”Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang”.

Thế kỷ 21, kỷ nguyên với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được. Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự li xa, không bị ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao… phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục, trung kế và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Kỹ thuật mới này cho phép khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp… làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ưu việt của nó. Đứng trước vấn đề này được sự hướng dẫn tận tình của GS.TS TRẦN ĐỨC HÂN và Th.S TRẦN QUỐC DŨNG em đã chọn đề tài:”Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang”.

Lời nói đầu Thế kỷ 21, kỷ nguyên với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lợng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt đợc những thành tựu to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trờng cáp sợi quang. Tơng lai cáp sợi quang đợc sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và đợc coi nh là một môi trờng truyền dẫn lý tởng mà không có một môi trờng truyền dẫn nào có thể thay thế đợc. Các hệ thống thông tin quang với u điểm băng thông rộng, cự li xa, không bị ảnh hởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đờng trục, trung kế và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tơng lai. Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Kỹ thuật mới này cho phép khắc phục đợc nhiều hạn chế của trạm lặp nh: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính u việt của nó. Đứng trớc vấn đề này đợc sự hớng dẫn tận tình của GS.TS Trần đức hân và Th.S trần quốc dũng em đã chọn đề tài:Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang. Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm các chơng sau: Chơng 1: Khuếch đại quang sợi Chơng này trình bày chủ yếu về khuếch đại quang sợi EDFA và các u điểm nổi bật của nó trong hệ thống thông tin quang. Đồng thời trình bày nguyên lý hoạt động, kết cấu cơ bản, kết cấu tối u của EDFA và phân tích các nhiễu sinh ra khi hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại quang theo hai chiều. 1 Trong chơng này cũng trình bày các điểm chủ yếu của khuếch đại băng rộng sử dụng khuếch đại quang sợi và các kỹ thuật mở rộng dải tần khuếch đại trên cơ sở khuếch đại quang sợi EDFA. Chơng 2: Phân tích các đặc điểm kỹ thuật, tính toán các tham số của bộ khuếch đại quang sợi EDFA ở đây em trình bày về các phơng trình khuếch đại của EDFA và các đại l- ợng: Hệ số tạp âm, công suất bơm ngỡng, công suất bão hòa tín hiệu, tính toán chúng trên những tham số cho trớc. Chơng 3: Các ứng dụng PA, LA, BA của EDFA Chơng này trình bày về EDFA khi áp dụng trong tuyến thông tin quang ở các vị trí cụ thể PA, BA, LA và tính toán các tham số nh tỷ số tín hiệu trên nhiễu và công suất bù BER trong từng trờng hợp. Chơng 4: áp dụng khuếch đại quang sợi EDFA vào hệ thống thông tin quang. Chơng này trình bày về các ứng dụng của EDFA trong tuyến truyền dẫn một kênh quang, trong tuyến WDM, mạng truy nhập quang, trong cáp quang truyền hình, trong cáp quang biển. 2 Chơng 1 Khuếch đại quang sợi 1.1 Khuếch đại quang, u điểm và xu hớng phát triển Vào năm 1957, một nhóm nhà nghiên cứu khoa học gồm K.Shimoda, H.Takahasi và C.H Towner khi nghiên cứu về lý thuyết cơ học lợng tử đã có mầm mống về ý tởng khuếch đại quang: Nếu có một tập hợp các hạt có thể đ- ợc tạo nên mà trong đó các phần tử ở mức trên nhiều hơn các phần tử ở mức dới. Thì khi đó, chùm photon qua môi trờng nh thế sẽ bị khuếch đại nhiều hơn là bị hấp thụ. Hiện tợng này, cho phép xây dựng một bộ khuếch đại quang với mức nhiễu lý tởng. Từ đó đến nay, ý tởng đó đã thành hiện thực, thậm chí đã đợc ứng dụng trong kỹ thuật thông tin quang tốc độ cao với khoảng cách hàng ngàn cây số. Cho tới nay, khuếch đại quang bao gồm: khuếch đại laser SLA, khuếch đại quang sợi (EDFA, TDFA, ) khuếch đại theo hiệu ứng phi tuyến RAMAN (FRA), khuếch đại quang theo hiệu ứng phi tuyến BRILLOUIN (FBA). Sự ứng dụng bộ khuếch đại trong hệ thống số tạo ra sự phát triển mới trong hệ thống truyền dẫn số, biểu hiện chủ yếu trên các mặt sau: Thay thế bộ chuyển tiếp tái sinh trong hệ thống truyền dẫn hiện có. Trong hệ thống cáp quang biển ứng dụng khuếch đại quang sợi cho phép nâng cao cự ly truyền dẫn và giảm số bộ chuyển tiếp. Do ghép kênh nhiều bớc sóng là truyền dẫn nhiều bớc sóng trên một sợi quang. Dùng bộ khuếch đại sợi quang đồng thời khuếch đại đợc tất cả các bớc sóng trong băng sóng, cung cấp tăng ích cho nhiều kênh tín hiệu và không bị ảnh hởng bởi tín hiệu phân cực, không phát sinh xuyên nhiễu, trong các hệ thống truyền dẫn cao tốc nhiều kênh tín hiệu làm cho khuếch đại sợi quang là một bộ kiện then chốt của WDN, giá thành chế tạo cũng ngày một thấp. Trong mạng truy nhập sợi quang xuất hiện các phơng thức: sợi quang đến nhà (FTTH), sợi quang đến phòng làm việc (FTTO), sợi quang đến toà nhà (FTTB) Điều kiện kho khăn là đầu cuối sợi quang bị phân nhánh quá nhiều, đối với mạng không nguồn, qua vài lần phân nhánh công suất quang thuê bao 3 thu đợc rất thấp (mỗi lần phân nhánh công suất quang giảm đi 3 dB), làm cho đầu cuối không thể làm việc đợc. Do đó cần khuếch đại trớc mỗi nút để bù suy hao làm cho FTTH trở lên khả thi hơn. 1.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA Trong lớp lõi của sợi quang thạch anh nếu trộn vào một ít nguyên tố đất hiếm nh Er, Pr sẽ hình thành loại sợi quang đặc biệt, loại sợi quang này có thể khuếch đại tín hiệu dới sự kích thích của bơm quang nên gọi là khuếch đại sợi quang. Hiện nay sử dụng rộng rãi là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) có u điểm nh độ tăng ích đầu ra là cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của EDFA Cấu tạo cơ bản của EDFA: Bộ phối ghép quang có tác dụng gộp tín hiệu quang và tín hiệu quang bơm làm một, thờng dùng bộ ghép kênh. Trong bộ ghép kênh, các thấu kính có tác dụng để ghép ánh sáng vào và ánh sáng ra, nó bao gồm các gơng và bộ lọc tích hợp. Năng lợng bơm và tín hiệu tổn hao khoảng 0.5 dB. Bộ cách ly quang có tác dụng hạn chế quang phản xạ để đảm bảo bộ khuếch đại làm việc ổn định. Các bộ cách ly quang thờng giảm ánh sáng phản xạ khoảng 30 dB, trong đó tổn hao tín hiệu truyền là 1 dB. EDFA thờng dùng hai bộ cách ly quang. Bộ thứ nhất ở đầu vào dùng để loại bỏ nhiễu gây ra do truyền phát cùng chiều của bộ khuếch đại. Bộ thứ hai ở đầu ra bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngợc chiều từ đoạn dới. 4 Quá trình khuếch đại quang sợi pha tạp Er 3+ đợc giải thích nh sau: Erbium là một nguyên tố đất hiếm có các mức năng lợng nh sau: Hình 1.2: Giản đồ năng lợng của sợi quang pha tạp Er 3+ Er 3+ ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lợng thấp nhất (trạng thái cơ bản) 2/15 4 I , khi bơm quang vào Er 3+ hấp thụ năng lợng của quang bơm rồi chuyển tiếp lên mức năng lợng cao hơn. Quang bơm có các bớc sóng khác nhau, các mức năng lợng cao cũng có hạt chuyển lên cũng khác nhau. nm P 1480@ = 2/13 4 2/15 4 II nm P 980@ = 2/11 4 2/15 4 II nm P 807@ = 2/9 4 2/15 4 II nm P 655@ = 2/9 4 2/15 4 FI Mức năng lợng 2/13 4 I chia thành một dải năng lợng, trớc tiên hạt Erbium chuyển tới đỉnh của dải năng lợng và nhanh chóng chuyển từ trạng thái kích thích sang trạng thái tạm ổn định qua quá trình chuyển tiếp không bức xạ. Thời gian chuyển tiếp không bức xạ rất nhỏ =1às. Khi chuyển sang trạng thái tạm thời 2/13 4 I có thời gian sống khoảng 10 ms, do không ngừng bơm quang nên số hạt không ngừng tăng gây lên sự đảo mật độ. 5 Khi tín hiệu đi qua đoạn sợi quang pha tạp Erbium các hạt ở trạng thái tạm thời chuyển tiếp lên trạng thái cơ bản bằng hình thức bức xạ bị thích và sinh ra photon giống hệt dẫn đến sự khuếch đại không ngừng tín hiệu quang trong quá trình truyền dẫn trên sợi quang pha tạp Erbium. Trong quá trình các hạt Erbium bức xạ kích thích có một phần nhỏ đợc chuyển sang trạng thái cơ bản bằng hình thức bức xạ tự phát, băng tần đợc mở rất rộng và các quang tử hỗn độn không ngừng đợc khuếch đại trong quá trình truyền dẫn từ đó hình thành tạp âm bức xạ tự phát ASE và tiêu hao một phần công suất bơm. Do đó cần phải lắp thêm bộ lọc quang để giảm bớt tạp âm ASE trong hệ thống. Hiệu suất bơm ở 980 nm và 1480 nm cao hơn các bớc sóng khác vì vậy đợc ứng dụng rộng rãi. 1.3 Tạp âm trong bộ khuếch đại EDFA. Tạp âm trong bộ khuếch đại quang là một vấn đề quan trọng trong hệ thống thông tin quang. Đặc tính tạp âm là một trong các tham số chính liên quan đến quá trình truyền dẫn trên toàn bộ hệ thống nh cự ly truyền dẫn và tốc độ bit. Có hai nguồn tạp âm chính là tạp âm quang và tạp âm cờng độ 1.3.1 Tạp âm quang trong bộ khuếch đại EDFA Các photon bức xạ tự phát có hớng và pha ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát đợc giữ lại ở các mode của sợi quang. Do các photon đợc giữ lại này lan truyền dọc bên trong của sợi nên chúng lại đợc khuếch đại. Quá trình này sẽ tạo ra bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE. Để xác định đợc thành phần nhiễu nhỏ nhất của bộ khuếch đại thi công suất nhiễu tối thiểu tại đầu ra bộ khuếch đại minSP P đợc viết nh sau: ( ) BGhP SP .1 min = (1.1) Trong đó B là một nửa của toàn bộ băng tần B 0 của bộ khuếch đại quang. Giả thiết độ khuếch đại G là lớn, tín hiệu đầu vào lớn thì công suất tạp âm đầu ra của bộ khuếch đại quang nhỏ nhất tơng ứng với khuếch đại photon trong băng tần B. Từ (biểu thức 1.1 ) có thể xác định đợc công suất P ASE tổng đợc lấy trên toàn bộ các mốt của sợi quang đa ra trong băng tần B 0 là: ( ) 0 .1 BGhNmP SPtASE = (1.2) 6 Trong đó m t là số mốt lan truyền ngang của quá trình phân cực. ( ) 0 .1 BGhNP SPSP = P sp là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang. Trong các bộ khuếch đại quang sợi thực tế thờng có hai mode lan truyền phân cực trong quá trình bức xạ tự phát hay m t =2. Hệ số bức xạ tự phát N sp đợc viết nh sau: 12 2 12 2 NN N NN N N ae e SP = = (1.3) Với ae / = ; và N 1 , N 2 là hàm của trục z hớng theo trục của sợi. Tạp âm của bộ khuếch đại quang N(z) khi không có tín hiệu đầu vào đợc xác định nh sau: ( ) ( ) 1 12 2 = G NN N zN (1.4) Với G là một hàm số của z. Trong trờng hợp nghịch đảo tích luỹ môi trờng là âm 0 12 NN và N SP < 0 nhng công suất nhiễu vẫn luôn dơng và bằng ( ) GNP SPSP = 1/ Trong trờng hợp ở mức ngỡng nghịch đảo của môi trờng 0 12 = NN , N SP không xác định, thực tế công suất nhiễu đợc xác định bằng LNP SP 2 = trong đó L là độ dài sợi EĐF. Trong trờng hợp môi trờng nghịch đảo là dơng 0 12 > NN ta có N SP > 1 (công suất tạp âm dơng) Trờng hợp nghịch đảo môi trờng hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên tử ở trạng thái kích thích, tức là N 1 =0, thì N sp tiến đến giá trị nhỏ nhất (=1). Trong trờng hợp này công suất tạp âm đầu ra tiến đến giá trị tạp âm lợng tử đợc khuếch đại: ( ) BGhP N .1 min = 7 Nh vậy, tạp âm đầu ra bộ khuếch đại quang đạt giá trị nhỏ nhất khi đạt đợc nghịch đảo tích luỹ hoàn toàn trong môi trờng khuếch đại. Giá trị N sp gần = 1 là giá trị nhỏ nhất có thể thu đợc. Giá trị này có thể đạt đợc khi bơm mạnh ở vùng bớc sóng 980 nm. 1.3.1 Tạp âm cờng độ trong bộ khuếch đại EDFA. Khi có công suất quang từ nguồn phát thì sẽ phát ra dòng photon ban đầu I Ph (t): ( ) ( ) ( ) tP h e tRPtI ph == (1.5) Tạp âm cờng độ là một yếu tố làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ thống thông tin quang. Bộ tách sóng quang biến đổi tạp âm cờng độ trực tiếp thành tạp âm điện. Các loại tạp âm cờng độ thờng đợc xem xét trong hệ thống là: tạp âm lợng tử, tạp âm phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát, tạp âm phách giữa bức xạ tự phát với bức xạ tự phát, tạp âm phản xạ. a. Tạp âm lợng tử: Tạp âm lợng tử có nguồn gốc phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Khi tạp âm trội là tạp âm lợng tử nó đợc xem xét nh là giới hạn tạp âm lợng tử. Cả tín hiệu từ Laser phát và ASE đều tham gia vào tạp âm lợng tử. Vì vậy, tạp âm lợng tử trong trờng hợp này bao gồm cả tạp âm lợng tử từ tín hiệu đầu vào đợc khuếch đại và tạp âm lợng tử bức xạ tự phát đợc khuếch đại. b. Tạp âm phách tín hiệu tự phát Tạp âm phách tín hiệu - tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát đợc khuếch đại ASE gây ra giao động cờng độ. Không thể tránh khỏi tạp âm này trong hệ thống sử dụng EDFA, và tạp âm này là thành phần lớn nhất của tổng tạp âm trong các hệ thống thông tin đợc khuếch đại quang. Mật độ phổ công suất của tạp âm phách tín hiệu-tự phát: ( ) ( ) IspIsG Bo GGhNspPs h e f sisp 1 41 4 2 2 = = (1.6) 8 Với I s là dòng photon tín hiệu trung bình ( ) ( ) Bone h Bohne h ePs I s ><= >< == 0 0 Tơng tự thành phần dòng tạp âm phát xạ tự phát đợc viết là: ( ) ( ) BoGNe h BoGeehNsp h ePsp I spsp .1 .1 = == Trong đó: là hiệu suất lợng tử e là điện tích điện tử n(0) là số photon trung bình vào bộ khuếch đại. c. Tạp âm phách tự phát-tự phát Tạp âm phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát ASE dẫn đến tạp âm cờng độ. Các cặp thành phần tần số sẽ gây ra một hay nhiều phách ở tần số khác. Vì thế mà toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào tạp âm phách cờng độ tự phát-tự phát. Số các cặp phách sẽ giảm đi khi băng tần quang giảm hay tạp âm phách tự phát-tự phát sẽ giảm khi co hẹp băng tần quang. Mật độ phổ công suất của tạp âm phách tự phát-tự phát: ( ) = Bo f Bo I f sp spsp 12 2 2 (1.7) Nh vậy 2 spsp giảm tuyến tính theo f và bị triệt tiêu tại f = Bo. Cả hai thành phần mật độ phổ đều tồn tại với fBo và bằng 0 khi f > Bo. Nh vậy, tổng công suất tạp âm phách rơi vào trong băng tần điện B e (của bộ tách sóng quang) đợc viết nh sau: IspGIs Bo Be spsp .4 2 = = Bo Be I B Be spspsp 12 2 0 2 2 d. Tạp âm phản xạ (tạp âm giao thoa nhiều luồng) 9 Trong bộ khuếch đại quang thờng có sự phản xạ tại hai đầu sợi EDF. Quá trình này tạo ra sự biến đổi giao thoa của nhiều pha thành tạp âm cờng độ. Nó làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tại bộ thu quang. Trong thực tế tạp âm phản xạ quang có thể đợc bỏ qua nếu ánh sáng tín hiệu đến bộ khuếch đại quang là hoàn toàn kết hợp để cho giá trị tạp âm phản xạ n ref bằng không. 1.4 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA 1.4.1 Đặc tính tăng ích Đặc tính này biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, đợc định nghĩa là: ( ) sspout PPPG / = Tăng ích của EDFA lớn hay nhỏ có quan hệ với nhiều yếu tố thờng là 15- 40 dB. 10 . tài:Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang. Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm các chơng sau: Chơng 1: Khuếch đại quang sợi Chơng. nhiễu và công suất bù BER trong từng trờng hợp. Chơng 4: áp dụng khuếch đại quang sợi EDFA vào hệ thống thông tin quang. Chơng này trình bày về các ứng dụng