Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng trong hệ thống thông tin quang coherent

LỜI CẢM ƠN Qua năm em đƣợc học tập rèn luyện với chuyên ngành Điện Tử Viễn Thông Em xin cảm ơn tất Thầy Cô giảng viên từ môn học chuyên ngành.Qua suốt thời gian học tập Trƣờng Đại Học Hàng Hải, em nhận đƣợc giảng dạy hƣớng dẫn tận tình tất Thầy Cơ nhà trƣờng Hơn nữa, với Đồ Án Tốt Nghiệp cuối khoá, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất Giảng Viên môn Và em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cô Nguyễn Thanh Vân - ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành đồ án tốt nghiệp Cơ giúp em định hƣớng có dẫn tận tình suốt trình nghiên cứu! Sinh viên Nguyễn Thị Hải Thịnh i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn nội dung đề tài “ Nghiên cứu khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng hệ thống thông tin quang Coherent” đƣợc thực hồn thành cá nhân em dƣới sựu hƣớng dẫn Ths Nguyễn Thanh Vân Tất vấn đề liên quan đến đề tài trung thực chƣa đƣợc phổ biến dƣới hình thức Ngồi ra, việc sử dụng bảng biếu với số liệu việc phân tích, đánh giá nhận xét đƣợc tìm hiểu kĩ từ nhiều nguồn thông tin đáng tin cậy đƣợc nêu rõ phần tài liệu tham khảo Bên cạnh đó, với đề tài em có sử dụng số khái niệm liệu số tác giả, nhà nghiên cứu khác kèm theo trích dẫn thích rõ ràng Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm toàn nội dung đề tài nghiên cứu Thầy Cô phát có gian dối ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………… CHƢƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG………….2 1.1 Lịch sử phát triển…………………………………………………………2 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang…………………………………… 1.3 Hệ thống thông tin quang Coherent……………………………………6 1.4 Các ƣu điểm thông tin quang………………………………………9 1.5 Các phần tử quang hệ thống thông tin quang…………11 1.5.1 Sợi quang 11 1.5.2 Cáp quang 11 1.5.3 Các phần tử quang - điện 12 CHƢƠNG II: NGUYÊN LÝ KHUẾCH ĐẠI QUANG……………………… 15 2.1 Giới thiệu khuếch đạiquang……………………………………………15 2.2 Nguyên lí biển đổi quang điện thông tin quang…………………16 2.2.1 Quá trình hấp thụ 16 2.2.2 Hiện tƣợng tự phát xạ (phát xạ tự phát) 17 2.2.3 Hiện tƣợng phát xạ nhờ kích thích 18 2.3 Các khuếch đại quang…………………………………………… 18 2.3.1 Cấu tạo chung 18 2.3.2 Khuếch đại quang bán dẫn SOA 19 2.3.3 Chức SOA: 20 2.3.4 SOA gồm hai loại chính: 20 2.3.5 Khuếch đại quang sợi OFA( Opitical Fiber Amplifier) 20 iii CHƢƠNG III: BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA…………………… 22 3.1 Khái niệm………………………………………………………………22 3.2 Các loại khuếch đại quang…………………………………………… 22 3.3 Khuếch đại quang sợi EDFA………………………………………… 23 3.3.1 Khái niệm 23 3.3.2 Cấu trúc EDFA 24 3.3.3 Hoạt động EDFA 27 3.3.4 Yêu cầu công suất bơm 30 3.3.5 Yêu cầu hƣớng bơm 30 3.3.6 Phổ khuếch đại EDFA 30 3.3.7 Ảnh hƣởng can nhiễu EDFA 31 3.3.8 Những đặc điểm EDFA 35 3.4 Khả ứng dụng EDFA……………………………………… 36 3.4.1 Đối với cấu hình EDFA cải tiến 36 3.4.2 Với cấu trúc EDFA cải tiến đặc tính khác 37 3.4.3 Ứng dụng EDFA hệ thống thông tin quang 37 3.4.4 Ứng dụng EDFA hệ thống tuyến tính số 38 3.4.5 Sử dụng cho hệ thống Soliton 38 3.4.6 Những ứng dụng EDFA hệ thống thông tin tƣơng tự 39 3.4.7 Ứng dụng EDFA mạng nội hạt-mạng LAN 39 KẾT LUẬN…………………………………………………………………….Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 41 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SLA Semiconductor Laser Amplifier: khuếch đại quang không phản hồi LED Light Emitting Diode : điốt phát quang IM/DD Intensity Modulation with Direct Detection: hệ thống truyền dẫn thông tin quang điều chế cƣờng độ, tách sóng trực tiếp PCM Pulse Code Modulation: điều chế xung mã CMI Coded Mark Inversion :Mã đảo Ngƣợc LD laser diode: đi-ốt quang APD Avalanche photodiode : Diode quang thác O/E Optical/Electric :bộ biến đổi quang sang điện E/O Electric/Optical :bộ biến đổi điện sang quang FDM Frequency Division Multiplexing : ghép kênh theo tần số FSK Frequency shift keying : Khoá dịch tần số PSK Phase shift keying : khố dịch pha S/N Signal/Noise : tỉ số tín hiệu nhiễu BW Band Wide : độ rộng băng tần SDH Synchronous Digital Hierarchy: Đồng kỹ thuật số phân cấp WDM Wavelength Division Multiplexing : Bộ ghép sóng quang OFA Optical Fiber Amplifier :bộ khuếch đại quang SOA Semiconductor Amplifier Optical Khuếch đại quang bán dẫn EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier : khuếch đại quang pha tạp Eribium v EDF Erbium-Doped Fiber: sợi pha tạp Eribium BA Buffer Amplifier : khuếch đại đệm LA Low Ampifier: khuếch đại nhỏ CATV Cable Television: truyền hình cáp LAN Local area network : mạng nội vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Bảng 1.1 So sánh điot PIN APD Bảng 3.1 Các loại khuếch đại quang tiêu biểu 22 Bảng 3.2 Ưu nhược điểm bước sóng bơm 32 vii Trang DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin quang Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thốngquang Coherent Hình 2.1 Cấu trúc trạm lặp quang điện 15 Hình 2.2 Mơ q trình hấp thụ 16 Hình 2.3 Mơ tượng tự phát 17 Hình 2.4 Mơ tượng phát xạ nhờ kích thích 18 Hình 2.5 Cấu trúc chung cho khuếch đại quang 18 Hình 2.6 Cấu trúc SOA 19 Hình 3.1 Mơ hình khuếch đại quang sợi 23 Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống EDFA 24 Hình 3.3 Cấu trúc Laser bơm 25 Hình 3.4 Cấu trúc sợi quang 26 Hình 3.5 Phân mức lượng EDFA 27 Hình 3.6 Nhiễu phách tự phát-tự phát 33 Hình 3.7 Nhiễu tín hiệu- tự phát 33 Hình 3.8 Qúa trình tạo nhiễu giao thoa nhiều luồng 34 viii LỜI NĨI ĐẦU Thời gian trƣớc, thơng tin quang chƣa đƣợc đầu tƣ nghiên cứu phát triển vấn đề truyền dẫn thơng tin cự li xa gặp nhiều khó khăn Khi đó, ngƣời ta phải sử dụng tới trạm lặp nhằm bù lại lƣợng công suất suy hao đƣờng truyền Cùng với việc khuếch đại cơng suất tín hiệu đủ lớn để truyền tới trạm lặp điểm đến Ngày nay, thông tin quang trở thành tuyến truyền dẫn hàng đầu đƣợc sử dụng hầu hết ngành viễn thông Để đáp ứng nhu cầu đó, ngƣời ta sử dụng cơng nghệ khuếch đại quang trực tiếp.điều đồng nghĩa với việc làm tăng khoảng cách truyền thông tin lên xa.Các khuếch đại quang thiết bị bù suy hao có hiệu cho sợi quang Chúng đƣợc chia thành nhiều loại khác nhauvà thực khuếch đại trực tiếp mà không qua biến đổi quang- điện điện- quang nhƣ:khuếch đại laser bán dẫn SLA ( Semiconductor Laser Amplifier: khuếch đại quang không phàn hồi), khuếch đại sợi pha tạp Eribium, khuếch đại Raman sợi khuếch đại Brillouin sợi… Các hệ thống thông tin quang có ƣu điểm vƣợt trội so với thơng tin cáp kim loại nhƣ suy hao truyền dẫn thấp, dung lƣợng truyền cao, bị ảnh hƣởng nhiễu điện từ hoạt động tin cậy Hệ thống thông tin quang Coherent đánh dấu bƣớc ngoặt lớn với phƣơng thức hoạt động khai thác đƣợc coi có hiệu kỹ thuật thơng tin quang vào đầu năm 80 kỷ XX CHƢƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Lịch sử phát triển Khi linh kiện bán dẫn trở nên phổ biến năm 50 kỉ XX phơ-tơ-đi-ốt đƣợc thiết kế tinh vi nhạy bén dần đƣợc chế tạo nhằm phục vụ cho thu quang Vào năm 60 kỉ đó, bùng nổ kĩ thuật Laser cho việc tạo nguồn quang với công suất lớn với thành phần phổ đơn sắc Hơn nữa, hệ thống quang đón nhận tin vui từ việc chế tạo “đi-ốt laser bán dẫn làm quang điều chế dải rộng” Tiếp sau việc nghiên cứu LED- máy phát quang phù hợp để ứng dụng thông tin quang với chi phí thấp Ngƣời ta cho ánh sáng qua sợi thuỷ tinh Mặc dù nghiên cứu cách truyền ánh sáng xa, nhƣng đến đầu thập niên 70 cho lo đƣợc loại sợi quang với mức suy hao 20dB/km khoảng năm sau, linh kiện thiết yếu khác nhƣ phân nhánh hay mạch hồi tiếp đƣợc lò nhiều khu vực khác giới nhƣ Anh hay Mỹ Và việc ứng dụng truyền tin tức ánh sáng thức đƣợc phát triển từ Một bƣớc ngoặt lớn cho hệ thống thông tin quang, đặc biệt quang trọng việc truyền tin cáp quang vào năm 1979 : sản xuất đƣợc loại sợi quang với mức suy hao thấp 0,25dB/km Với đƣờng truyền cáp quang vƣợt biển đƣợc đề xuất gây ý toàn giới + Cuối năm 1998, đƣờng truyền cáp quang vƣợt biển có tên TAT-8 đƣợc thi cơng Sau tháng, tuyến cáp Số Số lần lƣợt đƣợc thức xây dựng tuyến biển Thái Bình Dƣơng Hai nƣớc Mỹ Anh xây dựng vào hoạt động trao đổi thông tin qua tuyến cáp PTA-1 + Tuyến hoạt động với đơi cáp có λ= 1300nm, mang Các mức lại gồm: 4I11/24I9/2 4H9/2 và4H11/2 vùng kích thích nơi mà tập trung mức lƣợng cao Tuy nhiên thời gian sống Er3+ không bền vùng Qua sơ đồ ta thấy : Sự hấp thụ photon laser bơm kích thích ion lên trạng thái cao ( biểu thị mũi tên hƣớng lên phía trên).Tức Er3+ tiến hành chuyển lên mức lƣợng lớn chúng nhận đƣợc nguồn lƣợng cấp hiệu số vùng lƣợng cao trừ lƣợng mức Các nguyên tố Eribium có mức chuyển lƣợng từ cao xuống thấp : + Năng lƣợng giải phóng dƣới dạng phơ-tơng Hay gọi phát xạ ánh sáng + Phân rã khơng xạ trình diễn giao động phân tử sợi quang nguồn lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng phơa.Bơm mức 980nm Thực bơm mức 980nm, trƣờng hợp này, ion Er3+ liên tục đƣợc đẩy lên từ vùng lƣợng thấp4I15/2 lên mức lƣợng 4I11/2cao hơn, tiếp chúng phân xuống mức lƣợng4I13/2 tồ khoảng thời gian tƣơng đối lâu Tại mức hát xạ khơng có kích thích ánh sáng phù hợp để có đƣợc bƣớc sóng theo yêu cầu Tại bƣớc sóng này, tồn hệ mức, mức 4I15/2 4I13/2 và4I11/2 với khoảng thời gian sống khác Do tạo nên chwnh lệch lớn nồng độ lớn Tại mức 980nm tiêu tốn nặng lƣợng bơm mức 1480nm có số nhiễu lƣợng tử đạt 3dB.Vì vậy, mức ta sử dụng với khuếch đại tạp âm vừa nhỏ b.Bơm mức 1480nm Thực bơm trực tiếp phƣơng pháp này, ion Er3+ tham gia mức 4I15/2 với 4I13/2(vì dịch chuyển tín hiệu bơm khoảng 28 mức lƣợng) Các Er3+ đƣợc bơm liên tiếp lên mức 4I13/2 từ mức 4I15/2 Các ion Eribium tồn tích luỹ lâu mức dẫn đến chênh lệch lớn nồng độ với vùng lại Thực bơm lên mức 1480nm có số nhiễu lƣợng tử đạt 4dB.Cơng suất nguồn bơm lớn mức 980nm dấn đến công suất đầu lơn hơn.ở phƣơng pháp này,nguồn bơm đƣợc đặt cách xa khuếch đại đƣơng nhiên suy hao thấp đƣờng truyền tín hiệu Với phƣơng pháp này, để đạt đƣợc hệ số khuếch đại 20dB, cần trì nguồn bơm với cơng suất