Luận văn khuếch đại raman trong hệ thống thông tin quang

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Mặc dù tán xạ không đàn hồi phần tử ánh sáng, tượng biết tán xạ Raman, tìm C.V Raman năm 1928, tượng phi tuyến tán xạ Raman kích thích không chứng minh năm 1962 Không lâu sau đó, sợi quang silica suy hao thấp sử dụng năm 1970, Roger Stolen người đồng nghiệp sử dụng tán xạ Raman kích thích nhiều sợi quang không cho khuếch đại tín hiệu quang mà cho cấu tạo laser Raman sợi sở Khả khuếch đại Raman cho bù suy hao sợi quang hệ thống sóng ánh sáng chứng minh năm 1980 vài thí nghiệm làm Linn Mollenauer đồng nghiệp ông Tuy nhiên, thí nghiệm không phù hợp cho phát triển khuếch đại Raman hệ thống thông tin quang thương mại Tiếp theo khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium có bơm sử dụng laser bán dẫn có tính thực tiễn nên khuếch đại Raman bị bỏ qua suốt năm 1990 Tuy nhiên, việc nghiên cứu laser bơm thích ứng cho khuếch đại Raman tiến hành Một vài công nghệ tiên tiến tìm năm 1990 giúp cho việc sản xuất laser bán dẫn đơn mode ngang có khả phát mức công suất vượt 0,2 W Người ta nhận thấy vài laser bơm sử dụng tương thích bước sóng khác cung cấp độ khuếch đại Raman qua băng tần rộng bao gồm băng truyền dẫn C L Hơn nữa, người ta chế tạo khuếch đại Raman phân bố có độ khuếch đại 10 km có nhiễu nhỏ so với khuếch đại sợi pha tạp Erbium có độ khuếch đại 10 mét Khi laser bán dẫn công suất lớn có giá trị thương mại vào cuối kỷ 20, khuếch đại Raman sử dụng số thí nghiệm thấy cải thiện hiệu hệ thống WDM Tới năm 2003, việc sử dụng khuếch đại Raman phổ biến cho hệ thống tầm xa thiết kế để hoạt động qua hàng ngàn kilomet Các khuếch đại quang Raman có nhiều ưu điểm so với loại khuếch đại quang sử dụng trước phù hợp với hệ thống WDM triển khai Các khuếch đại quang Raman coi lời giải cho toán khuếch đại quang hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, cự ly dài dài i Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Nhận thức tầm quan trọng khuếch đại Raman hệ thống thông tin quang, nên em chọn đề tài “ Khuếch đại Raman hệ thống thông tin quang” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án gồm chương:  Chương 1: Giới thiệu tổng quan khuếch đại quang: nguyên lý khuếch đại quang số tham số khuếch đại quang  Chương 2: Trình bày khuếch đại Raman: tán xạ Raman, ưu nhược điểm khuếch đại Raman, nguyên lý khuếch đại Raman, bơm phương trình tín hiệu, nhiễu khuếch đại Raman, phân loại khuếch đại Raman  Chương 3: Trình bày ứng dụng khuếch đại Raman Mặc dù cố gắng khuếch đại Raman vấn đề khó nên nội dung đồ án khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận bảo, góp ý thầy, cô giáo, bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn cô giáo, ThS Nguyễn Thị Thu Nga nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn thầy, cô giáo môn thông tin quang, khoa viễn thông dạy dỗ, dìu dắt em suốt năm học vừa qua Xin cảm ơn gia đình, người thân bạn bè động viên, giúp đỡ suốt thời gian qua Hà Nội, ngày tháng năm 2008 Sinh viên Vương Thành Nam ii Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 1.1.Giới thiệu chung 1.2 Nguyên lý khuếch đại quang 1.3.Phân loại khuếch đại quang 1.4 Hệ số độ lợi 1.5 Băng thông độ lợi 1.6 Công suất ngõ bão hoà 1.6.1 Độ lợi bão hoà 1.6.2 Công suất ngõ bão hoà 1.7 Hệ số nhiễu 1.8 Ứng dụng khuếch đại quang Kết luận chương I CHƯƠNG II:BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 10 2.1.Tán xạ Raman 10 2.1.1.Ánh sáng 10 2.1.2.Tương tác ánh sáng môi trường 10 2.1.3.Sợi quang 11 2.1.4.Quá trình truyền ánh sáng sợi quang 13 2.1.5.Tính chất phi tuyến sợi quang 16 2.1.6.Tán xạ ánh sáng 18 2.1.7.Tán xạ Raman 19 2.2 Ưu điểm khuếch đại Raman 21 2.2.1.Cải thiện hệ số nhiễu 21 2.2.2 Cải thiện hệ số phẳng 23 2.3.Nguyên lý hoạt động khuếch đại Raman 26 2.4.Bơm phương trình tín hiệu 27 2.4.1 Phổ độ khuếch đại Raman 29 2.4.2.Bộ khuếch đại Raman đơn bơm 34 2.4.3 Khuếch đại Raman đa bơm 43 2.5.Nguồn nhiễu khuếch đại Raman 47 2.6.Phân loại khuếch đại Raman 49 2.6.1.Khuếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 49 2.6.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 51 2.6.3.Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 51 Kết luận chương II 52 CHƯƠNG :ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 53 3.1.Ứng dụng hệ thống WDM 53 iii Đồ án tốt nghiệp Mục lục 3.2 Ứng dụng vào thiết bị khuếch đại quang OPTera Long Haul 1600G – CQ40Gbit/s Nortel 54 3.2.1 Giới thiệu chung hệ thống OPTera Long Haul 1600 54 3.2.1.1 1600 Amplifier 56 3.2.1.2.MOR Plus Amplifier 57 3.2.1.3.Wavelength Combiner 57 3.2.1.4.Wavelength Translator 57 3.2.1.5.Dense Regenerator 58 3.2.1.6.Optical Dedicated Protection Ring 58 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý trạm có khuếch đại Raman 58 3.2.3 Chức thành phần 60 3.2.3.1.Các khuếch đại Raman Dra-A Dra-B: 60 3.2.3.2.Card phân tích phổ quang OSA 62 3.2.3.3.Bộ bù tán sắc suy hao MSA 63 3.2.3.4.Card kênh dịch vụ quang OSC đơn chiều UniOSC 63 3.2.3.5.Card khuếch đại kép ( Dual Amplifier Circuit Pack ) 64 3.2.3.6.Card khuếch đại Booster 65 Kết luận chương III 66 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 iv Đồ án tốt nghiệp Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1:Bộ lặp quang điện Hình 1.2: Các tượng biến đổi quang điện Hình 1.3: Mối tương quan hệ số khuếch đại Hình 1.4: Sự phụ thuộc công suất (theo Ps) theo độ lợi G (theo G0) Hình 1.5:Các ứng dụng khuếch đại Hình 2.1:Cấu tạo sợi quang 12 Hình 2.2:Cấu trúc tứ diện Silic dioxide thuỷ tinh 12 Hình 2.3:Hệ số tán sắc sợi quang SMF-28 TM 14 Hình 2.4: (a) Công suất truyền dọc theo sợi có chiều dài L(b) Mô hình tương ứng chiều dài hiệu dụng 15 Hình 2.5:Quá trình tán xạ ánh sáng 18 Hình 2.6:Tần số ánh sáng tán xạ 19 Hình 2.7:Giản đồ lượng trình tán xạ Raman 20 Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống khuếch đại Raman phân bố (a) hệ thống tương đương băng truyền dẫn khuếch đại sợi Er pha tạp (b) 22 Hình 2.9: Độ khuếch đại tổng hợp từ bước sóng riêng lẻ ( 1420, 1435, 1450, 1465, 1480nm), xếp chồng logarit nó, tổng hợp biểu đồ độ khuếch đại với tương tác bơm tới bơm cho băng 25km sợi quang dịch tán sắc Công suất bơm tương ứng 61, 55, 48,47 142 mW 24 Hình 2.10:Các công suất bơm khác hệ thống khuếch đại Raman 25 Hình 2.11: So sánh công suất bơm phát độ khuếch đại cung cấp bước sóng bơm 25 Hình 2.12:Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman 26 Hình 2.13: Cấu trúc khuếch đại Raman 27 Hình 2.14:Sơ đồ minh họa trình tán xạ Raman từ quan điểm học lượng tử Một photon Stokes lượng giảm hωs tạo tức thời photon bơm có lượng hωp nâng lên tới mức ảo đường nét đứt 28 Hình 2.15:Bộ khuếch đại Raman sợi quang sở cấu hình bơm thuận 29 Hình 2.16: Phổ độ khuếch đại Raman cho khối silica đo bơm tín hiệu không phân cực (nét liền) phân cực vuông góc (nét đứt) Độ khuếch đại đỉnh chuẩn hóa tới trường hợp không phân cực 31 Hình 2.17: Phổ độ khuếch đại Raman định cho loại sợi quang bơm 1,45µm Diện tích lõi hiệu dụng mức pha tạp GeO2 khác cho loại 33 v Đồ án tốt nghiệp Mục lục Hình 2.18:Sự biến thiên công suất tín hiệu bơm hai chiều, khuếch đại Raman có chiều dài 100km với bơm thuận thay đổi từ đến 100% Phần giới hạn đường thẳng trường hợp sợi quang thụ động độ khuếch đại Raman 36 Hình 2.19: Sự cải thiện hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc độ khuếch đại chiều dài 100km, bơm hai chiều, khuếch đại Raman phân bố với bơm thuận thay đổi từ đến 100% Đường dọc trường hợp mà độ khuếch đại Raman bù tổng suy hao sợi quang 37 Hình 2.20:Sự biến thiên độ khuếch đại khuếch đại GA với công suất bơm P0 39 Hình 2.21: Đặc điểm độ khuếch đại bão hòa khuếch đại Raman với vài giá trị độ khuếch đại khuếch đại chưa bão hòa GA 41 Hình 2.22:Sơ đồ tổng độ khuếch đại Raman ( đường nét liền) khuếch đại Raman bơm với laser với bước sóng công suất đầu vào khác nhau( cột dọc) Đường nét đứt biểu thị độ khuếch đại Raman cung cấp bơm riêng lẻ 44 Hình 2.23: Độ khuếch đại Raman xác định phụ thuộc chiều dài bước sóng tín hiệu cho khuếch đại chiều dài 25 km bơm với 12 laser Tần số bơm mức công suất bơm sử dụng cho bảng bên phải 46 Hình 2.24: Khuếch đại tập trung (a) khuếch đại phân bố (b) 49 Hình 2.25: Công suất tín hiệu hệ thống sử dụng DRA 49 Hình 2.26: Khuếch đại Raman tập trung 51 Hình 2.27: Khuếch đại quang lai ghép EDFA/Raman 51 Hình 3.1: Khuếch đại quang hệ thống DWDM đa băng 53 Hình 3.2: Hiệu suất chuyển đổi công suất Raman EDFA 54 Hình 3.3:Kiến trúc chung Long Haul 1600 55 Hình 3.4:Các lớp Long Haul 1600 55 Hình 3.5: Các ứng dụng OPTera Long Haul 1600 56 Hình 3.6: Trạm đầu cuối có khuếch đại băng C, băng L khuếch đại Raman 59 Hình 3.7:Sơ đồ khối card khuếch đại Raman 61 Hình 3.8: Card OSA 63 Hình 3.9:Bước sóng hoạt động UniOSC 1510/ 1615nm 64 Hình 3.10: Các cổng card OSC 64 Hình 3.11:Các cổng card Dual Amp 65 Hình 3.12:Sơ đồ khối card Booster 66 vi Đồ án tốt nghiệp Mục lục THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát CW Continuous Wave Sóng liên tục DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Raman kép DWDM Dense Wavelength Multiplexing Division Ghép phân chia theo bước sóng dày đặc EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi pha Erbium FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman tập trung Noise Figure Hệ số nhiễu Nonzero Dispersion Fiber Sợi quang tán sắc khác không OFA Optical Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi quang OSA Optical Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ quang OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích NF NZDF vii Đồ án tốt nghiệp Mục lục SLA Superlarge Area Miền siêu rộng SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín tạp SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Hiện tượng tán xạ Raman kích thích WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo ZDW Zero Dispersion Wave Bước sóng tán sắc không viii Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu khuếch đại quang CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 1.1.Giới thiệu chung Đối với tín hiệu quang, khoảng cách truyền dẫn lớn, suy giảm tín hiệu tránh khỏi Do vậy, đường truyền dẫn thông tin, tất yếu phải có lặp nhằm khôi phục tín hiệu quang, khôi phục lại dạng xung, khôi phục lại biên độ Trong hệ thống thông tin cũ, lặp thường thực điện Tín hiệu quang truyền qua chuyển đổi O/E, sau khuếch đại, lại qua E/O để thực truyền liệu tiếp đến đích Sợi quang Sợi quang KĐ O/E Bộ thu quang Bộ khuếch đại Miền quang E/O Bộ phát quang Miền điện Miền quang Hình 1.1:Bộ lặp quang điện Các hệ thống (WDM – Wavelength Division Multiplexing), số lượng bước sóng nhiều Nếu sử dụng lặp nay, tức khuếch đại tín hiệu tín hiệu điện, phải cần nhiều lặp khác nhau, lặp thực khuếch đại bước sóng Điều làm cho chi phí tăng lên nhiều lần, mà hiệu không cao Để giải đặt vấn đề phải thực khuếch đại tín hiệu quang Điều dẫn tới có số ưu điểm sau (so với trạm lặp): +) Không cần chuyển đổi E/O O/E, nên mạch linh động hơn, đỡ cồng kềnh +) Có thể khuếch đại lúc nhiều bước sóng +) Không phụ thuộc vào phương thức điều chế tốc độ bit 1.2 Nguyên lý khuếch đại quang Nguyên lý khuếch đại quang dựa nguyên lý phát xạ kích thích cộng hưởng khuếch đại Vương Thành Nam - D04VT1 Đồ án tốt nghiệp Chương I:Giới thiệu khuếch đại quang Hiện tượng phát xạ kích thích ba tượng biến đổi quang điện ứng dụng thông tin quang Các tượng minh hoạ hình 1.2 Hình 1.2: Các tượng biến đổi quang điện Hiện tượng hấp thụ xảy có ánh sáng tới có lượng Ev = hf12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg = E2 – E1 (Ev = Eg) Khi đó, điện tử nhận lượng nhẩy lên mức lượng cao Đây nguyên nhân gây tượng suy hao cho tín hiệu quang Hiện tượng phát xạ tự phát xảy điện tử mức lượng cao chuyển xuống mức lượng thấp, đồng thời phát photon có mức lượng Ev độ lớn dải cấm Eg Mỗi vật liệu có thời gian sống khác nhau, hết thời gian sống thực xạ tự phát Đây nguyên nhân gây nhiễu khuếch đại Hiện tượng phát xạ kích thích xảy có ánh sáng có lượng photon Ev lượng dải cấm Eg Khi đó, điện tử mức lượng cao bị chuyển xuống mức lượng thấp phát photon có pha với ánh sáng kích thích Đây nguyên lý khuếch đại khuếch đại quang Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, tượng xạ tự phát xảy lúc nào, gây nhiễu cho khuếch đại, gọi nhiễu tự phát (ASE) Hiện tượng hấp thụ gây suy yếu khuếch đại Như vậy, mật độ lượng vật liệu khuếch đại thấp gây tượng hấp thụ lớn Điều dẫn đến, muốn khuếch đại lớn phải thực đảo mật độ hạt Vương Thành Nam - D04VT1 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman chia băng Đồng thời kết hợp sợi tăng ích sợi bù tán sắc khuếch đại tập trung để nâng cao hiệu hệ thống Trở ngại lớn cho việc sử dụng khuếch đại Raman mạng viễn thông hiệu thấp so với EDFA Tuy nhiên, tốc độ bit tổng số kênh tăng lên, khuếch đại Raman trở nên hấp dẫn Tăng ích khuếch đại Raman lớn công suất bơm lớn, điều đáp ứng hệ thống tương lai Trong hệ thống thông tin quang hệ mới, khuếch đại Raman chiếm ưu hiệu ánh sáng bơm so sánh với EDFA có ánh sáng bơm 1480 nm Điều hình 3.2 cách so sánh hiệu suất chuyển đổi công suất PCE  ( Pout  Pin ) / Ppump  100% EDFA ánh sáng bơm 1480nm Hiệu suất chuyển đổ công suất (%) khuếch đại Raman với công suất vào 200 mW Công suất bơm Hình 3.2: Hiệu suất chuyển đổi công suất Raman EDFA 3.2 Ứng dụng vào thiết bị khuếch đại quang OPTera Long Haul 1600G – CQ40Gbit/s Nortel 3.2.1 Giới thiệu chung hệ thống OPTera Long Haul 1600 Hệ thống OPTera Long Haul 1600 cung cấp giải pháp đường trục đa dịch vụ với hệ thống ghép kênh quang phân chia bước sóng dung lượng cao lên tới 1.6Tbps sợi quang tương thích ghép kênh khác Vương Thành Nam - D04VT1 54 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman nhiều nhà cung cấp Hình 3.3 cho thấy kiến trúc chung hệ thống OPTera Long Haul 1600 Optical Line Hình 3.3:Kiến trúc chung Long Haul 1600 1600G Amplifier MOR Plus ODPR Dense Regenerator Wavelengh Combiner Wavelength Translator Về phân chia Long Haul 1600 thành lớp ( hình 3.4 hình 3.5): lớp truyền dẫn (Line) lớp dịch vụ (Service) Services Line OPTera Long Haul 1600 Hình 3.4:Các lớp Long Haul 1600 Vương Thành Nam - D04VT1 55 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman Lớp truyền dẫn Line bao gồm: 1600 Amplifier MOR Plus Lớp dịch vụ bao gồm : Wavelengh Combiner, Wavelength Translator, Dense Regenerator Optical Dedicated Protection Ring Hình 3.5: Các ứng dụng OPTera Long Haul 1600 3.2.1.1 1600 Amplifier 1600 Amplifier hỗ trợ hai cấu hình Unidirectional OADM ( Optical Add – Drop Multiplexing ) cung cấp khả linh động cho phép cấu hình sử dụng riêng băng tần C, kết hợp băng tần C với băng tần L sử dụng băng tần L Ngoài với việc sử dụng phân tích phổ quang OSA ( Optical Spectrum Analyzer ) dung lượng hệ thống tăng đáng kể a Cấu hình Unidirectional Trong cấu hình sử dụng hai sợi quang, sợi phát sợi thu với cấu hình:  Chỉ sử dụng băng tần C Vương Thành Nam - D04VT1 56 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman  Sử dụng kết hợp băng C băng L  Chỉ sử dụng băng L Với cấu hình sử dụng kết hợp băng C băng L, dung lượng hệ thống cho phép lên đến 800 Gbps sợi quang tương đương 80 bước sóng 10 Gbps sợi ( 40 bước sóng băng C 40 bước sóng băng L) Với cấu hình sử dụng băng C băng L, dung lượng hệ thống 400 Gbps sợi quang, tương đương 40 bước sóng Nếu hệ thống sử dụng băng C mở rộng để sử dụng băng L cách thêm phần cứng thích hợp Với cấu hình có băng L, thường dùng với hệ thống có sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc DSF ( Dispersion – Shifted Fiber) cho phép tiết kiệm chi phí nâng cấp dung lượng b.Cấu hình OADM Cấu hình cho phép hệ thống Add/Drop hay nhiều bước sóng trạm thuộc tuyến Có thể Add/Drop một, hai hay năm bước sóng tùy thuộc nhu cầu cấu trúc OADM sử dụng 3.2.1.2.MOR Plus Amplifier MOR Plus Amplifier ứng dụng Bidirectional khuếch đại tối đa 32 bước sóng (tương đương 16 kênh) dải bước sóng từ 1528,77 nm đến 1560 nm Với MOR Plus, bước sóng chia thành băng Băng BLUE có bước sóng từ 1528,77 nm đến 1531,30 nm, băng RED có bước sóng từ 1547,72 đến 1560,60 nm Do MOR Plus bidirectional nên bước sóng băng RED BLUE truyền ngược chiều sợi quang Mỗi kênh liệu Bidirectional gồm bước sóng băng RED bước sóng băng BLUE 3.2.1.3.Wavelength Combiner Chức kết hợp kênh tốc độ 2,5 Kbps, kênh Gigabit Ethernet GE kết hợp hai tạo thành tín hiệu tốc độ 10 Gbps chuẩn cho truyền dẫn 3.2.1.4.Wavelength Translator Chuyển đổi bước sóng từ bên thành bước sóng DWDM chuẩn thực sửa dạng tín hiệu, định dạng đồng khuếch đại – gọi chung 3R Vương Thành Nam - D04VT1 57 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman (Re – sharp, Re – time, Re – amplifier ) mà không cần tái tạo lại toàn khung mào đầu Với khả này, hệ thống cho phép thích ứng với môi trường đa người dùng 3.2.1.5.Dense Regenerator Cho phép mở rộng tầm hoạt động hệ thống cách tái tạo tín hiệu quang hướng điểm trung gian hai trạm kết cuối Các tái tạo khuếch đại quang mắc chuỗi cho phép mở rộng tầm hoạt động hệ thống lên hàng trăm km 3.2.1.6.Optical Dedicated Protection Ring Cho phép thiết lập chuyển mạch bảo vệ tốc độ 10 Gbps lớp quang cách sử dụng module chuyển mạch quang OSM (Optical Switch Module) 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý trạm có khuếch đại Raman Tuỳ thuộc vào yêu cầu cấu hình trạm mà thành phần có khác Dưới ta xét trạm với đầy đủ thành phần trạm khuếch đại, trạm có khuếch đại Raman Vương Thành Nam - D04VT1 58 Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman To OSA IN1 MON1 MUX IN1 1A C-Band Dual Amp 2B OUT OUT2 2A IN OUT1 C-Band Booster Amp 1B OUT MON MON2 UPA2 MSA 2AB To OSA IN2 DROP To OSA MSA3AB IN5 MON3 3A L-Band Dual Amp OUT4 4A L-Band Booster Amp 3B OUT MON IN4 OSC2 - Circulator DROP - WDM Coupler OSC2 - Pad - Faceplate connectoy ADD - EDFA - Internal tap coupler - Distributed Raman Amplifier UniOSC OSC1 ADD OSC1 DROP C-Band OSA module In 1A MON In 2A MON In 1B MON In 2B MON From Switch Legend MON4 UPA4 To OSA IN6 OSC1 To OSA IN8 MSA 4AB UPB To OSA IN7 IN MON UPG DRA-B (DRA-B) DRA-A Switch 4B OSC2 DEMUX L-Band Booster Amp OUT3 IN OUT (DRA-A) ` MUX IN3 OUT ` To OSA IN4 OUT UPB To OSA IN3 IN2 IN MON Direction2 Direction1 ` ` DEMUX C-Band Booster Amp MSA1AB ` ` Đồ án tốt nghiệp L-Band In 3A MON In 4A MON In 3B MON In 4B MON Hình 3.6: Trạm đầu cuối có khuếch đại băng C, băng L khuếch đại Raman Vương Thành Nam - D04VT1 59 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman Những nhóm card CPG dùng cho cấu hình mạng quang đơn chiều thiết bị khuếch đại OPTera Long Haul 1600G – CQ40Gbit/s Nortel bao gồm: + Các khuếch đại Raman Dra-A Dra-B + Card phân tích phổ quang OSA + Bộ bù tán sắc suy hao MSA + Card kênh dịch vụ quang OSC + Card khuếch đại kép băng C + Card khuếch đại Bosster 3.2.3 Chức thành phần 3.2.3.1.Các khuếch đại Raman Dra-A Dra-B: Để tăng cự ly truyền dẫn, phía thu người ta lắp thêm khuếch đại Raman Card khuếch đại Raman xuất từ phiên trở đi, dùng sử dụng cấu hình đơn chiều với card UniOSC 1510/1615nm Khuếch đại dựa nguyên lý sử dụng hiệu ứng phi tuyến Raman, với ưu điểm làm giảm tỷ số nhiễu/tín hiệu, tăng cự ly truyền dẫn Hiệu ứng Raman xảy có tương tác ánh sáng phân tử chuyển động sợi quang Các phân tử sợi quang hấp thụ lượng từ bước sóng bơm Raman phát lại chúng tần số 13,2THz, với mức lượng tương đương với mức lượng sóng bơm trừ mức lượng dao động phân tử Nguyên lý khuếch đại Raman không hiệu nguyên lý khuếch đại EDFA, nguyên lý khuếch đại Raman cần công suất bơm lớn để đạt giá trị độ lợi Do hạn chế công suất phát Laser bơm khuếch đại Raman nên thường sử dụng ghép EDFA Raman Dải bước sóng khuếch đại Raman phụ thuộc vào tần số dao động phân tử lõi sợi quang bước sóng bơm Đặc biệt phụ thuộc nhiều vào cường độ bước sóng bơm (do hiệu ứng phi tuyến) Vương Thành Nam - D04VT1 60 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman Bước sóng cần thiết Laser bơm vào sợi quang ngắn  50nm phổ bước sóng cần khuyết đại Đối với băng-C (1530-1565nm), bước sóng bơm  1450nm Để tăng độ lợi làm cho độ lợi phẳng hơn, cách sử dụng nhiều bước sóng bơm khác Card DRA thiếu hệ thống đường dài đặc tính làm tăng cự ly truyền dẫn khuếch đại Raman Do vai trò ngày quan trọng với hệ thống thông tin quang tương lai Thiết bị khuếch đại 1600G Rel có card khuếch đại Raman DRA-A DRA-B Cả card phải lắp để có khuếch đại Raman phân bố Khuếch đại Raman dùng truyền dẫn đơn hướng Khuếch đại Raman phân bố thiết lập sở tượng tán xạ Raman, hiệu ứng phi tuyến truyền dẫn sợi quang giúp truyền tải lượng từ bước sóng bơm, quãng đường ngắn vào bước sóng quãng đường dài Card DRA cung cấp công suất bơm bước sóng ngắn cho khuếch đại Raman phân bố Khuếch đại Raman phân bố cải thiện toàn tỷ số tín hiệu quang nhiễu (OSNR) Cấu trúc card khuếch đại Raman minh họa hình 3.7 To Dual Amplifier To Fiber plant DROP OUT Internal tap coupler MON-C MON-L DRA-B OUT UPG (DRA-A) (DRA-B) Raman Amplifier WDM coupler WDM coupler DRA-A Raman Amplifier Connector Hình 3.7:Sơ đồ khối card khuếch đại Raman Chức cổng  Với DRA – A : Vương Thành Nam - D04VT1 61 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman  Out : Phát bước sóng DRA – A vào sợi quang truyền dẫn để khuếch đại tín hiệu quang mang lưu lượng thu từ upstream  Drop : Gửi tín hiệu quang khuếch đại Raman đến cổng vào Dual Amp trạm  UPG (DRA – B): Nhận bước sóng Raman từ DRA – B  MON_C : Cung cấp công suất tín hiệu băng C cổng DROP để giám sát công suất  MON_L: Cung cấp công suất tín hiệu băng L cổng DROP để giám sát công suất  Với DRA – B:  Cổng Out: Gửi bước sóng DRA – B đến cổng UPG UPG DRA – A 3.2.3.2.Card phân tích phổ quang OSA Card phân tích phổ quang OSA lắp giá giá khuếch đại OSA gia tăng cân khuếch đại chất lượng cách kiểm tra công suất kênh quang, tỷ số tín hiệu quang nhiễu (OSNR) công suất toàn băng cổng hoạt động Card dùng để giám sát công suất, tỷ số tín hiệu nhiễu công suất toàn băng cổng Với tín hiệu quang mẫu cung cấp từ card Dual card Booster, card OSA tiến hành phân tích phát tín hiệu thông báo cho nhà điều hành mạng biết để tiện cho việc thay hay chỉnh sửa Việc triển khai card OSA phụ thuộc vào: - Dung lượng bước sóng - Dạng sợi quang - Số luồng - Sự có mặt DRA - Sự có mặt OAMD Card OSA có cổng, cổng để giám sát băng-C cổng để giám sát băng-L Mỗi cổng OSA nối đến cổng kiểm tra khuếch đại MON phù hợp theo sơ đồ kết nối cố định Tín hiệu từ ngõ MON card khuếch đại Dual card Booster đưa vào ngõ IN card OSA Sau đó, tín hiệu đưa đến Vương Thành Nam - D04VT1 62 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman phân tích phổ (Optical Analizer) qua Coupler Switch Tín hiệu phân tích kết dùng để điều khiển công suất khuếch đại C-Band L-Band Ph©n tÝ ch phæquang In-1 In-5 In-2 In-6 WDM coupler In-7 In-3 In-4 Switch Switch In-8 Connector Hình 3.8: Card OSA 3.2.3.3.Bộ bù tán sắc suy hao MSA MSA điểm truy nhập để kết nối bù tán sắc vào OADM, MSA sử dụng suy hao để hạn chế công suất ngõ vào card cho không vượt mức để Photodetector hoạt động tốt 3.2.3.4.Card kênh dịch vụ quang OSC đơn chiều UniOSC Card UniOSC cung cấp kênh dịch vụ quang băng bước sóng cho truyền thông trạm tuyến quang, bước sóng hoạt động hình 3.9 Card có chức sau - Khai thác, quản trị, bảo trì, giám sát ( OAM B ) - Chuyển cảnh báo đến quản lý khai thác ( OPC ) quản lý mạng - Giám sát bảo dưỡng từ xa - Tải phần mềm từ xa - Dùng làm kênh nghiệp vụ Vương Thành Nam - D04VT1 63 Đồ án tốt nghiệp 1510 nm Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman 1530 nm 1563 nm 1570 nm Long band ( L – band ) Conventional band ( C – band ) OSC 1603 nm 1615 nm OSC OPTera Long Haul 1600 gain window Hình 3.9:Bước sóng hoạt động UniOSC 1510/ 1615nm Kênh OSC mang thông tin dùng để giám sát trạm khuếch đại đường dây (không mang lưu lượng tải), truy suất khuếch đại đường dây Kênh dùng cho việc điều khiển trạm khuếch đại đường dây, như: mở hay tắt trạm để sử dụng cho mục đích kiểm tra z Theo công nghệ Nortel, người ta sử dụng hai kênh OSC có bước sóng 1510nm 1615 hoạt động băng bước sóng Điều tạo điều kiện cho việc xen/ rẽ kênh OSC Bước sóng hoàn toàn thoả mãn yêu cầu, nằm băng tần không trùng lặp với bước sóng bơm OSC-2 1510nm DROP 1615nm ADD OSC-1 RX TX TX RX 1510nm ADD 1615nm DROP Faceplate connector Hình 3.10: Các cổng card OSC 3.2.3.5.Card khuếch đại kép ( Dual Amplifier Circuit Pack ) Chức đặc tính card Dual Amplifier: Vương Thành Nam - D04VT1 64 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman Mỗi card khuếch đại kép có chứa hai khuếch đại EDFA để khuếch đại quang theo hai chiều Card khuếch đại kép dùng tất cấu hình khuếch đại 1600G Card khuếch đại kép băng-C dùng để phát bước sóng băng-C khuếch đại kép băng-L dùng để phát bước sóng băng -L UPA-1 MON-1 OSC and L-band Out OUT-1 IN-1 Hø¬ng WDM coupler EDFA coupler coupler EDFA WDM coupler Hø¬ng OUT-2 IN-2 OSC and L-band Out MON-2 Connector UPA-2 Hình 3.11:Các cổng card Dual Amp Chức cổng  IN – : Nhận tín hiệu quang băng C OSC chuyển đến hướng (Direction 1)  UPA – :Trích tín hiệu OSC từ OSC từ lưu lượng hướng  MON – : Giao tiếp đến OSA để cung cấp mẫu công suất theo hướng 1( ~ 2% công suất) để giám sát  OUT – : Phát tín hiệu khuếch đại băng C theo hướng tới Boosters 3.2.3.6.Card khuếch đại Booster Chức đặc tính khuếch đại Booster Trong cấu hình khuếch đại mạng quang với thiết bị 1600G, khuếch đại Booster dùng liên kết với card khuếch đại kép, card Vương Thành Nam - D04VT1 65 Đồ án tốt nghiệp Chương III:Ứng dụng khuếch đại Raman khuếch đại Booster có khuếch đại EDFA, card khuếch đại Booster 21 băng-C có công suất ngõ tối đa 21 dBm (Card khuếch đại Booster 18 có công suất tối đa 18dBm) Bộ khuếch đại 1600G yêu cầu cặp card Booster Tùy cấu hình mà sử dụng cặp booster 18 cặp Booster 21 cặp gồm Booster 18 Booster 21 Hình 3.12 mô tả cấu trúc card Booster EDFA Circulator Coupler IN Connector INTLV WDM coupler MON OUT UPB Hình 3.12:Sơ đồ khối card Booster Chức cổng:  Cổng IN: Nhận tín hiệu băng C, băng L  Cổng INTLV: dùng cho cấu hình hướng  Cổng MON: Cung cấp mẫu công suất ra(~ % công suất) để giám sát tới OSA  Cổng UPB: Cổng dùng cấu hình băng C & L  Cổng OUT: Phụ thuộc vào vị trí cấu hình khuếch đại, đầu băng C băng L, băng C + OSC, băng L + OSC, C/L + OSC Kết luận chương III Chương trình bày ứng dụng khuếch đại Raman hệ thống WDM thiết bị khuếch đại quang 1600G - 40Gps Việc sử dụng khuếch đại Raman hệ thống thông tin quang xu tất yếu phát triển thông tin quang tín khả khuếch đại dải băng tần rộng độ khuếch đại lớn khuếch đại Raman Vương Thành Nam - D04VT1 66 Đồ án tốt nghiệp Kết luận KẾT LUẬN Bộ khuếch đại Raman phát triển dựa nguyên lý xạ kích thích, tán xạ Raman, có độ can nhiễu thấp, công suất khuếch đại lớn, ưu điểm lớn khuếch đại Raman khuếch đại phổ băng tần rộng Xu thông tin quang yêu cầu số lượng kênh tăng dung lượng kênh nhiều hơn, sử dụng khuếch đại Raman xu hướng tất yếu thông tin quang đại Sau thời gian tìm hiểu em hoàn thành đồ án với nội dung:  Tìm hiểu tổng quan khuếch đại quang nói chung nguyên lý khuếch đại quang, loại khuếch đại quang, số tham số khuếch đại quang  Tìm hiểu tán xạ Raman, nguyên lý hoạt động khuếch đại Raman, ưu điểm khuếch đại Raman, đặc điểm khuếch đại Raman  Tìm hiểu ứng dụng khuếch đại Raman mạng WDM, thiết bị khuếch đại quang 1600G – 40Gbps Một lần nữa, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo, ThS Nguyễn Thị Thu Nga, thầy cô giáo khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ BCVT toàn thể thầy cô giáo, phòng ban, bạn sinh viên lớp D04VT1 giúp đỡ em nhiều trình thực đồ án suốt thời gian năm học vừa qua Vương Thành Nam - D04VT1 67 Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Raman Amplification in Fiber Optical Communication Systems, Clifford Headley - Govind P Agrawal, Elsevier, Inc, 2005 Nonlinear fiber optics, Govind P.Agrawal, Academic Press, Inc, 1995 Fiber optic communications system, Govind P.Agrawal, John Wiley & Son, Inc, 2000 Vương Thành Nam - D04VT1 68