Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho viễn thông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang.Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càng được phát triển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai
Đề tài: Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang Quy Nhơn – Phan Rang có EDFA mắc chuổi MỤC LỤC Đề tài: Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang Quy Nhơn – Phan Rang có EDFA mắc chuổi CÁC TỪ VIẾT TẮT APD Avalanche Photodiode Điốt quang kiểu thác ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát khuếch đại DEMUX DEMultiplexing Bộ tách kênh DFA Doped Fiber Amplifier Sợi khuếch đại pha tạp DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng mật Multiplexing độ cao Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA Erbium FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng LD Laser Diode Điốt laser LED Light Emitting Diode Diode phát quang MUX Multiplexing Bộ ghép kênh NDFA Neodymium-Doped Fiber Khuếch đại quang pha Amplifier tạp Neodymium NF Noise Figure Hệ số nhiễu OFA Optical Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu quang PDFA Praseodymium-Doped Fiber Khuếch đại quang pha tạp Amplifier Praseodymium SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SOA Optical Semiconductor Bộ khuếch đại quang bán dẫn Amplifier SPM Self Phase Modulation Điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman TDFA Thulium-Doped Fiber Khuếch đại quang pha tạp Amplifier Thulium WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo Đề tài: Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang Quy Nhơn – Phan Rang có EDFA mắc chuổi LỜI MỞ ĐẦU Từ năm 1980 hệ thống thông tin cáp sợi quang thức đưa vào khai thác mạng viễn thông Chúng ta phải thừa nhận phương thức truyền dẫn quang thể khả to lớn công việc truyền tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú loại, hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng tần rộng, có cự ly truyền dẫn xa, tốc độ cao, suy hao thấp Đã có sức hấp dẫn mạnh nhà khai thác Các hệ thống thông tin quang không đặc biệt phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục trung kế mà có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Bước vào thiên niên kỷ mới, thấy thay đổi lớn ngành công nghiệp viễn thông Ngành công nghiệp viễn thông phát triển vượt bậc cho đời nhiều loại hình dịch vụ đáp ứng nhu cầu ngày tăng cao người Hiện nay, số lượng người sử dụng dịch vụ viễn thông ngày tăng nhanh Xu hướng phát triển viễn thông loại hình mạng với dung lượng cao, băng thông rộng, phạm vi hoạt động lớn có khả chống nhiễu, bảo mật tốt Để làm điều mạng truyền dẫn cần phải có phát triển mạng qui mô trình độ công nghệ Một nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho viễn thông quốc tế kỹ thuật truyền dẫn môi trường cáp sợi quang công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội, loại dịch vụ sử dụng phổ biến, ngày phát triển hoàn thiện đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Trong việc đời ứng dụng khuếch đại miền tín hiệu quang dần thay khuếch đại điện trước Gần thực thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua trình biến đổi điện Điều đáng ý khuếch đại quang trộn đất Erbium EDFA khuếch đại toàn bước sóng quang băng C băng L mà không cần phải tách Đề tài: Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang Quy Nhơn – Phan Rang có EDFA mắc chuổi bước sóng Bộ khuếch đại quang EDFA ứng dụng hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM Ngoài khuếch đại EDFA ứng dụng trọng nhiều hệ thống khác Trong tương lai, với phát triển mạnh mẽ công nghệ hứa hẹn phát triển hệ thống thông tin quang trở nên mạnh mẽ hơn, ngày phát triển Tuy nhiên khuếch đại EDFA có vài nhược điểm, nhiễu cho vấn đề quan tâm chất lượng khuếch đại nói chung khuếch đại EDFA nói riêng Để hiểu rõ nhiễu nâng cao chất lượng tín hiệu hệ thống, em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng EDFA mắc chuỗi, nâng cao chất lượng tín hiệu tuyến Quy Nhơn-Phanrang” Đồ án gồm có chương: • Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang đa kênh sử dụng khuếch đại quang • Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA • Chương 3: Xây dựng thuật toán nâng cao chất lượng tín hiệu tuyến Quy Nhơn – Phan Rang Với việc sử dụng phần mềm Matlab, đồ án tiến hành mô tìm thông số tối ưu kết OSNR tốt nhất, qua nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn tuyến thông tin Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang WDM Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang WDM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chương Chương trình bày nội dung sau : Các đặc tính hệ thống thông tin sợi quang Sơ đồ nguyên lí hệ thống thông tin sợi quang Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM Giới thiệu phân loại khuếch đại quang 1.2 Các đặc tính hệ thống thông tin sợi quang a) Ưu điểm - Dung lượng cực lớn: cáp sợi quang truyền tải tín hiệu có tần số cao nhiều so với cáp đồng trục thông tin vô tuyến − Suy hao thấp Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài Nếu so sánh với cáp đồng mạng, khoảng cách lớn cáp đồng khuyến cáo 100 m, cáp quang khoảng cách 2000 m − Băng thông rộng Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần sợi quang lên đến hàng THz − Trọng lượng nhẹ Trọng lượng cáp quang nhỏ so với cáp đồng Một cáp quang có sợi quang nhẹ 20% đến 50% cáp Category có đôi Cáp quang có trọng lượng nhẹ nên cho phép lắp đặt dễ dàng − Kích thước nhỏ Cáp sợi quang có kích thước nhỏ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp không gian lắp đặt cáp − Không bị can nhiễu sóng điện từ điện công nghiệp: sợi quang cấu thành từu thủy tinh oxit nên không bị ảnh hưởng điện từ trường bên − Tính an toàn Vì sợi quang chất điện môi nên không dẫn điện − Tính bảo mật Sợi quang khó trích tín hiệu Vì không xạ lượng điện từ nên bị trích để lấy trộm thông tin phương tiện điện thông thường dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, khó trích lấy Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang WDM thông tin dạng tín hiệu quang − Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang khả dụng cho hầu hết dạng thông tin số liệu, thoại video b) Nhược điểm − Vấn đề biến đổi Điện-Quang Trước đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện phải biến đổi thành sóng ánh sáng − Dòn, dễ gẫy Sợi quang sử dụng viễn thông chế tạo từ thủy tinh nên dòn dễ gẫy.Hơn kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng − Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có nhóm kỹ thuật viên có kỹ tốt thiết bị thích hợp − Vấn đề an toàn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, phương tiện phát mảnh thủy tinh thể Ngoài ra, không nhìn trực diện đầu sợi quang hay khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng hệ thống thông tin quang ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận nên điều tiết có nguồn lượng này, gây nguy hại cho mắt Bảng 1.1 So sánh giửa cáp quang cáp đồng 1.2.1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống thông tin sợi quang Điểm khác hệ thống thông tin quang hệ thống vi ba dải tần số sóng mang thông tin Tần số sóng mang quang tiêu biểu khoảng 200 THz Trong dải tần sóng mang vi ba khoảng vài GHz đến vài chục GHz Do dung Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang WDM lượng tỉ lệ thuận với sóng mang nên sóng quang mang dung lượng thông tin gấp 10000 lần so với sóng vi ba Do thông tin quang đánh giá thống truyền dẫn phân phối đầy tiềm nhằm giúp đáp ứng nhu câu đa dạng xã hội Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Môi trường truyền dẫn sợi cáp quang Sơ đồ nguyên lí hoạt đọng hệ thống mô tả hình 1.1 Tín hiệu điện đưa vào biến đổi điện-quang (E/O) để biến thành tín hiệu quang Sau tín hiệu quang mang thông tin đưa vào sợi quang để truyền đến phía thu Ở phía thu, trình ngược lại thực hiện, biến đổi tín hiệu quang thành tin hiệu điện nhờ biến đổi quang-điện (O/E) − Khối E/O: phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang, đưa tín hiệu quang lên đường truyền (sợi quang) Đó chức khối E/O phát quang.Thường người ta gọi khối E/O nguồn quang Hiện nay, linh kiện sử dụng làm nguồn quang LED LASER − Khối O/E: tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang thu nhận biến trở lại thành tín hiệu điện đầu phát Đó chức khối O/E thu quang Các linh kiện sử dụng để làm chức PIN APD, chúng thường gọi linh kiện tách sóng quang (photo-detector) 1.3 Ghép kênh theo bước sóng (WDM) 1.3.1 Ðịnh nghĩa Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang WDM công nghệ “trong sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”.Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp phân giải (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác 1.3.2 Sơ đồ chức Như minh hoạ hình 1.2, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng sợi quang, hệ thống WDM phải thực chức sau: - Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát : Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm giới hạn cho phép Kênh Kênh Phát λ1 Phát λ2 Thu λ1 Sợi quang Thu λ2 Kênh Kênh Thiết bị WDM Thiết bị WDM (MUX) (DEMUX) λ1 ,λ2,…,λn Kênh n Phát λn Thu λn Kênh n Hình 1.2 Hệ thống ghép bước sóng theo hướng - Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot Khi xét đến tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang WDM kênh bước sóng, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm giữ a kênh, tính đồng 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 sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ) - Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: Ðộ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch không dB) • Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh • Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh - Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD 1.3.3 Phân loại hệ thống WDM Kênh Kênh Phát λ1 Thu λ1 Phát λ2 Sợi quang Thu λ2 Kênh Kênh Thiết bị WDM Thiết bị WDM (MUX) (DEMUX) λ1 ,λ2,…,λn Kênh n Phát λn Thu λn Kênh vào Phát λ1, , λk (MUX-DEMUX) Kênh Thu λk+1, , λn Kênh λ1, , λk Thiết bị WDM Thiết bị WDM Sợi quang λk+1, , λn Kênh n Thu λ1, , λk (MUX-DEMUX) Phát λk+1, , λn 10 Chương 3: Xây dựng thuật toán nâng cao chất lượng tín hiệu tuyến Quy Nhơn – Phan Rang -20 -30 Cong suat nhieu -40 -50 -60 -70 -80 -90 PFWM PA SE 10 11 12 13 14 15 G Hình 3.8 sau biểu diễn công suất nhiễu FWM, ASE theo hệ số khuếch đại Từ hình 3.8 ta thấy G lớn 13 công suất nhiễu FWM lớn nhiễu ASE, G nhỏ 13 PFWM < PASE Trường hợp G >13, công suất tín hiệu quang bảo toàn suy hao đường truyền mà khuếch đại lên dần dọc theo EDFA, mà ta biết tượng trộn bốn bớc sóng FWM tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu, cần hệ số khuếch đại tăng lên lượng nhỏ (G tăng) công suất FWM tăng lên cách mạnh mẽ theo hàm bậc tăng hệ số khuếch đại Mặt khác PASE lại tăng theo hàm bậc G nên phần đồ thị phía bên phải đường G = 13 PFWM > PASE Ngược lại G13) Vì mà phần phía bên trái đường G = 13 PFWM[...]... dụng các bộ khuếch đại quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn quang Việc sử dụng các sợi quang có pha tạp đất hiếm làm bộ khuếch đại tín hiệu quang cho các tuyến truyền dẫn quang mà đặc biệt là bộ khuếch đại quang sợi pha 30 Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) tạp Erbium EDFA. .. khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) Hình 2.3: giản đồ phân bố năng lượng của ion Er trong sợi Silica Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er3+ có thể xảy ra trong các trường hợp sau: - Khi các ion Er3+ ở vùng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng) - Khi các ion... đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) 17 Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) Chương 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 2.1 Giới thiệu chương Chương này trình bày các nội dung sau: Cấu trúc EDFA Nguyên lý hoạt động của EDFA Tính toán các hệ số có liên quan đến EDFA Và cuối cùng tìm hiểu các loại nhễu trong EDFA 2.2 Cấu trúc EDFA Hình 2.1 Cấu trúc bộ khếch đại EDFA. .. Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM bơm cao, nhiểu phải thấp, xuyên âm nhỏ, tổn hao nhỏ khi ghép nối với sợi quang, băng thông rộng và dải bước sóng khuếch đại tại đầu vào có thể thay đổi được các bộ khuếch đại quang rất quang trọng trong các mạng quang do chúng có thể bù lại tổn hao của tín hiệu trên sợi quang trong quá trình lan truyền tín hiệu.Trong đó khuếch đại EDFA là khuếch đại phổ... và tán sắc Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến 12 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM 1.4.Khuếch đại quang 1.4.1 Khái niệm chung về khuếch đại 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... Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM điện, đó là sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong các bộ khuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với các trạm lặp, các bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau: • Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay... phần sau Không 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... trong sợi quang Nếu không kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông Ngoài ra, EDF còn được chế tạo bằng các bằng các loại vật liệu khác như sợi thủy tinh flouride (flouride-based glass fiber) hoặc sợi quang thủy 18 Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) tinh đa vật liệu (multicomponent glass fiber) Hình 2.2 mặt cắt ngang của một sợi quang pha... việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn EDF Dưới đây ta có bảng liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2 của các loại sợi thủy tinh khác nhau Bảng 2: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 4I15/2 đến 4I11/2 của các loại sợi thủy tinh khác nhau 27 Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) Bằng cách phân tích này độ khuếch đại thực của EDFA có thể được... Pp,sat Với mức nhiễu tương đối thấp, EDFA là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống thông tin quang WDM hiện nay Dù vậy, nhiễu do bộ khuếch đại cũng làm giới hạn chất lượng các hệ thống thông tin quang đường dài sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA Vấn đề nhiễu trở nên nghiêm trọng khi hệ thống hoạt động trong vùng tán sắc không của sợi quang Khi đó các hiệu ứng phi tuyến sẽ làm tăng nhiễu bộ khuếch đại ... nhiễu nâng cao chất lượng tín hiệu hệ thống, em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng EDFA mắc chuỗi, nâng cao chất lượng tín hiệu tuyến Quy Nhơn-Phanrang” Đồ án gồm có. .. trộn đất Erbium EDFA khuếch đại toàn bước sóng quang băng C băng L mà không cần phải tách Đề tài: Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang Quy Nhơn – Phan Rang có EDFA mắc chuổi bước sóng...Đề tài: Nâng cao chất lượng tuyến thông tin sợi quang Quy Nhơn – Phan Rang có EDFA mắc chuổi CÁC TỪ VIẾT TẮT APD Avalanche Photodiode Điốt quang kiểu thác ASE Amplifier