Hệ thống song hướng Phương thức truyền dẫn song hướng: 2 bước sóng chiều phát và chiều thu trên cùng một sợi PHẦN 2: KHUẾCH ĐẠI QUANG OA Câu 12đ: Nêu các tham số cơ bản của bộ khuếch đại
Trang 1HƯỚNG DẪN ÔN TẬP CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI QUANG
- Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM)
o Đây là hệ thống WDM ra đời sớm nhất trong lịch sử phát triển của WDM
o Nó thực hiện truyền dẫn 2 kênh bước sóng, trong đó mỗi kênh bước sóng thuộc một cửa
sổ truyền dẫn (vùng 850 nm, 1310 nm hoặc vùng 1550 nm) Như vậy, khoảng cách giữacác kênh trong hệ thống này cỡ vài trăm nm
o Đặc điểm của hệ thống này là chi phí hệ thống thấp, tuy nhiên dung lượng và khoảng
cách truyền dẫn bị giới hạn
- CWDM: ghép kênh theo bước sóng mật độ thấp
o Đây là hệ thống WDM ra đời từ đầu những năm 1990 cho phép ghép nhiều hơn 2 bướcsóng trên hệ thống Khoảng cách giữa các bước sóng khá lớn (cỡ 20 nm)
o ITU-T đã đưa ra chuẩn G.694.2 quy định về khoảng cách các kênh, bước sóng trung tâmcủa hệ thống này như sau:
Khoảng cách các kênh: 2500 GHz
Bước sóng trung tâm: 1552.52 nm
Dải bước sóng hoạt động từ 1270 nm đến 1610 nm)
- DWDM: ghép kênh theo bước sóng mật độ cao
o Đây là hệ thống WDM ra đời từ giữa những năm 1990 và cũng chính là các hệ thốngWDM hiện tại đang khai thác trên thế giới Hệ thống này cho phép ghép rất nhiều cácbước sóng trên hệ thống Khoảng cách giữa các bước sóng chỉ cỡ 200 GHz, 100 GHz, 50GHz và thậm chí là 25 GHz
o ITU- T đã đưa ra chuẩn G.692 quy định về khoảng cách các kênh, bước sóng trung tâmcủa hệ thống DWDM như sau:
Khoảng cách các kênh: 100 GHz
Bước sóng trung tâm: 1552.52 nm
Vùng bước sóng hoạt động: Băng S, C, L, U
Câu 5 (2đ,1 ý): Sơ đồ khối và trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDyM đơn hướng/ song hướng.
Có trong ngân hang Ao Sen
a Hệ thống đơn hướng
- Vẽ được sơ đồ hệ thống WDM đơn hướng
- Nêu được chức năng các khối
- Trình bày được hoạt động hướng phát
Trang 2- Trình bày được hoạt động hướng thu
Phương thức truyền dẫn đơn hướng: bước sóng chiều phát trên 1 sợi và bước sóng chiều thu trên
1 sợi khác
b Hệ thống song hướng
Phương thức truyền dẫn song hướng: 2 bước sóng chiều phát và chiều thu trên cùng một sợi
PHẦN 2: KHUẾCH ĐẠI QUANG OA
Câu 1(2đ): Nêu các tham số cơ bản của bộ khuếch đại quang.
a Hệ số khuếch đại:
G = Pout / Pin
G (dB) = 10 log (Pout / Pin)
- Pin và Pout là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang [mW]
- Hệ số khuếch đại đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại
Trang 3- Bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa khuếch đại Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đạicủa bộ khuếch đại
b Độ rộng băng tần khuếch đại (B0)
- Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang là một hàm số của tần số quang [G(f)] Tức là, khi đo
hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang ở các tần số khác nhau sẽ khác nhau
- Độ rộng băng tần khuếch đại của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3dB so với hệ
số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại
- Giá trị Bo xác định băng thông của các tín hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang
Do đó, nó ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng
c Công suất ra bão hòa
- Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở đầu ra sẽ tăng tuyến tính với công suấtquang ở đầu vào theo hệ số khuếch đại G: Pout = G.Pin
- Tuy nhiên, khi công suất đầu vào Pin tăng đến một mức nào đó, hệ số khuếch đại G không tăngtuyến tính với tính hiệu đầu vào nữa mà có thể không đổi thậm chí bắt đầu giảm khi tiếp tục tăngcông suất đầu vào Khi đó, bộ khuếch đại quang đạt trạng thái bão hòa
- Công suất ở đầu ra tại điểm G giảm 3 dB được gọi là công suất ra bão hòa Psat, out
- Công suất ra bão hòa Psat, out của một bộ khuếch đại quang cho biết công suất đầu ra lớn nhất mà bộkhuếch đại quang có thể hoạt động được
- Một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ có công suất ra bão hòa cao
Trang 4- SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại [mW].
- NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt
Câu 2(1đ): Ưu khuyết điểm của khuếch đại quang bán dẫn EDFA/ Raman.
Ưu:
+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 1 trạm, dễ vận chuyển,
thay thế
+ Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi cho
áp dụng các tuyến thông tin quang vượt
biển
+Ko có nhiễu xuyên kênh khi KĐ các tín
hiệu WDM như bộ KĐ quang bán dẫn
+ Hầu như ko phụ thuộc vào phân cực của
Trang 5- Ion erbium trong sợi quang EDFA liên tục được chuyển tiếp từ vùng năng lượng 4I15/2 thấp lênvùng năng lượng cao 4I11/2, sau đó các ion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2 nhưng không phát xạ.
- Từ vùng này, khi có tín hiệu ánh sáng kích thích thì các ion sẽ phát xạ bước sóng mong muốn (từ
1550 đến 1600 nm) khi chuyển từ vùng năng lượng 4I13/2 xuống vùng 4I15/2 Đây chính là hệ thống
ba mức Thời gian sống của ion erbium ở mức 4I11/2 khoảng 1µs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10ms Vớithời gian sống dài, vùng 4I15/2 được gọi là vùng ổn định
- Các ion được bơm lên mức cao, sau đó nhanh chóng xuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong mộtkhoảng thời gian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ
b Chế độ bơm ngược
- Bơm ở bước sóng 1480nm
- Các ion erbium chỉ hoạt động trong hai vùng năng lượng 4I13/2 và 4I15/2 Đây là hệ thống 2 mức
- Các ion erbium liên tục được chuyển từ vùng năng lượng nền 4I15/2 lên vùng năng lượng kích thích
4I13/2 nhờ năng lượng bơm
- Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng tích lũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ
c Chế độ bơm 2 hướng
- Sử dụng cả 2 nguồn bơm (980nm và 1480nm ngược chiều nhau)
Chức năng các khối:
- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium (EDF):
+ nồng độ pha tạp 100 – 2000 ppm, là môi trường KĐ, tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ
+ Vùng lõi trung tâm có đường kính từ 3 -6 µm được pha trộn ion Er3+ là nơi có cường độ sóngbơm Là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA
+ Lớp bọc có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi, Lớp vỏ bảo vệ bao quanh sợi quang tạo
bán kính sợi quang tổng là 250 µm
Trang 6+ Trong giản đồ phân bố năng lượng, các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khácnhau được ký hiệu: 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2
- Bộ cách ly quang:
+ Ngăn không cho tín hiệu quang phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên
đường truyền phản xạ ngược về EDFA
Nguyên tắc hoặt động:
- Khi bơm ánh sáng cho laser:
+ Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ cácphoton (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn ở vùngbơm (1)
+ Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1µs) và chuyển xuốngvùng giả bền (2)
Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ cácphoton (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ởđỉnh của vùng giả bền (3)
+ Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp(4)
+ Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon có nănglượng thích hợp các ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng 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, có 2 quá trình:
Trang 7+ Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ở vùng nền (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao+ Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạ kích thíchxảy ra => EDFA khuếch đại tín hiệu ánh sáng tới.
- KĐ tín hiệu ánh sáng tới:
+ Các ion Er3+ ở vùng giả bền đang ở trạng thái kích thích nhờ nguồn bơm (7) nhận được kíchthích từ tín hiệu ánh sáng tới sẽ chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giảbền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền,cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng
=> Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại.
Câu 4(3đ): Trình bày cấu tạo và giải thích nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại Raman/ SOA.
a Bộ KĐ Raman
- Cấu tạo:
+ Sợi quang: nơi xảy ra quá trình khuếch đại, là sợi quang thường truyền tín hiệu như sợi SMF,
DSF Trong khuếch đại Raman, không cần sử dụng sợi quang đặc biệt như EDFA
+ Coupler: dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với bước sóng bơm
+ Laser bơm có tần số ωp: dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quangchuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ Laser phát ra ánh sáng cóbước sóng thích hợp tùy thuộc vào vùng bước sóng cần khuếch đại Đây là một ưu điểm quantrọng của khuếch đại Raman so với EDFA (chỉ khuếch đại được các bước sóng ở băng C).+ Bộ lọc (hoặc bộ cách ly): đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ
ở hai đầu bộ khuếch đại Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phíađầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào
Nguyên lý hoạt động:
Trang 8- Luồng ánh sáng bơm có tần số ωp và ánh sáng tín hiệu ở tần số ωs cùng được đưa vào sợi quang
thông qua một coupler quang Năng lượng sẽ được truyền từ ánh sáng bơm sang ánh sáng tín hiệuthông quang hiệu ứng SRS trong sợi quang Cụ thể:
- Ánh sáng bơm từ một laser bơm có bước sóng thấp hơn bước sóng của tín hiệu cung cấp năng
lượng cho các nguyên tử của sợi quang Khi đó, các nguyên tử của sợi quang sẽ hấp thụ nănglượng ánh sáng bơm và chuyển lên mức cao hơn (mức khích thích) tạo ra sự đảo lộn nồng độ
- Khi có tín hiệu ánh sáng tới, nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao chuyểnsang trạng thái năng lượng thấp hơn và giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng
có cùng bước sóng (dài hơn bước sóng bơm) và cùng pha với tín hiệu đến Do đó, tín hiệu đãđược khuếch đại
Các cấu hình bơm KĐ Raman
- Bơm xuôi:
- Bơm ngược:
Trang 9- Bơm 2 hướng:
b Bộ KĐ SOA
- Cấu tạo
Trang 10+ SOA được điều khiển bởi dòng điện,
+ Vùng tích cực trong SOA khuếch đại ánh sáng đầu vào nhờ quá trình phát xạ kích thích + Tín hiệu đầu ra bao gồm cả tín hiệu truyền dẫn và nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại
(ASE) do quá trình khuếch đại gây ra
- Nguyên lý hoạt động:
+ Dựa trên cơ chế phát xạ kích thích của lớp tiếp giáp PN.
+ Khi có dòng điện điều khiển, các điện tử ở trạng thái năng lượng E1 được kích thích bởi dòng
điều khiển sẽ nhảy lên mức NL cao hơn E2 và tạo nên sự nghịch đảo nồng độ
+ Khi có ánh sáng tới kích thích các điện tử đang ở trạng thái kích thích E2 Các điện tử này hấp
thụ năng lượng ánh sáng trở về trạng thái E1 nó sẽ giải phóng ra một năng lượng Sóng điện từmới dưới dạng ánh sáng có năng lượng lớn hơn E2 – E1
+ Quá trình kích thích các điện tử ở trạng thái E2 tiếp tục diễn ra, khi đó tín hiệu ánh sáng được
KĐ
+ Cũng có 1 số điện tử ở trạng thái E2 không nhận được năng lượng của ánh sáng tới cũng trở
về trạng thái E1 và phát xạ ra các photon Quá trình phát xạ này gọi là phát xạ tự phát
PHẦN 3: BÙ TÁN SẮC Câu 1: Trình bày các phương pháp bù quang để bù tán sắc trong hệ thống thông tin quang.
Giải pháp này thường được sử dụng để bù tán sắc trên các đường truyền dẫn quang Hiện nay, có rấtnhiều kỹ thuật được sử dụng như:
Trang 11Phương pháp bù tán sắc bằng sợi có tán sắc âm
Phương pháp này dựa trên nguyên lý sau: Tán sắc của sợi đơn mode nói chung là tổng của tán sắc dẫnsóng và tán sắc vật liệu
Như vậy, về mặt nguyên tắc với một cấu trúc thành phần hợp lý có thể tạo ra sợi có tán sắc đủ lớn,ngược dấu tại bước sóng công tác định trước
Dựa theo tính chất này, trên mỗi khoảng lặp đặt thêm một đoạn sợi có tán sắc âm với độ dài hợp lý thì
- Suy hao của bộ bù tán sắc lớn và phụ thuộc vào khoảng tán sắc phải bù
- Phải giám sát công suất tín hiệu truyền để tránh các hiện tượng hiệu ứng
Sử dụng bộ lọc quang
Trong kỹ thuật bù tán sắc bằng bộ lọc quang, thường một bộ lọc quang được đặt sau một chặng sợi dài
L km
Giả sử bộ lọc quang có hàm truyền đạt H(ω):
Tín hiệu truyền qua bộ lọc được biểu diễn như biểu thức:
Bằng cách khai triển pha của H(ω) theo chuỗi Taylor và giữ ở số hạng bậc hai sẽ được biểu thức:
Pha không đổi φ0 và trễ thời gian φ1 sẽ không ảnh hưởng tới dạng xung và có thể bỏ qua
Pha do sợi sinh ra có thể được bù bằng cách chọn bộ lọc quang sao cho có
Trang 12Xung có thể được phục hồi hoàn toàn chỉ khi H(ω) thỏa mãn điều kiện (4-23) và các số hạng bậc ba vàbậc cao hơn trong khai triển Taylor là không đáng kể.
Sử dụng sợi quang cách tử Bragg
- Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg chu kỳ biến đổi
Để bù tán sắc trong các hệ thống TTQ, người ta thường sử dụng sợi quang cách tử Bragg chu kỳ biếnđổi tuyến tính
Sợi quang cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính là một sợi quang đơn mode có một đoạn lõi đượckhắc các cách tử có chu kỳ thay đổi một cách tuyến tính dọc theo chiều dài của quang sợi:
Trong đó, λB(z) là bước sóng Bragg tại vị trí z tương ứng với chu kỳ cách tử Λ(z)
Đặc tính của quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi là tại những vị trí tương ứng với chu kỳ dài hơn
sẽ phản xạ những ánh sáng có bước sóng dài hơn
Khi các xung tín hiệu có các bước sóng dài hơn đi vào đầu đoạn sợi cách tử có chu kỳ dài sẽ bị phản xạ
ở phần đầu của đoạn cách tử và những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn củađoạn cách tử sau đó mới phản xạ ngược lại
Với sự phản xạ của những thành phần tín hiệu có các bước sóng dài hơn ở phần đầu của đoạn cách tử
và các thành phần tín hiệu có những bước sóng ngắn hơn sẽ phải đi một quãng đường xa hơn của đoạncách tử sau đó mới phản xạ ngược lại Kết quả là một khoảng thời gian trễ d sẽ được tạo ra giữa thànhphần bước sóng ngắn so với thành phần bước sóng dài Khoảng cách d được xác định theo công thức:
Trang 13Trong công thức trên d là khoảng thời gian trễ, neff là chiết xuất hiệu dụng, L là độ dài đoạn cách tửBragg, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, Δλc là hiệu số giữa bước sóng bị phản xạ ở đầu đoạncách tử (thành phần bước sóng dài nhất) so với bước sóng bị phản xạ ở cuối đoạn cách tử (thành phầnngắn nhất).
- Sơ đồ thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg
Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính
Circulator là thiết bị ghép nối quang chỉ cho ánh sáng đi lần lượt các cổng 1, 2, 3 theo chiều kim đồng
hồ
Một xung bị giãn rộng sau khi được khuếch đại sẽ đi qua một circulator để tới đoạn cách tử Bragg cóchu kỳ biến đổi như hình vẽ
Trong mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính:
Tại đoạn cách tử, thành phần bước sóng ngắn tới trước do tán sắc sẽ phải đi thêm quãng đường nữatrước khi được phản xạ ngược lại để tới thiết bị đầu thu
Trong khi đó, thành phần bước sóng dài hơn, đến chậm hơn do bị tán sắc, sẽ được phản xạ ngay khi tớicách tử Bragg Kết quả là xung tín hiệu sau khi đi qua thiết bị bù đã được co lại
Tính toán hợp lý các số liệu về độ dài đoạn cách tử Bragg, hàm thay đổi của chu kỳ các cách tử L(z),người ta có thể thu được xung ánh sáng có độ rộng như ở đầu phát
Điều đó có nghĩa là:
Đối với kỹ thuật bù tán sắc bằng cách tử Bragg sợi, có thể coi như là một bộ lọc quang có sự tồn tại của
“băng dừng”, là vùng tần số mà trong đó hầu hết ánh sáng tới đều được phản xạ trở lại
Băng dừng có bước sóng trung tâm bằng bước sóng Bragg:
λB = 2n Λ,
trong đó n là chỉ số mode và Λ là chu kỳ cách tử
=> Kết quả tín hiệu quang ra sẽ được bù tán sắc