Đang tải... (xem toàn văn)
Trong hệ thống viễn thông quang đường trục ghép kênh theo bước sóng WDM, các bộ khuếch đại quang sợi các bộ EDFA có vai trò đặc biệt quan trọng. Trong đó nhiễu là một thông số quan trọng của EDFA. Vì vậy phải tính toán chính xác ảnh hưởng của nhiễu. Khoá luận này nghiên cứu các vấn đề sau: 1. Tổng quan về công nghệ DWDM: Nguyên lý, các hiệu ứng phi tuyến và một số tính năng của DWDM. 2. Dựa trên cơ sở bức xạ quang, hiện tượng phát xạ kích thích, phát xạ tự phát, sự đảo lộn mật độ đưa ra cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các bộ khuếch đại quang pha Erbium và một số cấu hình bơm. 3. Xuất phát từ nguyên lý bất định Heisenberg, khoá luận nêu lên các khái niệm, các tính chất cơ bản của nhiễu ASE, SNR, chỉ số nhiễu quang và sự phụ thuộc của các nhiễu vào các tham số như công suất bơm, bước sóng bơm, chiều dài sợi quang, bước sóng tín hiệu, công suất tín hiệu, độ pha tạp Er.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Phương Hòa ẢNH HƯỞNG CỦA ASE TÍCH LŨY TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG DWDM KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI-2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Nguyễn Thị Phương Hòa ẢNH HƯỞNG CỦA ASE TÍCH LŨY TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG DWDM KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán hướng dẫn: PGS TS Vũ Như Cương HÀ NỘI-2005 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS – TS Vũ Như Cương, người tận tình dạy bảo, giúp đỡ hướng dẫn em hồn thành khoá luận Em xin chân thành cảm ơn tới thầy cô giáo thuộc trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN dạy bảo, tạo điều kiện tốt cho em học tập năm học vừa qua Cuối cùng, em xin cảm ơn tới bạn bè, người thân động viên giúp đỡ em suốt trình học tập Hà Nội tháng 06 năm 2005 Sinh viên Nguyễn Thị Phương Hồ Tóm tắt nội dung Trong hệ thống viễn thông quang đường trục ghép kênh theo bước sóng WDM, khuếch đại quang sợi EDFA có vai trò đặc biệt quan trọng Trong nhiễu thơng số quan trọng EDFA Vì phải tính tốn xác ảnh hưởng nhiễu Khoá luận nghiên cứu vấn đề sau: Tổng quan công nghệ DWDM: Nguyên lý, hiệu ứng phi tuyến số tính DWDM Dựa sở xạ quang, tượng phát xạ kích thích, phát xạ tự phát, đảo lộn mật độ đưa cấu tạo, nguyên lý hoạt động khuếch đại quang pha Erbium số cấu hình bơm Xuất phát từ nguyên lý bất định Heisenberg, khoá luận nêu lên khái niệm, tính chất nhiễu ASE, SNR, số nhiễu quang phụ thuộc nhiễu vào tham số công suất bơm, bước sóng bơm, chiều dài sợi quang, bước sóng tín hiệu, cơng suất tín hiệu, độ pha tạp Er MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DWDM 1.1 Nguyên lý 1.1.1 Ghép thưa 1.1.2 Ghép mật độ cao DWDM .3 1.2 Các hiệu ứng phi tuyến .5 1.2.1 Tán xạ kích thích Raman 1.2.2 Tán xạ cưỡng Brilloin 1.2.3 Hiệu ứng trộn sóng .6 1.2.4 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 1.3 Tính WDM 1.3.1 Tính lỗi bít 1.3.2 Tính rung .9 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP NGUYÊN TỐ ERBIUM 11 2.1 Sợi quang pha Erbium 11 2.1.1 Giới thiệu chung .11 2.1.1.1 Cấu tạo sợi quang .11 2.1.1.2 Các thông số sợi quang 12 2.1.2 Sợi quang pha tạp Erbium .13 2.1.2.1 Cấu trúc lõi sợi pha Erbium 13 2.1.2.2 Nồng độ pha tạp ion Er+3 13 2.1.2.3 Một số cấu hình bơm khuếch đại quang sợi pha Erbium .14 2.2 Nguyên lý hoạt động EDFA 16 2.2.1 Nguyên lý xạ cưỡng Einstein .16 2.2.1.1 Chuyển dời hấp thụ 16 2.2.1.2 Chuyển dời phát xạ tự phát 17 2.2.1.3 Chuyển dời phát xạ kích thích 17 2.2.2 Sự đảo lộn mật độ 19 2.2.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động EDFA .20 2.2.3.1 Cấu tạo EDFA .20 2.2.3.2 Nguyên lý hoạt động EDFA 20 2.2.4 Đặc tính EDFA 21 2.2.4.1 Hệ số khuếch đại EDFA 21 2.2.4.2 Tạp nhiễu EDFA .23 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ASE VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NĨ TRONG HỆ THÔNG DWDM 24 3.1 Ảnh hưởng ASE hệ thống ghép kênh theo bước sóng DWDM 24 3.1.1 Nguyên lý bất định Heisenberg 24 3.1.2 Công suất nhiễu cực tiểu nhiệt độ hiệu dụng khuếch đại 25 3.1.2.1 Công suất nhiễu cực tiểu 25 3.1.2.2 Nhiệt độ hiệu dụng khuếch đại: Ta .28 3.1.3 Lý thuyết tuyến tính nhiễu ASE 29 3.1.4 SNR quang hệ số nhiễu 34 3.1.5 Hế số nhiễu khuếch đại số trường hợp 43 3.1.5.1 Bộ khuếch đại theo liên kết khối 43 3.1.5.2 Các khuếch đại phân bố 45 3.2 Một số tính chất nhiễu ASE hệ thống ghép kênh theo bước sóng .52 3.2.1 Công suất ASE .52 3.2.1.1 Công suất bơm Pp .52 3.2.1.2 Bước sóng bơm λp 53 3.2.1.3 Bước sóng tín hiệu .54 3.2.2 Hệ số nhiễu F0 55 Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN LỜI NĨI ĐẦU Việc biến đổi thơng tin từ dạng tín hiệu quang thành dạng điện thường tạo tắc nghẽn thông tin sợi quang điều làm hạn chế độ rộng băng tần lẫn chất lượng tiếng nói truyền Vì người ta phải chế tạo thiết bị cho phép truyền thẳng tín hiệu quang mà khơng phải biến chúng thành tín hiệu điện thiết bị làm giảm tắc nghẽn, giảm giá thành, giúp cho việc điều chế tín hiệu quang thuận lợi Với yêu cầu đặt trên, cáp sợi quang đưa vào khai thác mạng viễn thông Mọi người thừa nhận phương thức truyền dẫn quang thể khả to lớn việc chuyển tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú loại Trong năm qua với tiến vượt bậc công nghệ điện tửviễn thông, công nghệ quang sợi thơng tin quang có tiến vượt bậc, giá thành không ngừng giảm xuống tạo điều kiện cho việc sử dụng ngày rộng rãi nhiều lĩnh vực thơng tin Lồi người tiến vào thời kì bùng nổ thơng tin, ba kiện có ảnh hưởng lớn là: phát triển chóng mặt mạng Internet phổ cập máy tính cá nhân; cách mạng thông tin từ dịch vụ thông tin di động số đến thông tin cá nhân; xuất dịch vụ thông tin đa phương tiện Sự bùng nổ thơng tin kích thích tăng trưởng vũ bão dịch vụ thông tin toàn cầu, mà ảnh hưởng trực tiếp xuất hiện tượng “cạn kiệt sợi quang” Mặt khác tiền vốn xây dựng, đầu tư ban đầu hệ thống thông tin sợi quang lớn nguyên nhân chi phí lắp đặt đường dây cáp quang cao làm lợi dụng hệ thống cáp quang có để mở rộng dung lượng tới giới hạn lớn để thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt thay đổi mạng xuất công nghệ ghép kênh Dùng phương thức thông tin số ghép kênh theo thời gian nâng cao hiệu truyền dẫn, biện pháp hữu hiệu để hạ giá thành truyền dẫn theo tăng lên nhanh chóng yêu cầu dung lượng truyền dẫn mạng vô tuyến đại, phương thức TDM ngày tiến dần đến giới hạn người ta chuyển từ ghép kênh theo thời gian điện sang ghép kênh quang tức dùng phương pháp ghép kênh theo bước Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN sóng Ưu điểm bật truyền dẫn số tín hiệu chí hàng trăm tín hiệu sóng mang quang có bước sóng khác sợi quang, tăng thêm dung lượng hệ thống mà nâng cao lợi ích kinh tế hệ thống Xét phạm vi giới, hệ thống thông tin sợi quang thương mại xây dựng, hệ thống thông tin sợi quang WDM, hệ thống thông tin sợi quang có cải tạo thành hệ thống WDM Đặc điểm cơng nghệ WDM Tận dụng tài nguyên dải tần rộng sợi quang Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu Thực truyền dẫn hai chiều sợi quang Nhiều ứng dụng Tiết kiệm đầu tư cho đường dây Giảm yêu cầu siêu cao tốc linh kiện Kênh truyền dẫn IP Tính linh hoạt, tính kinh tế độ tin cậy cao cấu hình mạng Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn việc thiết lập mạng thơng tin số vấn đề cơng nghệ Khi tín hiệu truyền sợi quang với khoảng cách xa bị suy giảm dần, truyền tín hiệu với khoảng cách xa chắn phải sử dụng nhiều khuếch đại quang Các khuếch đại quang hoạt động lĩnh vực quang mà không cần biến đổi từ photon electron Vì thay cho việc sử dụng lặp, người ta đặt khuếch đại quang khoảng cách định dọc theo đường truyền sợi quang Trong hệ thống DWDM khuếch đại quang thường sử dụng khuếch đại sợi quang pha đất EDFA Trong hệ số khuếch đại ồn thơng số quan trọng Chính vậy, khoá luận sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng ASE hệ thống ghép kênh theo bước sóng, thơng số đóng vai trò quan trọng việc nghiên cứu phân tích hệ thống Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN CHƯƠNG TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DWDM 1.1 Nguyên lý bản.[3],[4],[5] Mơi trường truyền dẫn sợi quang có băng tần rộng Tuy nhiên với hệ thống đơn kênh khai thác phần nhỏ băng tần này, bên cạnh việc tăng dung lượng (tốc độ) kênh sử dụng kỹ thuật TDM khó khăn hạn chế mặt tốc độ hoạt động linh kiện điện tử Kỹ thuật WDM đời để tận dụng băng tần sợi quang, tăng dung lượng truyền dẫn hệ thống nhờ truyền nhiều bước sóng sợi quang 1.1.1 Ghép thưa WDM WDM: Ghép kênh phân chia theo bước sóng, cơng nghệ ghép nhiều bước sóng vào sợi quang độ rộng dải sợi tăng tới tổng tốc độ bít bước sóng Trong hệ thống bước sóng cách xa, thường thuộc cửa sổ truyền dẫn quang khác Cách ghép thường dùng cho ứng dụng tốc độ thấp 1.1.2 Ghép mật độ cao DWDM Là cơng nghệ với số bước sóng đước ghép sợi quang lớn nhiều WDM Mỗi kênh gắn với bước sóng Thường kênh quang có độ rộng 1nm, tín hiệu truyền phải nằm kênh quang Thường kênh quang có độ rộng lớn độ rộng tín hiệu Độ rộng kênh phụ thuộc vào nhiều vấn đề như: độ rộng phổ nguồn quang điều chế, độ ổn định dung sai phần tử hệ thống λ1 λ1 BA λ2 : : LA LA PA λ2 : : λn λn Ghép kênh Tách kênh Hình 1.1: Hệ thống DWDM điểm - điểm Đầu phát thường nguồn laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp hoạt động cửa sổ sóng 1550 nm Việc có nguồn phát có độ rộng phổ hẹp Ngành: Điện Tử - Viễn Thông Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN quan trọng ghép kênh lại với nửa giảm thiểu ảnh hưởng khác tán sắc Tại đầu phát, ghép kênh thực ghép tín hiệu phát có bước sóng khác vào sợi quang Tại đầu thu, tách kênh thực tách tín hiệu ghép thành bước sóng khác Các ghép tách kênh thường xây dựng dựa lọc quang, coupler, FBG, AWG… Trong lọc quang thành phần ghép kênh tách kênh Các khuếch đại quang đem lại nhiều lợi ích cho mạng quang có cự ly truyền dẫn xa mạng quang nội vùng Khuếch đại quang sử dụng nguyên tắc phát xạ kích thích, hai dạng khuếch đại quang khuếch đại quang bán dẫn khuếch đại quang sợi pha tạp đất EDFA Trong khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA sử dụng rộng rãi hệ thống truyền dẫn DWDM Chúng chia thành loại sau: • Bộ khuếch đại cơng suất BA: Bộ thường đựoc đặt sau nguồn phát quang, có chức khuếch đại cơng suất quang lên mức cao Trong hệ thống DWDM, BA thường dùng để khuếch đại tín hiệu sau ghép kênh trước truyền sợi • Bộ tiền khuếch đại PA: Bộ thường đặt trước máy thu Nó thiết kế để có chức khuếch đại với hệ số cao mức nhiễu thấp • Bộ khuếch đại đường truyền LA: Bộ thường sử dụng tuyến có chức khuếch đại tín hiệu bị suy giảm đường truyền Nó thường thiết kế sở BA LA Sợi quang sử dụng nhiều sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652 Sợi quang NZ-DSF có mức tán sắc thấp bước sóng 1550nm, loại sợi phù hợp cho hệ thống DWDM có cự ly dài Tại đầu thu, máy thu sử dụng tách sóng trực tiếp, photodetector chuyển dòng photon tới thành dòng điện Tiếp theo dòng điện khuếch đại lên cho qua thiết bị xác định ngưỡng, xác định bít hay bít tuỳ thuộc vào dòng điện hay mức ngưỡng Nói cách khác, định dựa việc có hay khơng có ánh sáng khoảng bít Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN G, N hệ số khuếch đại số photon ASE λk Ở phần thụ động hay phần không pha tạp dãy, ta có a(z) = b(z) = αk ; αk hệ số suy hao λk Với yếu tố kiểu A C, hệ số khuếch đại G(L) là: G(L) = G.T (3.45) đó; T = exp[-αk(L-l0)] ≈ exp(-αk’L) trình truyền sợi thụ động số photon ASE N(L) là: Với kiểu A: N(L) = T.N Với kiểu C: N(L) = N Thay giá trị vào biểu thức (3.44) ta có hệ số nhiễu quang hai kiểu là: F0(kiểu A) = + 2TN GT (3.48) F0(kiểu C) = + 2N GT (3.49) Và chênh lệch hệ số nhiễu quang hai kiểu là: F0(kiểu A) – F0(kiểu C) = ( ) 2N ⎛ ⎞ α' ⎜ −1⎟ = 2neq e k −1 G ⎝T ⎠ (3.50) Độ lệch dương tăng theo hàm mũ theo chiều dài L Nó ưu điểm cấu hình kiểu A, đưa phần hấp thụ (1-T) nhiễu ASE dãy kiểu A Điều dẫn tới kết SNR lối lớn tín hiệu lối GT Hai biểu thức (3.48) (3.49) biểu diễn dạng véc tơ • Kiểu A: Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng 44 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN F0 (k ) = + 2kneq + Mk neq < n0 > (1 + kneq ) (3.51) Kiểu C: F0 (k ) = + 2kGneq + MGk neq < n0 > (1 + kGneq ) (3.52) Trong đó: k số thành phần kiểu A C dãy khuếch đại; : số photon trung bình lối vào So sánh hai biểu thức trên, ta thấy hệ số nhiễu dãy kiểu C với k yếu tố nhiễu lối vào tương đương khuếch đại tăng lên G lần 3.1.5.2 Các khuếch đại phân bố Trong phần xem xét khuếch đại theo liên kết khối khuếch đại kiểu A kiểu C Xét khuếch đại có chiều dài vài km Trong trường hợp sử dụng hầu hết chiều dài sợi sợi truyền Sợi mà hệ số khuếch đại phân bố dọc theo q trình truyền gọi khuếch đại phân bố Hệ số khuếch đại khuếch đại phân bố đơn vị lý tưởng Các khuếch đại phân bố xếp thành dãy có khoảng cách lớn Một dãy có khuếch đại phân bố có cấu hình kiểu B xem trường hợp đặc biệt khuếch đại sợi phân bố đơn, q trình bơm thay đổi theo chu kỳ để trì hệ số khuếch đại trung bình số (G = 1) dọc theo sợi Bộ khuếch đại phân bố coi thành phần sợi khơng suy hao Nhưng quan điểm khơng xác có hai cách tạo sợi suốt (khơng suy hao) • Cách thứ loại bỏ suy hao điểm dọc theo sợi Điều có nghĩa đảo lộn trung bình tăng dần theo dọc sợi thực cách yêu cầu công suất bơm số Pp(z) = Pp(0) công suất bơm đủ lớn để hiệu ứng hấp thụ bơm dọc theo chiều dài sợi trình đảo lộn mật độ khơng đáng kể • Cách thứ hai để hệ số khuếch đại theo chiều dài sợi đến giá trị lớn sau giảm dần ngược lại, nên hệ số khuếch đại cuối z = L L Điều kiện giảm hệ số khuếch đại hấp thụ sợi (thêm vào suy hao nền) hiểu cặn kẽ qua trình bơm đảo lơn mật độ hệ thống Khi Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 45 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN công suất bơm bị hấp thụ dọc theo chiều dài sợi tăng giảm trình đảo lộn mật độ hệ thống (tương ứng với trình tăng giảm hệ số khuếch đại ) đạt phương pháp bơm đồng hướng ngược hướng Hình sau minh hoạ điều GP(0) P(0) P(L) = P(0) Kiểu A Z=L Z=0 Kiểu C Kiểu B Hình 3.7: Năm dạng cho dãy khuếch đại sợi quang suốt: (a) thành phần dãy khuếch đại theo liên kết khối; (b) thành phần dãy khuếch đại theo phân bố với trình bơm đồng hướng, ngược hướng Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng 46 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Cấu hình tăng hệ số khuếch đại sau giảm hấp thụ tín hiệu (bơm đồng hướng) tương tự kiểu A, trường hợp ngược lại giảm hệ số khuếch đại sau tăng tương đương với kiểu C Một khả khác xảy q trình bơm song cơng, bơm cung cấp hai đầu sợi Trong trường hợp này, hệ số khuếch đại tăng, giảm sau tăng trở lại Cấu hình tương đương với việc kết nối phần tử kiểu A kiểu C với Như vậy, khơng phụ thuộc vào cấu hình bơm, đặc tính nhiễu khuếch đại theo phân bố nằm đặc tính kiểu A kiểu C Nếu cơng suất tín hiệu toạ độ z P(z) cơng suất trung bình đường truyền tín hiệu là: L < Ppath>= ∫ P(z)dz L0 (3.53) Với phần tử dãy liên kết khối, ta có P(z) = GP(0) kiểu A P(z) = P(0) kiểu C, T(z) = exp (-αk’z) bước sóng tín hiệu αk điều kiện suốt G.T(L) = Còn với thành phần dãy theo phân bố (kiểu B), ta có P(z)=G(z)P(0), G(z) hệ số khuếch đại phân bố dọc theo sợi, phụ thuộc vào cấu hình bơm xác định điều kiện biên G(0) = G(L) = Sử dụng biểu thức (3.53) ta tìm cơng suất tín hiệu trung bình đường dẫn kiểu A kiểu C là: G−1 lgG Kiểu A (3.54) G−1 GlgG Kiểu C (3.55) < Ppath >=P(0) < Ppath>=P(0) Kết cho thấy rằng, với dãy kiểu C, nhỏ kiểu A hệ số 1/G Nếu vùng khuếch đại lớn chênh lệch cơng suất tín hiệu trung bình đường dẫn hai kiểu quan trọng Các hiệu ứng suy hao sợi không tuyến tính tăng khơng tuyến tính với cơng suất tín hiệu cần giảm cơng suất tín hiệu trung bình đường dẫn đến mức thấp Yêu cầu đạt xác hệ thống truyền đoạn đường dài, hiệu ứng phi tuyến yếu đoạn chiều dài xem xét sợi truyền Biểu thức (3.53) (3.54) rằng: Kiểu C u cầu cơng suất trung bình đường dẫn thấp có thể; khác với kiểu A không quan trọng hệ số khuếch đại G không xác định thông qua αk’ L phân bố khuếch đại dọc theo sợi phụ thuộc vào độ pha tạp Er công suất bơm Hai thơng số có ảnh hưởng lớn đến tính chất nhiễu khuếch đại phân bố Trước tiên ta xét khuếch đại phân bố lý tưởng đảo lộn dọc theo sợi đồng Với số khuếch đại, công suất tín hiệu tiêu hao khơng cơng suất trung bình đường dài P(0) Hệ số khuếch đại thực hệ thống số: a – b - αk’ với αk’ tính tốn Như hệ số khuếch đại có nhiễu ASE z là: G(z) = exp[(a-b-αk’).z] Và N ( z ) = {exp[(a − b − α k' ).z ]} a a − b − α k' Khi G(z) = với giá trị z, ta có a – b - αk’ = N(L) = aL Giả sử xảy đảo lộn mật độ hoàn toàn, tức b = N(L) = αk’L Từ (3.33) ta có hệ số nhiễu quang trường hợp là: F0 = 1+2αk’.L (3.56) So sánh kết so với kiểu A kiểu C; giả sử đảo lộn mật độ hoàn toàn trường hợp lý tưởng (nsp = 1) Đối với khuếch đại theo liên kết khối, ASE lối là: N = nsp(G-1) Với kiểu A: N(L) = TN = N/G = 1-1/G = 1-T Với kiểu C: N(L)=G-1 Hệ số nhiễu tương ứng hai kiểu là: F0 = Hay với kiểu A: kiểu C: [1 + 2N(L)] GT F0=1+2[1-exp(-αk’L) (3.57) F0=1+2[exxp(-αk’L-1)] (3.58) Thay cho việc khảo sát F0, xét hệ số nhiễu tương đương lối vào neq định nghĩa biểu thức (3.38) Hệ số nhiễu quang ứng vơí kiểu A, B C biểu diễn: Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 48 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.8: Hệ số nhiễu quang kiểu A, B C theo chiều dài sợi L Tại độ dài hấp thụ Labs = 1/αk’ = 22km, hệ số nhiễu chênh lệch kiểu Avà B 1dB kiểu C B 1,5dB Hệ số nhiễu kiểu A nhỏ hệ số nhiễu kiểu C Điều suy hao sợi sau khuếch đại làm giảm nhiễu ASE Còn kiểu C, sợi suy hao định vị trước khuếch đại nên nhiễu ASE không bị suy giảm Với khuếch đại phân bố, nhiễu ASE sinh phần chiều dài sợi có suy giảm mạnh nhiễu sinh phần cuối lại có suy hao nhỏ Trong tổng chiều dài sợi hệ số nhiễu khuếch đại phân bố phải nằm hệ số nhiễu hai kiểu A C Sau tập trung vào EDFA phân bố trường hợp công suất bơm, hệ số khuếch đại thay đổi dọc theo sợi Ta biết Erbium pha tạp tâm lõi sợi EDFA phân bố Với điều kiện Gk = công suất bơm yêu cầu cho suốt là: − + L q =q = A = ε pα p B =αp Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 1+ ε p εp 1+η p +ηk e BL e AL − e BL − (1 + ε k ) ⎛ηk −η p ⎞ −εk ⎟ (1 + ε k )⎜ ⎜ 1+η ⎟ +ηk p ⎝ ⎠ 1+η p 49 (3.59) (3.60) (3.61) Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Khi q(z) → ∞ tương ứng với điều kiện đảo lộn mật độ dọc theo sợi với hệ số khuếch đại số Gk(L) = αkUk = αk’ Với giới hạn có đảo lộn mật độ hồn tồn ta có: Uk = ηk ηk.αk = αk’ Trong trường hợp này, hệ số phát xạ kích thích a = ηk.αk với hệ số suy hao sợi Giá trị nhỏ αk’ không phụ thuộc vào chiều dài sợi Hình sau biểu diễn cơng suất bơm lối vào với yêu cầu suốt phụ thuộc vào hệ số hấp thụ pha tạp Erbium điều kiện chiều dài sợi khác L = 10÷25km bước sóng bơm bước sóng tín hiệu λp = 1.48µm, λk =λs=1.53 µm Hệ số suy hao sợi αk’=αp’=0.5 dB/km thông số sợi Er là: ηp=0.37; ηs=1; Uk=0.64; αk’=1.09 dB/km αp=0.4αs Công suất bơm tăng mạnh αk tiến gần αk’ Mặt khác với hệ số pha tạp lớn (αk > 10 dB) cơng suất bơm yêu cầu tăng; điều quan trọng với sợi có chiều dài lớn Q trình bơm hấp thu nhanh dọc theo chiều dài sợi hệ số αk lớn Như công suất bơm mạnh cần thiết để đạt đến đảo lộn mật độ tổng chiều dài sợi lớn 10 lần độ dài trình hấp thu 1/αk Cho nên, với sợi pha tạp cao dài u cầu cơng suất bơm cao Hình 3.9: Công suất bơm chuẩn lối vào yêu cầu cho suốt hàm hệ số hấp thụ pha tạp Er Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 50 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Với khuếch đại phân bố có chiều dài L, có độ pha tạp tốt αkopt công suất bơm yêu cầu giảm đến mức tối thiểu Điểm hoạt động tốt tương ứng với hệ số nhiễu lớn khuếch đại bơm đồng hướng Hình 3.9 cho hệ số nhiễu quang EDFA theo phân bố với trường hợp bơm đồng hướng ngược hướng hàm hệ số hấp thụ tín hiệu với độ dài sợi khác Các bước sóng bơm tín hiệu λp = 1.48µm; λk = λs = 1.5µm thong số hình vẽ 3.9 Hệ số nhiễu quang (Gk=1) tương ứng với sơ đồ bơm là: F0 = + 2nk.ase Nk.ase số photon ASE trường hợp bơm đồng hướng bơm ngược hướng Số photon ASE biểu diễn hàm hệ số hấp thụ pha tạp Er tín hiệu αk, αk có mối liên hệ với αp; hệ số hấp thụ pha tạp Er trình bơm Đây thơng số tính chất sợi pha tạp Hình 3.10: Hệ số nhiễu quang F0 EDFA theo phân bố phụ thuộc vào hệ số αk Từ hình vẽ ta thấy, với nồng độ pha tạp bất kỳ, hệ số nhiễu bơm đồng hướng ln thấp bơm ngược hướng Với q trình bơm đồng hướng, hệ số nhiễu tiến chậm đến giá trị lớn phụ thuộc tương đối vào chiều dài sợi; q trình bơm ngước hướng hệ số nhiễu tăng mạnh theo hấp thụ pha tạp phụ thuộc nhiều vào chiều dài sợi Các khuếch đại phân bố với trình bơm Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 51 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN khơng có hướng xác định hệ số nhiễu thấp đạt trường hợp bơm đồng hướng So sánh với hình 3.9 ta thấy: hệ số hấp thụ pha tạp Er hệ số nhiễu đạt giá trị lớn trình bơm đồng hướng, gần sát với công suất bơm yêu cầu tối thiểu cho suốt Chính vậy, EDFA theo phân bố có hốn đổi tồn hệ số nhiễu công suất bơm yêu cầu (kết áp dụng cho EDFA phân bố có q trình bơm song cơng) Tất tính tốn nghiên cứu trường hợp hệ số khuếch đại khơng bão hồ 3.2 Một số tính chất nhiễu ASE hệ thống ghép kênh theo bước sóng.[2] 3.2.1 Cơng suất ASE Trong hệ thống DWDM chất lượng khuếch đại quang quan trọng việc đo đặc tính nhiễu cần thiết Trong khuếch đại quang sợi, hiệu ứng phát xạ tự phát khuếch đại chất tự nhiên khuếch đại khơng thể loại trừ Chính vậy, xác định nhiễu hiệu ứng ASE cách xác biết chất lượng khuếch đại Công suất nhiễu ASE phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: công suất bơm Pp, độ dài khuếch đại L, bước sóng tín hiệu λs, cấu hình bơm, bước sóng bơm λp 3.2.1.1 Cơng suất bơm Pp Nếu cho đại lượng λp, độ dài khuếch đại L, cấu hình bơm Pp tăng giảm cơng suất ASE tăng giảm theo Tại lại vậy? Cơng suất bơm tăng có nghĩa đảm bảo trình đảo lộn mật độ xảy mạnh dẫn tới hệ số khuếch đại tăng Nhưng trình khuếch đại, tức xạ cưỡng xảy ra, nguyên tử phát xạ tự phát chúng khuếch đại tăng nên công suất ASE tăng Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 52 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.11: Cơng suất ASE lối với độ dài khuếch đại L = 14m, bước sóng bơm λp=980nm 3.2.1.2 Bước sóng bơm λp Có nhiều cách thực bơm quang Ánh sáng có cường độ cao bước sóng 1480nm sử dụng để kích thích nguyên tử 4I15/2 tới 4I13/2, chuyển tiếp 4I15/2 tới 4I11/2 kích thích ánh sáng có bước sóng 980nm Như câu hỏi đặt lựa chọn bước sóng bơm tốt Với bước sóng 1490nm đạt đảo lộn mật độ nhiều bước sóng lớn 1500nm Với bước sóng 980nm cho hệ số khuếch đại với nhiễu thấp trở thành bước sóng bơm chuẩn Với độ dài cố định bước sóng bơm 980nm cung cấp hệ số khuếch đại lớn bước sóng 1480nm Cho nên giống công suất bơm phổ ASE bước sóng bơm 980nm lớn bước sóng 1480nm Ngành: Điện Tử - Viễn Thông 53 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.12: Phổ cơng suất ASE phụ thuộc vào bước sóng bước sóng bơm 980nm 1490nm cho hai trường hợp bơm đồng hướng (trái) bơm ngược hướng (phải) 3.2.1.3 Bước sóng tín hiệu Với bước sóng tín hiệu khác ta có hệ số khuếch đại phụ thuộc vào bước sóng Đồng thời hệ số khuếch đại phụ thuộc vào cơng suất bơm Do đó, cơng suất ASE phụ thuộc vào bước sóng Hình 3.12 cho thấy: Đỉnh phổ ASE đồng hướng bước sóng 1530nm nhạy với công suất bơm Cũng giống hệ số khuếch đại mạnh bước sóng tín hiệu 1530nm 1550nm Ban đầu với cơng suất thấp, dải phổ ASE 1530nm bắt kịp sau vượt dải phổ 1550nm Tại cơng suất bơm tín hiệu khuếch đại nhỏ bắt đầu bão hòa ASE bắt đầu bão hồ theo Nhìn hình vẽ ta thấy cơng suất ASE q trình bơm đồng hướng nhỏ so với trình bơm ngược hướng Điều xảy ASE ngược hướng bị khuếch đại dọc theo đoạn sợi mà đảo lộn dần Thêm vào đó, khuếch đại đơn vị chiều dài bơm đồng hướng thấp so với bơm ngược hướng Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng 54 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN 3.2.2 Hệ số nhiễu F0 Tìm hệ số nhiễu quang giúp ta biết suy giảm tín hiệu sau qua khuếch đại Về lý thuyết, giới hạn lượng tử theo lý thuyết hệ số nhiễu 3dB Nhưng thực tế khó chế tạo khuếch đại có hệ số nhiễu thấp Sở dĩ độ dài sợi, hấp thụ pha tạp, kiểu khuếch đại, chọn bước sóng bơm… Xét vài trường hợp hệ số nhiễu khuếch đại EDFA • Độ dài sợi quang L Hình 3.13: Hệ số nhiễu quang EDFA theo phân bố phụ thuộc vào độ dài sợi L Tại đầu sợi, hiệu ứng hấp thụ bơm yếu, hệ số khuếch đại lớn nên hệ số nhiễu nhỏ Khi chiều dài tăng dọc theo sợi hệ số nhiễu tăng chậm theo chiều dài sợi Đối với bơm ngược hướng F0 phụ thuộc gần tuyến tính vào chiều dài sợi hệ số nhiễu trường hợp lớn nhiều so với bơm đồng hướng • Bước sóng tín hiệu Hệ số nhiễu phụ thuộc vào bước sóng nguyên nhân thay đổi tiết diện hấp thụ phát xạ Tại vùng bước sóng tín hiệu 1530nm độ pha tạp Erbium có tỷ số tiết diện hấp thụ phát xạ lớn gây tăng mạnh hệ số nhiễu bước sóng Bên cạnh đó, cơng suất bơm thay đổi dẫn tới hệ số nhiễu thay đổi Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng 55 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.14: Hệ số nhiễu hàm bước sóng, Theo hình vẽ, cơng suất bơm cao hệ số nhiễu tiến gần tới giới hạn lượng tử 3dB Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng 56 Nguyễn Thị Phương Hồ Khố luận tốt nghiệp Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Kết luận Khố luận “Ảnh hưởng ASE tích luỹ hệ thống thông tin quang DWDM” đưa ra: Đưa nắm tính quan trọng hệ thơng ghép kênh theo bước sóng DWDM việc truyền thơng tin với tốc độ cao Trình bày hiệu ứng phát xạ cưỡng bức, đưa cấu tạo nguyên tắc hoạt động cảu khuếch đại quang EDFA thơng số Khảo sát ảnh hưởng ASE tích luỹ hệ thống tính chất Nhiễu ASE phụ thuộc vào yếu tố: • Cơng suất bơm • Bước sóng bơm • Bước sóng tín hiệu • Nồng độ pha tạp Erbium Để xây dựng hệ thống cáp quang đường trục cần phải nghiên cứu tính tốn xác nhiễu ASE Với giới hạn mặt thời gian kiến thức, chắn khố luận có nhiều thiếu xót, mong nhận bảo từ phía thầy giáo bạn Em xin chân thành cảm ơn Ngành: Điện Tử - Viễn Thơng 57 Nguyễn Thị Phương Hồ Tài liệu tham khảo [1] PGS TSVũ Như Cương Cơ sở thông tin quang sợi – 2003 [2] Trần Thị Thu Giang Khoá luận “ Khảo sát ảnh hưởng nhiễu khuếch đại pha tạp EDFA – 2001 [3] Nguyễn Thị Ngà Khoá luận “Hệ thống DWDM” – 2004 Đại học Công Nghệ Đại học Quốc Gia Hà Nội [3] Ks Vũ Văn San Kỹ thuật thông tin quang, nguyên lý bản, công nghệ tiên tiến Nxb Khoa học kỹ thuật – 1997 [4] Lê Hồng Sơn Luận văn thạc sĩ “ Một số đặc trưng EDFA sử dụng hệ thống truyền dẫn quang – 2003 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội [5] Nguyễn Thị Minh Tâm Luận văn thạc sĩ “ Khảo sát số đặc tính nhiễu khuếch đại quang sợi pha Er”.Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội [6] Ks Dương Đức Tuệ Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang DWDM Nxb Bưu Điện – 2001 [8] Stamatios V Katalopoulous “DWDM system” [9] www.photonic.com Young – hyun Lee Analysis and characterization of fiber nonlinearities Nicolae Meron Basic of DWDM for Eleectronics Engineering ... .23 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ASE VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NĨ TRONG HỆ THƠNG DWDM 24 3.1 Ảnh hưởng ASE hệ thống ghép kênh theo bước sóng DWDM 24 3.1.1 Nguyên lý bất định Heisenberg... Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA ASE TÍCH LUỸ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG DWDM 3.1 Ảnh hưởng ASE hệ thống ghép kênh theo bước sóng DWDM 3.1.1 Nguyên lý bất định Heisenberg.[2],[6]... quang Trong hệ thống DWDM khuếch đại quang thường sử dụng khuếch đại sợi quang pha đất EDFA Trong hệ số khuếch đại ồn thông số quan trọng Chính vậy, khố luận sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng ASE hệ