Báo Cáo Bài Tập Lớn Thông Tin Quang WDM Có Sử Dụng Khuếch Đại Quang EDFA

Sự phát triển của hệ thống WDM cùng với công nghệ ghép kênhtheo bước sóng DWDM chính là một giải pháp hoàn hảo, tạo nên một mạng thông tinthế hệ mới- mạng thông tin toàn quang.

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG



BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN THÔNG TIN QUANG

(ĐỀ TÀI 3)

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Hải

Mã lớp : 54681

Sinh viên thực hiện : Nhóm 4

Nguyễn Xuân Sơn 20092265 ĐTVT 12 – K54 Nguyễn Văn Cường 20090430 ĐTVT 12 – K54 Nguyễn Quang Tuấn 20093004 ĐTVT 01 – K54 Trần Công Nam 20091851 ĐTVT 01 – K54

Hà Nội, 5/2013

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

I HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 3

1 Giới thiệu chung 3

2 Sơ đồ khối tổng quát và chức năng các khối 3

a Sơ đồ khối tổng quát 3

b Chức năng các khối 3

3 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM 5

a Bộ phát 5

b Bộ thu 5

c Sợi quang 6

d Trạm lặp 6

e Bù tán sắc 6

f Khuếch đại quang OA (EDFA) 6

g Bộ lọc quang 7

h Bộ xen rẽ quang OADM 7

i Bộ nối chéo quang OXC 7

j Chuyển mạch không gian 7

4 Đặc điểm của hệ thống WDM 7

II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 9

1 Cấu trúc EDFA 9

2 Nguyên lý hoạt động 10

III PHẦN MỀM OPTISYSTEM 11

1 Giới thiệu chung 11

2 Ứng dụng 12

3 Đặc điểm 13

IV MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM BẰNG OPTISYSTEM 13

1 ĐỀ BÀI : Đề tài 3 13

1.1 Bài toán : 13

1.2 Yêu cầu 14

1.3 Báo cáo kết quả mô phỏng : 15

2 THIẾT KẾ TUYẾN WDM 15

2.1 Thiết kế bộ phát 15

2.2 Thiết kế bộthu 16

2.3 Thiết kế tuyến truyền dẫn 17

2.4 Mô hình mô phỏng toàn hệ thống : 20

3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 22

3.1 Theo phương án thiết kế ban đầu 22

3.2 Theo phương án đã thay đổi 25

KẾT LUẬN 28

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngàycàng trở nên phức tạp Nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng lớn với chấtlượng dịch vụ càng cao, đòi hỏi phải có công nghệ mạng viễn thông tiên tiến, tốc độtruyền dẫn lớn, băng thông rộng, độ tin cậy và bảo mật cao, đáp ứng mọi nhu cầu thựctiễn của con người Sự phát triển của hệ thống WDM cùng với công nghệ ghép kênhtheo bước sóng DWDM chính là một giải pháp hoàn hảo, tạo nên một mạng thông tinthế hệ mới- mạng thông tin toàn quang Để phân tich, thiết kế các hệ thống này phải sửdụng các công cụ mô phỏng ưu việt Trong nội dung môn học thông tin quang, chúng

em được phân công mô phỏng bài toán: “Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thôngtin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA.” Nhóm em xin trình bày tổngquan về hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA và xây dựng môhình mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM theo phương án đã thiết kế trên phầnmềm Optisystem

Cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo

Nguyễn Hoàng Hải, đã hướng dẫn tận tình, giúp đỡ nhóm chúng em trong thời gian

qua để chúng em có thể hoàn thành được đề tài này

I HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

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 đầuphát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) đểtruyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (táchkênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

Các dải băng tần hoạt động trong WDM

O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm  1360 nm

E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm  1460 nm

S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm  1530 nm

C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm  1565 nm

L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm  1625 nm

U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm  1675 nm

2 Sơ đồ khối tổng quát và chức năng các khối

a Sơ đồ khối tổng quát

Hình 1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

b Chức năng các khối

 Phát tín hiệu:

Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có một số loạinguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bướcsóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộngphổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độrộng 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 mộtluồng 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 mỗicổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màngmỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộlọc 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 trungtâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suyhao 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 yếutố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đạitín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợiquang, 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 đãđược sử dụng trên thực tế.Có ba chế độ khuếch đại là khuếch đại công suất, khuếch đạiđường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phảiđảm bảo các yêu cầu sau:

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

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mứccông 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 cáckênh

 Thu tín hiệu:

Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quangnhư trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

3 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM

a Bộ phát

Phần phát quan trọng nhất là laser diode.Yêu cầu nguồn quang trong hệ thống WDM làphải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số.Tuy nhiên laser diode có khoang cộng hưởngFabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED nhưng chưa thật sự là các nguồn đơnmode Vẫn còn các mode khác ngoài mode cơ bản trong nguồn này Trong hệ thốngWDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có những laser đơnmode tạo ra một mode dọc chính, còn lại các mode bên cần được loại bỏ Laser đơnmode có nhiều loại, điển hình là laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản xạ Braggphân tán (DBR)

b Bộ thu

Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tương tự như bộ thu quang ở hệ thống đơnkênh Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản là biến đổitín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu về tốcđộ lớn, độ nhạy thu cao và bước sóng hoạt động thích hợp Hai loại photodiode được

sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode PIN và photodiode thác APD

c Sợi quang

Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang.Sợi quangcó đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn Sợi quang đơn modechuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITU-T chuẩn hoá

d Trạm lặp

Trạm lặp là bộ chuyển đổi tần số quang điện cơ bản bao gồm một bộ thu quang vàbộ phát quang Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện vàđược khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại Tín hiệu này sau đó được chuyển thànhtín hiệu quang nhờ laser phát

e Bù tán sắc

Bên cạnh suy hao của sợi là một hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảngcách các trạm lặp trong tuyến thông tin quang.Trễ nhóm là một hiệu ứng chính gây rabởi tán sắc Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độrộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự

f Khuếch đại quang OA (EDFA)

Khuếch đại quang sợi pha Erbium là chìa khoá xây dựng nên hệ thống WDM Hệthống này có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rộng, tạp âm thấp Đặc tính tăng íchkhông có quan hệ với phân cực, trong suốt với tốc độ số và khuôn dạng Đây là các đặctính rất có lợi trong thông tin quang nói chung và WDM nói riêng Tăng ích được tínhtoán như là tỷ số công suất ra trên công suất vào bộ khuếch đại Giá trị này xác địnhtrực tiếp suy hao tối đa cho phép giữa hai bộ EDFA liên tiếp.Nó phụ thuộc vào số kênh

và độ dài của tuyến.Trong các tuyến thực tế giá trị này biến đổi từ dưới 20 dB đến30dB.Công suất đầu ra của bộ khuếch đại khi đầu vào công suất cao Hiện nay đã đượcthương mại hóa các bộ khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu racông suất tới 30 dBm

g Bộ lọc quang

Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại bộ lọc quang được sử dụng, nhưng phổ biếnnhất là bộ lọc màng mỏng điện môi (TFF) TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tínhiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua Bộ lọc này thuộc loại bộlọc bước sóng cố định Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môitrong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được chiết suất thấp (MgF2 có n =1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) xen kẽ nhau Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với bộ lọcbậc 0) hoặc ne = 3λ0/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với λ0 là bước sóng trung tâm

h Bộ xen rẽ quang OADM

Thiết bị ODAM thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tínhiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi

i Bộ nối chéo quang OXC

OXC có hai chức năng chính :

• Chức năng nối chéo của kênh quang

• Chức năng ghép tách đường tại chỗ

j Chuyển mạch không gian

Các ma trận chuyển mạch không gian được sử dụng trong các thiết bị OADM vàOXC Các thiết bị này dựa vào hoạt động cơ học bao gồm motor, điện tử tĩnh hoặc ápđiện làm lệch các vi gương cho chuyển mạch các tín hiệu quang Do yêu cầu chuyểnđộng cơ học của phần tử chuyển mạch thời gian đạt được dải khá rộng từ 30ms đến500ms Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng của nhiệt năng hoặc hiệu ứng quang- điện là cóthời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm các đặc tính của các matrận chuyển mạch khác nhau

4 Đặc điểm của hệ thống WDM

Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của côngnghệ WDM như sau:

- Khả năng mở rộng : những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băngthông truyền trên sơi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng

ở nhiều cấp độ khác nhau

- Hiện tại chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạngtruyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốtnhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động …

II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA)

1 Cấu trúc EDFA

Hình 2 : Cấu trúc tổng quát bộ khuếch đại EDFA

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-DopedFiber Amplifier) được minh họa trên hình 2 Trong đó bao gồm:

- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy raquátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

- Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạngtháinghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng cóbước sóng980nm hoặc 1480nm

- WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơmvàotrong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghépcác tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

- Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang đượckhuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đườngtruyền phản xạ ngược về EDFA

2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích.Quátrình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bước nhưhình dưới đây

Hình 3.Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng

tử từ các photon (có năng lượng Ephoton = 1.27eV) và chuyển sang trạng thái nănglượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)

- Tại vùng bơm các Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1micro s) vàchuyển xuống vùng giả bền (2)

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480 nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ nănglượng từ các photon (có năng lượng Ephoton = 0.841 eV) và chuyển sang trạng tháinăng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)

- Các ion Er trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng nănglượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)

- Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi cácphoton có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyển sangtrạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát)(5)Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

- Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er ở vùng nền (6) Tín hiệu ánh sáng bịsuy hao

- Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạkích thích xảy ra Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển sang trạng thái nănglượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùngnền và phát xạ photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùngbước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích xảy ra trongkhoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm.Đây cũng là vùng bước sóng hoạt độngcủaEDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn 1565 nm vàbằng 0 dB tại bước sóng 1616 nm

1 Giới thiệu chung

OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm này cókhả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tinquang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế Bêncạnh đó, phần mềm này cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưathêm các phần tử tự định nghĩa vào.Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiểnthị trực quan

OptiSystem có thể giảm thiểu các yêu cầu thời gian và giảm chi phí liên quan đến thiếtkế của các hệ thống quang học, liên kết, và các thành phần Phần mềm OptiSystem làmột sáng tạo, phát triển nhanh chóng, công cụ thiết kế hữu hiệu cho phép người dùnglập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng gần như tất cả các loại liên kết quang học tronglớp truyền dẫn của một quang phổ rộng của các mạng quang học.Nó cung cấp lớptruyền dẫn,thiết kế và quy hoạch hệ thống thông tin quang từ các thành phần tới mức

hệ thống.Hội nhập của nó với các sản phẩm Optiwave khác và các công cụ thiết kế củangành công nghiệp điện tử hàng đầu phần mềm thiết kế tự động góp phần vàoOptiSystem đẩy nhanh tiến độ sản phẩm ra thị trường và rút ngắn thời gian hoàn vốn

2 Ứng dụng

Optisystem được ạo ra để đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sưviễn thông quang học, tích hợp hệ thống, sinh viên và một loạt các người dùng khác,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 đạiquang

- 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 việc

3 Đặc điểm

OptiSytem có một thư viện khổng lồ bao gồm hàng trăm các thành phần cho phépbạn có thể nhập các thông số được đo từ các thiết bị thực sự Nó tích hợp với các thửnghiệm và thiết bị đo lường từ các nhà cung cấp khác nhau Người sử dụng có thể kếthợp các thành phần mới dựa trên hệ thống con và người sử dụng và định nghĩa là thưviện, hoặc sử dụng mô phỏng cùng với một công cụ của bên thứ ba chẳng hạn nhưMATLAB hoặc SPICE

Cụ thế bao gồm:

- Thư viện nguồn quang

- Thư viện các bộ thu quang

- Thư viện sợi quang

- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện)

- Thư viện các bộ MUX, DEMUX

- Thư viên các bộ lọc (quang, điện)

- Thư viện các phần tử FSO

- Thư viện các phần tử truy nhập

- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện)

- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện)

- Thư viện các phần tử mạng quang

- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện

1 ĐỀ BÀI : Đề tài 3

I.1 Bài toán :

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