Giáo trình thông tin quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI TS Trần Cảnh Dương (Chủ biên) ThS Hoàng Anh Dũng GIÁO TRÌNH THƠNG TIN QUANG Tài liệu lưu hành nội dùng cho người tự học Hà Nội, tháng 01 năm 2016 LỜI NĨI ĐẦU Thơng tin truyền thơng đóng vai trò quan trọng phát triển mạnh mẽ xã hội loài người, sở hạ tầng, điều kiện thiết yếu để phát triển kinh tế Thời gian qua kinh tế nước ta chuyển biến tích cực, hòa nhịp với phát triển chung khu vực giới Xu tồn cầu hóa thương mại thơng tin đòi hỏi phải phát triển xa lộ thông tin thỏa mãn nhu cầu dịch vụ ngày phong phú Khoa học công nghệ, kỹ thuật vơ tuyến, thơng tin vệ tinh có nhiều bước tiến quan trọng việc xây dựng hệ thống cáp quang rộng khắp, đặc biệt mạng đường trục phương án hữu hiệu nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng kết hợp phương thức ngày tăng xã hội thông tin Thông tin quang có nhiều ưu điểm đóng vai trò then chốt hệ thống truyền thông môn học thơng tin quang nằm chương trình đào tạo chun môn công nghệ điện tử, truyền thông Trường Đại học nước Theo xu chung nhu cầu xã hội, Khoa Công nghệ Điện tử - Thông tin Viện Đại học Mở Hà Nội đưa mơn học thơng tin quang vào chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành điện tử, thông tin Cuốn giáo trình thơng tin quang biên soạn nhằm trang bị kiến thức, kỹ cho sinh viên thơng tin quang Giáo trình gồm chương Chương thứ trình bày tổng quan hệ thống thơng tin quang Chương thứ hai đề cập phần tử biến đổi điện - quang Chương thứ ba trình bày phần tử chuyển đổi quang - điện Chương xem xét sợi quang Chương trình bày hệ thống thơng tin quang Chương đề cập công nghệ truyền tải ghép kênh theo bước sóng WDM Chương trình bày truyền tải IP/WDM chuyển mạch quang hệ thống thông tin quang Chương giới thiệu số công nghệ quang tiên tiến Chương đề cập khuếch đại quang Trong chương tác giả trình bày sở nguyên lý hoạt động, tham số để học viên hiểu sâu mặt lý thuyết mở rộng kiến thức thông qua tài liệu tham khảo tài liệu từ chọn hướng nghiên cứu thích hợp Người học làm tập vận dụng vào thực tế mạng cáp quang Sau tốt nghiệp sinh viên vận dụng kiến thức học vào môi trường viễn thông thực tế tham gia vận hành, khai thác hệ thống thông tin quang nghiên cứu, đề xuất giải pháp kỹ thuật hữu hiệu Tác giả chân thành cám ơn ý kiến đóng góp quý báu chuyên gia, đồng nghiệp trình biên soạn giáo trình Tuy nhiên, q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót tác giả mong muốn nhận ý kiến xây dựng từ bạn đọc gần xa, ý kiến đóng góp xin gửi địa chỉ: Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin - Viện Đại học Mở Hà Nội Xin chân thành cảm ơn! CÁC TÁC GIẢ ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .ii MỤC LỤC iii MỘT SỐ THUẬT NGỮ ix Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1.1 KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG 1.1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG 1.1.3 ĐẶC TÍNH CỦA THƠNG TIN QUANG 1.2 MƠ HÌNH CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang 1.2.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 1.2.3 Cấu hình hệ thống truyền dẫn cáp quang 1.3 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TRONG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1.3.1 Truy nhập mạng quang 1.3.2 Công nghệ AON 10 1.3.3 Công nghệ PON 10 1.3.4 Cơng nghệ tách sóng tổng hợp (Coherent) 10 1.3.5 Công nghệ chuyển tiếp tín hiệu vơ tuyến truyền qua sợi quang (RoF) 10 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 11 Bài tập ôn tập chương 12 Chương CÁC PHẦN TỬ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG 18 2.1 MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ÁNH SÁNG 19 2.2 NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG 21 2.2.1 Hiện tượng hấp thụ 21 2.2.2 Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission) 21 2.2.3 Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision) 22 2.2.4 Tiếp giáp P-N 22 2.3 NGUỒN QUANG 24 2.3.1 Khái niệm nguồn quang 24 2.3.2 Yêu cầu nguồn quang 24 2.3.3 Điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode) 25 2.3.4 LASER DIODE (LD) 30 2.3.5 Bộ phát quang 35 iii TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 38 Bài tập ôn tập chương 39 Chương PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN 46 3.1 KHÁI NIỆM VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN VỀ CHUYỂN ĐỔI QUANG-ĐIỆN 47 3.1.1 Khái niệm thu quang 47 3.1.2 Thông số 48 3.2 PHẦN TỬ CHUYỂN ĐỔI QUANG - ĐIỆN BÁN DẪN 52 3.2.1 DIODE thu quang P-N 52 3.2.2 DIODE thu quang pin 53 3.2.3 DIODE THU QUANG APD (Avalanche Photo Diode) 55 3.2.4 SO SÁNH ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA PIN VÀ APD 58 3.3 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI 58 3.3.1 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI TRỞ KHÁNG THẤP 58 3.3.2 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI TRỞ KHÁNG CAO 60 3.3.3 BỘ TIỀN KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TRỞ KHÁNG 62 3.4 NHIỄU CỦA BỘ THU QUANG 63 3.4.1 Nhiễu nổ 63 3.4.2 Nhiễu nhiệt 64 3.4.3 Tỷ lệ tín hiệu nhiễu - SNR 65 3.5 THAM SỐ CỦA BỘ THU QUANG 66 3.5.1 Tỷ lệ lỗi bit 66 3.5.2 Quan hệ BER SNR 67 3.5.3 Công suất thu tối thiểu 67 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 68 Bài tập ôn tập chương 69 Chương SỢI QUANG 76 4.1 CẤU TRÚC SỢI QUANG VÀ TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 77 4.1.1 CẤU TRÚC SỢI QUANG 77 4.1.2 PHÂN LOẠI SỢI QUANG 78 4.1.3 CƠ SỞ TRUYỀN SÓNG 78 4.1.4 TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐA MODE CHIẾT SUẤT BẬC (MM-SI) 83 4.1.5 TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐA MODE CHIẾT SUẤT BIẾN ĐỔI (MM-GI) 84 4.1.6 TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG ĐƠN MODE (SM) 84 iv 4.2 THAM SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG 85 4.2.1 TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG 85 4.2.2 SUY HAO TRONG SỢI QUANG 91 4.2.3 HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 95 4.3 MỘT SỐ LOẠI CÁP QUANG TRÊN THỰC TẾ 97 4.3.1 CÁP QUANG ĐA MODE SỢI 50/125 µm OUTDOOR/IN DOOR 97 4.3.2 CÁP QUANG AMP ĐA MODE SỢI 50/125 µm OUTDOOR/IN DOOR 98 4.3.3 CÁP QUANG ĐƠN MODE (SINGLEMODE) LUỒN CỐNG SỢI QUANG 98 4.3.4 CÁP QUANG ĐƠN MODE 24 SỢI, TREO NGỒI TRỜI, HÌNH SỐ 99 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 101 Bài tập ôn tập chương 102 Chương HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 109 5.1 Mơ hình hệ thống thông tin quang 110 5.1.1 Cấu hình hệ thống thông tin quang 110 5.1.2 Các phần tử hệ thống truyền dẫn cáp quang 111 5.2 Mơ hình hệ thống thơng tin quang đơn kênh 111 5.2.1 Phân loại hệ thống thông tin quang đơn kênh điểm-điềm 111 5.2.2 Ảnh hưởng suy hao đến hệ thống 111 5.2.3 Ảnh hưởng tán sắc 113 5.3 Hệ thống truyền dẫn đa kênh 114 5.3.1 Nhu cầu sử dụng 114 5.3.2 Cấu hình mạng phân bố 114 5.3.3 Cấu hình mạng cục LAN 116 5.4 Một số vấn đề thiết kế hệ thống thông tin quang 117 5.4.1 Yêu cầu thiết kế tuyến thông tin quang 117 5.4.2 Mã đường truyền 117 5.4.3 Cấu hình truyền dẫn cáp quang 117 5.4.4 Kỹ thuật ghép kênh 118 5.4.5 Thiết kế tuyến thơng tin quang có bù suy hao 121 5.4.6 Thiết kế tuyến thơng tin quang có bù tán sắc 121 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 123 Bài tập ôn tập chương 124 Chương CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI WDM 131 6.1 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 132 v 6.1.1 Khái niệm WDM 132 6.1.2 Các dải băng tần WDM 132 6.1.3 Lịch sử phát triển WDM 132 6.1.4 Cấu hình hệ thống truyền dẫn WDM 133 6.1.5 Hệ thống WDM đơn hướng 133 6.1.6 Hệ thống WDM song hướng 134 6.1.7 Mơ hình WDM điểm-điểm 134 6.1.8 Tham số hệ thống WDM 135 6.1.9 Phân loại hệ thống WDM 136 6.2 PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 136 6.2.1 Nguồn quang 136 6.2.2 Bộ thu quang 137 6.2.3 Sợi quang 137 6.2.4 Bộ tách /ghép bước sóng 138 6.2.5 Bộ xen/rẽ bước sóng (OADM) 145 6.3 YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG WDM 148 6.3.1 Một số khái niệm 148 6.3.2 Hiệu ứng quang phi tuyến 149 6.4 MẠNG TRUYỀN TẢI WDM 150 6.4.1 Cấu hình mạng truyền tải WDM 150 6.4.2 Quản lý báo vệ mạng WDM 150 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 152 Bài tập ôn tập chương 153 Chương TRUYỀN TẢI IP/WDM VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG 161 7.1 MẠNG TRUYỀN TẢI IP/WDM 162 7.1.1 Đặc điểm chung IP WDM 162 7.1.2 Cấu hình chung truyền tải IP/WDM 162 7.1.3 Mơ hình truyền tải IP/WDM 163 7.1.4 Phân loại cấu trúc mạng IP/WDM 163 7.1.5 Điều khiển truy nhập mạng IP/ WDM 167 7.2 CHUYỂN MẠCH QUANG 167 7.2.1 Khái niệm 167 7.2.2 Kiến trúc mạng cáp quang 168 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 174 vi Bài tập ôn tập chương 175 Chương MỘT SỐ CÔNG NGHỆ QUANG TIÊN TIẾN 182 8.1 TRUY NHẬP MẠNG SỢI QUANG (FTTx) 183 8.1.1 Truy nhập mạng sợi quang (FTTx) 183 8.1.2 Công nghệ truy nhập quang chủ động (AON) 184 8.1.3 Công nghệ truy nhập quang thụ động (PON) 185 8.2 HỆ THỐNG QUANG LIÊN KẾT (COHERENT) 186 8.3 HỆ THỐNG QUANG SOLITON 188 8.3.1 Khái niệm sóng đơn (soliton) 188 8.3.2 Sơ đồ mạch vòng sợi quang 189 8.3.3 Mô hình hệ thống 190 8.3.4 Mở rộng xung soliton tổn hao 190 8.3.5 Tự điều chế pha (SPM) 191 8.3.6 Bộ khuếch đại 192 8.3.7 Khuếch đại phân bố 193 8.3.8 Hiện tượng tán xạ sợi quang 193 8.3.9 Đặc tính phi tuyến sợi quang 193 8.3.10 Sử dụng sóng đơn quang cho hệ thống thơng tin tồn quang 194 8.4 CHUYỂN TIẾP TÍN HIỆU VƠ TUYẾN VÀ TRUYỀNQUA SỢI QUANG 196 8.4.1 Giới thiệu 196 8.4.2 Cơng nghệ chuyển tiếp tín hiệu vơ tuyếnvà truyền qua sợi quang 196 8.4.3 Ưu, nhược điểm chuyển tiếp tín hiệu vơ tuyến truyền qua sợi quang 198 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 200 Bài tập ôn tập chương 201 Chương KHUẾCH ĐẠI QUANG 209 9.1 GIỚI THIỆU 210 9.1.1 Quá trình phát triển 210 9.1.2 Các tham số 210 9.2 KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) 212 9.2.1 Khái niệm phân loại khuếch đại quang bán dẫn 212 9.2.2 Bộ khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP-SOA 213 9.2.3 Bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy TW-SOA 214 9.2.4 Một số vấn đề SOA 214 9.3 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) 215 vii 9.3.1 Cấu trúc 215 9.3.2 Nguyên lý hoạt động 216 9.3.3 Phổ khuếch đại quang sử dụng EDFA 216 9.3.4 Cấu hình EDFA bơm hai chiều 217 9.4 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG RAMAN (RFA) 217 9.4.1 Khái niệm 217 9.4.2 Cấu trúc 218 9.4.3 Hệ số khuếch đại độ rộng băng tần Raman 218 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG 220 Bài tập ôn tập chương 221 TÀI LIỆU THAM KHẢO 228 PHỤ LỤC ĐÁP ÁN CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 229 viii MỘT SỐ THUẬT NGỮ Viết tắt AFC AGC AMP AON APD ASE ATM AWG BA BBoF BER BS BWDM C-band Coherent CWDM CWL Từ tiếng Anh Automatic frequency control Automatic gain control Amplifier Active Optical Network Avalanche Photodiode Amplified Spontanous Emission Asynchronous Transfer Mode Array of waveguide Grating Abrupt decrease Absorrtion Absorption coeficient Active medium Add Port All lights reflected Amplified optical output signal Từ tiếng Việt Điều chỉnh tần số tự động Tự động điều chỉnh khuếch đại Bộ khuếch đại tín hiệu điện Mạng quang chủ động Đi ốt thác lũ Bức xạ tự phát khuếch đại Mơ hình truyền khơng đồng Mảng cách tử dẫn sóng Giảm đột ngột Hấp thụ Hệ số hấp thụ Mơi trường tích cực Cổng xen Ánh sáng phản xạ tồn phần Tín hiệu đầu khuếch đại quang Tín hiệu khuếch đại Biên độ Lớp vỏ chống phản xạ Hệ số khuếch đại APD Mảng sợi quang Mảng ống dẫn sóng Bộ khuếch đại cơng suất Truyền tín hiệu băng tần sở qua sợi quang Tỷ lệ bit lỗi Trạm gốc Hệ thống WDM băng tần rộng Sườn sau xung Lớp phủ bảo vệ sợi quang Cách tử Bragg Định luật Bragg (luật phản chiếu tia X qua pha lê) Vùng dẫn điện tử - lỗ trống Điện trường Hệ số Ánh sáng tới Cường độ ánh sáng Dải băng tần trung bình Cơng nghệ tách sóng kết hợp Hệ thống WDM ghép mật độ thấp Bộ dao động quang sử dụng laser bán dẫn Hạ tầng tổng đài Amlified signal Amplitude Antireflection Coating APD gain Array of fibers Array of waveguides Booster Amplifier Base Frequency Band over fiber Bit Error Rate Base Station Broad passband WDM Back of pulse Buffer coating Bragg Grating Bragg’s law Election-hole production region Electric field Factor Incident light Light intensity Conventional band Coarse WDM Continuous Wave Laser Central Office Infrastructure ix DBR DCF DE DEC DEMOD DEMUX DFB DPSK DWDM E-band EDFA ELED Thiết bị tổng đài Kết cuối đường quang tổng đài Central Office Equipment Central Office Optical line terminal Chromatic dispersion Cladding Clock Recovery Collimating optics Communication system Conduction band Control Core Coupler Critical angle Crystal Waveguider Current Distributed Bragg Reflector Dispersion Compensation Fiber Drive Equipment Tán sắc sắc thể Lớp vỏ sợi quang Phục hồi đồng Dụng cụ quang chuẩn Hệ thống truyền thông Vùng dẫn Điều khiển Lõi sợi quang Bộ nối ghép Góc tới hạn Ống dẫn sóng tinh thể Dòng điện Laser phản xạ Bragg Sợi bù tán sắc Thiết bị điều khiển (khuếch đại tín hiệu đầu vào) Khối tách sóng Khối giải điều chế quang Bộ tách kênh Laser phân bố hồi tiếp Khóa dịch pha phân biệt Hệ thống WDM ghép mật độ cao Phục hồi liệu Dòng tối Cách tử nhiễu xạ phẳng Trễ Sợi cáp nhỏ đến nhà Vùng nghèo Nhiễu xạ Khoảng cách Mạch vòng phân phối rẽ nhánh Cổng rẽ Dải băng tần mở rộng Khuếch đại quang Erbium LED phát xạ cạnh Điốt phát xạ cạnh Vùng dẫn điện tử - lỗ trống Điện trường Kết hợp điện tử - lỗ trống Bộ khuếch đại điện Vùng lượng Dải cấm lượng Sợi quang pha Erbium Detector Demodulator Demultiplexer Distributed Feedback Laser differential phase-shift keying Dense WDM Data Recovery Dark current Defraction Grating Delay Dedicated fiber to each home Depletion region Diffracted Light Distance Distribution & Drop loop Drop Port Extended band Erbium doped Fiber Amplifier Edge emitting LED Edge emitting LED Election-hole production region Electric field Electron hole recombination Electrical Amplifier Energy band Energy band gap Erbium-doped Fiber x CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG 9.3.2 Nguyên lý hoạt động Về nguyên lý hoạt động: ta có Ion Er+3 hấp thụ photon laser bơm chuyển lên mức lượng cao Ion kích thích sau thời gian chuyển mức lượng phát xạ photon Phát xạ photon gồm: Phát xạ tự phát (gây nhiễu quang khuếch đại), Phát xạ kích thích (là chế khuếch đại tín hiệu) Nguyên lý hoạt động biểu diễn hình 9-8 Hình 9-8: Nguyên lý hoạt động Ta có biểu đồ lượng Ion Er3+ ứng dụng EDFA thể hình 9-9 2H 520 4S Vùng bơm (nm) 543 Không xạ 11/2 3/2 660 4F 810 4I 9/2 980 1480 1550 9/2 4I 11/2 Siêu bền Khuếch đại 1500-1600 TT 4I 13/2 4I 15/2 Hình 9-9: biểu đồ lượng Ion Er3+ ứng dụng EDFA 9.3.3 Phổ khuếch đại quang sử dụng EDFA Phổ khuếch đại quang sử dụng EDFA phụ thuộc chất đồng pha tạp, công suất bơm nồng độ Er, mơ tả ỏ Hình 9-10 216 Cross section (x 10 -25m2) Loss or gain (dB/m) CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG Absorption Gain Wavelength (μm) Hình 9-10: Phổ khuếch đại quang sử dụng EDFA 9.3.4 Cấu hình EDFA bơm hai chiều Sợi pha Er 3+ Bộ cách li Bộ cách li Coupler Coupler Laser bơm Laser bơm Hình 9-11: Cấu hình EDFA bơm hai chiều Hình vẽ 9-11chỉ cấu hình EDFA bơm hai chiều Tín hiệu vào cách ly, sau đến ghép, laser bơm có tín hiệu đầu dẫn đến ghép Tiếp theo tín hiệu từ ghép truyền đến sợi pha Erbium truyền đến ghép khác Tín hiệu đầu bơm thứ đưa vào ghép thứ sau chuyển đến coupler đến cách ly 9.4 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG RAMAN (RFA) 9.4.1 Khái niệm Bộ khuếch đại Raman hoạt động sở tán xạ Raman kích thích (SRS) sợi quang silica có ánh sáng bơm SRS khác so với phát xạ kích thích sau: Với phát xạ kích thích:  Photon kích thích phát xạ photon khác có bước sóng pha,  Photon không lượng 217 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG RSR:  Photon bơm lượng để tạo photon khác có lượng nhỏ tần số thấp  Năng lượng lại bị hấp thụ môi trường dạng dao động phân tử (phonon quang)  Bơm để cung cấp khả khuếch đại 9.4.2 Cấu trúc Hình 9-12: Khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng Raman (RFA) Hình 9-12 cấu trúc với tín hiệu (tần số ωs) sóng bơm (tần số ωp) qua coupler đến sợi quang Năng lượng chuyển từ sóng bơm sáng tín hiệu thơng qua SRS giống hai sóng truyền sợi Tín hiệu sóng bơm truyền đồng thời theo cấu hình bơm thuận ngược Bộ khuếch đại RFA hoạt động bất kỳ sóng mang với sóng bơm phù hợp Ta dùng nhiều nguồn bơm để tăng độ rộng băng tần khuếch đại Khi đó, khuếch đại không phụ thuộc phân cực dùng bơm phân cực trực giao bước sóng 9.4.3 Hệ số khuếch đại độ rộng băng tần Raman Tiếp ta nghiên cứu hệ số khuếch đại độ rộng băng tần Raman Quan hệ hệ số khuếch đại Raman hệ số khuếch đại quang: g(ω) = gR(ω) (gR / aP) Trong đói aP diện tích vùng bơm sợi, gR/aP hệ số khuếch đại Raman Đỉnh hệ số khuếch đại dịch13,2 THz (khoảng 100nm) so với bước sóng bơm Ta có độ rộng băng tần khuếch đại khoảng 6THz Tuy nhiên, thực tế, phổ khuếch đại Raman ≧ 20 THz Hình 9-13 đồ thị biểu diễn hệ số khuếch đại Raman theo độ dịch tần 218 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG Hình 9-13: Đồ thị biểu diễn hệ số khuếch đại Raman theo độ dịch tần 219 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG Sau học xong chương này, ta nắm kiến thức khuếch đại quang Cụ thể sau: Nắm trình phát triển tham số khuếch đại quang Nắm kiến thức loại khuếch đại quang như:  Khuếch đại quang bán dẫn (SOA) gồm khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP-SOA khuếch đại bán dẫn sóng chạy TW-SOA  Khuếch đại quang sử dụng sợi pha Erbium (EDFA)  Khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng Raman (RFA) 220 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG Bài tập ôn tập chương Bài Trình bày trình phát triển khuếch đại quang Bài 2.Trình bày tham số khuếch đại quang Bài Trình bàybộ khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP-SOA Bài Trình bày khuếch đại bán dẫn sóng chạy TW-SOA Bài Trình bày cấu trúc khuếch đại quang sử dụng sợi pha Erbium (EDFA) Bài Trình bày nguyên lý hoạt động khuếch đại quang sử dụng sợi pha Erbium (EDFA) Bài Trình bày phổ khuếch đại quang sử dụng EDFA Bài Trình bày cấu hình EDFA bơm hai chiều Bài Trình bày khái niệm cấu trúc khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng Raman (RFA) Bài 10 Trình bàyhệ số khuếch đại độ rộng băng tần Raman Câu hỏi trắc nghiệm chương Câu 1: Phát biểu sau sai hệ thống thông tin quang? A- Suy hao sợi hạn chế khoảng cách truyền dẫn hệ thống thông tin quang B- Sử dụng trạm lặp quang điện bù suy hao cho hệ thống thông tin quang cự ly dài C- Trạm lặp quang điện đơn giản không đắt tiền hệ thống thông tin quang WDM D- Sử dụng khuếch đại quang (OA) để khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang Câu 2: Biểu thức sau Hệ số khuếch đại khuếch đại quang? đó: Pin công suất đầu vào khuếch đại quang [mW] Pout công suất đầu khuếch đại quang [mW] A- G = 2Po / Pin B- G (dB) = log (Pout / Pin) C- G (dB) = 20 log (Pout / Pin) D- G (dB) = 10 log (Pout / Pin) Câu 3: Độ rộng băng tần khuếch đại tương ứng với đáp ứng tần số quang khuếch đại G(f) đo hệ số khuếch đại G tín hiệu quang tần số khác A- Mức đo xác định điểm -2dB so với hệ số khuếch đại đỉnh khuếch đại B- Mức đo xác định điểm -3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh khuếch đại 221 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG C- Mức đo xác định điểm -5dB so với hệ số khuếch đại đỉnh khuếch đại D- Mức đo xác định điểm -6dB so với hệ số khuếch đại đỉnh khuếch đại Câu 4: Phát biểu sau cơng suất bão hòa hệ thống thông tin quang? A- Hệ số khuếch đại G tăng cơng suất tín hiệu tăng (bảo hòa G) B- Hệ số khuếch đại G giảm cơng suất tín hiệu tăng (bảo hòa G) C- Hệ số khuếch đại G khơng đổi cơng suất tín hiệu tăng (bảo hòa G) D- Hệ số khuếch đại G khơng đổi cơng suất tín hiệu giảm (bảo hòa G) Câu 5: Cơng suất bão hòa Psat, out khuếch đại quang công suất đầu điểm G giảm: A- dB B- 2dB C- dB D- dB Câu 6: Phát biểu sau sai nhiễu khuếch đại quang? A- Bộ khuếch đại gây nhiễu giảm tỷ số tín hiệu tạp âm B- Nguồn nhiễu phát xạ tự phát (ASE-Amplified Spontaneous Emission) C- Mật độ phổ nhiễu phát xạ tự phát luôn thay đổi D- Giá trị nhiễu khuếch đại: Fn = SNRin/SNRout Câu 7: Khi xét nhiễu khuếch đại, tỷ lệ tín hiệu tạp âm (SNR) thực chất là: A- SNR quang hình thành tách quang B- SNR điện hình thành tách quang C- SNR điện hình thành cân D- SNR quang hình thành cân Câu 8: Phát biểu sau sai khuếch đại quang? A- SOA gọi Bộ khuếch đại Laser bán dẫn (SLA-Semiconductor Laser Amplifier) SOA hoạt động chế độ định thiên cao dòng ngưỡng B- SLA có ống dẫn sóng rộng so với LD hai mặt phủ lớp chống phản xạ để tránh ngưỡng LD đạt hệ số khuếch đại cao C- SOA thông thường khuếch đại cộng hưởng (R1 0, R20) D- Phân loại SLA theo cấu trúc: + FP-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn có khoang cộng hưởng FP) + DFB-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn hồi tiếp phân tán) + TW-SLA (bộ khuếch đại bán dẫn sóng chạy) 222 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG Câu 9: Phát biểu sau hệ số khuếch đại khuếch đại quang bán dẫn FP- SOA? (m tần số cộng hưởng khoang, G hệ số khuếch đại thông đơn) A- Thực tế GFP tăng tới G R1 = R2 = GFP đạt đỉnh  = m B- Thực tế GFP tăng tới G R1 = R2 = GFP đạt đỉnh  = 2m C- Thực tế GFP giảm tới G R1 = R2 = GFP đạt đỉnh  = 2m D- Thực tế GFP giảm tới G R1 = R2 = GFP đạt đỉnh  = m Câu 10: Phát biểu sau khuếch đại quang bán dẫn FP- SOA? A- Dòng điều khiển 10mA hệ số khuếch đại đạt 35-40 dB, cơng suất bảo hòa 8dB với độ rộng băng tần 1-3GHz B- Dòng điều khiển 15mA hệ số khuếch đại đạt 25-30 dB, cơng suất bảo hòa 16dB với độ rộng băng tần 1-3GHz C- Dòng điều khiển 10mA hệ số khuếch đại đạt 25-30 dB, cơng suất bảo hòa 8dB với độ rộng băng tần 1-3GHz D- Dòng điều khiển 15mA hệ số khuếch đại đạt 35-40 dB, cơng suất bảo hòa 8dB với độ rộng băng tần 1-3GHz Câu 11: Phát biểu sau khuếch đại quang bán dẫn FP- SOA? A- Độ rộng băng tần khuếch đại điều hưởng -m với GFP giảm 1dB so với giá trị đỉnh B- Độ rộng băng tần khuếch đại điều hưởng -m với GFP giảm 3dB so với giá trị đỉnh C- Độ rộng băng tần khuếch đại điều hưởng -m với GFP giảm 4dB so với giá trị đỉnh D- Độ rộng băng tần khuếch đại điều hưởng -m với GFP giảm 5dB so với giá trị đỉnh Câu 12: Phát biểu sau khuếch đại quang bán dẫn FP- SOA? A- Phổ khuếch đại bị nhấp nhô phản xạ, giá trị đỉnh  =2m B- Phổ khuếch đại không bị nhấp nhô phản xạ, giá trị đỉnh  =m C- Phổ khuếch đại bị nhấp nhô phản xạ, giá trị đỉnh  =m D- Phổ khuếch đại không bị nhấp nhô phản xạ, giá trị đỉnh  =2m Câu 13: Phát biểu sau khuếch đại quang bán dẫn FP- SOA? A- Độ rộng băng tần khuếch đại (A) phần nhỏ dải phổ tự khoang FP (L=200GHz, A=20GHz) B- Độ rộng băng tần khuếch đại (A) phần nhỏ dải phổ tự khoang FP (L=100GHz, A=20GHz) 223 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG C- Độ rộng băng tần khuếch đại (A) phần nhỏ dải phổ tự khoang FP (L=200GHz, A=10GHz) D- Độ rộng băng tần khuếch đại (A) phần nhỏ dải phổ tự khoang FP (L=100GHz, A=10GHz) Câu 14: Phát biểu sau khuếch đại quang bán dẫn FP- SOA? A- Độ rộng băng tần khuếch đại (A)nhỏ nên khuếch đại FP không phù hợp hệ thống thông tin quang B- Độ rộng băng tần khuếch đại (A)lớn nên khuếch đại FP không phù hợp hệ thống thông tin quang C- Độ rộng băng tần khuếch đại (A)lớn nên khuếch đại FP phù hợp hệ thống thông tin quang D- Độ rộng băng tần khuếch đại (A)nhỏ nên khuếch đại FP phù hợp hệ thống thông tin quang Câu 15: Phát biểu sau sai khuếch đại quang bán dẫn TW- SOA? A- Cấu trúc dẫn sóng thay đổi: ống dẫn sóng lớp tích cực chạy xiên, hai đầu bọc lớp chống phản xạ B- Giảm ngưỡng LD, tăng hệ số khuếch đại, mở rộng phổ khuếch đại C- Hệ số khuếch đại lớn (>10 %) D- Có chênh lệch phản xạ bề mặt Câu 16: Đối với khuếch đại quang bán dẫn TW- SOA hệ số phản xạ thỏa mãn G√(R1R2) < 0,17 chênh phản xạ bề mặt: A- G < B- G < C- G < D- G < Câu 17: Đối với khuếch đại quang bán dẫn TW- SOA có điều kiện: √(R1R2) < 0,17.10-4 hệ số khuếch đại: A- G=1000 B- G= 100 C- G= 500 D- G= 800 Câu 18: Phát biểu sau khuếch đại quang bán dẫn SOA? A- Nhạy cảm với phân cực cần mắc song song SOA trực giao, phân tập phân cực quay phân cực 224 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG B- Nhạy cảm với phân cực cần mắc nối tiếp SOA trực giao, phân tập phân cực quay phân cực C- Không ảnh hưởng phân cực cần mắc nối tiếp SOA trực giao D- Không ảnh hưởng phân cực cần mắc song song SOA trực giao Câu 19: Hệ số nhiễu khuếch đại quang bán dẫn SOA có giá trị sau: A- 2-3 dB B- 3-7 dB C- 7-12 dB D- 5-10 dB Câu 20: Suy hao ghép nối khuếch đại quang bán dẫn SOA có giá trị: A- < dB B- 2- dB C- 3- dB D- ≥ dB Câu 21: Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA: A- Ít dùng để khuếch đại tín hiệu WDM B- Được dùng nhiều để khuếch đại tín hiệu WDM C- Sử dụng với số lượng khoảng 50% tổng số khuếch đại tín hiệu WDM D- Sử dụng với số lượng khoảng 60% tổng số khuếch đại tín hiệu WDM Câu 22: Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA: A- Ít dùng chuyển đổi bước sóng, chuyển mạch quang B- Được sử dụng nhiều chuyển đổi bước sóng, chuyển mạch quang C- Sử dụng với số lượng khoảng 50% tổng số khuếch đại chuyển đổi bước sóng, chuyển mạch quang D- Sử dụng với số lượng khoảng 25% tổng số khuếch đại chuyển đổi bước sóng, chuyển mạch quang Câu 23: Bộ khuếch đại sử dụng sợi pha Erbium (EDFA) có đặc điểm sau: A- Q trình bơm tiến hành theo hướng thuận B- Quá trình bơm tiến hành theo hướng nghịch C- Q trình bơm tiến hành theo hướng thuận nghịch D- Không cần bơm Câu 24: Phát biểu sau Bộ khuếch đại sử dụng sợi pha Erbium (EDFA)? 225 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG A- Bộ cách ly quang ngăn nhiễu phản xạ tín hiệu truyền dẫn theo hướng ngược lại làm tăng chất lượng khuếch đại B- Bộ cách ly quang ngăn nhiễu phản xạ tín hiệu truyền dẫn theo hướng ngược lại làm giảm chất lượng khuếch đại C- Bộ cách ly quang ngăn nhiễu phản xạ theo hướng ngược lại làm tăng chất lượng khuếch đại D- Bộ cách ly quang ngăn nhiễu phản xạ tín hiệu truyền dẫn theo hướng thuận lại làm giảm chất lượng khuếch đại Câu 25: Phát biểu sau sai nguyên lý hoạt động khuếch đại sử dụng sợi pha Erbium (EDFA)? A- Ion Er+3 hấp thụ photon laser bơm chuyển lên mức lượng cao B- Ion kích thích sau thời gian chuyển mức lượng cao C- Phát xạ photon bao gồm phát xạ tự phát D- Phát xạ photon bao gồm phát xạ kích thích Câu 26: Phát biểu sau sai phổ khuếch đại sử dụng sợi pha Erbium (EDFA)? A- Phổ EDFA phụ thuộc chất đồng pha tạp B- Phổ EDFA phụ thuộc công suất bơm C- Phổ EDFA phụ thuộc mức lượng D- Phổ EDFA phụ thuộc nồng độ Er Câu 27: Phát biểu sau sai Bộ khuếch đại sử dụng hiệu ứng Raman? A- Bộ khuếch đại Raman hoạt động sở tán xạ Raman kích thích (SRS) sợi quang silica có ánh sáng bơm B- Photon kích thích phát xạ photon khác có bước sóng pha Photon khơng lượng C- Photon bơm lượng để tạo photon khác có lượng nhỏ tần số thấp Năng lượng lại bị hấp thụ mơi trường dạng dao động phân tử (phonon quang) D- Bơm để cung cấp khả khuếch đại Câu 28: Phát biểu sau sai cấu trúc khuếch đại sử dụng hiệu ứng Raman? A- Tín hiệu (tần số ωs) sóng bơm (tần số ωp) qua coupler đến sợi quang B- Năng lượng chuyển từ sóng bơm sang tín hiệu thơng qua SRS giống hai sóng truyền sợi C- Tín hiệu sóng bơm truyền đồng thời theo cấu hình bơm thuận ngược D- Có thể hoạt động với số sóng mang định tương ứng với sóng bơm phù hợp 226 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG Câu 29: Phát biểu sau cấu trúc khuếch đại sử dụng hiệu ứng Raman? A- Dùng nhiều nguồn bơm để tăng độ rộng băng tần khuếch đại B- Dùng nguồn bơm phù hợp để tăng độ rộng băng tần khuếch đại C- Số lượng nguồn bơm không liên quan độ rộng băng tần khuếch đại D- Số lượng nguồn bơm tỷ lệ nghịch với độ rộng băng tần khuếch đại Câu 30: Phát biểu sau sai hệ số khuếch đại độ rộng băng tần Raman khuếch đại sử dụng hiệu ứng Raman? A- Quan hệ hệ số khuếch đại Raman hệ số khuếch đại quang: g(ω) = gR(ω) (gR / aP)với ap diện tích vùng bơm sợi, gR/aP hệ số khuếch đại Raman B- Đỉnh hệ số khuếch đại dịch13,2 THz (khoảng 100nm) so với bước sóng bơm C- Độ rộng băng tần khuếch đại khoảng 6THz D- Thực tế, phổ khuếch đại Raman đạt mức lớn 15 THz 227 CHƯƠNG IX KHUẾCH ĐẠI QUANG TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình chính: [1] Hệ thống Thông Tin Quang, tập 1, 2, Vũ Văn San, Nhà xuất Bưu Điện, 2008 [2] Công nghệ IP WDM, Cao Hồng Sơn, Nhà xuất Bưu Điện, 8-2005 [3] Công nghệ mạng quang hệ sau, Hoàng Văn Võ, Nhà xuất Bưu Điện, 2008 Sách tham khảo: [4] Optical Fiber Communications, G Keiser, Third edition, McGraw-Hill, 2001 [5] Fiber-Optic Communication Systems, G P Agrawal, Fourth edition, John Wiley & Sons, 2010 [6] IP over WDM, Kevin H Liu, John Wiley & Sons, Inc, 2002 228 PHỤ LỤC ĐÁP ÁN CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Đáp án chương I c c b a c b d a b 10 a 11 b 12 b 13 d 14 a 15 d 16 c 17 c 18 d 19 b 20 a 21 b 22 c 23 b 24 d 25 b 26 a 27 d 28 c 29 b 30 b Đáp án chương II a d a c a c b c b 10 c 11 a 12 c 13 c 14 b 15 b 16 c 17 b 18 d 19 c 20 b 21 b 22 b 23 d 24 c 25 d 26 b 27 c 28 a 29 d 30 c Đáp án chương III b d b a a c c b a 10 b 11 d 12 b 13 a 14 c 15 a 16 b 17 c 18 d 19 c 20 b 21 d 22 c 23 d 24 c 25 c 26 d 27 c 28 c 29 d 30 b Đáp án chương IV c c b d d b b c a 10 c 11 c 12 b 13 b 14 a 15 a 16 c 17 b 18 a 19 a 20 d 21 a 22 b 23 a 24 b 25 a 26 d 27 c 28 d 229 Đáp án chương V d c d c b a a c d 10 c 11 d 12 d 13 a 14 b 15 d 16 b 17 c 18 d 19 a 20 b 21 c 22 d 23 c 24 d 25 b 26 c 27 a 28 b 29 d 30 c 31 b Đáp án chương VI c d b a c a c d a 10 c 11 d 12 c 13 b 14 c 15 a 16 c 17 b 18 c 19 d 20 a 21 c 22 b 23 b 24 d 25 d 26 c 27 c 28 a 29 c 30 b Đáp án chương VII c d a b d a b c d 10 d 11 a 12 d 13 c 14 d 15 c 16 c 17 d 18 c 19 c 20 d 21 c 22 b 23 c 24 b 25 a 26 a 27 b 28 a 29 d 30 d Đáp án chương VIII b b a b b a d b b 10 c 11 a 12 b 13 d 14 b 15 b 16 c 17 d 18 c 19 b 20 d 21 c 22 b 23 d 24 c 25 b 26 c 27 b 28 b 29 d 30 c Đáp án chương IX c d b b c c b a d 10 c 11 b 12 c 13 d 14 a 15 c 16 a 17 a 18 b 19 c 20 d 21 a 22 b 23 c 24 b 25 b 26 c 27 b 28 d 29 a 30 d 230 ... THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1.1 KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG Thông tin quang thông tin truyền qua hệ thống truyền tin sợi quang Hệ thống thông tin quang. .. THÔNG TIN QUANG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1.1 KHÁI NIỆM THÔNG TIN QUANG 1.1.2 Q TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THƠNG TIN QUANG 1.1.3 ĐẶC TÍNH CỦA THÔNG TIN. .. học thơng tin quang vào chương trình đào tạo kỹ sư chun ngành điện tử, thơng tin Cuốn giáo trình thơng tin quang biên soạn nhằm trang bị kiến thức, kỹ cho sinh viên thông tin quang Giáo trình gồm