Nghiên cứu đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HOÀI NAM TRẦN HOÀI NAM CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG KHOÁ 2009 Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HOÀI NAM NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : T.S BÙI VIỆT KHÔI Hà Nội – Năm 2012 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 3  MỞ ĐẦU 4  CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG 6  1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang 6  Bộ phát quang 6  Bộ chia quang 6  Trạm lặp 6  Bộ thu quang 6  Bộ nối quang 6  1.2 Bộ lặp khuếch đại quang 7  1.3 Nguyên lý khuếch đại quang 8  1.4 Bộ khuếch đại quang bán dẫn khuếch đại quang sợi 9  1.5 Các loại khuếch đại quang khác 10  1.6 Phân loại khuếch đại quang theo chức 11  1.7 Các thông số đánh giá khuếch đại quang 13  1.7.1 Độ lợi (Gain) 13  1.7.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth) 13  1.7.3 Công suất đầu bão hòa (Saturation Output Power) 14  1.7.4 Hệ số tạp âm 14  1.7.5 Độ nhạy phân cực 15  1.8 Xu hướng sử dụng khuếch đại quang hệ thống thông tin quang 15  CHƯƠNG CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG 17  2.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn 17  2.1.1 Nguyên tắc hoạt động khuếch đại quang bán dẫn 17  2.1.2 Độ lợi 18  2.1.2.1 Độ lợi khuếch đại Febry - Perot 18  2.1.2.2 Độ lợi khuếch đại sóng chạy 20  2.1.2.3 So sánh độ lợi khuếch đại Febry – Perot độ lợi khuếch đại sóng chạy 21  2.1.2.4 Bão hòa độ lợi 22  2.1.3 Băng thông khuếch đại quang bán dẫn 24  2.1.3.1 Băng thông khuếch đại Febry - Perot 24  2.1.3.2 Băng thông khuếch đại sóng chạy 24  2.1.3.3 So sánh băng thông khuếch đại Febry - Perot băng thông khuếch đại sóng chạy 25  2.1.4 Xuyên âm 26  2.1.5 Độ lợi phụ thuộc phân cực 28  2.1.6 Nhiễu 30  2.1.6.1 Phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) 31  2.1.6.2 Nhiễu quang nhiễu điện 33  2.1.7 Ưu điểm hạn chế khuếch đại quang bán dẫn 34  2.1.8 Ứng dụng khuếch đại quang bán dẫn 34  2.2 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium 35  2.2.1 Nguyên tắc hoạt động khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 35  2.2.2 Biểu đồ mức lượng 37  Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang 2.2.3 Bơm 38  2.2.4 Băng C băng L 41  2.2.5 Độ lợi sợi pha tạp erbium 42  2.2.5.1 Định nghĩa 42  2.2.5.2 Đặc điểm 43  2.2.5.3 Bão hòa độ lợi 44  2.2.5.4 Độ lợi hàm độ dài sợi tích cực tối ưu độ dài sợi 44  2.2.6 Nhiễu sợi pha tạp erbium 45  2.2.7 Độ lợi tạp âm sợi pha tạp erbium hàm tham số khuếch đại sợi pha tạp erbium 47  2.2.8 Các thành phần module khuếch đại sợi pha tạp erbium 48  2.2.8.1 Sợi pha tạp erbium 49  2.2.8.2 Diode laser bơm 52  2.2.8.3 Những thành phần khác khuếch đại sợi pha tạp erbium 52  2.2.9 Các loại khuếch đại quang sợi khác 53  2.2.10 Ưu điểm hạn chế khuếch đại sợi pha tạp erbium 54  2.2.11 Ứng dụng khuếch đại sợi pha tạp erbium 55  2.3 Bộ khuếch đại Raman 55  2.3.1 Hiện tượng tán xạ kích thích Raman 55  2.3.2 Nguyên lý đặc điểm khuếch đại Raman 56  2.3.3 So sánh đặc điểm khuếch đại sợi pha tạp erbium khuếch đại kích thích Raman 59  2.3.4 Khuếch đại Raman truyền dẫn WDM băng rộng 62  2.3.5 Khuếch đại Raman hệ thống WDM hai chiều 65  Chương MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 68  3.1 Giới thiệu phần mềm OptiSystem 68  3.2 Bộ khuếch đại quang bán dẫn 69  3.2.1 Độ lợi khuếch đại sóng chạy 69  3.2.2 Bão hòa độ lợi 70  3.2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng dùng khuếch đại quang bán dẫn 72  3.3 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium 75  3.3.1 Độ lợi khuếch đại sợi pha tạp erbium không phẳng 75  3.3.2 Làm phẳng độ lợi hệ thống sử dụng khuếch đại sợi pha tạp erbium 77  3.3.3 Bão hòa độ lợi 80  3.3.4 Công suất bơm tối thiểu để độ lợi cao 82  3.3.5 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm booster 83  3.3.6 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm khuếch đại in-line 86  3.3.7 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm tiền khuếch đại 89  3.3.8 Tối ưu độ lợi tiền khuếch đại nhờ mật độ pha tạp ion erbium 91  KẾT LUẬN 95  TÀI LIỆU THAM KHẢO 96  Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ ASE BER CATV DRA DSF DXC EDFA Tiếng Anh Amplified Spontaneous Emission Bit Error Ratio Cable Television Distributed Raman Amplifier Dispersion Shifted Fiber Digital Cross Connect Erbium Doped Fiber Amplifier FOA FPA FWM LD MFD NA OADM PON SDH SNR SOA SONET SRS TDM Fiber Optical Amplifier Fabry – Perot Amplifier Four Wave Mixing Laser Diode Mode Field Diameter Numerical Aperture Optical Add Drop Multipexer Passive Optical Network Synchronous Digital Hierachy Signal to Noise Ratio Semicondutor Optical Amplifier Synchronous Optic Network Stimulated Raman Scattering Time Division Multiplexing TE TM TWA WDM Transverse Electric Transverse Magnetic Travelling Wave Amplifier Wavelength Division Multiplexing Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Tiếng Việt Phát xạ tự phát khuếch đại Tỉ lệ lỗi bit Truyền hình cáp Bộ khuếch đại Raman phân bố Sợi dịch tán sắc Bộ kết nối chéo số Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium Bộ khuếch đại quang sợi Bộ khuếch đại Febry – Perot Trộn bước sóng Diode laser Đường kính trường mode Khẩu độ số Bộ xen rẽ sóng quang Mạng quang thụ động Cấu trúc đồng số Tỉ số tín hiệu nhiễu Bộ khuếch đại quang bán dẫn Mạng quang đồng Tán xạ Raman kích thích Ghép kênh phân chia theo thời gian Sóng điện ngang Sóng từ ngang Bộ khuếch đại sóng chạy Ghép kênh phân chia theo bước sóng Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang MỞ ĐẦU Ngay từ xa xưa người biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin Qua thời gian dài lịch sử phát triển nhân loại, hình thức thông tin phong phú dần ngày phát triển thành hệ thống thông tin đại ngày nay, tạo cho nơi giới liên lạc với cách thuận lợi nhanh chóng Cách 20 năm, từ hệ thống thông tin cáp sợi quang thức đưa vào khai thác mang viễn thông, người thừa nhận phương thức truyền dẫn quang thể khả to lớn việc chuyển tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú loại Trong vòng 10 năm trở lại đây, với tiến vượt bậc của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi thông tin quang có tiến vượt bậc Các nhà sản xuất chế tạo sợi quang đạt tới giá trị suy hao nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km bước sóng 1550 nm cho thấy phát triển mạnh mẽ công nghệ sợi quang hai thập niên qua Cùng với tiến lớn công nghệ chế tạo nguồn phát quang thu quang, để từ tạo hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội so với hệ thống thông tin cáp kim loại Dưới ưu điểm trội môi truờng truyền dẫn quang so với môi trường truyền dẫn khác, là: o Suy hao truyền dẫn nhỏ o Băng tần truyền dẫn lớn o Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ o Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao o Có kích thước trọng lượng nhỏ o Sợi có tính cách điện tốt o Độ tin cậy cao o Sợi chế tạo từ vật liệu sẵn có Chính lý mà hệ thống thông tin quang có sức hấp dẫn mạnh mẽ nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, tuyến trung Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang kế mà có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Trong liên kết quang, tín hiệu truyền theo sợi bị suy hao nhiều nguyên nhân Nếu suy hao vượt công suất dự phòng đòi hỏi tín hiệu trước đến bên thu cần phải khuếch đại Có hai cách để khuếch đại tín hiệu: lặp khuếch đại quang Tuy lặp có số ưu điểm tự chúng dùng để thiết lập liên kết WDM mạng Do đó, chuyển đổi từ liên kết TDM sang liên kết WDM từ liên kết thành mạng quang thực mà khuếch đại quang Trong nhiều năm gần khuếch đại quang phát triển Có hai loại khuếch đại quang khuếch đại quang bán dẫn khuếch đại quang sợi Loại ưa chuộng khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA Bộ khuếch đại mở cánh cửa cho triển khai hệ thống thông tin quang WDM Bên cạnh khuếch đại quang bán dẫn loại khác dùng nhiều loại giai đoạn nghiên cứu Khả khuếch đại phụ thuộc vào nhiều yếu tố kết hợp Nội dung luận văn trình bày kỹ thuật khuếch đại quang, đặc điểm khuếch đại, yếu tố ảnh hưởng loại khuếch đại khuếch đại quang bán dẫn, khuếch đại quang sợi pha tạp khuếch đại Raman mô khuếch đại quang tuyến truyền dẫn sử dụng công cụ phần mềm OptiSystem Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – T.S Bùi Việt Khôi, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em tận tình thời gian làm luận văn, đồng thời em xin cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp cho em tiếp thu kiến thức trình học tập để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Hà Nội, tháng năm 2012 Học viên Trần Hoài Nam Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin quang tổng quát gồm có phần phát quang, cáp sợi quang phần thu quang Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện điều khiển liên kết với Cáp sợi quang gồm có sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên Phần thu quang tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang có nối quang (connector), mối hàn, chia quang trạm lặp khuếch đại quang; tất tạo nên tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Nguồn phát quang Sợi dẫn quang Mạch điều khiển Bộ nối Trạm lặp Bộ chia Thu quang Mạch điện Phát quang Khuếch đại quang Các thiết bị khác Đầu thu quang Khuếch đại Khôi phục tín hiệu Tín hiệu điện Bộ thu quang Hình 1.1 Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tới cự ly đó, tín hiệu quang sợi bị suy hao nhiều cần thiết phải có trạm lặp quang đặt tuyến Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Cấu trúc thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát thiết bị thu ghép quay phần điện vào Thiết bị thu trạm lặp thu tín hiệu quang yếu tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, khuếch đại quang sử dụng để thay phần thiết bị trạm lặp quang Nhu cầu thực tế khiến nhiều nghiên cứu thực nhằm tạo khuếch đại với đặc điểm ngày tốt 1.2 Bộ lặp khuếch đại quang Các lặp (repeater) sử dụng phổ biến hệ thống truyền dẫn quang bước sóng Trong lặp này, đầu tiên, tín hiệu quang biến đổi thành dòng điện thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang PIN hay APD Dòng quang điện thu tái tạo lại dạng xung, định thời khuếch đại mạch phục hồi tín hiệu mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện biến đổi thành tín hiệu quang thông qua nguồn quang phát quang (optical transmitter) truyền sợi quang Như vậy, trình khuếch đại tín hiệu thực miền điện Các trạm lặp quang điện sử dụng phổ biến hệ thống truyền dẫn quang bước sóng hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, sử dụng cho hệ thống đa bước sóng WDM, nhiều trạm lặp cần sử dụng để khuếch đại vào tái tạo kênh quang có bước sóng khác Điều làm tăng độ phức tạp tăng giá thành hệ thống truyền dẫn quang WDM Một giải pháp cho vấn đề sử dụng khuếch đại quang Ánh sáng khuếch đại trực tiếp miền quang mà biến đổi từ miền quang sang miền điện ngược lại So với lặp (repeater) khuếch đại quang có nhiều ưu điểm khuếch đại trực tiếp miền quang, không phụ thuộc vào tốc độ bit phương thức điều chế tín hiệu, khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác truyền sợi quang Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang 1.3 Nguyên lý khuếch đại quang Ta biết có tượng quang điện là:hấp thụ (Absorption), phát xạ tự phát (Spontaneous emission) Phát xạ kích thích (Stimulated emission) E2 E2 E2 hf12 hf12 hf12 E1 E1 a Hấp thụ (Absorption) E1 b Phát xạ tự phát (Spontaneous emission) hf12 (cùng pha) c Phát xạ kích thích (Stimulated emission) Hình 1.3 Các tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát xạ kích thích Hiện tượng hấp thụ, hình 1.3(a), xảy photon có lượng hf12 bị hấp thụ điện tử trạng thái lượng thấp Quá trình xảy lượng hf12 photon với độ chênh lệch lượng trạng thái lượng cao trạng thái lượng thấp điện tử (Eg = E2 – E1) Khi xảy tượng hấp thụ, điện tử nhận lượng từ photon chuyển lên trạng thái lượng cao Hay nói cách khác, tượng hấp thụ nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang qua khuếch đại quang.Quá trình xảy đồng thời với hai tượng phát xạ tự phát phát xạ kích thích môi trường tích cực (active medium) khuếch đại Hiện tượng phát xạ tự phát,hình 1.3(b), xảy điện tử chuyển trạng thái lượng từ mức lượng cao E2 xuống mức lượng thấp E1 phát lượng Eg= E2–E1 dạng photon ánh sáng Quá trình xảy cách tự nhiên trạng thái lượng cao E2 trạng thái lượng bền vững điện tử Sau khoảng thời gian gọi thời gian sống (life time) điện tử mức lượng cao,các điện tử tự động chuyển trạng thái lượng thấp (trạng thái lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống điện tử khác Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang thấy tượng bão hòa độ lợi có xảy khuếch đại sợi pha tạp erbium Sự hiểu biết bão hòa độ lợi quan trọng người ta điều chỉnh hệ thống để đạt độ lợi hiệu 3.3.4 Công suất bơm tối thiểu để độ lợi cao Đối với khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA) nguồn bơm có hiệu bước sóng 980nm 1480nm Để có hệ số khuếch đại 20dB cần tạo nguồn bơm có công suất nhỏ 5mW, phải có nguồn bơm từ 10mW tới 100mW để đảm bảo cho công suất đủ lớn EDFA có ưu điểm cần công suất nguồn nuôi nhỏ Chính thuận tiện dùng EDFA làm khuếch đại cho tuyến thông tin quang vượt biển Để thấy đặc điểm công suất bơm dùng khuếch đại EDFA ta xây dựng đồ thị mối quan hệ công suất bơm độ lợi đạt Mô hình giống hình 3.3.1.1 với công suất tín hiệu đầu vào -40dBm 1555nm tần số suy hao nhỏ; ánh sáng bơm bước sóng 1000nm, công suất bơm thay đổi từ 5mW tới 50mW; độ dài sợi pha tạp erbium 7m Sau chạy mô phỏng, kết đồ thị hình 3.3.4.1 Trục hoành Độ lợi (dB) công suất bơm, trục tung độ lợi Công suất bơm (mW) Hình 3.3.4.1 Độ lợi thay đổi theo công suất bơm Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 82 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Bảng 3.7 Độ lợi thay đổi theo công suất bơm Điểm 10 Công suất bơm (mW) 5  10  15  20 25 30 35 40  45  50  Độ lợi (dB) ‐22.5329  ‐1.50899  13.8233  22.6563 26.8293 29.0352 30.4225 31.4048  32.1567  32.7614  Nhận xét: Trên đồ thị hình 3.3.4.1và bảng số liệu 3.7, ta thấy rõ ràng cần mức bơm 15mW độ lợi sinh khuếch đại sợi pha tạp erbium EDFA 13,8dB Ở xét tín hiệu ánh sáng 1555nm, có suy hao nhỏ Với công suất bơm 30mW độ lợi đạt tới 29dB Với EDFA thực tế độ lợi khoảng 20dB Như EDFA cần nguồn bơm nhỏ, phù hợp để áp dụng với tuyến thông tin quang biển 3.3.5 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm booster Booster gọi khuếch đại sau (post-amplifier), khuếch đại công suất làm khuếch đại tín hiệu phía phát trước gửi vào sợi quang Đặc trưng khuếch đại dùng bơm hai chiều, bơm thuận bơm ngược Bơm truyền hướng có đặc điểm nhiễu thấp công suất thấp, bơm ngược chiều cho công suất cao nhiễu lớn Một booster nâng công suất tín hiệu quang lên mức cao nhất, điều tối đa khoảng cách truyền dẫn Yêu cầu khuếch đại sinh công suất đầu lớn độ lợi lớn nhất, tín hiệu đầu vào lớn, đến từ phát Ưu điểm sử dụng booster làm giảm bớt yêu cầu phát phải sinh công suất quang lớn Để xem xét đặc điểm khuếch đại EDFA dùng làm booster ta xem xét mô Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 83 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang hình 3.3.5.1 Trong dùng hai nguồn bơm: bơm thuận công suất 100mW, ánh sáng 980nm; bơm ngược 120mW, bước sóng 980nm Vì tín hiệu đầu vào đến sau phát nên công suất tín hiệu vào tương đối lớn, xét từ -20dBm đến 1dBm Hình 3.3.5.1 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm booster Sau chạy mô ta thu đồ thị hình 3.3.5.2 với trục hoành Công suất tín hiệu (dBm) công suất tín hiệu vào, trục tung công suất tín hiệu Công suất tín hiệu vào (dBm) Hình 3.3.5.2 Công suất dùng booster Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 84 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Độ lợi (dB) Tiếp theo đồ thị độ lợi với trục hoành công suất tín hiệu vào, trục tung độ lợi đạt Công suất tín hiệu vào (dBm) Hình 3.3.5.3 Độ lợi dùng booster Hình 3.3.5.4 đồ thị hệ số tạp âm NF, với trục hoành công suất tín hiệu vào, trục Hệ số tạp âm (dB) tung hệ số tạp âm Công suất tín hiệu vào (dBm) Hình 3.3.5.4 Hệ số tạp âm dùng booster Bảng 3.8 Bảng số liệu dùng khuếch đại sợi pha tạp làm booster Điểm 10 11 12 13 Công suất tín hiệu vào (dBm) -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 Công suất tín hiệu (dBm) 8.30296 9.21041 10.0977 10.9608 11.7953 12.5981 13.3648 14.0923 14.7766 15.4158 16.0088 16.5553 17.0554 Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Độ lợi (dB) Hệ số tạp âm (dB) 28.3079 28.2153 28.1026 27.9657 27.8002 27.603 27.3697 27.0972 26.7815 26.4207 26.0138 25.5602 25.0603 3.15757 3.15593 3.15397 3.15174 3.14915 3.14629 3.14318 3.13989 3.13666 3.13371 3.13117 3.1294 3.1288 85 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang 14 15 16 17 18 19 20 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 17.5115 17.9252 18.3002 18.6377 18.943 19.217 19.465 24.5164 23.9301 23.3051 22.6426 21.9479 21.2219 20.4699 3.12968 3.13254 3.13784 3.14621 3.15822 3.17466 3.19637 Nhận xét: Trong bảng 3.8, điểm thứ công suất tín hiệu vào -20dB đầu 8,3dBm, độ lợi đạt 28,3dB Tuy nhiên điểm 20, công suất vào -1dBm công suất tín hiệu 19,46dBm, độ lợi 20,46dB Ta thấy hình 3.3.5.2 3.3.5.3 công suất vào tăng, độ lợi ngày giảm Nhưng quan trọng khuếch đại dùng làm booster công suất đầu lớn để tăng cự ly truyền dẫn, tránh yêu cầu phát phải phát công suất cao 3.3.6 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm khuếch đại in-line Bộ khuếch đại in-line hoạt động với tín hiệu đầu vào liên kết sợi quang Chức bù suy hao công suất gây suy giảm sợi, mối nối, phân tán tín hiệu mạng Do đó, yêu cầu cho loại khuếch đại ổn định toàn băng tần WDM Vì nhiều khuếch đại inline ghép nối theo tầng, tương tự đặc điểm độ lợi cần phải quan tâm làm việc với loại khuếch đại Giữ nhiễu mức tối thiểu thực tương tác quang tốt với sợi truyền dẫn yêu cầu khác loại khuếch đại quang Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm khuếch đại in-line cần quan tâm tất yếu tố: độ lợi, hệ số tạp âm, công suất ra, OSNR Bộ khuếch đại in-line có cấu hình bơm chiều ngược chiều Ở xét bơm chiều Công suất tín hiệu vào thay đổi từ -40dBm tới -21dBm, bước sóng 1555nm, tốc độ kênh 2,5Gbps, bơm chiều công suất 100mW, bước sóng 980nm, sợi pha tạp erbium dài 10m, mật độ pha tạp 2,5x1024/m3 Hình 3.3.6.1 mô hình hệ thống Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 86 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Hình 3.3.6.1 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm khuếch đại in-line Sau chạy mô ta thu đồ thị với trục hoành công suất tín hiệu vào, trục tung đồ thị thứ độ lợi, đồ thị bên phải công suất tín hiệu ra, đồ thị bên đồ thị độ lợi hệ số tạp âm, đồ thị lại tỉ số tín hiệu Công suất tín hiệu vào (dBm) Hệ số tạp âm (dB) Tỷ số OSNR đầu ra(dB) Công suất tín hiệu vào (dBm) Công suất tín hiệu (dBm) Độ lợi (dB) nhiễu SNR Công suất tín hiệu vào (dBm) Công suất tín hiệu vào (dBm) Hình 3.3.6.2 Độ lợi, công suất ra, hệ số tạp âm, tỉ số SNR sử dụng khuếch đại sợi pha tạp erbium làm khuếch đại in-line Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 87 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Bảng 3.9 Bảng số liệu dùng khuếch đại sợi pha tạp erbium làm khuếch đại in-line Điểm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Công suất tín hiệu vào (dBm) -40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22 -21 Độ lợi (dB) 25.2794 25.2782 25.2767 25.2749 25.2725 25.2696 25.2659 25.2612 25.2554 25.248 25.2387 25.2272 25.2126 25.1944 25.1716 25.1432 25.1077 25.0636 25.0089 24.9413 Công suất tín hiệu (dBm) -14.728 -13.7291 -12.7306 -11.7325 -10.7348 -9.73777 -8.74147 -7.74613 -6.75199 -5.75937 -4.7686 -3.78019 -2.79473 -1.81293 -0.8357 0.135825 1.10036 2.05624 3.00156 3.93397 Hệ số tạp âm (dB) 3.15966 3.15964 3.15961 3.15959 3.15954 3.1595 3.15944 3.15936 3.15927 3.15915 3.159 3.15881 3.15858 3.15829 3.15793 3.1575 3.15695 3.15629 3.15549 3.15454 Tỉ số OSNR đầu (dB) 14.8067 15.8067 16.8067 17.8067 18.8068 19.8068 20.8069 21.807 22.8071 23.8072 24.8074 25.8076 26.8078 27.8081 28.8085 29.809 30.8096 31.8103 32.8112 33.8123 Nhận xét: Khác với booster quan tâm tới công suất tín hiệu ra, khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA) dùng làm khuếch đại in-line cần quan tâm tất yếu tố: độ lợi, hệ số tạp âm, công suất ra, OSNR Như số liệu bảng 3.9 độ lợi với tín hiệu đầu vào khác tương đối ổn định, từ 25,27dBm tới 24,94dBm Công suất lớn 3,93dBm Hệ số tạp âm cao ổn định, khoảng 3,1dB So với khuếch đại công suất booster công suất đầu khuếch đại in-line nhỏ Số khuếch đại in-line cần tới phụ thuộc vào độ dài liên kết sợi quang cấu hình mạng Đối với liên kết chặng dài, xuyên đại dương xuyên lục địa khuếch đại in-line thường lắp đặt cách từ 80 đến 100 km Những khuếch đại bù suy hao gây suy hao sợi chỗ ghép nối Tuy nhiên, khuếch đại in-line cần cho mạng cự ly ngắn để bù suy hao gây phân tán tín hiệu mạng cục Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 88 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang 3.3.7 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm tiền khuếch đại Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm tiền khuếch đại đặt trước thu, khuếch đại tín hiệu trước tín hiệu tới bên thu Sau khoảng cách truyền đi, tín hiệu bị suy hao đáng kể loại khuếch đại hoạt động với tín hiệu vào yếu Do đó, độ nhạy tốt, độ lợi cao nhiễu thấp yêu cầu Nhiễu trở thành đặc điểm quan trọng tiền khuếch đại khả hoạt động thu bị hạn chế nhiễu riêng mà nhiễu tiền khuếch đại Sử dụng tiền khuếch đại làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt độ nhạy thu cho phép mạng hoạt động tốc độ bit cao Xét thay đổi số liệu quan trọng độ dài sợi pha tạp erbium thay đổi từ tối ưu độ dài để đạt độ lợi lớn Mô hình đưa hình 3.3.7.1 Tốc độ kênh 2,5Gbps, mật độ pha tạp sợi 3x1024/m3 Sau bị suy hao qua chặng đường, tín hiệu vào tín hiệu nhỏ, ta cho -40dBm, ánh sáng 1555nm Xét bơm trường hợp 980nm, công suất 100mW 1480nm, công suất 100mW Cho độ dài sợi khuếch đại thay đổi từ 5,25m tới 10m Hình 3.3.7.1 Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm tiền khuếch đại Sau chạy mô ta thu đồ thị với trục hoành thể thay đổi độ dài sợi pha tạp erbium Đồ thị độ lợi, bên phải hệ số tạp âm Dưới đồ thị độ lợi đồ thị OSNR đầu ra, bên cạnh đồ thị công suất tín hiệu Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 89 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Những đường cong nét đậm bơm với bước sóng 980nm, đường cong nét nhạt Độ lợi (dB) Độ lợi (dB) Hệ số tạp âm (dB) bơm với bước sóng 1480nm Độ dài sợ Erbium (m) Tỷ số OSNR đầu (dB) Công suất tín hiệu (dBm) Độ dài sợ Erbium (m) Độ dài sợ Erbium m) Độ dài sợ Erbium (m) Hình 3.3.7.2 Độ lợi, hệ số tạp âm, OSNR đầu ra, công suất tín hiệu khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm tiền khuếch đại (Đường cong nét đậm bơm với bước sóng 980nm, đường cong nét nhạt bơm với bước sóng 1480nm) Bảng 3.10 Độ lợi, hệ số tạp âm, OSNR đầu ra, công suất tín hiệu khuếch đại sợi pha tạp erbium dùng làm tiền khuếch đại Điểm 10 11 12 13 14 Độ dài sợi pha tạp (m) 5.25 5.5 5.75 6.25 6.5 6.75 7.25 7.5 7.75 8.25 8.5 Độ lợi (dB) 980nm 16.2966 17.0635 17.8276 18.5883 19.3447 20.0957 20.8402 21.5766 22.3031 23.0174 23.7174 24.4006 25.0641 25.7052 1480nm 9.80662 10.2732 10.7396 11.206 11.6723 12.1385 12.6046 13.0706 13.5364 14.0021 14.4676 14.933 15.3981 15.8631 Hệ số tạp âm NF (dB) 980nm 1480nm 3.03726 3.80238 3.04807 3.83273 3.05776 3.85985 3.06664 3.88412 3.07498 3.90585 3.08304 3.92532 3.09109 3.94279 3.09938 3.95848 3.10817 3.97258 3.1178 3.98527 3.12843 3.99671 3.14039 4.00702 3.15392 4.01634 3.16925 4.02478 Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 Tỉ số OSNR đầu (dB) 980nm 1480nm 14.977 14.3539 14.9578 14.3022 14.9412 14.2563 14.9265 14.2154 14.9133 14.1789 14.9013 14.1464 14.8899 14.1173 14.8788 14.0913 14.8677 14.068 14.8562 14.0472 14.8439 14.0284 14.8306 14.0116 14.816 13.9965 14.7998 13.9829 Công suất tín hiệu (dBm) 980nm 1480nm -44.5519 -38.6845 -44.0336 -37.8984 -43.5212 -37.1177 -43.014 -36.3423 -42.5112 -35.5727 -42.0125 -34.8096 -41.5173 -34.0537 -41.0253 -33.3062 -40.5362 -32.5687 -40.0496 -31.8428 -39.5654 -31.1305 -39.0832 -30.4341 -38.6029 -29.756 -38.1244 -29.0986 90 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang 15 16 17 18 19 20 8.75 9.25 9.5 9.75 10 26.3214 26.9098 27.4696 27.9991 28.4976 28.9654 16.3277 16.7921 17.2562 17.7199 18.1832 18.6461 3.18658 3.20609 3.22769 3.2514 3.2771 3.30462 4.03243 4.03939 4.04573 4.05152 4.05685 4.06175 14.7817 14.7615 14.7394 14.7152 14.6892 14.6613 13.9706 13.9595 13.9494 13.9403 13.932 13.9244 -37.6474 -37.1719 -36.6978 -36.225 -35.7534 -35.2829 -28.4644 -27.8557 -27.2738 -26.7202 -26.1956 -25.7 Nhận xét: Từ hình 3.3.7.2 ta thấy với thông số đầu vào mô này, sử dụng sóng bơm 980nm hiệu so với sóng bơm 1480nm sóng bơm 980nm tạo độ lợi lớn hơn, hệ số tạp âm thấp hơn, tỉ số OSNR đầu cao công suất tín hiệu lớn Với bơm 980nm, độ lợi nhỏ 16,29dB, lớn 28,96dB Với bơm 1480nm, độ lợi thấp hơn, có giá trị từ 9,8dB tới 18,64dB Hệ số tạp âm trường hợp bơm 980nm trì nhiều điểm giá trị khoảng 3dB tới 3,3dB Tóm lại tiền khuếch đại, độ lợi lớn, hệ số tạp âm thấp đặc điểm phải quan tâm thiết kế khuếch 3.3.8 Tối ưu độ lợi tiền khuếch đại nhờ mật độ pha tạp ion erbium Như nghiên cứu mô độ lợi cao yêu cầu thiết tiền khuếch đại Một yêu cầu không phần quan trọng khác nhiễu thấp khả hoạt động thu bị hạn chế nhiễu riêng mà nhiễu tiền khuếch đại Để thấy độ lợi nhiễu bị ảnh hưởng mật độ chất pha tạp, ta xét mô hình mô hình 3.3.6.1 ngoại trừ bước sóng tín hiệu 1550nm, công suất -30dBm Công suất bơm cho thay đổi từ 10mW tới 90mW, tốc độ bit 2,5Gb/s Mật độ pha tạp ion erbium lần đầu 5x1024/m3, lần sau 1025/m3 Sau chạy mô thu đồ thị độ lợi hệ số tạp âm sau: Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 91 Độ lợi (dB) Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Công suất bơm (mW) Hệ số tạp âm (dB) Hình 3.3.8.1 Độ lợi khuếch đại sợi pha tạp erbium với mật độ pha tạp ion erbium khác (Đường phía tương ứng với mật độ erbium 5x1024/m3, đường phía tương ứng mật độ erbium 1025/m3) Công suất bơm (mW) Hình 3.3.8.2 Hệ số tạp âm khuếch đại sợi pha tạp erbium với mật độ pha tạp ion erbium khác (Đường phía tương ứng với mật độ erbium 5x1024/m3, đường phía tương ứng mật độ erbium 1025/m3) Từ mô ta thấy mật độ erbium 5x1024/m3 cho đường độ lợi cao đường hệ số tạp âm thấp độ lợi, hệ số tạp âm tốt Rõ ràng mật độ chất pha tạp ảnh hưởng lớn tới khả khuếch đại Vì độ lợi lớn quan trọng với tiền khuếch đại để có độ lợi lớn nhất, ta tối ưu giá trị mật độ chất pha tạp, ta xét mô hình 3.3.8.3 Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 92 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang Hình 3.3.8.3 Tối ưu độ lợi tiền khuếch đại nhờ mật độ chất pha tạp Các thông số đầu vào bơm 1480nm, 100mW, tín hiệu đầu vào nhỏ -40dBm, bước sóng 1555nm, sợi dài 18m Ta chọn chế độ tối ưu tham số độ lợi nhờ thay đổi mật độ pha tạp Er từ 1024/m3 tới 1025/m3, giá trị độ lợi mong muốn 23dB Khi chạy tối ưu ta thu hình tối ưu sau: Hình 3.3.8.4 Chạy tối ưu độ lợi Nhận xét: Như hệ thống đạt độ lợi 22,923dB mật độ pha tạp erbium 2,05469x1024/m3 Tuy nhiên thực tế, để tính toán sản xuất cho loại sợi cụ thể cần nhiều yếu tố Bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium thực tế có độ lợi khoảng 20dB Tối ưu ưu điểm mạnh phần mềm thiết kế Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 93 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang tuyến thông tin quang Ta tối ưu giá trị nhờ vào thay đổi giá trị khác Vì tiền khuếch đại yêu cầu độ lợi cao, nên ta tối ưu giá trị nhờ vào thay đổi thông số đầu vào Kết luận: Qua số ví dụ trên, ta thấy rõ đặc điểm khuếch đại quang, kết phù hợp với lý thuyết nghiên cứu Như phần mềm trợ giúp nhiều cho việc tính toán thực tế tuyến thông tin quang Các nhà thiết kế kiểm nghiệm mô hình tuyến thông tin quang mà đặt nhằm tối ưu khả thiết bị, tiết kiệm chi phí Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 94 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang KẾT LUẬN Trong phần nội dung, luận văn trình bày nguyên lý khuếch đại quang, loại khuếch đại quang tiêu chuẩn để đánh giá chúng Dựa vào tiêu chuẩn đó, ta sâu vào nghiên cứu loại khuếch đại quang, bao gồm khuếch đại quang bán dẫn, khuếch đại quang sợi pha tạp erbium khuếch đại Raman Các đặc điểm sâu chi tiết đặc điểm độ lợi, bão hòa độ lợi, băng thông, tạp âm, tượng gây suy hao, yêu cầu nguồn bơm Sau thực số mô khuếch đại quang thông qua công cụ phần mềm OptiSystem phân tích kết nhận để đánh giá thông số ảnh hưởng, ta nhận thấy số điểm sau: - Ưu điểm khuếch đại quang bán dẫn hoạt động vùng bước sóng 1300nm, hệ số khuếch đại cao hẳn so với loại khuếch đại khác Tuy nhiên, chúng không sử dụng nhiều có mức xuyên kênh lớn, bị phụ thuộc phân cực tín hiệu số trở ngại mặt công nghệ tạo hệ số phản xạ nhỏ - Những loại khuếch đại quang sử dụng nhiều khuếch đại quang sợi pha tạp erbium khuếch đại Raman Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium nhiễu xuyên kênh, không phụ thuộc phân cực tín hiệu Chính vậy, khuếch đại quang sợi pha tạp erbium sử dụng rộng rãi hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM Nếu sử dụng kết hợp với khuếch đại Raman cho băng thông độ lợi rộng - Sử dụng khuếch đại Raman cho phép bù suy hao tín hiệu cự ly dài Bộ khuếch đại Raman yêu cầu công suất bơm cao kết hợp nguồn bơm Các khuếch đại lai EDFA/Raman kết hợp ưu điểm hai loại khuếch đại Sau tìm hiểu kỹ thuật khuếch đại quang luận văn này, thời gian tới muốn tiếp tục nghiên cứu thêm khía cạnh khác thông tin quang mà chưa tìm hiểu kĩ thời gian làm luận văn Ngoài ra, làm việc thực tế với hệ thống thông tin quang hội tốt để Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 95 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang hiểu sâu sắc kĩ thuật thông tin quang, sử dụng có hiệu phần mềm mô phỏng, góp phần vào phát triển mạng truyền dẫn quang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Văn San, Kỹ thuật thông tin quang, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1997 [2] ThS Đỗ Văn Việt Em, Kỹ thuật thông tin quang 2, Học viện công nghệ bưu viễn thông, Hà Nội 2007 [3] Djafar K Mynbaev, New York City Technical College of the City University of New York; Lowell L Scheiner, Polytechnic University, Fiber-Optic Communications Technology, Prentice Hall, 2000 [4] Max Ming – Kang Liu, Quickturn Design Systems, Inc Principles and applications of optical communications McGraw – Hill, 1995 [5] Govind P.Agrawal, The Institute of Optics University of Rochester, Nonlinear Fiber Optic, third edition, Academic Press, San Diego, 2001 [6] Harry J R Dutton, (IBM)Understanding Optical Communications, International Technical Support Organization, Pearson Education, 1998 [7] http://www.iec.org, ngày truy cập cuối 20-5-2009 [8] http://www.alcatel-lucent.com, ngày truy cập cuối 20-5-2009 [9] http://www2.nortel.com, ngày truy cập cuối 20-5-2009 Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 96 ... Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang khuếch đại quang bán dẫn diode laser mà thấp phản hồi quang Bộ khuếch đại quang sợi thực khác với khuếch đại quang. .. tiết khuếch đại quang cụ thể Học viên: Trần Hoài Nam – Lớp Điện tử – CH09 16 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang CHƯƠNG CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG 2.1 Bộ khuếch. .. 10 Nghiên cứu đặc tính yếu tố ảnh hưởng lên hệ số khuếch đại Bộ khuếch đại quang đưa ánh sáng công suất cao vào sợi quang sau khuếch đại Điều gây số hiệu ứng phi tuyến sợi quang Đặt khuếch đại