3d minh hoạ. Tuy nhiên, một bộ khuếch đại phát sinh ra nhiễu của chính nó (thêm vào khuếch đại nhiễu với tín hiệu đến) và nhiễu này lan truyền cả hai hướng với sợi quang. Đặc tính của EDFA này khắc phục sự sử dụng một bộ cách ly trong cổng vào của bộ khuếch đại quang sợi. 1.2.1.b Lược đồ các mức năng lượng Hình 1.4 Lược đồ các mức năng lượng của các ion Erbium trong sợi silica Bởi vì sự hoạt động của một bộ EDFA được dựa vào hiện tượng phát xạ kích thích, do đó chúng ta nên thảo luận về lược đồ các mức năng lượng của một vùng tích cực liên quan đến sự khuếch đại này. Các ion tự do nằm ở các mức năng lượng rời rạc. Khi các ion Erbium được kết hợp chặt chẽ vào một sợi quang silica, mỗi mức năng lượng của SV:Tống Hoàng Vũ 8 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang chúng chia thành các mức năng lượng có quan hệ gần gũi với nhau vì thế chúng ta gọi là vùng hoá trị. Trong EDFA, chia các mức năng lượng thành một mức năng lượng là có lợi. Đầu tiên và trước nhất, nó cung cấp cho EDFA khả năng khuếch đại không chỉ một kênh mà tập hợp các kênh. Thứ hai, nó loại đi sự cần thiết để tinh chỉnh bước sóng bơm. Mức năng lượng quan trọng nhất của ion Erbium đã kết hợp chặt chẽ vào sợi quang silica được minh hoạ như trên hình 1.4. Nó là một món quà của tự nhiên mà sự chuyển dịch giữa mức 2 (trạng thái trung gian) và mức 1 (trạng thái thấp) xảy ra tại một tập các bước sóng xung quanh 1550nm, nơi mà sợi quang silica thể hiện mức suy hao thấp nhất. Sự may mắn trùng hợp ngẫu nhiên này là lý do tại sao EDFA được sử dụng rộng rãi. Như chúng ta xem trên hình, lưu ý độ rộng của dải năng lượng, nó xác định khả năng của EDFA để khuếch đại khoảng bước sóng từ 1500nm đến hơn 1600nm. 1.2.1.c Các bước sóng bơm Mục tiêu của chúng ta là đạt được sự nghịch đảo nồng độ, như chúng ta đã biết, điều này có ý nghĩa phải tập trung các ion Erbium nhiều tại mức trung gian (mức 2) hơn là mức thấp (mức 1). Để đạt được sự nghịch đảo nồng độ, chúng ta cần phải bơm các ion Erbium tại mức trung gian. Có hai các thực hiện điều này: bơm chúng trực tiếp tại bước sóng 1480nm hay gián tiếp tại bước sóng 980nm. Bây giờ ta thảo luận phương pháp bơm gián tiếp (bơm tại bước sóng 980nm) trước. Trong trường hợp này, các ion Erbium tiếp tục chuyển từ mức thấp (mức 1) lên mức cao (mức 3); ở đây chúng không phát xạ đến mức năng lượng trung gian (mức 2), mà chúng chuyển xuống mức năng lượng thấp (mức 1), phát xạ các bước sóng yêu cầu từ 1500nm đến 1600nm. Đây là nguyên lý của 3 mức năng lượng. Đặc điểm chính của nguyên lý 3 mức năng lượng chính là thời gian sống của hai mức trên. Thời gian sống hay thời gian của phát xạ tự phát ((σ sp ), là khoảng thời gian tồn tại trung bình tại các mức năng lượng xác định trước khi chúng chuyển một cách tự phát xuống các mức năng lượng tiếp theo. Thời gian sống của các ion Erbium tại mức năng lượng cao (mức 3) khoảng 1µs, trong khi đó thời gian sống của các ion Erbium tại các mức năng lượng trung gian (mức 2) là hơn 10ms (với thời gian sống của chúng dài, như mức trên gọi là metastable). Do đó, các ion Erbium bơm tại các mức cao sẽ đi xuống mức năng lượng trung gian một cách rất SV:Tống Hoàng Vũ 9 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang nhanh và ở mức năng lượng đó trong khoảng thời gian nhiều hơn. Hay nói cách khác, các ion Erbium sẽ tích luỹ tại mức năng lượng trung gian, tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Khi quá trình bơm được thực hiện một cách trực tiếp (tại 1480nm), chỉ bao gồm 2 mức năng lượng. Các ion Erbium được chuyển một cách liên tục từ mức năng lượng thấp bằng năng lượng quang bên ngoài tại 1480nm và lên mức năng lượng trung gian. Từ thời gian sống của các ion Erbium là dài, chúng tích luỹ ở đây, tạo ra nghịch đảo nồng độ. Kết quả của hai quá trình là tại mức năng lượng trung gian được tập trung nhiều ion Erbium hơn mức năng lượng thấp. Khi tín hiệu ánh sáng thông tin hoạt động tại một trong các bước sóng của hệ thống WDM với một sợi quang bơm Erbium nghịch đảo nồng độ, nó sẽ kích thích sự chuyển dịch của các ion Erbium từ mức 2 xuống mức 1. Sự chuyển dịch kích thích này sẽ xảy ra cùng với phát xạ kích thích của các photon có cùng bước sóng, hướng, và pha giống như photon vào. Do đó, sự khuếch đại tín hiệu vào xảy ra. 1.2.2 Các EDFA cho dải bước sóng Băng-L Bộ EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605nm. Điều này kích thích sự phát triển của các hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565nm đến 1625nm. Lưu ý hiện tại các EDFA cho băng L hiện nay không bao phủ phần đỉnh của băng này từ 1610->1625nm. Nguyên lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau đáng kể trong việc thiết kế EDFA cho băng L và băng C. Phổ độ lợi của Erbium ở băng L phẳng hơn băng C. Điều này làm cho việc thiết kế các bộ lọc làm phẳng độ lợi ở băng L dễ dàng hơn. Tuy nhiên, hệ số độ lợi Erbium ở băng L nhỏ hơn khoảng 3 lần so với băng C. Điều này đòi hỏi phải sử dụng sợi pha tạp dài hơn hoặc sợi có nồng độ pha tạp Erbium nhiều hơn. Hoặc công suất bơm cho EDFA băng L đòi hỏi phải cao hơn so với EDFA băng C. Do sự hấp thụ qua đoạn băng L nhỏ hơn nên các bộ khuếch đại này cũng có nhiễu ASE cao hơn. Cuối cùng các phần tử khác sử dụng bên trong bộ khuếch đại như isolator và coupler là phụ thuộc vào bước sóng nên cũng sẽ khác nhau cho băng C và băng L. Do các yếu tố trên các bộ khuếch đại băng C và băng L được sản xuất riêng biệt. SV:Tống Hoàng Vũ 10 GVHD:Trần Xuân Trường [...]... về khuếch đại quang bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng bão hòa độ lợi và hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại quang PHẦN II KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG HỆ THỐNG DWDM LH_1600G NORTEL TẠI VTHCM (VTN2) CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG DWDM LH –1600G NORTEL VÀ CẤU HÌNH THIẾT BỊ SỬ DỤNG TẠI ĐÀI VTHCM (VTN2) -oOo 2.1 Hệ thống thiết bị ghép bước sóng quang DWDM. .. hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu… • Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Độ lợi khuếch đại. .. là một trong những hiệu ứng phi tuyến của sợi quang có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM - Hệ số khuếch đại thấp - Hiệu suất khuếch đại thấp hơn so với EDFA: khuếch đại Raman cần một công suất bơm lớn hơn để đạt cùng một giá trị độ lợi Như vậy, khuếch đại Raman không hiệu quả bằng khuếch đại EDFA Do hạn chế về công suất phát của laser bơm trong bộ khuếch đại Raman... điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh • Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD SV:Tống Hoàng Vũ 23 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang 1.4.1.c Phân loại hệ thống WDM λ1, λ2, λ3,…,... khuếch đại Raman Vì thế mà hiện nay bộ khuếch đại EDFA được sử dụng phổ biến và hầu như có mặt trong tất cả các hệ thống truyền dẫn quang 1.4 Khuếch đại quang trong hệ thống WDM 1.4.1 Sơ lược về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 1.4.1.a Định nghĩa Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ trong một sợ quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang ... đường quang: mô hình đường quang là đồ thị các điểm nút mạng, với các giao diện giao tiếp với lớp mạng khách hàng tại mỗi nút Như vậy mô hình đường quang được sử dụng bởi lớp mạng khách hàng ở trên , và được thiết kế sao cho đáp ứng nhu cầu truyền tải thông tin của lớp mạng khách hàng 1.4.2 Khuếch đại quang trong hệ thống WDM 1.4.2.a Chức năng của khuếch đại quang trong WDM Các bộ khuếch đại quang. .. khuếch đại đường dây cũng cần thiết cho các mạng cự ly ngắn để phục hồi tín hiệu mất mát do sự phân tán tín hiệu trong mạng nội bộ như trên hình 1.15 Khi chúng ta bàn về bộ khuếch đại đường dây, khuếch đại công suất hay tiền khuếch đại, chúng ta thường sử dụng bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium (EDFA) và đôi khi là bộ khuếch đại Raman dùng để bổ sung cho khuếch đại EDFA 1.4.2.b Chức năng khuếch đại tín... mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng • Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống. .. tín hiệu trên sợi quang sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau: EDFA EDFA TxN SV:Tống Hoàng Vũ Phát tín hiệu Ghép tín hiệu Khuếch đại tín hiệu 22 MUX RxN Khuếch đại tín hiệu GVHD:Trần Xuân Trường Tách tín hiệu Thu tín hiệu Đồ án tốt nghiệp • Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có một số loại... loại cơ bản là: khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây và bộ tiền khuếch đại (Xem hình 1.14) Rx Tx a booster Rx Tx b Inline-amplifier Rx Tx SV:Tống Hoàng Vũ c preamplifier 28 GVHD:Trần Xuân Trường Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung về khuếch đại quang Hình 1.14 Các loại chức năng của khuếch đại quang Một bộ khuếch đại công suất, cũng được gọi là post-amplifier, khuếch đại tín hiệu trước . chung về khuếch đại quang thống DWDM LH- 1600G của Nortel sử dụng tại VTN2), và ứng dụng của khuếch đại quang trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM. 1.1 Tổng quan về khuếch đại quang 1.1.1. tìm hiểu về định nghĩa chung của khuếch đại quang (chủ yếu đi vào khuếch đại quang sợi EDFA và khuếch đại Raman vì đây là hai loại khuếch đại quang chủ lực trong hệ SV:Tống Hoàng Vũ 1 GVHD:Trần. thiệu chung về khuếch đại quang PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG oOo Hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ trong các mạng