NGHIÊN cứu bộ KHUẾCH đại LASER TRONG hệ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGÔ VĂN HÙNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI LASER TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT HẢI PHÒNG - 2016 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGÔ VĂN HÙNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI LASER TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ: D52027 CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Người hướng dẫn : ThS NGUYỄN THANH VÂN HẢI PHÒNG - 2016 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam tận tình dạy dỗ suốt năm học vừa qua Trong phải kể đến quý thầy cô Khoa Điện - Điện Tử tạo điều kiện cho em học tập thực đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn thực đồ án cô th.s Nguyễn Thanh Vân tận tình giúp đỡ em trình lựa chọn đề tài hỗ trợ chúng em trình thực đề tài Sau gần tháng học tập, làm việc với giúp đỡ tận tình cô giáo hướng dẫn, với đóng góp nhiệt tình bạn bè tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án Bản thân em học hỏi, tiếp thu kiến thức bổ ích, kinh nghiệm quý báu, học quý giá thực đồ án Qua kinh nghiệm làm đồ án,em không ngừng trau dồi, nâng cao kiến thức Đồng thời góp phần nhỏ bé vào nghiệp giáo dục nước nhà, bước nâng cao vị người Việt Nam giới Vì thời gian hạn hẹp trình độ hiểu biết hạn chế, nên đồ án em thiếu sót không tránh khỏi Em mong thông cảm, đóng góp ý kiến sửa đổi quý thầy cô Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, gia đình bạn bè hỗ trợ cho em suốt thời gian vừa qua Em xin trân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày 4, tháng năm 2016 Sinh viên thực đồ án : Ngô Văn Hùng LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Đồ án tốt nghiệp công trình nghiên cứu thực cá nhân em, thực sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức học khảo sát thực tế, có tham khảo qua số tài liệu quy chép ,được thực dựa hướng dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn cô Th.s Nguyễn Thanh Vân Một lần em xin khẳng định chung thực đồ án, có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Sinh viên thực đồ án : Ngô Văn Hùng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt WDM Tiếng Anh Wavelength Division Tiếng Việt Ghép kênh theo bước sóng OTDM Multiplexing Optical Time Division Ghép kênh quang phân chia DWDM Multiplexing Dense Wavelength theo thời gian Ghép kênh theo bước sóng CWDM Division Multiplexing Coarse Wavelength mật độ cao Ghép kênh theo bước sóng DD Division Multiplexing Direct Detector lỏng Tách sóng trực tiếp ASK Ampitude Shift Điều chế khóa dịch biên độ DE Keying Drive Electronic Ổ điện tử SLA Semiconductor Optical Khuếch đại Laser bán dẫn OFA Amplifier Optical Fiber Khuếch đại quang sợi ASE Amlplifier Amplified Nhiễu phát xạ tự phát Spontaneous Emission khếch đại noise Four Wave Mixing Traveling Wave Trộn bốn bước sóng khuếch đại sóng chạy 10 11 12 FWM TWA Amplifier DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8a Hình 3.8b Hình 3.9 Tên hình Quá trình phát triển thông tin sợi quang Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang Các phần tử hệ thống thông tin quang Xu hướng phát triển hệ thống thông tin quang Sự phát triển tốc độ dung lượng công nghệ truyền tải quang Dạng sóng tín hiệu ASK Tín hiệu điều chế PSK Tín hiệu điều chế FSK Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang coherent Cấu hình thu quang coherent Mô hình tách quang Sơ đồ thu cân Sự phụ thuộc độ nhạy vào tốc độ truyền dẫn Khoảng cách trạm lặp phụ thuộc vào tốc độ truyền Mô tả kiến trúc mạng đường dài 100Gb/s hãng Ciena Chuyển mạch hỗn hợp TDM-IP Phổ suy hao đặc trưng sợi quang silic kiểu đơn suy hao Phổ tán sắc đặc trưng sợi quang silic kiểu đơn Cấu trúc trạm lặp quang điện Mô hình tổng quát khuếch đại quang Các loại SLA phổ độ lợi tương ứng Các tượng biến đổi quang điện Công suất ngõ theo công suất ngõ vào Độ lợi khuếch đại theo công suất quang ngõ Ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh SLA Hình 3.10 khuếch đại hai tín hiệu Cấu trúc SLA Ứng dụng SLA khuếch đại tăng cường, Hình 3.11 khuếch đại đường dây tiền khuếch đại Hình 3.12 đường truyền quang học Ứng dụng khuếch đại tăng cường mạng phân phối quang Trang 4 12 15 17 18 19 20 21 22 26 28 28 31 32 35 36 37 39 41 41 44 44 46 47 54 55 LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta bước vào kỷ 21, vai trò thông tin liên lạc kiến thức yếu tố định thành công nghành, quốc gia.Với sách thẳng vào công nghệ đại Việt Nam đại hóa mạng lưới viễn thông để hòa nhập với giới góp phần không nhỏ cho phát triển kinh tế, xã hội công đổi đất nước Trong năm gần đây, nước có công nghiệp phát triển giới có mạng viễn thông phát triển với nhiều loại dịch vụ phong phú Việt Nam gần nhu cầu thông tin ngày tăng đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn lớn, chất lượng truyền dẫn cao song mạng truyền dẫn nhiều nơi chưa đáp ứng nhu cầu khách hàng Do kĩ thuật thông tin quang, người ta tạo hệ thống thông tin có môi trường truyền dẫn nhiều kênh với tốc độ cao, độ rộng băng tần lớn truyền tín hiệu xa mà tổn hao lại thấp… Từ đời hệ thống thông tin quang trở thành hệ thống truyền dẫn trọng yếu mạng lưới viễn thông Nhưng đây, thông tin quang phát triển lên tầm cao cấp độ mạng truy nhập Có thể thấy để đáp ứng nhu cầu truyền tải bùng nổ thông tin, hệ thống viễn thông cần phải phát triển quy mô cấu trúc mạng Trong hệ thống thông tin quang có phận quan trọng, định đến chất lượng truyền tải thông tin cho toàn hệ thống thông tin quang khuếch đại laser giúp đảm bảo nguồn thông tin truyền cách nhanh chóng xác Vì thời gian vừa qua em tìm hiểu nghiên cứu em xin lựa chọn đề tài:“Nghiên cứu khuếch đại laser hệ thống thông tin quang coherent’’ Đồ án tốt nghiệp chia thành chương: Chương I:Tổng quan hệ thống thông tin quang Chương II:Tổng quát hệ thống quang coherent Chương III:Nghiên cứu khuếch đại laser hệ thống thông tin quang coherent 10 Hình 3.9 Ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh SLA khuếch đại hai tín hiệu Nhiễu xuyên kênh gây nên tượng bảo hòa độ lợi xảy SLA minh họa hình 3.9 Xem xét đầu vào SLA tổng hai tín hiệu quang bước sóng khác Giả thiết bước sóng nằm băng thông SLA Sự có mặt tín hiệu thứ hai làm suy giảm mật độ điện tử vùng lượng cao trình xạ kích thích làm dẫn đến nghịch đảo nồng độ quan sát tín hiệu thứ giảm xuống Do đó, tín hiệu thứ không khuếch đại giống tín hiệu thứ hai, mật độ điện tử vùng lượng cao không đủ lớn tín hiệu thứ bị hấp thụ.Quá trình xảy đồng thời hai tín hiệu Do đó, hình 2.8 ta thấy, mức hai tín hiệu xảy đồng thời, độ lợi tín hiệu nhỏ so với bình thường.Hiện tượng xuyên âm phụ thuộc vào thời gian sống điện tử trạng thái lượng cao.Nếu thời gian sống đủ lớn so với tốc độ dao động công suất tín hiệu vào, điện tử chuyển từ trạng thái lượng cao xuống trạng thái lượng thấp dao động này.Do đó, xuyên âm xảy ra.Đối với SLA, thời gian sống mức ns Do đó, điện tử dễ dàng phản ứng lại dao động công suất tín hiệu điều chế tốc độ Gb/s, dẫn đến suy yếu hệ thống xuyên âm.Ngược lại, thời gian sống phát xạ tự phát EDFA khoảng 10ms Do đó, xuyên âm có mặt tốc độ điều chế tín hiệu vào vài kiloHertz, điều thường gặp thực tế Do đó, EDFA phù hợp sử dụng hệ thống WDM SLA Ngoài bốn thông số kỹ thuật nêu trên, khuếch đại quang đánh giá dựa thông số sau: - Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) phụ thuộc độ lợi - khuếch đại vào phân cực tín hiệu Ảnh hưởng nhiệt độ độ lợi băng thông độ lợi Cấu trúc 58 59 3.3 Cấu trúc nguyên lý hoạt động SLA Cấu trúc SLA có ảnh hưởng lớn đến hoạt động tùy theo ứng dụng cụ thể cấu trúc SLA lựa chọn để thỏa mãn đặc tính đặc biệt tiệm cận với tính chất lý tưởng 3.3.1 Cấu trúc SLA Cấu trúc SLA tương tự laser bán dẫn.Nghĩa dựa hệ thống hai dải lượng chất bán dẫn trính biến đổi quang điện: hấp thu (absorption), phát xạ tự phát (spontaneous emission) phát xạ kích thích (stimulated emission) Trong đó, tín hiệu quang khuếch đại dựa tượng phát xạ kích thích xảy vùng tích cực SLA hình 3.10 Hình 3.10 Cấu trúc SLA Với cấu trúc vùng hoạt tính nằm hai vùng bao bọc loại p loại n.Giữa nơi tiếp xúc vùng hoạt tính vùng bao bọc mặt phân cách gọi dị tiếp xúc.Trong vùng SLA vùng vùng bao phủ có lượng cấm cao chiết suất thấp vùng hoạt tính 3.3.2 Hoạt động SLA Các hạt tải bơm vào vùng hoạt tính SLA từ dòng phân cực đặt vào.Các hạt tải phải tạo đường xuyên qua vùng bao phủ trước tới vùng hoạt tính Khi giam cầm hạt ,các hạt tải điện khuếch tán toàn thiết bị, mặt khác so với tổng thể vùng hoạt tính tương đối nhỏ có phần hạt tải điện bơm cung cấp độ lợi cho tín hiệu ánh sáng lan truyền.Điều làm cho thiết bị hoạt động hiệu 60 quả.Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng biện pháp giam cầm hạt vùng hoạt tính tránh khuếch tán nơi khác.Trong cấu trúc SLA đạt điều nhờ chênh lệch độ rộng vùng cấm vùng hoạt tính vùng bao phủ.Nhờ có cấu trúc dị tiếp xúc hạt tải điện giam cầm vào vùng hàng rào Trong cấu trúc SLA vùng hoạt tính có chiết suất cao vùng bao phủ no có vai trò ống dẫn sóng điện môi tiết diện hình chữ nhật, điều giúp giam cầm ánh sáng truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính truyền qua thiết bị vào vùng hoạt tính.Lượng dẫn sóng đặc trưng hệ số giam cầm quang học Г, định nghĩa phần lượng mode dẫn sóng giam cầm vào vùng hoạt tính Các mode nghiệm phương trình Maxwell trường điện từ ống dẫn sóng tuân theo điều kiện biên ống dẫn sóng Độ rộng vùng hoạt tính có ảnh hưởng trực tiếp đến khả hoạt động mode.Nếu ống dẫn sóng đủ hẹp ,sẽ có mode ngang với hai chế độ phân cực ,mode điện ngang (TE) điện trường phân cực dọc theo mặt phẳng dị tiếp xúc (dọc theo trục x hình 3.1) mode từ ngang (TM) từ trường phân cực dọc theo trục x Mode ngang trường điện từ ứng với vuông góc với hướng truyền Hoạt động đơn mode ngang giúp giảm phụ thuộc độ lợi vào mode hệ số giam cầm phụ thuộc vào mode, đông thời cải tiến hiệu suất ghép từ thiết bị quang 61 Với SLA dị tiếp xúc kép tồn chiết suất nhẩy bậc theo hướng y vùng hoạt tính vùng bao phủ, điều không xảy theo hướng x.Sự dẫn sóng theo hướng x đạt qua hạt tải điện bơm vào, làm thay đổi chiết suất vùng hoạt tính.Quá trình gọi “dẫn độ lợi”.Sự thay đổi chiết suất theo hướng x nhỏ theo hướng y.Điều có nghĩa Г phụ thuộc vào phân cực, Г tăng chiều dày vùng hoạt tính tăng.Tuy nhiên, vùng hoạt tính rộng, hoạt động mode đơn ngang dừng Yếu tố phản xạ bề mặt hai mặt phản xạ lớp tích cực có ảnh hưởng trực tiếp đến việc đạt hoạt đọng sóng chạy OA.Dựa hệ số phản xạ chia SLA làm hai loại chính: - Khuếch đại Fabry-Perot (FPA): đặc điểm loại có hệ số phản xạ bề mặt cao (khoảng 30%) Sở dĩ có điều vật liệu bán dẫn thướng có chiết suất cao.Mặt khác công thức để tính hệ số phản xạ bề mặt tia tới vuông góc mặt phân cách thể sau Trong n1, n2 chiết suất lớp điện môi Với cấu trúc hốc cộng hưởng có hệ số phản xạ cao ,quá trình hồi tiếp ,chọn lọc tần số xảy ra.Kết ,FPA có độ lợi cao phổ độ lợi khuếch đại nhấp nhô,không đều.Điều làm giảm băng thông khuếch đại FPA Để giảm hệ số phản xạ bề mặt ta sử dụng lớp chống phản xạ (AR-anti reflection) có hệ số phản xạ R = 0, đặt hai đầu vùng tích cực để không cho trình phản xạ xảy bên khuếch đại.Khi đó, tín hiệu vào SLA khuếch đại qua lần (được gọi single pass) xuyên qua vùng tích cực khuếch đại mà hồi tiếp Đây cấu trúc loại SLA thứ hai: khuếch đại sóng chạy TWA (Traveling Wave Amplifier) Trên thực tế, hệ số phản xạ hai đầu vùng tích cực TWA không hoàn toàn mà có giá trị nhỏ từ 0.1% đến 0.01% 62 Sóng phân cực ngang (TE) xét.Vùng hoạt tính có chiết suất na chiều dày d.Các vùng bao phủ xung quanh có chiết suất nc giả sử mở rộng vô 3.3.3 Đặc tính khuếch đại FPA TWA Xét khuếch đại FPA có hệ số phản xạ công suất hai mặt phản xạ lớp tích cực R1 R2 ,với khuếch đại TWA ta coi R =R2 =0 Do công thức sau áp dụng cho FPA TWA.Bỏ qua suy hao ánh sáng truyền qua mặt phản xạ,ta có hệ số xuyên qua suất ánh sáng qua mặt phản xạ 1- R 1- R2 Do hệ số phản xạ hệ số xuyên qua cường độ điện trường hai mặt phản xạ Gọi Gs độ lợi đơn thông (single-pass gain) SLA tín hiệu qua vùng tích cực mà hồi tiếp ( hệ số phản xạ R=0) Ta có Trong : g: Độ lợi đơn vị chiều dài vùng tích cực α: Suy hao đơn vị chiều dài vùng tích cực Г:Hệ số tập trung biểu diễn mức độ tập trung luồng ánh sáng bên vùng tích cực L:Chiều dài vùng tích cực Pin , Pout :Công suất tín hiệu ngõ vào khuếch đại 63 Quá trình khuếch đại tín hiệu ánh sáng giải thích sau Điện trường tín hiệu quang E i đưa vào hốc cộng hưởng FPA có chiều dài L mặt phản xạ R Sau xuyên qua mặt phản xạ R ,tín hiệu ban đầu khuếch đại vùng tích cực đạt cường đại vùng tích cực đạt cường độ t1 s Ei e –jkL mặt phản xạ R (k hệ số truyền dẫn môi trường khuếch đại).Tại ,một phần lượng ánh sáng truyền với cường độ t1 t2 s Ei e –jkL.Phần lại phản xạ ngược trở lại phía R với cường độ t1 s Ei e-jkL.Tại R1 ,điện trường thu dduocj t1 Gs Ei e-2jkL phản xạ ngược R2 , phần lại hốc cộng hưởng Sau qua khoảng cách L vùng tích cực, tín hiệu thu R1 đạt giá trị t Gs Ei e-3jkL.Quá trình phản xạ truyền xuyên qua mặt phản xạ R tiếp tục diễn ra.Phần tín hiệu xuyên qua có điện trường t2t1Gs Ei e-3jkL Phần lại phản xạ ngược phía R1.Cứ trình phản xạ vùng tích cực tiếp tục tiếp diễn Điện trường tổng cộng thu ngõ khuếch đại tổng thành phần điện trường xuyên qua R2 Nếu giả sử thời gian truyền hốc cộng hưởng nhỏ chu kỳ điện trường tới Ei, ta có điện trường thu ngõ Với| Gs |[...]... cơ bản của hệ thống thông tin quang cụ thể là quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, đặc điểm của hệ thống quang, những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thông tin quang Hệ thống quang đã phát huy những ưu điểm vượt trội của mình và khắc phục những điểm yếu để tạo ra được hệ thống thông tin quang hiện đại có thể... người Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh có những ưu, nhược điểm riêng Hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa Các sóng ánh sáng được sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổ truyền sóng của thông tin quang là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang được...Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin là hệ thống được sử dụng để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác cách nhau hàng trăm met hay hàng ngàn km Thông tin được truyền là sóng điện từ có tần số khác nhau từ vài Mhz đến hàng trăm Thz Hệ thống thông tin quang truyền tin bằng sóng ánh sáng tần số cao trong cửa sổ truyền sóng của hệ thống quang Các hệ thống quang đã và đang được... của thông tin sợi quang Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì hệ thống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông 1.2 Sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 1.2.1Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông. .. hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thông tin quang (hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống vô tuyến) Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưng được cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện... thông tin quang 1.4.1 Những tồn tại của hệ thống quang Ngoài những nhược điểm của hệ thống quang được nêu ở trên thì trong hệ thống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có những tồn tại sau: Các hệ thống quang hiện nay có dụng lượng thấp ( 1 Thz); Mạch điện trong hệ. .. hiệu quang bị suy giảm nên sau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp tín hiệu bằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền dẫn và cự ly trạm lặp Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên 1.2.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang Các hệ thống thông. .. rộng rãi trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễn thông trên toàn thế giới Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý, đặc điểm, những vấn đề còn tồn tại và xu thế phát triển của hệ thống quang hiện nay 1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác... về băng thông, suy hao và an toàn tín hiệu mà hệ thống thông tin quang hiện nay giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế Công nghệ quang phát triển 19 như ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn... phần tử phụ: các bộ nối, mối nối, các bộ xen tách kênh 1.3 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang 1.3.1Ưu điểm của hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin quang sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang nên nó có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin trước đó, đó là: Thứ nhất là tiêu hao truyền dẫn thấp và băng tần truyền dẫn rộng: Sợi quang có suy hao thấp và băng tần truyền