xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA

xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Danh mục hình vẽ 4

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 8

1.1 Giới thiệu chung 8

1.2 Sơ đồ khối tổng quát 9

1.3 Phân loại hệ thống WDM 10

1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM 11

1.4.1 Bộ phát quang 11

1.4.2 Bộ thu quang 13

1.4.3 Sợi quang 14

1.4.4 Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) 15

1.4.5 Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) 16

1.4.6 Bộ nối chéo quang: (OXC) 18

1.4.7 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): 19

1.4.8 Bộ chuyển đổi bước song 20

1.5 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng 21

1.5.1 Suy hao xen 21

1.5.2 Xuyên kênh 21

1.5.3 Độ rộng kênh 23

1.5.4 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 24

1.6 Cấu trúc mạng truyền tải quang 25

1.6.1 Cấu trúc mạng Ring 25

1.6.2 Cấu trúc mạng Mesh 25

1.6.3 Cấu trúc mạng hình sao 26

1.6.4 Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp 27

1.7 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM 28

1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA 28

1.8.1 Các cấu trúc EDFA 28

1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA 30

1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm 32

1.8.4 Phổ khuếch đại 34

1.8.5 Các tính chất của EDFA 35

1.8.6 Nhiễu trong bộ khuếch đại 37

1.8.7 Ưu khuyết điểm của EDFA 39

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 40

2.1 Tổng quan về phần mềm Optisystem 40

2.1.1 Lợi ích 40

2.1.2 Ứng dụng 41

2.2 Đặc điểm và chức năng 41

2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library) 41

2.2.2 Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave 42

2.2.3 Các công cụ hiển thị 43

2.3 Tóm tắt hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem 43

2.3.1 Yêu cầu chung 43

2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem 46

2.3.3 Tạo một dự án mới 51

2.3.4 Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án 53

2.3.5 Chạy mô phỏng 59

2.4 Mô hình mô phỏng 67

2.4.1 Yêu cầu thiết kế 67

2.4.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế 69

2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C 69

2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang 72

2.4.4.3 Tuyến thu của hệ thống WDM 75

2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế 76

2.4.4 Kết quả mô phỏng thay đổi các tham số để đạt BER=10-12 80

Tài Liệu Tham Khảo 83

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

GVD Group velocity dispersion Nhóm hệ số tán sắc

OADM Optical add/drop multiplexer Bộ xen rớt quang

OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang

DCF Dispersion sompensating fiber Sợi bù tán sắc

SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi quang trộn

SBS Stimulated brillouin scattering Tán xạ do kích thích Brillouin

OLT Optical line terminal Bộ đầu cuối đường quang

OSC Optical supervisory channel Kênh giám sát đường quang

EDF Erbium doped fiber

Sợi quang pha ion đất hiếmErbium

OXC Optical cross connector Bộ kết nối chéo quang

PMD Polarisation mode dispersion Hệ số tán sắc phân cực mode

APS Automatic protection switching Chuyển mạch bảo vệ tự động

WDM Wavelength devision Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

TDM Time division multiplexing Bộ ghép kênh phân chia theo thời

gianSPM Self phase modulation Hiệu ứng tự điều chế dịch pha

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 6

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng 6

Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài 8

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu 9

Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang 10

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng 11

Hình 1.7 Cấu trúc song song 12

Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng 12

Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp 13

Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng 13

Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC 14

Hình 1.12 : Khuếch đại quang OLA 15

Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ giải ghép 18

Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp 18

Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring 21

Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh 21

Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơn 22

Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao kép 22

Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp 23

Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA 24

Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium 25

Hình 1.22: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica 26

Hình 1.23 Phổ hấp thụ 27

Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu 28

Hình 1.25: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép [11] 30

Hình 1.26 Cấu hình của một bộ khuếch băng L 31

Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà 33

Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA 34

Hình 2.1: Thành phần trình diễn 42

Hình 2.2: Thư viện các phần tử 42

Hình 2.3: Giao diện thư viện 44

Hình 2.4 Giao diện người sử dụng 44

Hình 2.5: Project Browser 45

Hình 2.6: Description 45

Hình 2.7: Status bar 46

Hình 2.8: Menu bar 46

Hình 2.9: Pan window 46

Hình 2.10: Tool bars 47

Hình2.11 Cửa số Project layout 47

Hình 2.12 Đặt phần tử vào Main layout 48

Hình 2.13: Kích hoạt kết nối tự động 48

Hình 2.14:Hủy bỏ chế độ kết nối tự động 48

Hình 2.15 :màn hình Parameters 49

Hình 2.16 :Chọn trường thay đổi tốc độ bít 50

Hình 2.17 : Nhập tốc độ bít muốn thay đổi 51

Hình2.18 : Thiết lập cửa sổ thời gian thực 52

Hình 2.19 : Thay đổi công suất phát quang 53

Hình 2.20: Giao diện màn hình chạy mô phỏng 55

Hình 2.21 : Chạy chương trình 56

Hình 2.22: Đo tỉ số BER của kênh 57

Hình 2.23 : Kết quả mô phỏng 58

Hình 2.24: Thiết lập tham số quyét 59

Hình 2.25: Chuyển đổi số lần quét 60

Hình 2.26: Hộp thoại chuyển sang chế độ quét cho tham số 61

Hình 2.27: Chọn chế độ của tham số 61

Hình 2.28: Các bước để hiển thị kết quả mô phỏng quét tham số 63

Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục 65

Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser 66

Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ 66

Hình 2.32 Bộ tạo chuỗi bít 66

Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder 67

Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1 67

Hình 2.35: Tuyến phát quang 68

Hình 2.36 Tuyến truyền dẫn quang 68

Hình 2.37 Bộ lặp 69

Hình 2.38 Thông số sợi bù tán sắc DCF 70

Hình 2.39 Tuyến thu WDM 71

Hình 2.40 Thiết bị đo BER 71

Hình 2.41 Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu 72

Hình 2.42 Quang phổ tín hiệu phát 73

Hình 2.43 Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ 3 73

Hình 2.44 Tổng công suất phát 74

Hình 2.45 Công suất thu của kênh 4 74

Hình 2.46 Hiển thị mắt quang 75

Hình 2.47 BER của kênh thứ nhất là 10 -13

75 Hình 2.48 Thay đổi công suất Laser phát 76

Hình 2.49 Hệ số suy hao sợi quang thay đổi 76

Hình 2.50 BER của kênh thứ nhất đạt 10 -12

77 Hình 2.51 BER đạt 10 -12 khi thay đổi một số tham số 77

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹthuật viễn thông nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áplực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin Cùng với sự phát triển của kỹthuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu

to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang Tương lai cáp sợiquang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trườngtruyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được.Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnhhưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao ,phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lụcđịa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạngnội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tươnglai Ta có thể thấy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số hạn chế về chấtlượng truyền dẫn do băng thông còn hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, vì thế yêu cầuđặt ra là phải tăng chất lượng cũng như cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quanghiện nay Giải pháp được đưa ra ở đây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM,

nó cho phép ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang do đó có thể tăng dunglượng đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang

Với bài toán: “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có

sử dụng khuếch đại quang EDFA.” Nhóm em xin trình bày tổng quan về hệ thốngthông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA , xây dựng mô hình mô phỏng hệthống thông tin quang WDM theo phương án đã thiết kế

Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.s Cao Hồng

Sơn, đã hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránhkhỏi những thiếu xót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, các bạn

để bài tập của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”.

Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải

ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.

1.2 Sơ đồ khối tổng quát

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép.

Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín 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 Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ).

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại:

khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1 dB)

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để 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.

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng nhưminh hoạ trên hình 1.2 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Dovậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng,ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổithông tin giữa 2 điểm

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tạichỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

-Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấpđôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệthống song hướng

-Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạchbảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều cókhả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

-Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phảixét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợiquang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quangkhông 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 songhướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ chocông suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

 Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng vớibiến 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 ứngbằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Bước sóng ánh sáng của nguồnphát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát ra bức

xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến

1600 nm

 Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo các địnhdạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) và đảm bảo tín hiệu quang

có độ rộng phổ hẹp tại bớc sóng chính xác theo tiêu chuẩn

 Mô hình điều chế ngoài

Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài

 Yêu cầu với nguồn quang:

- Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ thống

WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khácnhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyênnhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết độ

ổn định tần số phía phát phải thật cao

- Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng phổ của

nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần chotrước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹpcàng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thốngkhông đảm bảo chất lượng Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồnđơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phảnhồi phân bố)

- Dòng ngưỡng thấp: Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc

kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin và tránh cho máythu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn)

- Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi quang,

nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh độngcàng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn quang

sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh

- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu

pha, Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông số, đảmbảo chất lượng dịch vụ tốt

1.4.2 Bộ thu quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi Nótiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệuđiện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD.Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạyquang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít (BER) chophép

Bộ thu quang trong hệ thống WDM

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu

1.4.3 Sợi quang

 Cấu tạo sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh cóchiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc(cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2

< n1

Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang

 Phân loại sợi quang

 Phân loại theo chiết suất:

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)

- Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)

 Phân loại theo mode

- Sợi đơn mode (Single-Mode)

- Sợi đa mode (Multi-Mode)

Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:

- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn

- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượngcao

- Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệuứng phi tuyến.

- Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trong cửa sổ

C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted)

1.4.4 Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX)

 Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với vộ kết nối chéo quang, làthiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kết hợp với bộ kết nốichéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả năng truyền tải đồngthời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ, mà công nghệ hiện nay đang hướng tới.Bộ tách/ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau

 Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau:

- Suy hao xen

- Số lượng kênh xử lý

- Bước sóng trung tâm

- Băng thông

- Giá trị lớn nhất của suy hao xen

- Độ suy hao chen giữa các kênh

(a) Sơ đồ khối bộ ghépkênh bước sóng (MUX)(b) Sơ đồ khối bộ táchkênh bước sóng(DEMUX)

(c) Các tham số đặc trưngcủa bộ MUX/ DEMUX

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng

Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:

- Ghép tầng nối tiếp đơn kênh

- Ghép một tầng

- Ghép tầng theo từng băng sóng

- Ghép tầng đan xen chẵn lẻ

1.4.5 Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM)

 Khái niệm :

- OADM ( Optical Add/Drop Multiplexer) thường được dùng trong các mạng

quang đô thị và các mạng quang đường dài vì nó cho hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt đốivới cấu hình mạng tuyến tính, cấu hình mạng vòng

- OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng,các kênh bước sóng

còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua

 Các cấu trúc cho OADM :

- Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh Sau đó

một số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyên qua một cáchthích hợp

Hình 1.7 Cấu trúc song song

- Cấu trúc song song theo băng ( theo modun) :tạo thành bằng cách thiết kế theo

từng modun cho cấu trúc song song

Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng

- Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh

đi vào OADM

Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp

- Cấu trúc xen rớt theo băng sóng : trong cấu trúc này một nhóm cố định kênh

bước sóng thực hiện xen/ rớt tại mỗi nút mạng OADM Các kênh được thiết lập thực hiệnxen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc cóbăng thông là dải bước sóng Sau đó chúng được đưa lên mức ghép kênh cao hơn và từ đógiải ghép kênh thành các kênh bước sóng riêng lẻ

Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng

1.4.6 Bộ nối chéo quang: (OXC)

 Định nghĩa : OXC là thiết bị đáp ứng yêu cầu về khả năng linh động trong việc

cung ứng dịch vụ, hay đáp ứng khả năng đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến củacác dịch vụ đa phương tiện

Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC

 Các yêu cầu đối với OXC :

- Cung cấp dịch vụ

- Bảo vệ

- Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit

- Giám sát chất lượng truyền dẫn

- Chuyển đổi bước sóng

- Ghép và nhóm tín hiệu

Máy thu

Chặng độ lợi

Bộ bù tán sắc

λ O S C

λ O S C

λ1 ,λ2 ,

…,λW

1.4.7 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier):

Hình 1.12: Khuếch đại quang OLA

 Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộkhuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha tạpEribum (EDFA) Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyển đổi O/

E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

+ Nâng cấp đơn giản

Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng

+ Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổicao

+ Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi + Không nhạy cảm với phân cực

+ Nhiễu thấp + Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM+ Suy hao ghép nối với sợi quang thấp

Phân loại :+ Vào : giống như laser bán dẫn nhưng được phân cực dưới ngưỡng + Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy ra trong sợiquang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA

+ Ra : khuếch đại xảy ra trong sợi quang nhờ mức công suất bơm cao

1.4.8 Bộ chuyển đổi bước song

 Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ởđầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra Đối với hệ thống WDM, bộ chuyểnđổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau :

 Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trongWDM

 Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sửdụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn, linh động hơn

 Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:

Phương pháp quang điện

Phương pháp cửa quang

Phương pháp giao thoa

Phương pháp trộn bước sóng

1.5 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng

1.5.1 Suy hao xen

Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các điểmghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra Vìvậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được biểu diễnqua công thức sau (xét bộ MUX-DEMUX mô tả ở hình 2.7)

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng i khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyềndẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộghép

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộtách

1.5.2 Xuyên kênh

Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét

Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:

-Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênhkhác Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suất trongcác viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận

-Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộlọc

-Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode

Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suấtquang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng kháccũng như vậy

Li=−10 log O( λi)

Ii λi [ dB ] MUX ( 2 1)

Li=−10 log O( λi)

Ii λi [ dB ] DEMUX ( 2 2 )

Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng  i sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng  i Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của một thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau:

Trong bộ giải ghép thì Ui(k) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng k bị

dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng i, hình 2.8a

Trong các thiết bị tách hỗn hợp như hình 2.8b có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên

âm đầu gần và xuyên âm đầu xa

- Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bêntrong thiết bị như Ui(j).

- Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví

dụ Ii(k) sinh ra Ui(j)

1.5.3 Độ rộng kênh

Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống WDM là có thể sử dụng bao nhiêu bước và việc phân chia bước sóng như thế nào

Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sủ dụng bước sóng

1550nm và các bộ khuếch đại EDFA Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp EDFA khoản 30nm Nếu ta muốn xếp khoảng 16 kênh trong dải bước sóng này thì độ rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm Độ rộng kênh là tiêu chuẩn trong miềntần số hơn là bước sóng

Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng:

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.108 m/s

 là bước sóng hoạt động

Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ 250GHz Vậy độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang Dải bước sóng C của các bộ khuếch đại EDFA là 1530-1550nm Nếu nguồn phát thứ nhất phát xạ tại 1530, thì nguồn phát thứ hai phải phát xạ tại 1531,875nm và các nguồn phát khác tương tự Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm Đối với nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn từ

10 đến 20 lần LD vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn

(2.4)

λf =c

f = c λ

c

λ2

1.5.4 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất tín hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn của hệ thống WDM thì mức công suất này thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh

Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thể chia thành hai loại là hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ)

a Hiệu ứng tán xạ:

Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS:

- Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống

- Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có hiện tượng như SRS nhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau chiều tán

xạ Ảnh hưởng càn lớn thì ngưỡng công suất càng thấp

b Hiệu ứng Kerr:

Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM:

- Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) là hiện tượng khi cường độ quang đưa vàothay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự biến pha của sóng quang Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ tần dãn rộng và tích lũy theo

sự tăng lên của chiều dài Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang càng lớn

- Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa là trong hệ thống nhiều bước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha của tín hiệu bị điềuchế bởi công suất của kênh khác

- Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quang truyền dẫn hồn hợp trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên nhiễu làm hạn chế số bước sóng được sử dụng Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây các hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

1.6 Cấu trúc mạng truyền tải quang

1.6.1 Cấu trúc mạng Ring

Hình 1.15 : Cấu trúc mạng RingCác node chỉ liên kết vật lý trực tiếp với hai node gần nhau

Kết nối này thuận lợi cho việc bảo dưỡng, hiệu năng cao ,chi phí thấp, sử dụng phần

tử mạng một cách hiệu quả

1.6.2 Cấu trúc mạng Mesh

Hình 1.16 : Cấu trúc mạng MeshCác node liên kết vật lý trực tiếp với tất cả node gần nó

Cung cấp nhiều khả năng định tuyến

Cấu trúc có độ tin cậy cao nhưng kết cấu phức tạp

Thường được sử dung trong các mang đòi hỏi độ tin cậy cao

1.6.3 Cấu trúc mạng hình sao

a Cấu trúc mạng hình sao đơn

Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơnChọn một node làm trung tâm tín hiệu sẽ được truyền đến các node như hình trên

Cấu trúc mạng đơn giản, cho phép truyền dung lượng lớn

Node trung tâm phải có khả năng truyền và sử lý với dung lượng lớn

b Cấu trúc mạng hình sao kép

Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao képTương tự như mang sao đơn nhưng ngoài node trung tâm còn có các thiết bị đầu xa Cấu trúc kép cho phép sư dụng hiệu quả vì mỗi nhánh có thể có nhiều node con

Cấu trúc này có nhược điểm do sử dụng thiết bị đấu cuối nên tăng chi phí lắp đặt

Cấu hình phức tạp cũng làm giảm độ tin cậy Khó phát triên dịch vụ băng thông rộng

c Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp

Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớpỨng dụng cấu trúc mạng ring hai lớp được sử dụng trên thực tế để kết nối giữa các cấu trúc ring riêng biệt tao thành một mang liên kết lớn

Tốc độ giữa các node trong mang ring thì cao, ngược lại tốc độ giữa các mang ring tương đối chậm

1.6.4 Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp

Tương tự như mạng ring hai lớp mạng mesh và mang ring hai lớp tạo kết nối giữa mang nội bộ với các mang nội bộ khác

1.7 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

a Ưu điểm :

 Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM

 Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng,WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênhquang)

 WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặtthêm sợi quang

b Nhược điểm :

 Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợiquang

 Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động

1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA

1.8.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFACấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped FiberAmplifier) được minh họa trên hình 2.9 Trong đó bao gồm:

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra

quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộnm) của EDF được pha trộnionEr3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+trongvùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ionerbiumlớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấphơnbao quanh vùng lõi.Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kínhsợiquang tổng cộng là 250 μm) của EDF được pha trộnm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùngđểloại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang Nếukhông kểđến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trongviễn thông

1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA

a) Giản đồ phân bố năng luợng của Er3+:

Hình 1.22: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silicaGiản đồ phân bố năng lượng của Er3+ trong sợi silica được minh họa trong hình trên.Theođó, các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được ký hiệu: 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2,4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 Trong đó:

- Vùng4I15/2 có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền (ground-state band)

- Vùng 4I13/2 được gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+có thời gian sống(lifetime) tại vùng này lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vùng nền

Thờigian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi của EDF

- Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 là các vùng năng lượng cao, được gọi là vùng kíchthích hay vùng bơm (pumping band) Thời gian các ion Er3+ có trạng thái nănglượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1 μm) của EDF được pha trộns)

Phổ hấp thụ (absortion spectrum)và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFA có lõi pha

Ge được biểu diễn trên hình 2.12 [2]

Hình 1.23: Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) của

EDFAcó lõi pha Ge [2]

b) Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện:

Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượngtừcác photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn ởvùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μm) của EDF được pha trộns) và chuyểnxuống vùng giả bền (2) Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ởđỉnh của vùng giả bền (3)

Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980

1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằngcách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích Có hai cách thực hiệnquá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980 nm

Hiện nay, bơm bước sóng 1480 nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có hơn

và độtin cậy cao hơn Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để bơm chokhoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu

Bảng 2.1: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm

Thấp hơnCao hơnThấp hơnCao hơn

suất

b) Công suất bơm

Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi năng lượngvới tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên Tuy nhiên, hệ

số khuếch đạikhông thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium được cấyvào sợi là có giới hạn Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì hệ số nhiễu sẽ giảm Điều này sẽ được trình bàytrong phần tính hệ số nhiễu của EDFA

c) Hướng bơm

Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách:

Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyềntín hiệu

Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướngtruyền tín hiệu

Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai chiều ngượcnhau

Một EDFA được bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất đầu ra cực đạikhoảng +16 dBm trong vùng bão hoà hoặc hệ số nhiễu từ 5-6 dB trong vùng tín hiệu nhỏ Cả hai bước sóng bơm được sử dụng đồng thời có thể cung cấp công suất đầu ra cao hơn; một EDFA được bơm kép có thể cung cấp công suất ra tới +26 dBm trong vùng công suất bơm cao nhất cóthể đạt được Hình dưới đây thể hiện một EDFA được bơm kép

Giá trị các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA được trình bày trong bảng 2.2

Hình 1.25: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép [11].

1.8.4 Phổ khuếch đại

Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 2.12 là tính chất quan trọng nhất củaEDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM Hình dạng của phổkhuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) và nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang

Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi:

• Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (equalizer) hấp thụ bớt công suất ởbước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợinhỏ

• Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm,

photphonhôm hay flo cùng với erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở rộng vàphổ khuếch đại bằng phẳng hơn

Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm) Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm Điều này kích thích sự phát triển của các

hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm Nguyên lý hoạt động của EDFA băng

L giống như EDFA băng C Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết kế EDFA cho băng C và băng L

Các phần tử bên trong bộ khuếch đại quang như bộ cách ly (isolator) và bộ ghép (coupler) phụthuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác nhau trong băng C và băng L Sự sosánh các tính chấtcủa EDFA trong băng C và băng L được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và băng L

Nhỏ hơn khoảng 3lần

Bằng phẳng hơnCao hơn

Hình 1.25 trình bày cấu trúc của một bộ khuếch đại băng L làm bằng phẳng độ lợi trongkhoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng [3].

Tầng đầu tiên được bơm ở bướcsóng 980nm và hoạt động như một bộ EDFA truyền thống (sợi quang dài 20-30nm) có khả năngcung cấp độ lợi trong khoảng bước sóng 1530-1570 nm Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m và được bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm Một bộ isolator được đặt giữa hai tầng nàycho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ 1 sang tầng thứ 2 nhưng ngăn ASE truyền ngược về tầng thứ nhất Với cấu trúc nối tiếp như vậy, khuếch đại hai tầng có thể cung cấp độ lợi phẳng trên mộtvùng băng thông rộng trong khi vẫn duy trì mức nhiễu thấp

Hình 1.26 Cấu hình của một bộ khuếch băng L làm bằng phẳng độ lợi trong khoảng

bướcsóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng

- N1(z), N2(z): mật độ ion erbium ở trạng thái kích thích và ở trạng thái nền tại vị trí ztrong đoạn sợi quang pha erbium

- L: chiều dài sợi pha erbium

- (e)s σ , (a)s σ: tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của ion erbium tại bước sóng tín

hiệu

Phương trình (2.11) cho thấy độ lợi liên quan đến sự nghịch đảo nồng độ trung bình

Gọi1 N, 2 N lần lượt là nồng độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thíchtrung bình Khi đó 1 N , 2 N sẽ được tính theo công thức sau:

(2.15)Trong đó:

• τ : thời gian sống của ion erbium ở trạng thái kích thích 4I13/2

• Ps(z): công suất của tín hiệu tại vị trí z trong sợi quang

• Pp(z): công suất bơm tại vị trí z trong sợi quang

• Γs : hệ số chồng lắp tại bước sóng tín hiệu.s : hệ số chồng lắp tại bước sóng tín hiệu

• Γs : hệ số chồng lắp tại bước sóng tín hiệu.p : hệ số chồng lắp tại bước sóng bơm

• A : diện tích tiết diện ngang hiệu dụng

• fs : tần số tín hiệu

• fp : tần số bơm

• N : mật độ ion erbium tổng cộng

sσ σ : là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ tại bước sóng tín hiệu.

pσ σ : là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ tại bước sóng bơm.

khuếch đại tăng Nhưng nếu nồng độ Er+3 tăng quá cao sẽ gây tích tụ dẫn đến hiện tượng tiêu hao quang làm cho hệ số khuếch đại giảm.

b) Công suất ra bão hoà (Output saturation power)

Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu vào EDFA lớn gây ra sự giảm hệ số khuếch đại Sự bão hoà hệ số khuếch đại này xuất hiện khi công suất tín hiệu tăng cao và gây ra

sự phát xạ kích thích ở một tỷ lệ cao và do đó làm giảm sựnghịch đảo nồng độ Điều đó

có nghĩa là số các ion erbium ở trạng thái kích thích giảm một cách đáng kể Hệ quả là, công suất tín hiệu ở ngõ ra bị hạn chế bởi sự bão hoà công suất Công suất ra bão hòa Pout, được định nghĩa là tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm đi 3 dB so với khikhuếch đại tín hiệu nhỏ

Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà

Công suất ra bão hòa tăng tuyến tính theo công suất bơm vào tại bước sóng bơm 975

nm đối với bước sóng tín hiệu là 1555 nm và 1532 nm

1.8.6 Nhiễu trong bộ khuếch đại

Nhiễu trong bộ khuếch đại là một yếu tố giới hạn quan trọng đối với hệ thống truyền dẫn.Đối với EDFA, ảnh hưởng của nhiễu ASE được tính thông qua thông số hệ số nhiễu

NF được chobởi công thức [2]:

đó, hệ sốnhiễu NF của EDFA cũng phụ thuộc vào chiều dài của sợi quang L và công suấtbơm PP, giốngnhư độ lợi tín hiệu của EDFA.

Hình 2.17 biểu diễn sự thay đổi của NF và độ lợi tín hiệu theo chiều dài của sợiquang vớimột số giá trị của PP/Psat khi công suất tín hiệu ngõ vào 1mW tại bước sóng1,53 μm) của EDF được pha trộnm Kết quả chothấy rằng FN có thể đạt gần bằng 3dB khi công suất của nguồn bơm

PP >> Pp,sat.Với mức nhiễu tương đối thấp, EDFA là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệthống thông tinquang WDM hiện nay Dù vậy, nhiễu do bộ khuếch đại cũng làm giới hạnchất lượng các hệ thốngthông tin quang đường dài sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA.Vấn đề nhiễu trở nên nghiêmtrọng khi hệ thống hoạt động trong vùng tán sắc không củasợi quang Khi đó các hiệu ứng phituyến sẽ làm tăng nhiễu bộ khuếch đại và giảm phổ tínhiệu Ngoài ra, nhiễu của bộ khuếch đạicũng gây nên rung pha định thời Vần đề này sẽđược trình ở phần sau

Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFAKhông chỉ giới hạn tỉ lệ SNR trong các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đại quang, nhiễu ASE mà còn đặt ra những giới hạn khác lên các ứng dụng khác nhau của các bộ khuếch đại quang trong các tuyến thông tin sợi quang Chẳng hạn, xem xét một vài bộ khuếch đại quang được ghép tầng dọc theo một khoảng truyền dẫn như các bộ lặp tuyến tính để bù suy hao sợi quang Công suất nhiễu ASE Pnoise sẽ là một phần trong công suấtđầu ra Pout của một bộ khuếch đại nào đó trong chuỗi khuếch đại và trở thành đầu vào của bộ khuếch đại tiếp theo Do sự bão hoà độ lợi phụ thuộc vào tổng công suất đầu vào, nhiễu ASE từ đầu ra của các tầng trước trong chuỗi khuếch đại có thể lớn đến mức nó sẽ làm bão hoà các bộ khuếch đại phía sau Nếu sự phản xạ tại đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại thấp, ASE được phát xạ theo hướng ngược về đầu vào từ các bộ khuếch đại thuộc các tầng sau cũng có thể vào các bộ khuếch đại ở phía trước, càng làm tăng sự bão hoà gây ra do ASE

Thêm vào sự suy giảm hoạt động về mặt công suất, sự lẫn tạp về pha của tín hiệu do phát xạ tự phát cũng gây ảnh hưởng như nhiễu tần số và nhiễu biên độ, đặc biệt là nhiễu

pha do sự phản xạ tại các giao diện quang Vì tín hiệu đến bộ khuếch đại quang cũng có một lượng nhiễu pha do sự trải rộng phổ của nguồn laser càng làm tăng cao nhiễu trong

bộ khuếch đại Điều này sẽ làm suy giảm hoạt động của các hệ thống thông tin quang

1.8.7 Ưu khuyết điểm của EDFA

a) Ưu điểm:

- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao

- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống

- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển vàthay thế

- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượtbiển

- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quangbán dẫn

- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu

b) nhược điểm:

- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng

- Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L

- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN

MỀM OPTISYSTEM 2.1 Tổng quan về phần mềm Optisystem

Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càngtrở nên phức tạp Để phân tich, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công

cụ mô phỏng

OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm này có khả năngthiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa trênkhả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế Bên cạnh đó, phần mềmnày cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tự địnhnghĩa vào

Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan

OptiSystem có thể giảm thiểu các yêu cầu thời gian và giảm chi phí liên quan đến thiết

kế của các hệ thống quang học, liên kết, và các thành phần Phần mềm OptiSystem là mộtsáng tạo, phát triển nhanh chóng, công cụ thiết kế hữu hiệu cho phép người dùng lập kếhoạch, kiểm tra, và mô phỏng gần như tất cả các loại liên kết quang học trong lớp truyềndẫn của một quang phổ rộng của các mạng quang học từ mạng LAN, SAN, MAN tớimạng ultra-long-haul Nó cung cấp lớp truyền dẫn,thiết kế và quy hoạch hệ thống thôngtin quang từ các thành phần tới mức hệ thống.Hội nhập của nó với các sản phẩmOptiwave khác và các công cụ thiết kế của ngành công nghiệp điện tử hàng đầu phầnmềm thiết kế tự động góp phần vào OptiSystem đẩy nhanh tiến độ sản phẩm ra thịtrường và rút ngắn thời gian hoàn vốn

2.1.1 Lợi ích

- Cung cấp cái nhìn toàn cầu vào hiệu năng hệ thống

- Đánh giá sự nhạy cảm tham số giúp đỡ việc thiết kế chi tiết kỹ thuật

- Trực quan trình bày các tùy chọn thiết kế và dự án khách hàng tiềm năng

- Cung cấp truy cập đơn giản để tập hợp rộng rãi các hệ thống đặc tính dữ liệu

- Cung cấp các tham số tự động quét và tối ưu hóa

- Tích hợp với họ các sản phẩm Optiwave

2.1.2 Ứng dụng

Tạo ra để đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sư viễn thông quanghọc, tích hợp hệ thống, sinh viên và một loạt các người dùng khác, OptiSystem đáp ứngcác nhu cầu của thị trường lượng tử ánh sáng phát triển mạnh mẽ nhưng vẫn dễ sử dụngcông cụ thiết kế hệ thống quang học

OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng:

- Thiết kế mạng WDM / TDM hoặc CATV

- Thiết kế mạng vòng SONET / SDH

- Thiết kế bộ phát, kênh, bộ khuếch đại, và bộ thu thiết kế bản đồ phân tán

- Đánh giá BER và penalty của hệ thông với các mô hình bộ thu khác nhau

- Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sửng dụng khuếch đại quang

- Thay đổi hệ thống tham số BER và tính toán khả năng liên kết “Khi hệ thống quanghọc trở nên nhiều hơn và phức tạp hơn, các nhà khoa học và kỹ sư ngày càng phải ápdụng các phần mềm kĩ thuật mô phỏng tiên tiến, quan trọng hỗ trợ cho việc thiết kế.Nguồn OptiSystem và linh hoạt tạo điều kiện thuận lợi hiệu quả và hiệu quả trong việcthiết kế nguồn sáng "

2.2 Đặc điểm và chức năng

2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library)

Thư viện OptiSytem bao gồm hàng trăm các thành phần cho phép bạn có thể nhậpcác thông số được đo từ các thiết bị thực sự Nó tích hợp với các thử nghiệm và thiết bị đolường từ các nhà cung cấp khác nhau Người sử dụng có thể kết hợp các thành phần mớidựa trên hệ thống con và người sử dụng và định nghĩa là thư viện, hoặc sử dụng mô phỏngcùng với một công cụ của bên thứ ba chẳng hạn như MATLAB hoặc SPICE

Cụ thế bao gồm:

- Thư viện nguồn quang

- Thư viện các bộ thu quang