Ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: NGUYỄN HOÀNG ANH Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI THÁI NGUYÊN – 2013 2 CÁC TỪ APD Avalanche Photodiode Đi ốt quang thác CPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha DBF Distributed Feedback laser DCF Dispersion Compensating Fiber EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khu WDM Wavelength Division Multiplexing EDF Erbium Dopped Fiber Sợi quang pha tạp Erbium TEC Thermally Expanded Core Interface ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại LASER Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation LD Laser Diode Diode laser OC Optic Circulator Bộ vòng quang AGC Automatic Gain Control Tự động điều chỉnh khuếch đại APC Automatic Power Control Tự động điều chỉnh công suất BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất PA Pre-amplifier Tiền khuếch đại LA Line Amplifier Khuếch đại đường truyền EDTFA Erbium Doped Tellurite based Fiber Amplifier OFA Optic Fiber Ampliter Bộ khuếch đại quang sợi NF Noise Figure Hình ảnh nhiễu RIN Renatine Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối MPI Multipath Interference Nhiễu quá mức OAR Optically Aplifed Recciver Thu khuếch đại quang ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector CPM TDFA OTDR PDFA LED Cross-phase modulation Optical Time Domain Reflectometers Praseodymium Doped Fiber Amplifier Light Emitting Diode Điều chế pha chéo Đường truyền dẫn quang LTE Line Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đường dây SBS Stimulated Brillouin Scattering SLA Semiconductor Laser Amplifier SPM Self-Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering 3 S/N Signal to Noise ratio DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc một EDFA 10 Hình 1.2. Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 11 Hình 1.3. Sơ đồ của sợi TEC được vuốt Gaussian 12 Hình 1.4. Giản đồ năng lượng của Erbium 13 Hình 1.5. Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 14 Hình 1.6. ba cấu hình chuẩn của EDFA 15 Hình 1.7. Các cấu hình EDFA phản xạ 16 Hình 1.8. cấu hình hai hướng cơ bản của EDFA 17 Hình 1.9. Sự giảm NF do ASE ngược và loại trừ ASE ngược bằng bộ cách ly. 20 Hình 1.10. Cấu hình EDFA có bộ lọc quang được xen vào độ dài sợi EDF. 20 Hình 1.11. Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi. 21 Hình 1.12. Cấu trúc EDTFA 23 Hình 1.13. Sự phụ thuộc bộ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA 24 Hình 1.14.Quan hệ giữa độ dài EDFA và khuếch đại tín hiệu. 25 Hình 1.15. Phổ tiết diện bức xạ và hấp thụ giữa các mức 4 I 13/2 và 4 I 15/2 26 Hình 1.16. Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với 4 công suất bơm khác nhau. 27 Hình 1.17 Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với 28 Hình 1.18 Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài dài EDF 29 Hình 1.19 Nhiễu phách tín hiệu – tư phát. 31 Hình 1.20 Nhiễu phách tín hiệu- tự phát giữa các thành phần phổ ASE 32 Hình 1.21. Hình ảnh nhiễu dưới dạng nguồn phát và bộ thu lý tưởng 33 Hình 1.22 Khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ 35 Hinh 1.24. Modul cơ bản của bộ thu quang sử dụng khuếch đại quang. 37 Hình 1.25. Các mật độ phổ công suất điện của các nhiễu phách. 39 Hình 1.26. Các thành phần công suất nhiễu điện của 10Gbit/s OAR với B e = 7,5 Gbit/s, B 0 = 0.5 nm, NF = 4 dB. 40 Hình 1.27. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện của 3 bộ thu khuếch đại quang 10 Gbits/s 41 4 Hình 1.28. Kết quả thực nghiệm độ nhạy thucủa 10 Gbit/s OAR [38,124]. 44 Hình 1.29. BER của hệ thống có khuếch đại quang 10 Gbit/s phụ thuộc vào cự ly. 45 Hình 1.30. Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi. 46 Hình 1.31. Độ nhạy thu của 10 Gbit/s OAR trong hệ thống 48 Hình 1.32. BER và hệ số các bộ EDFA mắc chuỗi phụ thuộc vào cự li của tuyến truyền dẫn 10Gbit/s 49 Hình 1.33. Giản đồ năng lượng của Thulium. 50 Hình 1.34. Phổ khuếch đại quang sợi pha tạp 55 Hình 1.35 . Hình ảnh nhiễu và phổ khuếch đại TDFA 56 Hình 1.36. Độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất bơm của TDFA 57 Hình 1.37 .Độ khuếch đại và NF phụ thuộc vào nồng độ 58 Hình 1.39. Giản đồ năng lượng của Pr 3+ 59 Hình 1.40. giản đồ năng lượng và dịch chuyển của ion Pr 3+ trong ZBLAN 61 Hình 1.41. ảnh hưởng của độ dài tới độ khuếch đại 62 Hình 1.42. ảnh hưởng của độ dài tới độ khuếch đại và độ rộng dải khuếch đại 62 Hình 1.43. Quan hệ giữa độ khuếch đại tín hiệu, khuếch đại bên trong và tín hiệu GSA 63 Hình 1.44. Đặc trưng bão hòa khuếch đại đối với sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr 3+ 64 Hình 1.45. Phổ NF của khuếch đại quang sợi cơ sở ZnF4 pha tạp Pr 3+ 65 Hình 1.46. Sự phụ thuộc độ tăng ích và NF vào công suất ra của tín hiệu 66 Hình 1.47. Minh họa sự phụ thuộc nhiệt độ của độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu 67 Hình 1.49. sự phụ thuộc nhiệt độ của PDFA tại bước sóng từ 1,29 µm ÷ 1,33 µm 69 Hình 1.50. sơ đồ cấu hình ghép nối sợi pha tạp Pr 3+ và sơi silica 69 Hình 1.51. Kỹ thuật nối rãnh chữ V hai sợi Pr 3+ và sơi silica. 70 Hình 1.52. cấu hình khuếch đại đơn 70 Hình 1.53. cấu hình khuếch đại kép 71 Hình 1.54. cấu hình khuếch đại tầng 71 Hình 1.55. Phổ khuếch đại Raman 72 Hình 2.1. Sơ đồ khối phép đo 82 Hình 2.2. Hình công suất sóng liên tục CW 83 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU 6 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1 8 TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 10 1.1. Khuếch đại quang sợi EDFA 10 1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động: 10 1.1.2. Phổ khuếch đại của EDFA. 13 1.1.3. Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang. 14 1.1.4. Các tham số đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang EDFA. 23 1.1.5. Ảnh hưởng của khuếch đại quang EDFA trong hệ thông tin quang 35 1.2. Khuếch đại quang sợi TDFA 49 1.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 49 1.1.2. Khuếch đại sử dụng sợi pha tạp THULIUM 54 1.3. Khuếch đại quang sợi PDFA. 59 1.3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 59 1.3.2. Mô hình khuếch đại. 60 1.3.3. Các đặc trưng khuếch đại cơ bản. 61 1.3.4. Kỹ thuật ghép nối. 69 1.3.5. Cấu hình Modul PDFA. 70 1.4. Khuếch đại Raman. 71 1.4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 71 1.4.2. Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman 73 NGHIÊN CÚU ẢNH HƢỞNG CỦA CÔNG SUẤT SÓNG LIÊN 82 TỤC CW ĐẾN TỈ SỐ SNR TRONG KHUẾCH ĐẠI RAMAN 82 7 2.1. Mô hình tính toán 82 2.1.1. Sơ đồ thực nghiệm 82 2.1.2. Nguyên lý 82 2.2. Tính tỉ số tín hiệu trên tạp âm . 84 CHƢƠNG 3 88 CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 88 3.1. Lƣu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng. 88 KẾT LUẬN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 8 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại tạo ra một sự bùng nổ về dung lượng. Hệ thống thông tin quang đơn mode đã là một mạng thông tin tiên tiến, nhưng nó chưa tận dụng được băng thông lớn của sợi quang một cách hữu hiệu, do mỗi sợi quang chỉ truyền được 1 kênh. Vì vậy cần phải cải thiện các hệ thống thông tin quang có sẵn bằng các kỹ thuật tiến tiến với chi phí thấp bằng cách ghép nhiều bước sóng cùng truyền trên một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM (Wavelengh Division Multiplexer) ra đời, cho phép nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống lên rất lớn mà không cần phải tăng thêm sợi quang và tận dụng được băng tần lớn của sợi quang do có thể ghép nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng đang được ứng dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông. Sự phát triển của công nghệ WDM cùng với công nghệ khuếch đại quang và chuyển mạch quang sẽ tạo nên một mạng thông tin thế hệ mới: mạng thông tin toàn quang. Công nghệ WDM là công nghệ ghép kênh theo bước sóng đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode. Công nghệ ghép kênh WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng. Công nghệ WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thông tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn của hệ thống. Để triển khai lắp đặt các hệ thông thông tin quang có hiệu quả, bảo đảm chất lượng truyền dẫn trong thời gian khai thác dài, công việc thiết kế tuyến là hết sức quan trọng. khi xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao và cự ly xa thì các tuyễn này thường hay sử dụng các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là EDFA và Raman. Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật WDM và khuếch đại quang sợi được sự đồng ý của PGS.TS Lại Khắc Lãi, em đã thực hiện luận văn tốt nghiệp: “Ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM” . Luận văn trình bày một số hiểu biết về khuếch đại quang sợi và nghiên cứu ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR trong khuếch đại Raman và chương trình mô phỏng. Luận văn được chia làm các chương : 9 Chƣơng 1: Tổng quan về khuếch đại quang sợi ếch đại quang sợi sử dụng trong truyền dẫn quang WDM Chƣơng 2: Nghiên cứu ảnh hƣởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR trong khuếch đại Raman ảnh hưởng của công suất sóng liên tục CW đến tỉ số SNR trong khuếch đại Raman Chƣơng 3: Chƣơng trình mô phỏng Đưa ra chương trình mô phỏng. 10 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 1.1. Khuếch đại quang sợi EDFA 1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động: a. Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc một EDFA Trên đây là cấu trúc của một khuếch đại sợi quang EDFA. Bơm Laser có thể hoạt động ở hai bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm thì hiệu suất bơm là hiệu quả nhất. Các bộ cánh ly quang (Isolator) có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hướng. WDM coupler dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium. Các thành phần chính cấu tạo nên EDFA gồm có sợi được pha tạp Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài khoảng 10 m; laser bơm LD; bộ ghép bước sóng quang (coupler) WDM và bộ cách ly quang (Isolator). Từ các thành phần cấu trúc thiết bị như vậy người ta đã tạo ra nhiều loại EDFA với các công nghệ và thể thức khác nhau. Để thu được bộ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang cho sợi pha tạp Erbium. Nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại quang được gọi là năng lượng bơm. Công suất quang từ nguồn bơm này thường có bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm, công suất bơm từ 10 mW đến 100mW. Các diode laser LD dùng làm nguồn bơm được cấu tạo phù hợp với cấu hình và bước sóng bơm. Khi mà hệ thống được bơm ở bước sóng 980 nm thì loại LD bơm thường là loại có vùng tích cực với cấu trúc giếng lượng tử InGaAs là lớp rất mỏng được đặt xen vào giữa các lớp vỏ có các tham số tinh thể khác nhau. Nếu hệ thống được bơm ở bước sóng 1480 nm thì LD bơm thuộc loại laser Fabry-Perot dị thể chôn có cấu trúc tinh thể ghép InGaAs/ InP. Bộ ghép bước sóng WDM sẽ thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm pha tạp Erbium hoặc trong một số trường hợp nó lại tách các tín hiệu này. Các bộ cách ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xà từ hệ thống chẳng hạn như phản xạ Rayleigh từ các bộ nối quang hay phản xạ ngược lại từ bộ khuếch đại. Việc giảm phản [...]... dài EDFA và khuếch đại tín hiệu b Khuếch đại trong bộ khuếch đại pha tạp Erbium Công suất và bước sóng bơm có liên quan tới khuếch đại của bộ khuếch đại quang sợi OFA ( Optic Fiber Ampliter ) Độ khuếch đại là một trong những tham số cơ bản nhất và nó thể hiện khả năng làm tăng công suất tín hiệu truyền trong OFA Độ khuếch đại G của bộ khuếch đại quang được xác định như sau: G =( - )/ (1.3) Trong đó và... (1.3) Trong đó và Pout tương ứng là các công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang Ngoài khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát ra ASE và ở đây là công suất nhiễu được phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang Việc xác định bộ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản chất phân bố hai hướng của nó Để thu được bộ khuếch đại thực của bộ khuếch đại thì cần phải xác định... vào công suất quang tín hiệu và bơm đã cho Để xác định vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ, người ta thường dự báo bằng nhiễu đầu vào hiệu dụng của bộ khuếch đại =2hv 30 nw/nm đối với = 1550nm Trong đó hv là năng lượng photon và là băng tần quang của bộ khuếch đại quang Nhiễu đầu vào hiệu dụng được khuếch đại lên từ độ khuếch đại và ta sẽ thu được công suất đầu ra của bộ khuếch đại Độ khuếch đại tín hiệu nhỏ... các mode của sợi quang Vì sợi photon được giữ lại này được lan truyền dọc theo bên trong của sợi chúng lại được khuếch đại, quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại sợi quang ASE (Amplifier Spontaneous Emission) Trong các bộ phận khuếch đại quang sợi thực tế EDFA thường có 2 mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát và công suất ASE tổng là : PASE = 2NSPhv(G-1)B0 (1.8) Trong đó hv... tối ưu của hệ thống thông tin quang được khuếch đại quang Nếu ta coi bộ khuếch đại quang nằm trong thiết bị thu quang thì việc khảo sát thông tin quang thông qua bộ thu OAR và được diễn giải như sau Trong bộ thu OAR, vì bộ khuếch đại quang (OA) đã được dùng trong hệ thống, cho nên không chỉ dong photo tín hiệu được khuếch đại, mà nhiễu phất xạ tự phát của bộ khuếch đại quang cũng được thêm vào nhiễu... trong khuếch đại quang sợi đó là: Khuếch đại công suất (Booster Amplifier- BA), tiền khuếch đại (Pre-amplifier) và 20 khuếch đại đường truyền (Line Amplifier- LA) Hình 2.7 mô tả cấu hình ứng dụng thiết bị OFA với các cấu trúc khác nhau Hình 1.11 Các ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi - Bộ khuếch đại công suất quang BA là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công... bộ khuếch đại quang Để chặn bớt nhiễu, cách có hiệu quả là sử dụng bộ lọc bằng thông quang Bộ lọc băng thông quang thường được ghép với đầu ra của EDFA để chạn bớt nhiễu phách tín hiệu – tự phát trong trường hợp bất kỳ một bộ khuếch đại quang nào đó được dùng làm tiền khuếch đại cho bộ thu quang và sự kết hợp giữa bộ tiền khuếch đại với bộ lọc quang và bộ lọc thu được gọi là thu được khuếch đại quang. .. cách ly quang là vào khoảng 25% đến 40% độ dài sợi tính từ đầu vào cho cả các bộ khuếch đại được bơm cùng và hai hướng Vị trí tối ưu của bộ lọc quang được tìm ra là ở khoảng 42% tính từ đầu vào độ dài của bộ khuếch đại Hình 1.10 Cấu hình EDFA có bộ lọc quang được xen vào độ dài sợi EDF b Các ứng dụng trên các hệ thống tuyến tính số Có 3 ứng dụng chính của EDFA được sử dụng trong khuếch đại quang sợi đó... hơn Độ dài sợi EDF( m) 28 Hình 1.18 Hiệu suất biến đổi công suất như một hàm của độ dài dài EDF Với hai loại cấu trúc bơm - Độ nghiêng và độ dốc khuếch đại Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA trong thông tin quang là là việc sử dụng nó ttrong hệ thống ghép kênh quang Trong các hệ thông ghép ghép kênh theo bước sóng WDM với cự ly xa , phổ khuếch đại của bộ phận khuếch đại quang phải duy... 1.1.5 Ảnh hưởng của khuếch đại quang EDFA trong hệ thông tin quang a Giới thiệu chung Như đã biết rằng, khuyếch đại quang thực hiện khuếch đại trục tiếp tín hiệu quang và vì thế cho phép tăng quỹ công suất quang trên hệ thống thông tin quang Như vậy sự có mặt của các thiết bị khuếch đại quang trên tuyến truyền dẫn đã làm thay đổi dặc tính hệ thông Rõ ràng rằng khi mà hệ thông thông tin quang được lắp đặt . SNR trong khuếch đại Raman và chương trình mô phỏng. Luận văn được chia làm các chương : 9 Chƣơng 1: Tổng quan về khuếch đại quang sợi ếch đại quang sợi sử dụng trong truyền dẫn quang WDM. em đã thực hiện luận văn tốt nghiệp: Ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM . Luận văn trình bày một số hiểu biết về khuếch đại quang sợi và nghiên cứu ảnh hưởng của công. 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM Ngành: