Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hảo sợ quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) cách nhau khoảng 6080Km. Chúng được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp thương mại năm 1990. Nhờ việc cung cấp các bộ khuếch đại quang mà việc truyền dẫn cáp biển với lục địa trở nên dễ dàng. Tuy nhiên khi cự ly truyền dẫn dài thì đến mức nào đó suy hao sẽ vượt quá mức công suất dự phòng, không thỏa mãn ở phía thu nên cần phải sử dụng các trạm lặp. Trạm lặp để khuếch đại quang trên đường truyền. Trong hệ thống thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà không phải qua biến đổi quangđiện hay điệnquang. Tốc độ và khoảng cách truyền dẫn được tăng lên. Ngoài ra khuêch đại tín hiệu quang, EDFA còn tạo ra các tạp âm ảnh hưởng khả năng hoạt động của hệ thống. Đồ án này dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Vũ Anh Quang, em trình bày bộ khuếch đại quang EDFA cùng với việc khảo sát nó trên phần mềm Optisystem. Kiến thức em có hạn nên việc trình bày còn nhiều thiếu sót rất mong Thầy cô bổ sung và giúp đỡ. Em xin chân thành cảm ơn
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT – HÀN KHOA: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ` MÔN : THÔNG TIN SỢ QUANG ĐỀ TÀI: nguồn phát quang thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang SVTH: Bùi Qúy Tâm Lớp: CCVT07A Đà Nẵng, tháng 12 năm 2016 Lời mở đầu Trong hầu hết hệ thống WDM, tổn hảo sợ quang bù tuần hoàn nhờ sử dụng khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) cách khoảng 60-80Km Chúng phát triển sau năm 1985 cung cấp thương mại năm 1990 Nhờ việc cung cấp khuếch đại quang mà việc truyền dẫn cáp biển với lục địa trở nên dễ dàng Tuy nhiên cự ly truyền dẫn dài đến mức suy hao vượt mức công suất dự phòng, không thỏa mãn phía thu nên cần phải sử dụng trạm lặp Trạm lặp để khuếch đại quang đường truyền Trong hệ thống thông tin quang, khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà qua biến đổi quangđiện hay điện-quang Tốc độ khoảng cách truyền dẫn tăng lên Ngoài khuêch đại tín hiệu quang, EDFA tạo tạp âm ảnh hưởng khả hoạt động hệ thống Đồ án hướng dẫn giảng viên Nguyễn Vũ Anh Quang, em trình bày khuếch đại quang EDFA với việc khảo sát phần mềm Optisystem Kiến thức em có hạn nên việc trình bày nhiều thiếu sót mong Thầy cô bổ sung giúp đỡ Em xin chân thành cảm ơn !!! Mục Lục Lời mở đầu Mục lục Lời mở đầu Chương 1: Tổng quan khuếch đại quang EDFA .4 2.Khái niệm chung khuếch đại quang Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi EDFA Chương 3: Khảo sát thông số khuếch đại quang EDFA 10 Tài liệu tham khảo 17 Chương 1: Tổng quan khuếch đại quang EDFA Các thành phần hệ thống thông tin quang 1.1 Tín hiệu vào Sơ đồ khối thông tin quang Bộ phát quang Kênh truyền dẫn Bộ thu quang Tín hiệu Hệ thống tổng quát bao gồm phát quang, thu quang kênh thông tin truyền dẫn ba phần tử hệ thống thông tin 1.2 Vai trò a) Kênh thông tin truyền dẫn-sợ quang Để truyền tải tín hiệu quang từ phát tới thu tránh làm méo dạng tín hiệu Hầu hết hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang kênh thông tin truyền dẫn b) Bộ phát quang Chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn Bộ phát quang gồm có nguồn quang, điều chế, ghép nối với sợi quang c) Bộ thu quang Chuyển đổi tín hiệu quang thu đầu tuyến sợi quang thành tín hiệu điện Gồm có ghép nối, tách sóng quang giải điều chế Khái niệm chung khuếch đại quang Khoảng cách truyền dẫn hệ thống thông tin sợi quang bị giới hạn tổn hao sợi Điều làm giảm khả truyền dẫn làm giới hạn kích cỡ mạng quang Để khắc phục ta đặt trạm lặp để khuếch đại trung gian Bộ lặp có nhiệm vụ thu tín hiệu quang, biến đổi quang - điện (O/E), sửa lại xung điện, khuyếch đại tín hiệu biến đổi điện - quang (E/O) trở lại O-E Bộ chuyển đổi E-O K Đ Bộ khuếch đại điện Bộ chuyển đổi quang điện quang điện Hình 1: sơ đồ khối trạm lặp quang điện Trong khuếch đại quang, trình khuếch đại ánh sáng diễn môi trường gọi vùng tích cực Các tín hiệu quang đươc khuếch đại vùng có độ lợi khác tùy thuộc vào lượng cung cấp từ nguồn bên gọi nguồn bơm Khuếch đại quang sợi đoạn sợi quang có độ khuếch đại môi trường dương Để đạt điều cần phải pha tạp ion Erbium, Er3+ Khi bơm quang bên hoạt động, truyền lượng tác động đến ion pha tạp lên trạng thái kích thích, sau tác dụng ánh sáng truyền qua khuếch đại ion chuyển từ trạng thái kích thích sang trạng thái tạo proton khuếch đại Sử dụng sợi quang pha tạp Erbium phổ biến khuếch đại ánh sáng bước sóng 1550nm, phù hợp thông tin truyền dẫn đường dài Ưu điểm khuếch đại quang + Băng thông khuếch đại rộng vài ngàn Ghz nên sử dụng rộng rãi mạng thông tin + Có thể khuếch đại đa kênh quang nên sử dụng phổ biến hệ thống thông tin sợ quang ghép kênh phân chia theo bước sóng + Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang +Không phụ thuộc vào tốc độ bit phương thức điều chế tín hiệu Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi EDFA Tổng quan khuếch đại quang sợi Các khuếch đại quang đóng vai trò quang trọng mạng viễn thông quang học có khả bù lại suy hao tín hiệu trình lan truyền sợi quang kết nối mối hàn nút mạng gây nên Có loại khuếch đại quang sợi khuếch đại quang sợi pha tạp đất khuếch đại quang sợi Raman Tùy theo loại đất pha trộn lõi sợi quang mà có bước song bơm nguồn bơm vùng ánh sáng khuếch đại OFA ( Optical Fiber Amplifier) thay đổi Gồm loại YDFA ( pha tạp Ytterbium), PDFA (pha tạp Praseodymium), TDFA (pha tạp Thulium) EDFA (pha tạp Erbium) Trong loại trên, EDFA sử dụng phổ biến có ánh sáng khuếch đại 1530nm-1565nm thích hợp với dải tần làm việc hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM ( Dense Wavelenghth Division Multiplexing) Cấu tạo EDFA Hình 2: Mặt cắt ngang sợi quang pha ion Erbium EDFA có thành phần gồm đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1 % Erbium Erbium nguyên tố đất có tính quang tích cực EDF ( Erbium – doper Fiber) đoạn sợi quang pha tạp laser bơm cung cấp lượng cho EDF Cấu trúc tiêu biểu: Bộ cách li Bộ cách li Bộ ghép Bộ ghép Sợi quang pha tạp Bơm laser Erbium Bơm laser Laser bơm laser diode bán dẫn phát xạ bước song 980nm 1480nm Công suất phát xạ cao lên đến 165mW Laser bơm bao gồm: laser diode (LD) phát ánh sáng bơm, backfaced photodiode (PD) để giám sát hiệu suất LD trermoelectric cooler (TEC) với thermistor để điều khiển ổn định laser Cách tăng công suất bơm: - Tăng công suất laser diode bơm đơn lên 250nm - Bơm EDFA với laser riêng biệt theo trạng thái phân cực phát xạ laser - Sử dụng laser bơm riêng rẽ với bước sóng khác Nguyên lý hoạt động EDFA Sơ đồ nguyên lý khuếch đại quang biểu diễn sau: ánh sáng đến ánh sáng khếch đại Đoạn sợi quang pha tạp Nguồn bơm Để kích thích hạt mang Er3+ lên mức lượng cao cần nguồn bơm bên để bơm lượng quang vào sợi Nguồn bơm laser diode hoạt động bước sóng 980nm 1480nm Sự dịch chuyển điện tử mức lượng khác nhau, mức từ cao xuống tạo proton, proton xạ kích thích hướng với proton tới đồng thời gây nhiễu xa tự phát khuếch đại (ASE) Quá trình tạo khuếch đại quang EDFA Quá trình bơm bước sóng Mật độ thấp Mật độ cao Bơm bước sóng 1450nm Bơm bước sóng 1530nm Mật độ thấp Mật độ cao Hình 3: Qúa trình bơm bước sóng Do hiệu ứng stark, trại thái bền siêu bền tồn nhiều mức lượng Ở trạng thái cân nhiệt, mật độ hạt mang điện cao nằm dải thấp Đồng thời tỉ lệ với tốc độ bơm xạ kích thích nên bơm xảy dải thấp trạng thái bền cao trạng thái siêu bền ứng vớ bước song 1450nm ngược lại với xạ bước sóng 1530nm Chương 3: Khảo sát thông số khuếch đại quang EDFA Mô phần mềm optisystem Optisystem phần mềm mô hệ thống thông tin quang Phần mềm có khả thiết kế, đo kiểm tra, thực tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin quang trước ứng dụng vào thực tế Phần mềm có giao diện thân thiên, hiển thị trực quang dễ sử dụng Xây dựng EDFA phần mềm optisystem 10 2.1 Cấu trúc EDFA Cấu trúc EDFA optisystem gồm có: - Laser bơm với bước sóng 980nm - WDM coupler: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vào sợi quang - Bộ cách ly quang: ngăn không cho tín hiệu quang phản xạ ngược phía đầu phát đường truyền EDFA 2.2 Phần phát 11 Gồm có thành phần: - Phần tử tạo bit ( bit rate) - Phần tử tạo xung (NRZ) - Điều chế - Điều chế Mach-Zehnder - Đường truyền sợi quang 2.3 Phần thu Phần thu gồm có: - Thu Photodiode PIN - Bộ lọc thông thấp Bessel Khảo sát dải bơm EDFA Các tham số hệ thống: - Khoảng cách truyền dẫn 150km - Tốc độ truyền 2,5Gbps - Bước sóng bơm 980nm - Công suất phát từ -5 đến 2dbm - Bước sóng 1550nm Bảng thông số thay đổi công suất phát PT với tốc độ 2.5Gbps: 12 PT Q PR Log(BER) -5 10.7 15.103 -26.63 -4.5 11.462 15.106 -30.05 -4 12.18 15.110 -33.78 -3.5 12.92 15.113 -37.82 -3 13.67 15.117 -42.17 -2.5 14.42 15.122 -46.81 -2 15.18 15.126 -51.71 -1.5 15.94 15.131 -56.87 -1 16.69 15.138 -62.25 -0.5 17.44 15.145 -68.93 18.18 15.153 -73.57 0.5 18.92 15.161 -79.48 19.64 15.171 -85.54 1.5 20.35 15.181 -91.71 21.04 15.193 -97.98 Nhận xét: Công suất phát tăng lần 0.5dbm hệ số phẩm chất Q tăng theo Công suất phát nhỏ tỷ lệ lỗi bit (BER) lớn ngược lại Vì vậy, muốn tăng hệ số phẩm chất có nghĩa giảm tỷ lệ lỗi bit Ber ta tăng công suất phát, bên cạnh ứng với công suất phát hệ thống có tốc dộ bit cao hệ số phẩm chất nhỏ tức tỷ lệ lỗi bit Ber tăng 13 Một số hình ảnh giản đồ Hình ảnh giản đồ với công suất phát 0.5dbm Hình ảnh giản đồ với công suất phát 2dbm 14 Hình ảnh giản đồ với công suất phát -4dbm Hình ảnh giản đồ với công suất phát 15 Hình ảnh giản đồ với công suất phát -3dbm 16 Tài liệu tham khảo Vũ Văn San, Trần Hoàng Diệu, Phương pháp tính toán thiết kế cấu hình tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, Tuyển tập công trình, Hội nghị Khoa học, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông, Hà Nội, 2001 J.A Chiddix, H.Loar, D.M Pangrac, L.D William, R.W Wolfe, AM video on fiber CATV systems: Need and Implementation, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, p.1229-1239, Vol.8, No.7, Sep 1990 Các trang web: www.optiwave.com 17 ... thông tin quang sử dụng sợi quang kênh thông tin truyền dẫn b) Bộ phát quang Chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn Bộ phát quang gồm có nguồn. .. quang EDFA Các thành phần hệ thống thông tin quang 1.1 Tín hiệu vào Sơ đồ khối thông tin quang Bộ phát quang Kênh truyền dẫn Bộ thu quang Tín hiệu Hệ thống tổng quát bao gồm phát quang, thu quang. .. lặp để khuếch đại quang đường truyền Trong hệ thống thông tin quang, khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà qua biến đổi quang iện hay điện -quang Tốc độ khoảng