Mô phỏng hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch đại sợi quang kích hoạt bằng erbium

E D FA ’s technical parameters and the influence of fiber cable attenuation, of fiber cable dispersion are evaluated to meet optical transmission system s’ requireme[r]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN

ĐỂ TÀI

M Ô P H Ỏ N G H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T IN Q U A N G S Ử D Ụ N G K H U Ế C H ĐẠI SỢ I Q U A N G

K ÍC H H O Ạ T BẰ N G E R B IU M

Mã số: QT- 03- 29

Chu trì đề tài: TS Phùng Quốc Bảo

P TI Ặ Ị f

M Ô P H Ỏ N G H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T IN Q U A N G SỬ DỤNG K H U Ế C H ĐẠI SỢI Q U A N G

K ÍC H H O Ạ T BẰNG E R BIU M

Mã số: QT - 03 - 29

Chủ trì đề tài: TS Phùng Quốc Bảo Cán tham gia: ThS Nguyễn Tuấn Anh

PHẦN I

BÁO CÁO TÓM TẤT

1 T ê n đ ề tài: M ô p h ỏ n g hệ thốn g thông tin q u a n g sử d ụ n g k h uế ch đại sọi quang kích hoạt bằn g Erbium

2 C h ủ t r ì đề tài: TS P h ù n g Q u ố c Bảo

3 C n b ộ t h a m gia: ThS N g u y ễ n Tuấn Anh CN Lê H n g Sơn 4 M ục tiêu nội d u n g n g h iê n cứu:

a) M ục tiêu:

Xây dựng ch ươn g trình mô ph ỏng s ố đặc trưng củ a EDFA ứng dụng để trợ gi úp thiết k ế tuyến truyền dẫn q ua ng hệ thống ihồng tin sợi quang

b) Nội dung:

- N g h i ê n cứu hoạt động m ột hệ thố ng thông tin quang - Phan tích ảnh hưởng củ a suy hao toàn tuyến, đ áp ứng thời gian, thời

gian tăng quỹ côn g suất qu ang tuyc'n truyền dẫn quang - M ô p hỏ ng xây dựng thuật tốn cho cấu hình E D F A với chức

năn g tiền k h u ế c h đại, khu ếch dại đư ờng truyền, khuếch dại công suất

- Viết c hư ơn g trình mơ ph ỏng theo ng ơn n g ữ Visual Basic môi trường W i n d o w

5 Các kết đạt được:

a Phân tích hoạt độ ng số khối qu an trọng hệ thông th ông tin quang : khối n gu ồn quang, trạm đáu c u ố i

b N g h i ê n cứu m ột số cấu hình truyền dÃn q u a n g thơng số chính: độ suy hao, tán sắc, ng suất d ự phị ng, cơng suất p e n a l t y làm c sở cho việc xây dựng cá c ch ơn g trình mơ c Phcìn lích hoạ t động, chức năn g E D F A n hữ ng cílíu hình

k h u ế c h đ i s ợ i q u a n g tiêu c h u ẩ n t u y ế n t r u y ề n d ẫ n Cik' t h ô n g số ban củ a c h ú n g (hệ số khuếch đại, g slít xạ lự plìát dược k h u ế c h đại, tý số S / N Ạ Cùng với thông s ố tuyến luyén dẫn, cá c th ôn g s ố k hu ếc h dại sở để xây dựng chương Iiìnli m

6 T ình hình k in h p h í c ủ a đ ề tài:

Tổng kinh phí củ a đề tài: 10.000.000 đồn g (Mười triệu đ n g chán )

Số kinh phí quy ết tốn đú n g thời hạn vào th án g 12/2003 tlico c h ế độ tài chính, đ ú n g d ự trù ban đầu, cụ thể là:

Muc Nội d u n g Số tiền

Mục 109 T h a n h tốn dịch vụ n g cộng

Tiết 01 Tiền điện, n c 0 0 đ

Mục 110 Vạt tư văn p h òn g

Tiết 01 V ãn ph òng phẩm 0 0 tl

Muc 112 Hội nghị 0 (1

Tiết 01 - In, m u a tài liệu ốOO.ƠOOđ

Tiết 02 - Chi bồi dưỡng báo cáo viên 0 0 cl

Mục ] 14 Chi phí thuê mướn

Tiết 04 - T h u ê thiết bị 0 0 0 đ

Tiết 06 - T h u ê c h u y ê n gia nước 0 0 cỉ

Tiết 07 - T h u ê lao động nước 1.000.000 đ

Mục 119 Chi phí n g h iệ p vụ củ a ngà nh

Tiết 01 - Vật tư 1.000.000 ct

Tiết 15 - Q u ả n lý phí 0 0 đ

Hỗ trợ đào tạo N C K H 30 0 đ

T ổn g cộn g 10.000.000 d

Xúc nhận B C N K hoa Vật lý Chủ (rì dổ tài

TS N g u y ễ n T h ế Bình TS P h ù n g Q u ố c Báo

REPORT

1 Project:

Simulation o f optical c o m m u n ic a ti o n s yst em s us ing Er b i u m - doped fiber amplifiers C o d e : Q T - 03 - 29

3 H ead o f P r o ject: Dr Phung Quoc Bao

4 M e m b e r s : MSc N g u y e n Tuan Anh

Bac Lê H o n g Son

a) Object: Simulation o f E D F A s ’ main characteristics for assistance of designing optical tra nsmission lines in optical fiber c o m m un ic at io n systems

b) Research Problems:

- Investigating the basic operations of an optical liber com m un ic al io n systems

- An alyzing Ihe influences o f overall attenuation, temporal response, rising lime and optical po we r budget in transmission lines

- Proposing simulation algorithms for E D F A conf igur atio ns (preamplifier, in-line and po w er amplifiers)

- Writing sim ul at io n progra mes in Visual Basic l ang uag e exccutccl oil W i n d o w platform

5 M a i n r e s u l t s :

- Analysis o f s y st em operation and optical transm iss io n lines' main par ame ters (allcnuation, dispersion, penalty p o w e r .)

- Analysis o f E D F A s ’ functions in standard amplifier conf igu ratio ns used in optial tra nsm iss io n lines with allowance for E D F A s ’ imporUml para me ters (gain, ASE power S/N ratio )

- Based 011 Ihc a b o v e - m e n t i o n n e d parameters, the relevant algorithms

have been propo sed for invertigation o f s o m e principal E D F A s ’

characteristics Simulation packages arc written in Visual Basic, cxccutcd on W i n d o w platform, for main E D F A functions (preamplifier, in-line & pow er amplifiers)

P H Ầ N 11

M Ụ C L Ụ C

1 M đàu

2 Nội du n g đề tài Kết luân

1 Mở đầu

Các hệ thống thông tin cáp quang, ưu điểm nó, dã dang dược nghiên cứu phát triển yếu tố vơ quan trọng ngành viễn thơng, hình thành nên nhiều loại hình dịch vụ phong phú, góp phcìn nAng cao chất lượng Ihơng tin, nhanh chóng đáp ứng địi hỏi ngày cao ciia đời sơng xã hội thời kỳ Một thành công áp dụng mạng quang việc phát minh đưa vào ứng dụng khuếch đại quang Việc sử dụng sợi quang có pha tạp chất (đất - nguyên tố Erbium) làm nên khuếch đại tín hiệu quang, có tên gọi khuếch đại sợi quang pha tạp nguyên tố đất (EDFA) có ý nghĩa lớn việc tăng tốc độ cự ly tuyến truyền dẫn

Hiện nay, mạng viễn thông Việt Nam qua trình đầu tư, nâng cấp từ nfun 1992 dã có tốc độ dường truyền cao cữ nhiều Gb/s, phát triển trơn tl liền, biển, nối liền tỉnh từ Bắc vào Nam, nước khu vực giới Các tuyến cáp quang tốc độ đường truyền cao nước ta gồm có :

- Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING W D M 20 Gb/s HNỈ-HCM sử

dụng thiết bị hãng Nortel Canada

- Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING SDH 2,5 Gb/s HNI-HCM sử

dụng thiết bị hãng Nortel Canada

- Tuyến truyền dẫn quang liên tỉnh RING SDH 2,5 Gb/s HNI-VYN-

VTI-TQG-TNN sử dụng thiết bị hãng Fujitsu Nhật Bản

- Tuyến iruyển dẫn quang liên tỉnh quốc tế RING SDH 2,5 Gb/s

Trung Ọuốc-LSN-QNH-HNÍ-VIH-Lào sử (lụng thiếi bị CÚH lifmg Fujil.su Nhật Bán

- Tuyên liuyền cỉẫn cáp quang biển quốc tố SE A M E W E WDM 2()Gb/s

nối liổn 35 nước từ Đồng Bắc Á đến Ch Au Âu Đoạn Trung Quốc-Việt Nam-Singapore (lài 4600 Km

Vấn đề nghiên cứu sâu đặc trưng EDFA giúp chúng ta: > Đánh giá xác sản phẩm thương mại chào bán

> Lựa chọn nhà cung cấp thiết bị phù hợp cho nhũng dự án quốc gia cho tương lai

> Giảm chi phí mua sắm thiết bị > Tối ưu hoá mạng lưới

'r NAng cao chất iượng dịch vụ cung cấp, trình độ khai thác hệ thống Trên giới, hướng nghiên cứu lý thuyêì tập trung vào nghiên cứu EDFA hộp đen với thông số vào/ra [1], khảo sát dộng học khuếch đại EDFA với mơ hình hệ ngun tử nhiều mức [2,3],

Trong hệ thống thông tin viễn thông nay, tuyến truyền dẩn quang điến hình thường bao gồm khuếch đại công suất lối phát, chuỗi khuếch đại đường truyền tiền khuếch dại trước tlni Việc lựa chọn kiểu loại, đánh giá số lượng EDFA cíỉn sử clụng đóng vai Irị quan Irọng Irong hỗ trợ lliiết k ế tuyến truyền dẫn quang nói riêng tồn hệ Ihống nói clning.

Trong đc tài này, xuất phát từ việc khảo sát mối liên hệ thông số vào/ra EDFA hộp đen thông số đường tniycn, cluing tỏi (lã xày dựng thuật tốn, chương trình mơ cho phép lựa chọn kiểu loại, đánh

Power Amp Chain of Amp Pre Amp.

Mình Tuyến truyển dẫn quang điển hình

2 Nội dung đề tài

Phân tích hoạt động khối nguồn quang, trạm đầu cuối, số cấu hình truyền dẫn quang thơng số chính: độ suy hao, tán sắc, quỹ công suất, công suấl bù hệ thống viễn thông quang học sử dụng sợi quang đơn mode

Phân tích hoạt động, chức EDFA (được mơ hình hóa mội hệ nguyên tử mức hiệu dụng) cấu hình khuếch đại sợi quang tiêu chuẩn tuyến truyền dẫn thông sớ chúng (hệ số khuếch đại G, công suất xạ tự phát khuếch đại PASE, tỷ số S N R

Kết phân tích cho thấy yêu cầu cấu hình chức EDFA tiêu chuẩn sau:

❖ EDFA công suất : hệ số khuếch đại lớn, nhiễu nhỏ, công suất bơm trung bình, mật độ ion Erbium lớn cơng suất tín hiệu lớn

*1* EDFA tiền khuếch dại : hộ số khuếch đại vừa phải, nhiễu nhỏ, cơng SIIÍÌÌ bơm trung bình, mật độ ion Erbium khổng cán lởn cống suất tín hiệu nhỏ.

* EDFA đường truyền : hệ số khuếch đại IỚI1, nhiễu nhỏ, công suất bơm nhỏ, mật độ ion Erbium lớn cơng suất tín hiệu nhỏ

Theo phương pháp quỹ cơng suấl [4], độ hao phí cổng suất quang tồn phần PT tính cơng thức:

PT = Ps - PH = {aỊ + a l )d + a + D L + System - ni arg in

với Ps - cơng suất tín hiệu từ phát;

Pn - ngưỡng nhạy công suất thu;

(XỊ - suy hao sợi quang;

(X - s u y h a o l i ế p xúc ;

a , - suy hao đấu nối;

Dl - công suất bù, Dl (dB) = { l4 ĩơ B r )*, ơ độ rộng phổ tồn phương trung bình, B T - tốc độ bit (bit rate);

S y s t e m - m a r g i n là số hạng đặc trưng cho già hóa linh kiện thăng giáng

nhiệt độ

Chất lượng tuyến truyển dẫn quang nói chung đánh giá tỷ số lỗi bit BER biểu thị cách gần qua hộ số Q sau:

•Jin Q

Với giả sử tín hiệu bit / 5(0) = 0, ổn tổng cộng cà hai bit I , tức N ml(0) = jV,0, (1) = jV, ,, hệ số Q tính sau:

Đối với EDFA cơng suất tiển khuếch đại, ồn tín hiệu-tự phát trội, hệ số Q tính theo biểu thức sau:

trong

Pm : cơng suất tín hiệu lối vào EDFA; /í : số Planck;

V : tán số tín hiệu quang [Hz];

fíc : giải thông điện (electronic bandwidth); /;v, : thông số nghịch đảo

Đặc trung ổn khuếch đại quang EDFA biểu thị qua số ổn NF (noise figure) định nghĩa sau:

p

N F _ r A St +

hvBaG G

trong

: giải thơng quang (optical bandwidth);

G : hệ số khuếch đại EDFA tần số tín hiệu quang ^

Theo định nghĩa, hệ số khuếch đại G EDFA (tính dB) tán số tín hiệu quang V là:

G{dB) = 10 log ' po ul

Khi tính đến ảnh hưởng công suất xạ tự phát khuếch đại pASt:

G{(iB) = 10 log 10 x !'g,m‘~ou' ASE

-tn

Công suất xạ tự phát khuếch đại PASF tần số tín hiệu quang I' tính sau [ 1,5J:

PASK = Ih v n ^ B Ậ G -X )

với n!r Ổn xạ tự phát

Đối với tiền khuếch đại khuếch đại công suất, tỷ số tín hiệu ồn SNR tính công thức [1]:

GP

SNR = - — -4hvnyiBc{ G - \ )

Trên tuyến truyền dẫn dài, thông thường phải sử dụng chuồi EDFA Ký hiệu SNR tỷ số tín hiệu ổn sau EDFA thứ i giả sử hộ EDFA có hệ số khuếch dại vừa đủ để bù độ suy hao giãn cách truyền dần ưưức Khi dó, chi số ổn toàn tuyến là:

SNRU SNRU SNR SNR,

Ạ / / / — SNR0 _ SNR„ SNR, ° — A

SNRA "" M , SNR2 SNR„

với S N R U là tý số tín hiệu ổn lối vào chuỗi Trong thang logarit, chi sơ 011 tồn hệ thống viết dạng:

Có hai cấu hình chuỗi EDFA: EDFA đặt trước giãn cách truyền (hình 2) EDFA đặt sau giãn cách truyển (hình 3)

Trong trường hợp thứ nhất, với giả sử công suất lối vào chuỗi Pin không phụ thuộc vào hộ số khuếch đại G EDFA hao phí L giãn cách truyền, tỷ số SNR lối chuỗi viết dạng:

SNR = ặ — -4 N ntph v B ' { G - \ ) L

Hệ số khuếch dại toàn phần hao phí tồn phần liên hệ với theo hệ

r = — = r iVỊ = _L ịN

L tot L

Và ta viết lại biểu thức SNR toàn phần:

P G " N

thức:

SNR, =

( ; r - \)N

Bi ểu lliức trơn cho thấy SNR tồn phần lớn N = I, tức CÀU dùng EDFA có G đủ lớn giãn cách EDFA lớn đirực Những hạn chế thực tế cho thấy chế tạo hộ khuếch đại có G q lớn

Hình EDFA trước giãn cách truyển

Trong cấu hình thứ hai, tỷ số SNR lối chuỗi là:

p

SNR, = -

— -2 4 A r>tsrh v B ' ( G - ] )

Khác với trường hợp trên, Pin đo đầu vào sợi quang cùa íiiãn cách linr Tương tư, ta viết:

/:„ I _ Ị l I L((J)

Hệ thức cho thấy tỷ số SNR cải thiện tăng số khuêch đại chuỗi N giảm khuếch đại EDFA Khi N lớn, tỳ số đạt cực đại:

p I

SNR = —-JS- - —

4 n,ph v B ' Ln(G„„)

Hình EDFA sau giãn cách truyền

Khi thiết k ế tuyến truyền dãn quang, ta cần quail tAm đến khoảng cách truyền dân, lốc độ truyền liệu, tỷ lệ lỏi bít BER Ngồi ra, ta cịn phải tính đến hai yếu tố đảm bảo hoạt động hệ thống:

1 Ọuỹ cổng suất đường truyền (link povcr budget), (ló phải quan tAm đến quỹ tiêu hao đường truyền (link loss budget)

2 Thời gian tăng (rise time) ảnh hưởng đến tốc độ hệ thống: + Thời gian tâng đầu phát (transmiter rise time - Tu );

+ Thời gian tăng sợi quang tán sắc vật liệu (material dispersion rise lime of lhe fibre - T mal)

+ Thời gian tăng sợi quang lán sác mode (modal dispersion rise lime - T 1 moil/*)

+ Thời gian táng đầu thu (receiver rise time - T rx)

Các thông số EDFA: Hệ số khuếch đại (G), số ỒI1 (NF), cò n” suất lối vào )Pin), cơng suất bão hồ (Psa(), cơng suất nhiễu phát xạ tự phát (P ), Các thông số nhà sản xuất ghi kèm theo sản phẩm

Từ thông số EDFA thông số tuyến truyền dẫn, ta xây dựng đường đặc trưng khuếch đại quang Để phục vụ cho viộc thiết k ế tuyến truyền dẫn dùng EDFA, ta cần tìm hiểu số đường đặc trưng p„n = f(G, NF), BER = f(pin, PSp), thay biểu diễn hàm ví dụ Pin = f(G, NF), ta khảo sát hàm Pin = fl( G) cố định NF hàm Pm = f2(NF) cố định G

Như đề cập trên, đề tài này, ta xét cấu hình CÍÍC đirờng dặc trưng tương ứng với cấu hình, cụ thể là:

* Cấu hình EDFA tiển khuếch đại với hai đường đặc trưng:

+ Pm = fl( G) cho trước NF, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dãn, cơng suất dự phịng

+ Pjn = f2(NF) cho trước G, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền clÃn, cơng suất dự phịng

* Gíu hình EDFA làm khuếch đại cơng suất với hai đường đặc trưng:

+ Pm.= fl( G ) cho trước NF, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dẫn, cơng suất dự phịng

+ Pjn = 1'2(NF) cho trước G, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ trun dẫn, cơng suất dự phịng

* Cấu hình EDFA làm khuếch đại đường truyền với đường đặc trưng:

Cự ly từ EDFA -> đầu thu = f (cự ly từ đầu phát -> EDFA) cho trước NF, G, Psap p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dãn, cơng suất dự phịng

* Cấu hình chuỗi EDFA với hai đường đặc trưng:

+ Pin = f(giãn cách EDFA) cho trước NF, cự ly truyền clÃn, p, hước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dãn, cơng suất dự phòng

+ Số EDFA = f(Pin) cho trước G, NF, p, bước sóng, độ suy hao, tốc đ ộ t ruyền dẫn, c ổ n g suất dự phịng.

Bộ chương trình với thuật tốn tương ứng với chức cùa EDFA viết ngôn ngữ Visual Basic chạy Window có giao diện minh họa hình 8-11

1 lình Lưu dồ mỏ tính tốn

N Ilijp liệ u H ill iiììu

T ín h I i'm S i l l

( 'ố cl ị n il N I \( í K ln ii g iín 1)1=0

K ỏ l lln íc

T in h l ’,„ = I(C Ì,N I )

Tính 1)2 = 1(1)1)

l i i c ( I k i t ( l i r I I I ( I ) , l ) I )

T U Y Ế N T R U Y Ề N D Ẩ N Q U ANG EDFA Ỉ.À M P R E A M P ĨAFTERS T h ô n g s ô " đ ầ u v o :

c s Phát: -5 [dBm]

Jj

c s Dự phòng: 6 (dB]

Bưđc sóng: ] 0 [nm]

Suy hao: 0.25 [dB/Lm]

Jj

Tốc đổ: STM-64

U ể SỐNF: 6 [dB]

ĨẼJ

n<? s ố KĐ: 16 [dB] -±.1

17 Kjcm tra thơng thưởng:

I7 Tínb ứ ế u tán sấc[ps/nm /K m ]: 1 “ J

c ự LỴ ị \ {KmJ

2 -: 200

150

lO O

50

0

H m f ( G ) H m F(NP9

~ I T T t t t it ’| - i it i i T - p r —T-T-T—p r r - 7- T

9 i> IV l i 2 '<!.>

N P G [<1RJ

G f d B l P i n f d B m l C l v [ K m l. Tố i ưu: G: 12.1 rin: - 41.6 Cự ly: 118.3

T Ỉ N H T Ố Á N Ì C A U H Ì N H K Ế T T B t í C N o r : G: 16.; Pi u: -4 8; C ự ly: 119.

i i S t i l t j: 1 z, tnứai; 1 t h f i c o e d - l ft Míti? |ĩ3 c o r a'Mtcm j t! t m l a m A l J &£&>aL| CiT^n fcJir.’J 10.43*» I

H E E i g E a g s m s a E s i

T U Y Ế N T R U Y Ề N D Ẫ N OUANG

EDFA L À M POWER - A M P

w m m m m m m p r w z a s ii

P h ổ n g s ố đ ầ u v o :

c s Phát: [ d B m ] “ j1

c s Dự phóng: [ d B ] “

Hiíđc sóng: 15 0 [ n m ] =J

Jli

Suy hao: [ d B / k m ]

T ố c d<5 : STM-64

Il<? SỐ N F : M B ] ■zA

JLÌ

H<? XỐ K Đ : 16 [d B J

J j

& K i ể m tra í h n g t.hirđng:

- T í n h d ổ n t n s a c f p s / n r a / K m ] : 1*2

c ự LY jTCmJ

250 :

7 0

150

-100

-50

0 ;

l l a f(G) I m f(HF)

8

3 4 5 6 7

r-r— ; I , , I ; I I I ■' I I I I I I I I -^

1 s 15 :ư> 15 'fit

N F G [ d B ]

- G ĩdBI Cư ]y [Kml -

-T ó i líu: G: 1 C ự ly: 1 Nor : G: 16.; C ự ly: 19 1 T Í N n T O A N J CAT? H Ì N H I K Ế T T I Ĩ Ứ C ị Nor : G: 16.; C ự ly: 19 1

ft Si J it Ị Ị Ã i - i c i y n g Ha I ’^ n ịt ĩ n -» lc i Ị t í Há tiọ ihifi y é, ,j ij> £C'f’AiiroP'& ĨT M io o ^ i V-'CT II o E0FA làn> ịỊ<$jl&< 'jj í õ ỹ I

Lr r r r - V —TT ■ f •• - —

T U Y Ế N T R U Y Ề N D Ẫ N Q U ANG

EDFA L Ả M ỉ N ỉ ỉ N E - A M P S g ụ

Ị T h u g sổ dầu vào:

: c , s P h ấ t

Bư đc sóng: Suy hao:

T ố c í1 ổ :

Hổ s ố NF: H ể s ố KĐ:

cs b ão hoà:

~ Tính đ ể o tán s ấ c[ p s / ũ m / K m ]: 2

v o : D

pcm l :

5 dBm] d 125 -i

1500 [nm j =Ji

j J : 100 0.75 [dB/km]

J j : 75

-STM -64 £j-

J j ; 50

-3 [dB]

• ■' 2 s s

lõ [dBJ - i

-0.0

5 [dBm] Tj:■

=1

D2

TÍ NH TÕXnỊ CẤƯ h ì n h KẾT THÚC

< i S t * f i j ị ị I f t y HiCfC’ trft I 1*3 CPPAiàm, ị ịtạ Ĩ F A 1

2 50 75 100 (2

DI [Km)

D l: T h át -> EDFA: D2: EDFA >Thu i

ỉ K hoàng các.li [K m l: D l:2.3.9; D?.:84.2 ị

T U Y Ế N T R U Y Ề N D Ẩ N Q U A N G

E D F A L À M C H A I N S - A M P

Thổng s ố dầu vào:

l i

B V M q

I

Cự ly truyền: 2 0 [Km]

Birđc sóng: 1500 [nm]

Suy hao: 0.25 [dB/km]

Tốc đổ: STM 64

H é S Ố K D : 1 [ d B ]

nẻ S Ó N F : [dBJ

3 C ự l y g it f a C.-ẤC A m p [ K í n ] :

3 X c đ ị n b N : C h o P i n [ u i W ] :

r;7 Tínti tán sắc [psÀim/Km]: 0.5 _ u

l i JL)

- I

1750 P ĩn (ftfe p ) Ị Kia |m W J 3S

V ™ " KCG^iní/ 1ÍU0

1050

-1000

7 5 0

250

10 \

\ / I

7 „ 25

"1T-?> 5 75 « ' n ?

Khốt!,!} cách ịKmị c TJBJ

- <(»

- 7.5 IV

15

l'» _ 'v

c

‘ K c t q u ả tính t o n :

-C ự I y: 0 0 K i n ; G :2 0 d B ; P i n :1 4 I I | W T Í N H T O Á N I C Ấ U H Ì N H I K Ế T T H Ứ C I Pin: 2 0 i n W ; G : 1 0 d B ; ,số b ổ :

Itsi.nl Ị: : fc -mcji j £ I ET'FA - y >towJL o £W tt Ị >sst)fAià Ị|t-> EOTA I ■fi-fcl'iri õĨ3<sy

T o rn iin iiln At.tcnual.im i D isp n rsim i v.’irl iciil

(clB/km ) (p s/m n/lun) h (k ill)

I In n n i-N n m d in h 0.238 1CI.33 nr>

T h n n lilin n -V in h 0.240 ỉ (',.22 M-l

Iln t in h -R o n 0.245 m ì G í)7

D o n Ị')io i-l)ơ n g lm 0.251 1(’».J5 í)7

IIu o -D n n n n g 0.243 K ',.27 10!)

D a n n n g -Q u n n g n g n i 0.254 1G.12 '10

Q u yn h o n -T ú y h o a 0.253 LG.-1G M

Q u y n h o n -A n k h e 0.249 1G.20 f i7 * *

T u y h o n -N lia trn n g 0.242 1G.4T 'jr

N lia trn n g -P h n n rn n g 0.248 ìn c a |()(>

N m m o t-P h a n U iio l 0.232 ìn.Gí) 91

P lm n l.liic t-X u n n lo c 0.25G jn 4!) ] 17

Lcnglli ALL Dis Oonfigurnl ions (kin) (cin/

km) (pa/mn/lun) Prc-mnplifior I’ow.nmplificr Clinin Pon

(nL 1« m)

Mnx lptiRl.il

(lon)

1’oa (rit ùm)

Mnx lrnp;lh

(kill)

Bci'inninr' poMÌI inn

(k 111)

Sl r|> (kill)

NmnUni

DG* 0.2'1 !Hi Hl.o (ỈM OH X X X

144* 0.25 1 G.22 'M w\0 (i-l VO X X X

97* 0.25 10.10 07 80.!) 07 (•,!) X X X

97* 0.25 iG.ar, !)7 79 r> nc r,r> X X X

109* 0.2-1 16.27 109 80.7 07.c.r, X X X

] -10* 0.25 10 IX MO HO ] r>r;.7'i X X X

114* n.ỵr, 1GMG MA 79.1 nr; 07 X X X

G7* 0.25 1G.20 X 80 n GV.KỈ X X X

125* 0.24 lfi.'lG 125 80.1 07 .10 X X X

106* 0.25 HỈ.GH 10G 78.8 f.(j 11 X X X

94* 0.23 JG.G9 ÍM 80.2 (57.ÍM X X X

117* 0.2G 19.49 117 78.7 r>r>.r>7 X X X

150 0.25 10.50 150 19A X GG.:i7 :ìv ;t :!7.n •>

200 0.2 r> 16.50 X 79 '1 GG :i7 97 (•> '17 M

250 0.25 16.50 250 79.-1 X (ỈG.37 M ;i r>

300 0.25 10.50 :ỉoo 79.4 GG.37 07 c, r,

400 0.20 16.00 400 8G.1 73.49 1 ) 2 '1 '1 n

500 0.20 IG.00 500 80.1 X 7.VIÍ) 'M.1 '1 '1 10

3 Kết luận

Trên sở lý thuyết tuyến truyền dẫn quang khuếch dại EDFA đổ tài đề xuất giải pháp, thuật tốn, xây dựng chương trình IĨ1Ơ phòng k h áo

sát số đường đặc trưng EDFA đưa thông số thiết kế tuyến Iruyền dẫn quang Từ đó, ta đánh giá ảnh hưởng thông sỏ dường truyền (suy hao, tán sắc, tốc độ truyền, ), ảnh hưởng cùa ihông số EDFA (hệ số khuếch đại G, số ổn NF, công suất bão liồ p, ánh hưởng nguồn phát (cơng suất phát, bước sóng, ), ảnh hưởng drill thu (độ nhậy đầu thu) đến cự ly truyền dẫn Chương trình tính tốn mội sị dường đặc trưng khuếch đại quang sợi EDFA đưa dược thông số ihiết kế tuyến truyền dẫn quang có sử dụng EDFA gồm cự ly truyền dAll thê loại số lượng EDFA sử dụng vị Irí láp đặt EDFA (Irong tính đến ảnh hưởng suy hao, tán sắc tính đến mức độ ưu tiẽn theo mơt phương diện EDFA sử đụng) Đối chiếu kết tim (lược từ c h n g trình m p h ỏ n g với c c s ố liệu lý thuyết [1, 2] thực t ế [ 10], chúng tôi nhận thấy số liệu, đường đặc trưng theo tính tốn từ chương trình mơ phù hợp Điều chứng tỏ tính hợp lý giải pháp, tliuAt tốn chương trình mơ Để chương trình hồn thiên hơn, hướng phát Iriên cỏ the sau:

1) X é t ánh hưởng hiệu ứng quang phi tuyến đến cự ly truyổn dẩn

2) Bổ xung thêm vào sở liệu mã hiệu, chi tiêu kỹ ihuât ciia loai Ciíp chuẩn, loại EDFA nhằm tăng tính thuận tiện cho chương trình

4 Tài liệu tham khảo

[1] P c Becker, N A Olsson, J R Simpson, Erbium-Doped Fiber Amplifiers Fundamentals and Technology, Academic Press, pp 131-195, 1998

[2] Emmanuel Desurvire, c Randy Giles, “ Modeling Erbium-Doped Fiber Optical Amplifiers” , Journal of Lightwave Technology, Vol No 2, 1991

[3] Emmanuel Desurvire, c Randy Giles, Jay R Simpson, “Gain Saturation

Effects in High-Speed, Multichannel Erbium-Doped Fiber Optical

Amplifiers” , Journal of Lightwave Technology, Vol 7, No 12, 1989

[4] John M Senior, Optical Fiber Communications-Principle and Practice, Prentice Hall, New York, London, Toronto, Sydney, Tokyo, Singapore, 1992

[5] Emmanuel Desurvire, Erbium-Doped Fiber Amplifiers, John Wiley & Soil, Inc., United States of America, 1994

[6] Nguyen Tuan Anh, Erbium-Doped Fiber Amplifiers-Applications in Optical Communicalions, Master Dissertation, 2002

[7] Nguyen Tuan Anh, Phung Quoc Bao, Pre-amplifier and power amplifier in optical transmission systems - Simulations, Communications in Physics, Vol 13, No 1, pp 34-40, 2003

[8] Nguyen Tuan Anh, Phung Quoc Bao, Simulation of optical fiber communications systems using EDFA, VNU-Journal of Science, Math.- Phys., T XIX, No 2, pp 31-37, 2003

[9] Nguyen Tuan Anil Pilling Quoc Bao, A black-box model of optical

amplifier chains in optical fiber telecommunication systems, VNU-Journal of Science Math - Phys., T XIX, No 3, pp 1-7, 2003

C o m m u n i c a t i o n s in Physics, Vol 13, No (2003), pp 34- 40

P R E -A M P L IF IE R A N D PO W ER AM PLIFIER IN OPTICAL TR AN SM ISSIO N SYSTEMS - SIMULATIONS

NGUYEN TUAN ANH

N a t i o n a l C e n t r e f o r T ec h n ic a l P rogress

PHUNG QƯOC BAO

College o f Natural Sciences, Hanoi National University

A b s t r a c t Technical param eters o f E rbium -D oped Fiber A m p lifie r used (ì,s (')thci'

p r e - a m p l i f i e r o r p o w e r a m p l i f i e r a r e c a l c u l a t e d i n O l d e r t o mr e t o p t i c a l Iratì.sĩììị.i.sĩoii

s y s t e m s ’ requirements B o th a tte n u a tio n an d dispersion o f the fiber cnblr are tnkcv

i n t o a c c o u n t T h e o p t i m a l g a i n v a l u e , t h e m a x i m a l c o m m u n i c a t i o n IcTigth (IS w e l l (IS

the m i n i m a l n u m b e r a nd the type o f used E D F A s arc also consider ed.

I I N T R O D U C T I O N

In rocent y e a r s , E r b i u m - D o p e d F i b e r Am p l i f ie r s ( E D F A ) a r n wiilrly list'd ill o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s d u e t o t h e i r a d v a n t a g e s ove r o t h e r o p t i c a l a m p l i i i n s Kl)

F A s n o t o n l v e n s u r e h i g h t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y blit, a l s o s i m p l i f y (])(' sy s te m s ÍIKI

n e e d u s i n g e l e c t r o n i c r e p e a t e r s ) B e s i d es following the* t r a n s m i s s i o n r r ^ u l n l inns, o p ­ t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m s u s i n g E D F A s h o u l d exploit, ( h r a d v a n t a g e s of KDI' /Vs c o n f i g u r a t i o n s In p r i n c i p l e , t h e t r a n s m i s s i o n d i s t a n r c o f all optiffil s y s t e m is Ciil- c u l a t c d v i a i ts p o w e r b u d g e t Ill o t h e r wo rd s, s o m e pnraiiK'tc'rs mu sl l)(' laki'ii i nt o a c c o u n t : e m i t t i n g p o w e r , r cc ci vc r s en si t iv i ty , b i t r a t e , b a n d w i d t h , ntc O u r of I lie r e a s o n s t o u s e E D F A is t o e x t e n d t h e t r a n s m i s s i o n lengl h If so, at t e n t i o n s h o u l d b e p a i d t o a t t e n u a t i o n a n d d i s p e r s i o n f ac t or s, as well

EfTccts o f a t t e n u a t i o n a n d d i s p e r s i o n in l ong h a u l , hi gh bit,-rate l inks H'fillv b e c o m e c o n s i d e r a b l e T o o v e r c o m e t h e s e effects, o n e might, b e e i t h e r a r c r p t i n g a l ower b i t e r r o r r a t e ( B E R ) or a d d i n g a p e n a l t y p o w e r (Pprn) t o t h e c o n m n i n i c n t inn s y s t e m ’s p o w e r b u d g e t [1] T o m e e t a d e s i r a b l e B E R , in t h i s p a p e r , \vn nrlfl Pt,r„ t o p o w e r budge t, for c a l c u l a t i o n s o f a n o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m u s i n g E D F A [2] As t h e c o m m u n i c a t i o n q u a l i t y c a n b e e v a l u a t e d t h r o u g h B E R , it is iK-cessary t o St Ilfiy t h i s f a c t o r via t h e i n c o m i n g p o w e r P n, t o E D F A T h e r c q n i r o d p„ , is flopcMidin^ (»11

m a n y p a r a m e t e r s [3], e s p e c i a l l y on t h e f u n c t i o n of E D F A ( p r c - m n p l i f i r r nr j x m v r a m p l i f i e r )

PRE-AMPLIFIER AND POWER AMPLIFIER IN OPTICAL TRANSMISSION 35

or s o m e o t h e r p a r a m e t e r s s u c h as i n c o m i n g p o w e r P i n , i n v er s i o n p a r a m e t e r ?ỉs/„ etc T h e t r a n s m i s s i o n l e n g t h c a n b e o p t i m i z e d by c a l c u l a t i n g all r e l a t e d p a r a m e t e r s t o m e e t B E R r e q u i r e m e n t s

II B A S I C E Q U A T I O N S

T h e a n a l y s i s p r e s e n t e d ill t h i s p a p e r is a p p l i e d t o a n o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m u s i n g a s i n g l e m o d e fiber c a b l e a n d E D F A m o d e l e d as a n c il cct i vc t.wo-level atomic: s y s t e m B y d e f i n i t i o n , t h e l ink loss b u d g e t OÍ'nil o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m is c a l c u l a t e d by:

P ’J' = P ỵ — Pit — L C + ( i f D -f- S y s t e m m a r g in ( 1)

w h e r e / V is l.oỉ.a.1 o p t i c a l p o w e r lo ss (n o re p e a te r ); p s is opl.ieal p o w e r e m e r g i n g from (lie (Mid o f a iil)(!r fly le a d a t t a c h e d t o t h e lig h t source; ! ) { is re ceiv er sen.sit i vit.v; LC

is c o n n e c t o r loss; a f is fiber a t t e n u a t i o n ; D is t r a n s m i s s i o n lengt h; S y s t e m m a r g i n is c o n c e r n e d c o m p o i i c m t s a g i n g d u e 1.0 t e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n (G-8 (IB) P r ac t i c a l l y ,

l)(!.sido c o n n e c t o r lo ss, t h e s y s t e m is s u fie r e d by s p li c e loss T h e to t a l a l l c i i u a l i u n

lo ss L is c o m p o s e d o f f i b r e a t t e n u a t i o n , s p l i c e lo ss a n d c o n n e d o r loss, c l i a r a c t ('I'i/i.'d

by (IJ, ctj a n d a cr ( a c t o r s , r e s p e ct iv e ly :

L = ( a j + cHj)D + 0tcr (2)

1)1 lh(! c q i i ii l i o n 2, it, is n.ssmnc<l t h a t lo ss due: (.<) joint s i^om.Tally splicc.'))

a n d t,he c o n n e c t o r loss o n t h e link m a y b e s peci fied in t e r m s of oquivalent losses in

(l('('il)ols ỊHỈI k i l o m e t e r (\j a i i ( l n <r, r e s p e c tiv e ly It is m o r e r e a lis tic to regard <\j ÍIS

a d i s t r i b u t e d loss s in c e t h e o p t i c a l a t t e n u a t i o n r e s u l t e d f r om t h e d i s t u r b e d m o d e d i s t r i b u t i o n at dll' j oi nt s d o c s n o t o n l y o c c u r in t h e j o i n t s ’ vicinity A n d t h e loss

a t t r i b u t e d to till1 f u n n e ( ' t o r s ,Q t r , u s e d for c o u p l i n g th e o p t i c a l s o u r c e a n d d e t e c t o r

t o t h e fiber must, b e i n c l u d e d ill t h e overal l c h a n n e l loss

Will' ll o p t i c a l p u l se s p i o p a g a t e in fiber c a b l e a t lo ng d i s t a n c e , d i s p e r s i o n fac­ t o r I1; I uses fit he r o v e r l a p p i n g p h e n o m e n o n or i n t e r s y m l j u l i n t e r f e r e n c e , l e a d i n g to

r e d u c t i o n of B E K at th e r e c e iv e r [l] O n th e o t h e r h a n d , t h e c o i n n i u n i c a t i o n q u a lit y

cli 'pcnds u p o n B K H a n d it is c o m m o n t o r e m a i n B E R u n c h a n g e d in o p t i c a l t r a n s -

36 NGUYEN TUAN ANH AND PHƯNG Q oc GAO

w i t h T is p u l s e p e r i o d , Te is / e o f p u l s e w i d t h - b r o a d e n e d d u e t o d i s p e r s i o n If tin '

p u l s e s h a p e is G a u s i a n t h e n :

Te = 2V2ơ ( I)

w h e r e Ơ is t h e r o o t - m e a n - s q u a r e s p e c t r a l w i d t h F r o m Eqs 3-4 wo call write:

Dl = { ự a B T ) \ d B ) (r.)

Fi na ll y, t h e t o t a l loss L D is:

L n = ( ° + c t ) D + cVf-r 4- D f J (f>)

B E R c a n b e c a l c u l a t e d in t e r m of t h e Q f a c t o r [3]: o r p _ c x p ( - g 2/2)

B E R - ự 2 Ì Q — |7)

In c a s e o f E D F A , t h e Q f a c t o r c a n b e e x p r e s s e d by:

Q = M l W j W (S)

2 - M Z

w h e r e / s ( l ) a n d / s (0) a r e ion f luxes c o r r e s p o n d i n g t o t h e input, s ig n al Irvrl '’ 1" ;md ” ” , r e s p e c t i v e l y N tot is t h e t o t a l noise a t E D F A ’s out put T i m Q fact or is also

r e l a t e d t o t h e s i g n a l t o noi se r a t i o ( S N R ) by:

^ S N R

Q = —7— ('))

4

I n p r e - a m p l i f i e r s w h e r e a s i g n a l - s p o n t a n e o u s noi se o v e r w h e l m s , t h e Q f a c t o r c a n lie- p r e s e n t e d o t h e r w i s e :

I ~p~

Q = \ Iy h u B ev v ,t t z — (1())

wit.il P in is t h e i n p u t p o w e r t o E D F A ; h is P l a n c k c o n s t a n t ; 11 is o pt i c a ] f i r r | u r n < v ill H z - ' B e is e l e c t r o n i c b a n d w i d t h ; n,j, is i nver si on p a r a m e t e r W h e n s t u d y i n g i c n 1-A ,

s o m e p a r a m e t e r s s u c h a s g a i n G, A m p l i f i e d S p o n t a n e o u s E m i s s i o n p m v r r S7

PRE-AMPLIFIER AND POWER AMPLIFIER IN OPTICAL TRANSMISSION 37

I n k i n g i n t o a c c o u n t t h e effect o f P A S E , G c a n b e g e n e r a l l y w r i t t e n as:

G = 10 l o g 10 ± Pa s s) - Pa s s ^

F*sigiiat~in As for Pa s h, it c a n b e r e p r e s e n t e d as follows:

Pa s e = n sp( G - ) h u B (13)

w h e r e B u is tlie o p t i c a l b a n d w i d t h

W h e n t h e s i g n a l - s p o n t a n e o u s noi se o v e r w h e l m s , S N R will be cast, into:

S N R = - - ( M )

Ahỉ/napBe{g - 1)

T o a c c r t a i n e x t e n t , t h e o p e r a t i o n o f E D F A is e v a l u a t e d by N F , w h i ch ia defined as:

( S N R ) in

N F = — (1M

( S N R ) oul [ l b)

II is s u i n e l i i n e s w r i t t e n o t h e r w i s e :

N F = P a s ~ + - no )

h u B aG G ' }

A l t h o u g h t h e r e a r e m a n y E D F A p a r a m e t e r s , w h e n d e s i g n i n g o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m s , it is p r a c t i c a l l y c o n s i d e r e d se ver al t e c h n i c a l p a r a m e t e r s s u c h as G , N F ,

I I I S I M U L A T I O N S A N D R E S U L T S

B a s e d 011 m a i n E D F A p a r a m e t e r s (G , N F , P in, P a s e i et c ) a n d line pa- •

r a m e l e i 'S ( o p t i c a l p o w e r , r e c e i v e r s e n s i t i v i t y , w a v e l e n g t h , a t t e n u a t i o n , d i s p e r s i o n ,

t r a n s m i s s i o n l e n g t h , b i t r a t e , B E R , s y s t e m m a r g i n , e tc ), t w o m o d e l s a r c p r o p o s e d ioi o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m s u s i n g E D F A as pr e- a n d p o w e r a m pl if i er s , r e s p e c ­ tively T h e s i m u l a t i o n p a c k a g e s a r e w r i t t e n in V i s u a l Ba si c, e x rc u Lc d o n W i n d o w p l a t f o r m [5]

38 NGUYEN TUAN ANH AND PHƯNG Q o c BAO

Transmiter Po we r amp P r e a m p Rcceiu'r

F i g Posi ti ons of pre- a n d power amplifiers in optical fiber links using I'DFA I n b o t h c a s e s , f r o m t h e e q u a t i o n s (1), (3)-( 10), (13)-(1G), we c a n find oil) IIKIIIV r e l a t i o n s b e t w e e n t h e p a r a m e t e r s Howe ver , f r o m t h e t e c h n i c a l point of view, will'll d e s i g n i n g E D F A - u s e d s y s t e m s , G a n d N F f a c t o r s a r c m o s t l y c o n s k l r m l T h u s , \\<> will p r e s e n t t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e t r a n s m i s s i o n l e n g t h find G (or N F ) win'll till' o t h e r r e l a t e d p a r a m e t e r s a r c gi ven M o r eo ve r , wc will also point out (lie P(>-r;il]<'<!

G o p t i m u m , i e t h e l owe st v a lu e o f G a t w h i ch t h e t r a n s m i s s i o n

r e m a i n s c o n s t a n t o r s l i g h t l y c h a n gc s

F i g u r e s a n d s h o w t h e t r a n s m i s s i o n l e n g t h v er su s c a n d N F ill I III' r ;i sr (>Í u s i n g o n e p r c a mp l i f i e r T h e cros s m a r k s t h e G o p t i m u m

- Optica] power: d B m - Spoct.ruin width: 0.1 mil - S y s t em margin: \ (IB - Wavelength: 1550 111)1

- A t t en ua t io n: 0.20 ( IB/kin - Dispersion: 15 p s / n m / k m - Bit rate: 2.5 G b / s

- BER: 10"12 - NF: dB

F i g Di stance as a mnrnon or Li m a pi'P-nmpniHTS usrn sysicm

F r o m F ig o n e c a n s e c t h a t t h e t r a n s m i s s i o n l e n g t h iiKTi'ii.sos b y it]( If';isiiu; ( i In

c c r t a i n v a l u e c all ođ G o p t i m u m In o t h e r w or d s, t o h a v e c; l o a c l i n l t h e (; ()|il n 1111111

is suíỉici('iil, for o b t a i n i n g (.] 10 m a x i m a l t r a n s m i s s i o n l e n g t h ' I'll is c a n I)C «'XI )l;ii n •( follows: i ncr ras iii fi G, E D F A ’s o u t p u t , p o we r is also innf'.-isf'f] a n d ('IISIIK'S ;> Innjur t r a n s m i s s i o n loiitfll) B u t w h i'11 G Rnls l ar ge r, t h e eilrrt of PASIC h e r o i n e s ] 11<)tI■ a n d m o r e c o n s i d e r a b l e that, d e c r e a s i n g t h e t r a n s m i s s i o n l r n g t h Till' Iwn I1])U;11<I ■111(1 d o w n w a r d t r e n d s l ea d t o a p l a t c n u M e a m v h i l r , as illust r at r rl ill l-'iii :i til' t r a n s m i s s i o n ( li stmice is nio(l('ial.('lv ( l o d i n r d willi inrroa.sinK N F

Distauce— [ K m ] w

250 200 - J 150

100

G (lỊilimum : 12 cl It

X

-50 — Ĩ

1 5 10 I 1 1 Í 115 20 25 30

PRE-AMPLIFIER AND POWER AMPLIFIER IN OPTICAL TRANSMISSION 39

- O ptical power: d B m Distance— / - S p e ctr u m width: 0.1 nm [Km] - S y s te m margin: d B 250 Wavelength: 1550 inn 200 - A tten uation : 0.20 t l B / k m

150 —

- Dispersion: 15 p s / n m / k m : — - B il rate: 2.5 G b / s 100 —

- BEK: l ( r 12 50 — - G: 16 (IB 0 :

r r r , , £>, 3 5 6 7 8 9 NF [dBJ F i g D ista n ce cii) a function of N F in a pre-amplifiers used s y stem

S i mi la r ly , we o b t a i n t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e t r a n s m i s s i o n l e n g t h a n d G or N F in t h e ca.su of u s in g o n e p o w e r ampl ifi er

W i t h t h e s e s i m u l a t i o n s for gi ven bas ic E D F A a n d line piinuiK.'ters, o i k ; c a n a l so p r e d i c t t h e m a x i m a l t r a n s m i s s i o n l e n g t h T a b l e s h o w s t h e s i m u l a t i o n a w l field e x p e r i m e n t v a lu e s ( r e f er e nc e l o t h e r e ce n t n o r t h - s o u t h e r n V i e t n a m 2.5 G bi t / s s y s t e m [4]) for t h e foll owi ng p a r a m e t e r set: o p t i c a l |)o\vcr: (IB; s p e c l n m i w i dt h : run; w a v e l e n g t h : 5 mn ; b i t r a t e: G b i t / s ; B E R : 1(J“ 12; N F : (IB; S y s t e m m a r g i n : (IB; G: 10 (IB

T a b l e F i e ld e x p e r i m e n t a n d S i m u l a t i o n values.

T e r m i n a l s

A t t e n u a t i o n ( d B / k m )

D i s p e r s i o n ( p s / n m / k m )

S t i m u l a t e d v a l u e i n k m ( p r e a n d

p o w e r a m p )

P r a c t i c a l l e n g t h

( k m )

I ỉ a n o i - N a i m li n h 0.238 16.33 81.0 -r Gồ.08 = -1 *J.08 <JG

T h a n h h o a - V i n h 0.246 16.22 80 G + 04.70 =1-15.30 144

I hit in h - R o n 0.245 1C.16 y + G7.G9 = 97

D o n g h o i- D o n g h a 0.251 16.35 79.G + G6.55 = (J7

IIu o -D iin aiig 0.2-13 1G.27 80.7 -i- G7.G5 = 10U

l)< n u in g -Q u ;m g n g 0.25'1 16.12 80.1 + G6.74 = MO

Q u y n h o n - T u y h o u 0.253 1G.-1G 7(J l -r- 6G.07 = 1M

Q u y n h o i i - AiikỈK' 0.21!) 16.20 80.3 a n d fj7.13 G7'

T u y lio a - N lia l r a n g 0.242 1G.-1G 80.1 - G7.30 = 125

N h a t n n i g - P l i a n n u i g 0.2-18 1C.GS 78.8 * GG.11 = 144.01 !()G

N iiimot-Plici] it liift 0.232 1G.6(J 80.2 - fi7.h‘l = M8.0-Í !.'■!

P h m i t h i e t - X u a n l o c 0.25G 1G 49 7b -f- G5.G7 =1-1-1.37 \ 117

* O n l y one E D F A IS used as p o w e r amplifier.

Ill t h e real s y s t e m s , th e d i s t a n c e s b e t w e e n t w o t e r m i n a l s anj f i x f f Ỉ M(J>I o f

40 NG UYEN T U A N ANH AND PHUNG Q o c BAO

denoted by * (using only one power amplifier) We now turn our attention h> (lie s i m u l a t i o n s y s t e m s I n m o s t c a se s , w h e r e t h e t r a n s m i s s i o n d i s t a n c e conlrl not lie c o v e r e d b y o n l y o n e a m p l i f i e r ( e i t h e r p re- or p o w e r a mp l i f i er ) , t w o ampl if iors ( o u r p r e - a n d o n e p o w e r a m p l i f i e r ) a r e n e e d e d a n d t h e c a l c u l a t e d d i s t a n c e is longer ( hail t h e c o r r e s p o n d i n g p r a t i c a l one E v e n for t h e s y s t e m d e n o t e d by *, t h e c a l c n l a k ' d d i s t a n c e is a ls o l o n g e r T h u s , in a n y cases, t h e s i m u l a t i o n va lue s a r e g r e a t e r t h;ui t li r

p r a c t i c a l o n e T h i s s o u n d s lo g ic a l: o n e s h o u l d u s e b o t h a m p l i f i e r s ( o n e p ro - '111(1 OIK'

p o w e r a m p l i f i e r ) i f t h e d i s t a n c e c a l c u l a t e d for o n l y o n e p r e - a m p l i f i e r or OIK' p m v c i

a m p l i f i e r is less t h a n t h e r e q u i r e d one If n o t , o n l y o n e pre- or p o w e r amplifHT is sufficient T h e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e c a l c u l a t e d d i s t a n c e a n d t h e p r a c t i c a l ono IIWIV b e u s e d as a n a d d i t i o n t o t h e S y s t e m m a r g i n

I V C O N C L U S I O N S

F r o m t h e t e c h n i c a l p o i n t o f view, in t h i s p a p e r , we h a v e p r o p o s e d s o m e pnek- a g e d s i m u l a t i o n s c o n c e r n i n g t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e t r a n s m i s s i o n l e n g t h a n d Cl (or N F ) f a c t o r as well as c a l c u l a t e d t h e m a x i m a l d i s t a n c e for a n o p t i c a l link systc'111

u s i n g E D F A W i t h t h e s e s i m u l a t i o n pa ck age s, we c a n o b t a i n ( he o p t i m a l values of s e v er a l m a i n E D F A p a r a m e t e r s T h i s m a y f a c i l i t a t e t h e c h o i a ; of suit nblí' roi) FrA ÍOI d e s i g n i n g o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m s W e a ls o c a n calculal.c t h e m a x i m a l t.nms- rnis sion l e n g t h for g i ve n ba s ic p a r a m e t e r values T h i s m a y m i n i m i z e t hí' m i m b r r

o f n e e d e d c o m p o n e n t s a n d a s a r e s u l t , r c d u c c t h e s y s t e m COSỈ Ill c o m p a r i s o n w i t h p r a c t i c a l s y s t e m s , o n e c a n s e e t h a t t h e s i m u l a t i o n v a l u e s i i r r ill í i ^ r c n n r n ỉ w i t h I 11'

r e a l o n e s a s far as t h e u s e d e q u a t i o n s hold

R E F E R E N C E S

1 John M Senior, Opt i cal Fi ber C o v i m x m i c a t i o n s - P r i n ci p l e a n d Prur t i rc, Prentice

PIa.ll, N e w Y ork L o n d o n , T o r o n t o S y d n e y T o k y o S in g a p o r e 1992

2 Becker P.G , O lsson N A , S im spo n J.R., E r b i u m - Doped Fiber A m p l i f i e r s - F u n ­

d a m e n t a l s m i d T ec hnol ogy , A cadcm ic Press, San D iego London New York Sydiify

T o k y o T o r o n t o 1999

3 D csurvirc E m m a n u el, E r b i u m - Dop e d Fi ber A m p l i f i e r s , John W ilry k: Sims, Inc U n ited St.at.ns o f America 1994.

A Research In stitu te of Tost T clrrom niunicnfions, M e t h o d f o r h i cr ca sn i q I'iiuisimssioi)

Ca pa ci t y n f N o r t h - S o u t h e r n V i e t n a m optical line, 1(J(J8.

5 N'Miycn T u a n Anil, E r l m n n - Dope d Fiber A m p l i f i e r s ■ A p p l i c a t i o n s in Optical Coin- muincat iovs, M i i s t c r D i s s e r t , n ! i o n , 0

V N U JO U R N A L O F SC IEN C E, M athem atics - Physics T X IX , N - 2003

S I M U L A T I O N O F O P T I C A L F I B E R C O M M U N I C A T I O N S S Y S T E M S U S I N G E D F A

N g u y e n T u a n A n h

N a tio n a l Centre for Technical Progress

P h u n g Q u o c Dao

College o f Science, V N U

A b s t r a c t E D FA ’s technical parameters and the influence of fiber cable attenuation, of fiber cable dispersion are evaluated to meet optical transmission system s’ requirements The type and the number of EDFA are optimized The maximal length of the communi­ cations line is also (.' '(.ulated.

Index terms: EDFA; optical fiber transmission systems’ power budget; fiber cable attenu­ ation and dispersion; bit error rate (BER).

I I n t r o d u c t i o n

W i t h Ih e d e v e lo p m e n t o f low loss fibers as Uie c o m m u n i c a t i o n s m e d i u m , d l i d c n t compact, la s e r as t h e lig h t s o u rc e s, fast p h o to d io d e s as t.lie d e te c to r s , fiber o p tic s b e c a m e a n a l t e r n a t i v e te c lu io lo g y to e le c tric a l s y s te m s in te l e c o m m u n i c a ti o n s field M ore over, the new lig h tw av e g e n e r a t i o n , w i t h v a s tly im p ro v e d c a p a c ity a n d cost, b a s e d o n t h e recent d e v e lo p m e n t o f e r b i u m - d o p e d fiber am p lifie rs ( E D l'A ) h a s r e v o lu tio n iz e d t h e field o f long

lmul transmission T yp i ca l long di st ance links installed to day c ontai n a n optical power

am p lifier a t t h e t r a n s m i t t e r , a series o f in-line am plifiers a lo n g t h e t r a n s m i s s i o n line a n d a p re a m p lif ie r a t t h e re ceiv er T h e E D F A r e p e a t e r s a lo n g t h e line h a v e r e p la c e d e x p e n siv e a n d u n r e lia b le e le c tr o n ic r e g e n e r a t o r s , w h ic h have c o m m o n ly e q u i p p e d in t r a d i t i o n a l long

h a u l links before T h u s , t h e e v a lu a tio n s o f E D F A ’s ty p e , o f E D F A ’s n u m b e r p la y an

im portant role for d e sig n in g o ptical transmission system s.

Ill th is p a p e r , p a c k a g e d s im u la tio n s a r c p r o p o s e d to o p tim iz e t h e E D F A ’s ty p e, the n u m b e r o f c a s c a d e d am p lifiers, a n d to e v a lu a te th e m a x i m a l t r a n s m i s s i o n d is ta n c e As

the inatU‘1' OĨ fact,, in long haul links, the influence o f a t l e n u a ú o n and dispersion might, lake placo during Liu: operation Therefore, to predict the ty p e o f KDI'A, the: number

<>r am p lifiers ill (lie c h a in , o n e s h o u ld ta k e th e a t t e n u a t i o n , th o d is p e r s io n a n d technic al

p u a m n t n s o f I']DFA into account A n d to design optical links, UlC power budget,

m e t h o d [l] lias b e e n u n d e r c o n s id e r a tio n

Oik; ol I lit: p o s s i b l e m e t h o d s t o o v e r c o m e t h e ef f ect s o f a t t e n u a t i o n , o f (lispci sion

is to add the p en a lty power ỉ Ji > e n to the power budget T h is solution ensures to remain B b ' i i u n c h a n g e d Ill o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s te m s u sin g K DI'A , H E R is u s u a lly m e a s u n v l

ill terms o f I he Q factor [2] In turn, the Q factor can Lt: calcu lated tlnwti^h hi^na] to noise ratio S N R input signal power l \ n , in versio n paiam rU T 71,1,, etc Ill utliri v/onl^, to

N g u y e n T u a n A n il, P h u n g Q uoc B a n

verify t h e t y p e of E D F A as weH as t h e n u m b e r of amplifiers a n d t he inpul sigiwil p o wr r a s y s te m of s o p h i s t i c a t e d e q u a t i o n s s h o ul d b e solved

II B a s ic e q u a t i o n s

T h e a n a l y s i s p r e s e n t e d in t h i s p a p e r is a p p l i e d to nil o p t i c a l t r a n s m i s s i o n sysl.c'in u sin g a s in g le m o d e fib e r c a b l e a n d E D F A m o d e l e d as nil cflcctivo l.w o-levd a t o m i c sysl ('III

Before d ee ply goi ng t o t h e simul at ion s, we overlook t he power buclgi't nml.lioil (lj T h e optical link loss b u d g e t is given by

P'i = P s — P n — {(if 4- otj)D -f a cr -f Dị, -I- S y s t e m — m a r g i n , ( I)

where I r is Lolal o pt i c a l p o w e r loss (no r ep e al er ); P s is opt ical power emer ging from lilt' e nd of a fiber flylead all,ached to t he light source; Pji is receiver sensiUvil.y; (if is íil)K' aUciniiil.iou; ctj is splico loss; o cr is c o nn ect or loss; D is t ns mi s si on longl.h; f)/ is loss penally; S y s L e m - i n a r g i n is c o nc e r n e d c o m p o n e n t s a ging clue lo t emperat ure; fluctuation

W h e n o p t i c a l pul ses p r o p a g a t e a long t he optical fiber, it is obs erv ed that, c a d i pulse b r oade ns a n d o ve rl aps w i t h i ls neighbors, even tu al ly b e co mi n g indi.sUnguislial)l«: a I, I hr receiver T h e effect is k n o w n as inter syi nbol interference (ĨSI) An i ncreasing munl)(;r of errors m a y be e n c o u n t e r e d us t h e ISI be come s m o re p r o n ou n ce d , l eading 1.0 roducl ion of

B E R a t Ihe receiver [lJ T h e e r ro r r a t e is also a funct ion of t h e signal a t t e n u a t i o n Tims,

to rem ain B E I l u n c h a n g e d , o n e s h o u ld take the dispersion, the nt.l ('imnl.ion inlo account ,

i.e power c o m p e n s a t i o n k n o w n as t he loss p e n a l t y Dl, s hould be a d d e d to t.lio S y s te m -

margin Dị c a n b e c a l c u l a t e d in t e r m s o f th e r o o l - m e a n - s q u a r e spcot.ial widl.il a a n d Uic

bit r a t e 13 T [IJ:

D L (dl3) = ( ự B r ) \ (2)

Wc now Linn o u r al.I.cnUon to some; E D F A ’s paiuiiKiI.crs Gonoinlly Kj)(!iikin|Ị, qnalil V

o f o p tic a l txan.sniLssion s y s t e m s c a n b e cvalnal.ed t h r o u g h Ỉ3Ỉ‘JJL In I c u n o f l.lic Q farl.or

[.‘ỉ], H i'jR c a n ho well a p p r o x i m a t e d by

1 c x p ( —Q 2/ )

B E a = - ? = u , :i

ự ^ Q

A s s u m e LhaL t h e s i g n a l for a bit, ” ” , / s ( ) = a n d t h a t I he: Iioisc oil t he is e " 1” , A'fo, n ),

is the s a m e as th a t o n th e raise ” ” , Ntot(O), i.e /Víot(l) — A(„f(0) = Nint- I Ilf; (} facior

is t h en I>iven by

o = M L M)

■-e

l o t

S q u a r i n g b o t h Hides of I0q '1, we obt n:

e 2= ẫ ẽ v

Q = Ĩ N '1 / 'fl.t '• (r,)

vvlien RÌnnal-spoiit.iinrotis noise overwhelms, in prcampliiiois ÍUKỈ powr, ampliii-'i N, III-' Q

fad.or can Ik: presented otherwise [2|:

w hine p tu is t h e sig n a l p o w e r i n p u t to E D F A ; h is P la n c k c o n s t a n t ; V is o p tic a l fre q u e n c y in l h ; Be is e le c tro n ic b a n d w i d t h ; n ap is inversion p a r a m e t e r

-A c ommo n way lo characterize t h e pe rformance of optical amplifiers is l l ou g h Iheir noise figure N F or t heir signal t o noise rat i on S N R N F can be defined as the rat ion of lilt: S N J l a t llie i n p u l to t h a t a t t h e o u t p u t of the amplifier:

„ (S N n u

(SNll)„„« ■ (7)

In tc m ia o f Lhe a m p lifie d s p o n t a n e o u s em issio n pow e r Pa s e, N F c a n b e w r i t t e n as [3]

N F = Pa s e + - (8)

h u B 0G G ' [ )

!

where l i u is optical b a n d w i d t h (equal to ba nd pa ss ' of the optical s p e ct r u m) a n d G is the

gilii) of am p lifiers a t t h e sijjnul fr e q u e n c y V T lie gain o f a n am p lifier is e x p r e s s e d as the ra tio b etw e en t h e input, sig n al liivel a n d t h e o u l p u l signal level, lypic.- lly p r e s e n t e d in d B

10106,0 (!))

W h e n l aki ng Lilli d f e c l o f Pa s i ỉ i i ' 1-0 account , , (1 c a n gunm' al l y 1m; w i i l t c n ÍLS

, , , I ( Ỉ y i i j n a l - o u t 1 A S l i ) ~ I A S H / ,

a = K Jiogjo — ; - - - — ( 10)

■* x i < j J i a i — i r i

Tlic noi.su p o w e r J JAS l i nL Llie signal w a v d e n g U i is c a lc u la te d fro m th e e x p r e ssio n s for .sponliineous o m ission n o ise n J{J [2,3]:

Pa s b = n i p ( G - l ) ! w B u (11) iinea it is l a t h e r f a v o ia b le to p a y u tt e n t io n to S N R t h a n Lo sLudy N F In prearn-

plilidij <111(1 JIOWLT S N R c a n be p r e s e n te d as [2]

S N It = - — cl i": _ (1 ■!)

■\huvst,Mcụ> - 1)

111 Ioiij4 h a u l l i n ks il ia c o m m o n t o USIỈ i n- li n e a mp l i f ie r s, i.e a c h a i n o f c a s c a d e d n p l i f ic i s

; ‘un.siijcr a s y s te m o f N am pli/ioiii w h e re S N R , d e n o te s th e S N R a f te r am p lifie r i A ssu m e

lull each amplifier |>1 o v u les a gain c; to ex a ctly co m p en sa te the loss L b etw een fiinjjlifjijrs

111.I I hill all ampliiiiiJii liavu t h e saiiui gain T h e overall noise figure o f th e s y s te m is given

,y: S N I t o S N l i p S N R I S N Ỉ t N ị

- S N Hn ' S NI Ì X S N Ỉ Ĩ Ĩ ' S N Rh ’ (::iJ

/Iiumỉ VNJ i u is lh«J S N R a t th e input, o f llu: chain T h u s , Lilli S N R tio s in e q u a l \r,v.

:i are Lilt; noise* figurus o f e a d i am plifier divid ed to In l o g a r illu n ic u n i ' s (i.e in rlM),

ysli!in noise iigure is:

* " • - c: N f \ G N F -i + • + G N Fn = A' f/ A' K ': ;

N g u y e n Tuan A n il, P h u n g Quoc 13(10

In eq u atio n 14, w e have a ssu m ed all the amplifiers have an equal noise fillin' and

o — L S u p p o se the signal o u t p u t power at the end of the chain is equal to I 111' signal input, power a l the b e g in n in g o f the chain It m eans that the A S E power general 0(1 is small ill com parison w ith the signal power an d that each amplifier generaLcs an equal amount o f

A S E as th e o t h e r a m p lifie rs T h e S N R a t th e o u t p u t o f Ihn amplilic’r chain < ;m he

then w i i l l c n as

w h t ; r o l \ tl is p o w e r l a u n c h e d t o t h e c h a i n a n d N is l.lio n u m b e r o f a m p l i f i e r s ill 1]]«' cliiiiii

l'Voin all I.Ihj a b o v e Cfjual.ion.H, WG cull easily s o i l out 1.1)0 suilalili; l.ypc of 101 )KA, ill!'

a p p r o p r i a t e n u m b e r o f a m p l i f i e r s ill I h e c h a i n M o r e o v e r , w e c a n (>]>l i mi/ c ÍỈOIIIC I■]I ) -v\ ’s

pannncl.ci a iincl prcdicl the m a x im a l Iransiiiission distance. I I I S ii r i u l a t i o r i s a n d r e s u l t s

To give: faciliUos for designin g optical transmission system s, sinmlal ioii

have been proposed, based on main E O F A parameters (G, N F , I ’a s i-;, c I.e.) ;ui'!

l i n e p a r a m e t u i s ( o p t i c a l p o w e r , r e c e i v e r s e n s i t i v i t y , w a v e l e n g t h , at.I.Piiual i o n , d i s p e r s i o n ,

l.ruzisinission lenglh, bil 1 fite, B K Ỉ Ỉ , S y s t e m - m m y i n , cLc:.) The: packages ale wiil.lrn ill

Visual ] 3;isic a n d e x e c u t e d oil W in d o w j)latforin [r>]

Many q uestions have been raised when carrying out, opt.iral link’s (lesic.n W'v ularly nicc;l, the q uestions like wlmL l.ype of I5DFA should tn> usf’d OI how ninny 101)['As should lu; in.sl.íilkỉđ, To opl.iinizo l.lxo (lesion, OIK! Iiiif>!il, l.akc I h f flow churl illusl 1 ;ií (•< I

S N R =

^ N n 3J1ì w t ì r ( C — 1) (!■’)

ill

S im u la tio n o f o p ti c a l f ib e r c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s u s in g E D F A 35

As cun see ill Fig 1, lh(i ste p s for layout o f the s y s te m s include:

- Opt imi ze the E D F A s in considerulion of line, of source a n d of clelector’s p a r a m e ­ ters 'l'liu simulations huve shown t h a t o pt imal gain is a r o u nd 10 CỈLÌ [5]

- P r e d i c t tliu t y p e o f E D F A s b e in g used D e p e n d e d OI1 Iraiism iL led disLuncc, on

piiciỉ o f (lifr«jc;iil IODFAs, the sim u la tio ns will sort o u t wliaL Lypo o f E D FA should be

i i i s t u l l t u l

- Iji Lilli ease o f u sin g ail amplifier chain, verify tliu number o f IỈDFAs and (.he

required power a I Lin; beginni ng of Llie chain [5],

As an exuinpk:, Fig sliowa the sim ulated configuration By altering input param- olei ’s values, m an y figu ration s have been set up (lal)ta 1).

D epend ing on Lhc transm ission distance, Lhc sim ulations allow Llio o p lim a l configu- IaLiun, llmt is w h a l Lype o f E D F A should be used and where l(> place them For Lhc first

case ill table 1, l.hu requi red transmission length is 96 km Th en , a pre-amplifier should bo jiluced a t ’a km a nd a power amplifier placed at ’s km No need using any chuin of amplifier

In compar ison willi field ayalems ijhown in tahlo (rcfeicncc Lo the recent noiLh

- southern Vicl.nain 2.5 C b il/t ì syalein ['!]) One CUI1 see LliuL in llie real system s, where

all s p a n s a r e iixiid, b e l l i ]>iu-anipliiu:r a n d p o w e r am plifier h im ; bee n ns<j(l t:xccipL the

cube d e n o t e d b y ++ ( u s e d o n l y o n e p o w e r a m p l i f i e r ) W e n o w l u m (Jill- a U e n l i o n Lo t he iiimiilaUid s y s t e m s ( t a b l e 1) T h u COI r e s p o n d i n g c o n f i r m HlionH ( lenol eđ b y * h a v e c o v c i c d I In: lill.lc lunger clLsUmcca t h a n LhaL in the real systems And if only ora: amplifier (pn:- i i mpl i l i cr or p o w e r a m p l i l i e i ) h a s b e e n Uíáccỉ i n s t e a d , t h e covt.'icd d i s t a n c e s a r c s h o r t e r limn (lie c orr es ponding spans T ur n back lo the cube denoted ljy double s lnr-mark, Lhc

com:s]H>n<ling si iuiulalcid d ista nce is ulso longer than Ihe practical spiin Briefly, in any casus the ainmlaUid valued a r e greiiler llian th e prucLical ones A n d if Í1 ccrl.ain s pu n

lotjuirea two uiupliikiia b u l only one amplifier is used instead, t.]i(! practical S])ÍU1 could

1H>1 1)0 covcrcd Theso meet, I ho de ma nds for designing a cciLain Inmsinission sysiein: the

c sliu ia (CĨCỈ valu es s h o u l d be l i u l e g r e a t e r t h a n th e n ee d ed values a n d Die difference m ig h t

be used as the S ys lcĩ ii - mar gi n.

S im u la tio n o f o p ti c a l f ib e r c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s u s in g E D F A 35

As cun see ill Pig 1, t h e s t e p s for la y o u t of t h e ay stein s include:

- O p tim iz e th e EDl-'As in c o n s i d e r a t i o n o f line, o f so u rc e a n d o f dcLccLor’a p a r a m e ­

ters T h e s i m u la ti o n s h a v e s h o w n t h a t o p t i m a l g ain is a r o u n d 10 (IB [5]

- Predict, L illi l ypo o f E D F As being used De pe nde d on Uuns miUed distance, on price of (liiFoi'cnt, I'jDP As, t he simul at ions will sort o ut what, lypo of EDFA should be iiibta)](!(l

- I l l the case of using an amplifier chain, verily the n umber of liDFAs a n d Llio

HHjniiiid power a I Lho beginni ng of the chain [5]

As ail exumplt:, Fig showa the sim ulated configuration Hy altering input Jiiirain- (.‘ter’a values, ninny figu ration s have been act UJ) (la b le 1).

Depending (JI1 the transmission distance, Llio siinulaLiona allow Ihc opLimul coniign- rulion, llial is wliul lype of E D F A should be uaed a nd where lu place them For llic first

ense in table 1, I,he requiiecl transm ission length is 9fi krn T hen, a proainp liiicr should

1)0 plucud ill ’a kill a n d a p o w e r a m p lifie r p lace d a t ’s km N o nee d u sin g an y ch a in of

umpliiiur

1)1 comparison w i t h field s ystems shown in table (rcfercnce Lo tliu recent, Iioil.li

- southern V ioliiam 2.5 G b i t / s aysttiin [4]) One can see Ihul in Lhc real system s, whcTc all spans are fixed, b o lh pre-amplifier and power amplifier liuve been used t:xcc“pl Lhc ease denoted by *+ (u sed o n ly one power amplifier) We now turn our a tten lio n to the iiiinululud sy stem s (l.al)lo 1) Tilt; corresponding confirm-iitiona <k.'iioU:<] by * have: covL-iccl

I lie: lilt le l o n g e r (libl.ancc;s t h a n Lhat, i n I h e l e a l s y s t e m s A n d i í ' o n l y o n e a m p l i f i e r ( p i c -

iiiiiplifioi' or power a n ip lilie ]) lias been used instead, the covered (liaLunccs are shorter than lliii corresponding sp ans Turn buck Lo Liie case denoted by double sUn-m ark, IỈ1C

corresponding si i mu ln lc d (listunco ia also longer Lhan Lhe practical span lirieliy, in any rases, tlio tiiuiulalcd values arc gr eater t h a n the practical ones And if a cerl.ain span

requires two ainpliíicrtì, b u l only one amplifier is used instead, Lhe practical span could

nol I)U covured T h o s e meet, llic d e m a n d s for d e signing a c c rlu in In m sin is sio n sy stem : the

e s t i m a t e d v a l u e s s h o u l d b e lil.tle g r e a t e r I l i an t h e n e e d e d v a l u e s a n d t h e d i f f e r e n c e might.

N g u y e n T u a n A n i l , P h u ĩ i g Q u o c Bnc

T a b l e C a l c u l a t e d v a lu e s from s i m u l a t i o n p a c k a g e s

Length (km) Att. (đB/ km) Dis. (ps/nin /km) Configurations

Pre-amplifier Pow amplifier Chnin Pos. (at km) Max lengLh (km) Pos. (at km) Max length (km) Beginning position (km) Step (kill) Num b 9G*

i 0.24 16.33 96 81.0 0 G8.08 X X X Md* 0.25 1G.22 144 80.6 0 64.70 X X X ! 97* 0.25 16.16 97 80.9 0 67.69 X X X ! 97* 0.25 16.35 97 79.6 0 6G.55 X X X : 109* 0.24 16.27 109 80.7 0 67.65 X X X ' 140* 0.25 1G.12 140 80.1 0 G6.74 X X X 114* 0.25 1G.46 114 79.1 0 66.07 X X X 67* 0.25 16.20 X 80.3 0 67.13 X X X •125* 0.24 16.46 125 80.1 0 67.30 X X X 106* 0.25 16.68 10G 78.8 0 66.11 X X X 9-1* 0.23 16.69 94 80.2 0 67.84 X X X 117* 0.26 19.49 117 78.7 0 65.G7 X X X ; 150 0.25 lfi.50 150 79.4 X (JG.37 37.3 37.3 2 ; 200 0.25 16.50 X 7‘J A 0 66.37 97.G 37.3 '1 j 250 0.25 1G.50 250 70.4 X 66.37 37.3 37.3 5 i 300 0.25 16.50 300 70.4 0 66.37 97.6 37 3 5 ! 400 0.20 16.00 400 86.1 0 , 73.49 112 4-1.4 G Ì 500 0.20 16.00 500 86.1 X 73.49 44.'1 '11.1 10

T a b l e Pr a ct i ca l v a l u e s from t he r e c e n t n o r t h - s o u t h e r n 2.5 Gbit/s s ystem

T e r m i n ills A t t e n u a t i o n

(d B /k m )

D i s p e r s i o n (p s/n n i/km )

Pr actical l e n gt h (km)

I Ĩ a n o i - N a n u l i n h 0.2 16.33 _ _

T h a n h h o a - V i n h ‘IG 16.22 1-Í4

I I n t.in h - R o n 0.245 16.16 97

D o n g h o i - D o n g h a 0.251 16.35 97

I lu o - D a n a n R 0.243 16.27 109

D u m m f i - Q u u n g n g a i 0.254 1G.12 M

Q u y n h o n - T u y h o n 0.253 1G.-1G ‘l J

Q u y n h o n - A n k h e 0.249 1G.20 (37**

T u y h o a - N h a t r a n g 0.242 1G.-16 CN) o

i

N h a tr n n E -P h n n r n n g 0.248 lG.fia JOG

N u i m o t - P h a n t h i e t 0.232 1G.69 94

&

VN U JOURNAL OF SCIENCE, Mathematics - Physics T X IX , N()3 - 2003

A B L A C K - B O X M O D E L O F O P T I C A L A M P L I F I E R C H A I N S I N O P T I C A L F I B R E T E L E C O M M U N I C A T I O N S S Y S T E M S

N g u y e n 'INmil A n i l

National ( k'.ut.ic for Tc.cJiuicftl Pi i^ ics s

P h im g Q noc Dao

V i e t n am N n l i o m d I h i i v w s i l y ' s I'linliiifj, House, V N U

A h s t l i i c t A simple t u m id is proposed Lu evalu aU' I In; nuiiil)i:r di' ÌIIIIỊ)]ifi<■ I s ,UI<1 I ill- I (‘(|iijj't!cl JIIIWIT ill uplil'ii! liln' 0 tra n s m iss io n s y s lu m s using a ( liiiin of i;OI''A T in : inncl.-l rt'< ỊII iri'.s (inly lull iwli'i|^t‘ of I.lit: overall gain of Lho a m p lifier ( liilin, I lu' Huisc /i^uri: i 1(111 111'

am plifier spacing tmsiclc: l liu lin o ’s JJill'iiiiii’lers 'I'tie illiJUI‘IK' 0 ol' ill Irrm a l ion anil )I• I si Ill Ilf I lie iiliei I iihle ini! ills!I lakon inUi accoiinl

I n d e x L o r n I S I ' u W l T b u d g e t o f o p t i c a l i i h i i ! I r a n s i i i i b s i o i i s y s l o i l I S , i l l i r e a l t e n H i l l I' -II i H i ' l

i] is| M'l Mil >11, 11 'I Im iia ] p a i a m c l I'l H Ilf in-line! K D l 'A , 1J i ( e n n r r a le ( l i l ' M i ).

I I III rill I l i d itii I

I I I I V « V | | I y i t m x , I) | < : Cl l i i i m i - ' l u j i c t l í i l u u ' n m p l i í ú u s ( | j | ) l ' ‘A ) I i n v c i c v o l n i i o n i z e d i l l ! i l l ' l l I o f ] I i 111 ] I n i i L s i j i i s s i o n T y p i c i i l l o n g ( l i s l i m c c : l i n k s i n s l , a i l e d l o i l a y c o u i a i i i ; m I i | ) l i < a l |>I>W<T ; m i | > l i l i i ‘ i i l l l i l t ; I m n s i n i LI C l 1, <1 s e r i e s <>l i n - l i n e a m p l i f i e r s ( r l i i i i n 111 ] -w J ] J i i l m i n I h r 11 a i i s m i s s i o i i 1Ì 111Í 1111(1 a p r e a m p l i f i e r u l I I n ; m : « : i v i : r ( i i f V i n ; ) T h e Ml u ; 11J1T <i| : i - f n ^ r n i ' i i i l o i s ( n o r m a l I ( ! | ) < ! i i l ( ! i s ) a l o n g i h c i L r a n s m i b s i u i i l i n t : l i a s N i i l j s l ; m ( i n l l y i l l

I I Pill]),li ĨSOII w il ll I r a d i i i o n a l l y e q u i p p e d lin k s T I k u c I o i c , lilt: ||| | | 111 I iiljll:! y o l I lie aui])l;!i( I

l i ; ; u i c s i n K U K T a l , I lie- i n - l i n e a i i i ] ) l i i i ( T f i g u r e s i n p a l l i c u l a i p l a y s i l l ! i m p o i l ; m l ( JỈ' ■ l'<: i i ; c

l.iym ii 111 Mil'll 11 a n s in is s io ii s y s t e m s

F i l j i i r t : / A l y p i c n l o p l i c n l t r a n s m i s s i o n s y i i i i l i

I I I I I IIS | ) i l | X ' l a s i 1] 1| >]i: 111< II It' i s p i o p o i i o l 1“ C<J1I 1| ) U 11: i l l ' ' i n 11 l ỉ l M :l I I I í I I I ! I I l r i s I , I ,.11 I I I ' II V C I a l l R a i n , l(» ( a m p u l e I l i e ] ; m n < ] i e < l ] , U W ( v 1,,-11

I In- i l l n i l i s f i v i - n I n s i l l ' l l i i i m M i i i s s h m s y s l o n IS I i s i n j - i n - l i n e a i i i j i l i i i d >, ■ !i< ■ • 11111 ỉ) 11 u T S r a n s i m p l y \ >c J ' l M l l d l» y d i v i d i n g ( l i e 1 ]ô-!:ã- l i I-* I I : - : i l l - ; K i l l i n l o n g h a u l l i n k s , I II I - i i i ! l m : n c e o f a t U : n u a ( I o n a m ! l i - , ; - I I M

, 11111- I I I , ! u p i T i i l i m T i l l 1.1 , u >1 <-‘t l i c l L h o i ( í i i m p l i ỉ i U i !M l i

S im u la tio n o f o p ti c a l f ib e r c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s u s in g E D F A

VI Conclusion

1-Ì OII1 the technical p o in t o f view, sim u latio n packages of o p tic a l tra n sm issio n sys­ tems using JiDFA lmvtí been pr oposed T h e o pt imal t yp e a n d t he mi ni ma l n u m b e r of umplifiors lmve been derived T h e m ax i ma l transmission l engt hs a n d t he requi red i nput

signal power uro ulso e v a lu a t e d T h e s e m a y fa c ilila te t h e choice o f s u i t a b l e c o m p o n e n t s for designing o p tic a l links, r e d u c e t h e s y s t e m cost In c o m p a r is o n wiLli field s y s te m s , one

cull see lliat Iho s imul at ion values are in agreement wi th the real ones as far as the used

equations hold.

Ruiuruiicus

1 Jolm M Senior, Optical Fiber C om m unications - Princijtlt and Practice, Prentice Hull, Now York London, Tor ont o Sydney Tokyo Si ngapore 1992

2 RCJ Iỉi:ckt:r, N A Olsson, J.R S im spon, E r b i u m - Doped Fi ber A m p l i f ie r s - l'\in-

d a mc idal s a n d Technology, A c a d e m ic P ress, Sail Diego L o n d o n Now York S y d n e y

Tokyo Toronto

li Dcaui virc lim in a n u el, E l b i u m - Duped Fi ber Ampl if ie r s, John W iley & Sons, Inc,

United Sl ate s of A me ri ca 1994

■I i l t s m r d i I n s t i t u t e o f P o s t Telecommunications, M e t h o d for increasing t r a n s m i s s i o n cupacily of N o r t h - S o u t h e r n V ie tn a m optical line, 1998

5 Nguyen 'J'liun Anil, l i r b i u m - Do pe d Fi ber Amp l i f i er s - A p p l i ca t i o n s in opLiail c o m ­

Ớ

VN U JOURNAL OF SCIENCE, Mathematics - Physics T X IX , N()3 - 2003

A B L A C K - B O X M O D E L O F O P T I C A L A M P L I F I E R C H A I N S I N O P T I C A L F I B R E T E L E C O M M U N I C A T I O N S S Y S T E M S

N g u y e n T u n a A n i l

National ('ctil.fc lor Technical ỉ >f(>ịịrcss PliMMg Q u o c D a o

Vietnam National Ihiivcrsi/y’s I ’riut.iug ĨỈOIISC, V N U

A b s t r a c t A sinipli! Iimtli'l is p roposed tu evalu ate I lie im iiiiIkt t>f iimj(liliiT.s ,111 (! lip

1 1!<| uiriM I p o w e r ill < > | i l i i a l l i l u c U i i i i i n i i b t i i o i i s y s t e m s u s i n g a c h i i i i i o f K O l ' A T i l l ' II irx j.-l I < •< J11 i I f s o n l y l u ll i w l i ‘11^0 ( i f ( I I I ! o v 'C iii ll g a i n o f I ho m i l ] i l i i i r r I l i i i i n , I lie n o i s e / i n n r i ! ;i ri r I 111’ mill jliiilT .sparing t lie lin o ’s I >ai illnolers T h e i 11Í J t u; J1 (■(• cif a I 1.1'mi;! I ion am i <I].N| >'TM' III

I l f I l i e ( i l n ' i > i i l d i ; i l l 1‘ i i l s u l u k o n i i i L o a c c o i i i i l

111(1 ux lull lib I'uwi.'i ljii(l(ieL < jf ojjliciil iibi'i! (rill) sill ission sy.sl oil IS, lil;rr ill U'H Mill || III III'I ( l l s j u ' i ^ i o i i , I Cl l i n i c i i l p i l i a m o l i M s o f i n - li n e : K D l ' A , >i ( I T K I I l a i c ( l i K K )

I I III roil I lot lull

111 I ' c r oi i l y t Nil's, l h ( ’ (U' l)imii-ilo]><:<l i il u: ) ' a m p l i f i e r s ( l ' j l ) l ' A ) h a v e i c v o l n l i o n i / c i l ill!

I it || I <>r lonj* liaul ( I isnii ssit iii T y p i c a l l o n g d i s t a n c e l i nks iii.si.tillcd l o d a y conlii iii mi I >J 11 i i 11 |>IIUV| imi|>lili<'i ill l l i c I n m s i n i L I r r , ;i s e rie s 1)1 i n - l i n e a m p i i l i c i s ( c l i i l i n (il K IM -'A j

.ill Iiij; I In' I nin.sinis.sion lint! and <1 pi'CiUjjpliiiei' nL 1,11C I'l'ccivi:]' ( íifj,i 11( ■ 1) T he I 111 mix-] < ‘I IỈ

n ( n o r m a l a l o n g ( h i ! I n u i M n i ù S Ì o i i l i n e : l i a s s i l h s l a l l ! i i i l l y f i l l IJ J p < ! i.'i

I I1II IJ M IÍSOI1 w il li (I at 111 iOil a l ly e q u i p p e d li n k s T h e i e i ’u ie, tin: j)i Cl lie I a l j i l i i } ’ ol t he

||;;||J|'S ill u r n r i a l , l l i ( ‘ i n - l i n r i u n p l i i i c r f ig u r e s in p a r t i c u l a r p b i} 's iUi i u i p i J i ! ;uii fu ll' 1'.: li:'- I i y u u t II I M i c h 11 i i i i s i n i s s i o n s y s U u u s

i'ltjui c I A typical optical I mn.sinission sy.il rill

III I Ills |>ii| X T a si II !| lit: 1I K Jill.'I ia |M o)>< >seil L (J (■( JX J1J) I ĩ t í : I 111 III I m l <1:1 t i l t I Ml)! h Ilri.- k M',1 II 111.' o v u a l l Hiiin, I<J m i n p u l o till- l i i m n J n < I P'AV 1 w h 'i, -III L i l l i is ,;iv cn i l l hliui I liiin M iiis M m s y s l CM J IS lis in ji m - l i n r iiiujjlifi.-J s, ill*- M'l.'nl ! ' .11JI ị >ll I i r i s 1,111 s im p ly 1>1! f o u n d h)' d i v i d i n g lllL- l n m s i l i i M o n !< 1 1 ! I " I I:' i r I III' ' M i l l i l l h a u l links, l ) u ‘ i n l l n m i c e O Í a l U u i u a l i i < n a i ; < ! : -■

,1m m - llu - o p e r a t i o n , ' l ’liu.s, to p m l i a tliu n u m b e r o ĩ a i i i p h l a - ! a III

A black-box m o d e l o f o p tic a l a m p lif ie r ch ain s in I

Tilt: tolal gain 6'/ut a n d t h e lotal loss Lint o f Ihe s y s te m are Ị>ÌV('I1 liy

aLnt —

Ltot i->)

Tlicmfon;, S N I t can be wriM.cn oLherwise

K(J :f yields l.h(! rcsiill, thill, (.lit! S N J t o f Lilt! sysl.om is nniximi/.i’d when N = I, i.e

i h i ’K ! s h o u l d 1) 1! o n l y ) a m p l i f i e r n n c l U i o M i i p l i i l r r s p i i d n j r s h o u l d 1) C I I S | n n j > I I S ] ) < > s s i l i ! c

Hill I Ik: long IJ J >li í i<'V spacing requires l,h<! high gnin Ill Cant., jinifM icnl limit Iil.jnii lenders il impossible t.o con.slrucl 1U1 amplifier having to o high gnin or 1.00 high ontpiII pnwt'1.

W(i now 1.11111 OU1' a llc n t i o i i 1.0 th e case o f the ooniignial.ioii illusli;il('fl ill Íi 1<)11 (• 'Ỉ

Tin; (lilĩoiriico bcl.weon two f:onfiguraLioiifl is l.lial in I lie fiisl d i s c , is J i i r i i s n i I'fl

ill l i u ’ iiiịml o f ll i e a m p l i f i e r , w h e r e a s in t he s e c o n d r:;>se, p , „ is ineii suH'd III I lie l>rj;imiinu

()!' Ihtr duiin Similarly 1.0 (lie previous derivation, we mil w iile

1'Voiu IOq f> wo call SCO I hill s N Ỉ Ĩ is im p r o v e r ! b y i n n C fisinn 1 licM iuiiil M-1 o[ a m p l i ỉ i n N

/V and I ('(lining I lie gain convsponđingly And when I]|(> I II mil J<M N !" s I,) iniinilv

I III* S N It is lnaxiiui/.ocl and equal la

‘\ n a i J w ỉ ì e L n ( a t o t )

CriK'iully speaking, quality qf optical transmission system s can he <- V i l l ilull'd I 111 on;',!I

MI'IH ill I (Till oi' Du- Q lacl or (:]], IỈ10R Clin be woll approxim ate! by:

Figure Amplifier nfler Llie lossy /I])<?!• S|»m

Till! S N I t III fill! oulpul of the transparent amplifier rlwiin is nivi'11 >y

S N R = -—rr -

2 N g u y e n Tuan A n h , P h u n g Qnoc Dao

lake llu; allcnualion, Uie dispersion and some technical parameters of in-line 1,1)1'A |2, l| inl.o accoiinL And a possible approach is following the power budget [1,6].

Ther e are some solutions lo overcome the effects of att en uat i on nncl (lisprrsion One luifilii be adding a penally power Pp en to llie power budget [2j This solution ( M I S H I T S lit

n-nifiin IJBll unchanged Ill optical transmission system s using ftDFA, IH'iH is 1 !SIi;i11 \

m easu red ill te r m s o f th e Q fa c to r [4] Ill tu rn , tlie Q factor c a n he Cíiknlnt (’(I t 1 1r>ilịilI

signal to noise ratio S N R , launched power Pin, inversion pnrnmrtor 71,,,, Hr Ml it'll V,

llic number of amplifiers and Ihe launched power depend on irmny painmolri p Ill fillin'

words, llioy fire Uio s o lu tio n s o f a c o m p licated e q u a tio n s system Iĩovvovrr, POMK' KD i'A ’s

[>;irain<:Lors (nHp, sNII, ) c:?vn b e c o n s i d e r e d ft.9 i nt cr mcdi nt f ! p m n i m ’h ' i s , I lilts CÍIM lie

skipjw d in th e final so lutions

II Dnsic e q u a tio n s

Tho simplest Wily to analyze a cascade of optical amplifiers is 1.0 nssmnc lli.-il ill

fimplificrs Imvn t.licì Silinfi g ain ftiid tlm t the loss bel.wrrn amplifiers C'xndly mill ( lies 11H'

nni pl i i i or g a i n Tin? s i g n a l o u t p u t p o w e r a t Ihc e n d o f t he c l mi n is s u pp o s r c l t o 1)(' (-r 11 til I

lo ( lie signal i n p u t p o w e r n(, th e b eginning of I,he chain It m enus l.lml I h r nri]piifi<-< I

spoil I.RIICOUS omission fiict.or (ASE) generated is smnll ill comparison witli I lie si^n;i! JIOWCI

A nd r a d I am plifier griio ralo s an equ a l finiount of ASỈ3 ns f.lic’ o llir r nmj)li(i<’ip, mid llii'1

AS 1.0 p r o p a g a te s transp;ưcn(,]y lo the output, o f th e chain, m uch ns f lip sĨRĩinl flors Time,

1,1 IC” A B at t.he oul.put, o f t.lin chain is linrar addition o f l.ho A SI y griH’ 1 nl (’fl l>y r,'K li amplifier Then: arc two concnpl.iiiil configHi nUons foi using l.lio mnplifini ( linin ill

I nmsmission syslciiis Wo consider the ense of lh(’ roniifniiill ion shown ill fitĩ 2, V fI'■ rJ Íiinpliíirr placod before! IỈ1 o lossy fiber spill 1.

1'tfjvir Amplifier before llio lossy filxM sp;in

Suppose I hilt I lie inpul power, / ’in, 1.0 Lim dinin is inclf'ponrlt'iil of I In- n n 1 p I i I i.' I iviin

a and of liici span loss L T h e signal input In the rc.cc'ivr.r is P, u / L The S N I t ill IJK•

onl.pnl of l.ln- amplifier chain can llion be wril.trn as

r, S N Ỉ Ì =

\ N n , r hĩ ’B r {(; - ) / /

wlirnr 1’ n is la iiiidu’fl power nl, (1)0 beginning or tho chain; /V is tlx' 11’Iinl.<■! of nuiplifi.-i■-

in I he c h a i n ; n , , , is l l i r i n v e r s i o n pnim m 'l.ei-; h is Plnnrk's c n n s l n u l ; I/ is o p i i r a l fif-rju,-!,, V

<1 N g u y e n Tuan Anil, pliu n g Quoc Bno

Additionally, Ihe definition of Q is given by:

~ * ( ) w

\ / W + y / N Ỉ M '

whore / j ( l ) , ^ (0 ) a n d N i a t ( 1), /V[„{(0) are th e signal find totn noipr: for a I>it ” 1“ nnfI .1 Ml

”0” , respective)’' A ssu m e an infinite extinction rat,ion, such dial, /,(()) - mid Urn! I III

noise oil the raise ” 1” is tile same as that on the raise ”0", i.p /v ,„ ,(l) - /V,„,((>) - A',„, The Q fncl.or is then presented as

wlicrc: N/,,1 is (Ilf! I.ol.al noise power S q ttn rin g bol,h sidra of !/(| 'I, \vc ()l)lMin;

,.2 _ / " _ SN R

y = i r r L = —7— '4Nloi 4 ( )(1)1

Tin; noi.se puwnr P a s i ì al, the signnl wnvplrtiRl.il ifl t:nl(-ulnl,(>(l fiom I||(' C X | HI'ssinii-: for spoiil.iincous emission noise n.,p [2,3]:

Pa s k = n , p(G - )ÌIUÌÌQ. ( I I )

h i t,his e x p r e s s i o n , f í n is e q u a l f,o b a n d p n s s o f t.Jie o p l.ifiil s j H T l n i m .-111 r! < : h I In tfiiin o f a m p l i f i e r s a I t.hc s i g n a l f r e q u e n c y I' Tl i o g a i n o f nil nmpl i f i ei is c x p n - s s f d ;m III.

ratio bcUvrrn I,lie inpul signal level and (lie oul.puf sign.'i! Irvcl, lypir.-illv rxpi css'll ill ill<

a m = I IV)

\ * i l t f t i nl — i n /

wile’ll t a k i n g I,lie cílVỉcl, o f Ư A S E Iul o fu: comi l,, G’ r u n b n gmcM' nl l y w r i l l c n n‘1

r i _ i n l I ti gnnt-o u t + Ỉ A s p : ) - I a s i-; f i n

0 — l o g i Q - j j — - — ( Ml )

•* fiitfnnt — in

A c o m m o n w a y l o c l i a r n c t c i i z e t h e p o i f o i m n n c f ! o f fill n m p l i i i c T f l i fi i n is HiiMiii-li iiv

ỉioist: figure N F , y , T h e noise figure o f nil amplifier N F is (JrfiiK’cl ns I he laiin (if III'1 S l \ : IỈ

;il Lhc inj)U( l o UkiL ill (lie o u l p u l , o f llio amplifier: N F = j ị ĩ Ị Ị P -

( S N I i U ,

T he noise figure can also be simply writ-t.cn ill I onus of fill' ,4,S'/',

N F = - J> j iă - X Ị , (1.1)

ì w B ữC G

A black-box m o d e l o f o p tic a l a m p lif ie r ch a in s in

i;xiicl]y coiupunsnLe Lho loss L between amplifiers The overall noise figure of I lie syst em

is given by:

S N Rq S N RqS N RxS N Rn- ì

'ayỊ S N Rn ~ S N R i SNI Ỉ S N Rn ’ ( l i ''

where S N R0 is the S N J l at Lhe input o f the chain Thus, the S N R ratios in Iỳ| II) iiic 1 lie noise figures of each amplifier divided to L In logarithmic units, the syslt-111 noise li^mo is piesonUid by:

N F sys = C' NFi + G N F + + G N Fn = N G N F ( )

wlinri! we iissmiH! cacli amplifier has the same noise figure a nd c = L.

Apply tins lnoUiod US thnt in previous paper [6], i.e npply the link loss biifl^.'i

UKil.liod ftnd tako iho uttonuntjon a nd the dispersion into consideration, we ohlniu: 1*1' — — P n = (<Xf + Qj ) D - f a Cr + Dl - f S y s t e m m a r g i n , ( )

whi.'ic / V is loUtl o p tic a l p o w e r loss (no re p e a te r ); P s is optical pow er nritirgiiiK from llic

a i d o f # fiber ilylead a I Inched to tlie light source; Pji is receiver sensitivity; rtf is fibre al.lcmintion; a j is splice loss; a cr is connector loss; D is transmission length; Di, is lli<‘ loss penally; S y s t e m m a r g i n concerns components aging clue to temperature find Mill ion.

»L. CÍU1 be calculated through the l'OOt-inean-square spect.inl wicll.il Ơ aiifl 111!' l)il

r a l e H'I

'-D i , { d B ) = { ự B r ) \ (J!)J

('oml)iiK! wil li l.lii! above amplifier chain equations, we can easily pi rđict, I lie mmibi'i n( Íimpliíiers in llu; chain ns well as (.he minimal input power laundiofl 1.0 I,he rhiiiii.

III S i m u l a t i o n a n d s o r u l t s

'Ihc! hl.ick l)ox model proposed in this pnpcr hnscs on main amplifier rliaiii |),I- raimit.ors ( a , N i ’ \ Pin, P a s h , etc.), on line param eters (oj)l.icnl p r m v i, r e c e iv e r s en sil ivil V, W!ivi‘l('iiglh, ul.tenunlioii, dispersion, transmission length, biL liite, MICH, system

c t (•.) 'rill! s i u n i l a l i on p a c k a g e s are w r i t t e n in Vi s u al Ii.'Lsic l a n g u a g e (Hid rx-TMircl oil

Window p la lfo n n (5).

From lla; a lx m i equal.ions, we can find out the relation b d w e r n Iho limnin'! 1,1

tj N g u y e n Tuan Á n h , P h u n g Quoc Dao

• Spe ctr um width: 0.1 n m - Wavelength: 1550 n m - At tenuat ion: 0.20 d B/ km

- Dispersion: 15 p s/n m /k m

- Bit rate: 2.5 Gb/s 1000 T

1

I3IỈR: 10 12

- NF: dB

- Launched power: 2.5 mW

500 -7 0

2

-T I I I I n ' l ' f i I' I | 7-T-T-T*ị I I I I I I I I I I

5 10 15 20 25

G [d(3J

Figure ị M axinnun number of amplifiers cascaded i l l a (Jmiii ill fund ion of f-ain

i'Voiii F i g '1, OIK! c a n s e c t h a t w h e n i n c r e a s i n g t.lie g a i n , 1.1k; NiinibiT o f i i mplif ici s

rwlnccs It, is dm: to tin; ell'ecl o f llie noise power Hy increasing a , noise- power

ill llic- o u t p u t o f c a d i a m p l i f i e r g l o w s T h e r e f o r e , t he tol al n o i s e p o w e r ;il I lie (Mil p i l l III

the: c:hain, which is Uie su m of all individual noise powers, iiicien.srs Ii makes I lie S N H (1.0 tilt! I3ER) reduced In other wolds, the S N R degradation in ;l cascaded iiuipliiici chain is S(3en Lo be linear with I,he number o f ampl i f i e rs Ill O l d e r In iciiiiiin I||(- liKli

1 inc lííinỊ-eti, one should reduce the number of ampliiiei s.

' I ' h c r d a l i o n b c l w o c i i requil0(1 p o w e r n t t h e b e g i n n i n g o f l.lic ( l i a i n ■' 1!fI I li<’ ;uii|)lili<-i

spacing is illusl.raU-HÌ in figure 5.

BICR: 10 - NF: (IB

T r a n s m is s io n dista nce: 0 km Spectrum width: 0.1 mil

W avelength: 1550 mil A tten uation : dB /k m Dispersion: 15 p s/n m /k m Bit rate: 2.5 Gb/s

10 20

15 25

-3 P iu [ u i W ] Ạ

30

-5

O i k : Cilii 1«! Ki ' t m f i o m F i g ,r), Lliu r e q u i r e d p o w e r i K ' r d r i l I n I i i i i i m i i i n l i l ,|{

Iiinlii-r w il.il iiic M r íis iiiK I.Ihỉ a m p l i f i e r s p iic iijf- W h e n i)K T e;isii)n H ie m r i p l i i i r i S|).I- ill" ili

l o s s b e t w e e n i i < I j a c c n l a m p l i f i e r s g r o w s T i m s , o i k; s h o u l d i n c : i c a s e I l i e n j n r r , r , I,

||> c i n p c i i s a U - I In: loss Unl'i)i t,iuiaU;ly, i n c i c a s i n n ^ a i n m a k e s n o i s e Ị IUVI ill, | I |, m a i i i l ;i i 11 I ỈI01Í, iii|)Hl si nii ii l p o w e r s h o u l d b e i n c i c a s e d t o o

I n r I lie j - i v c n o v n n l l g a i n , n o i s e f i g u r e , l a u i i r l i c r l p o w e r ;i nil I r;i]iMiiissi< HI s |, I 11, ill c o m l ; i j i i n n J' i Í-Ỉ, - I i i n d F i g f>, vvc Ciin e a s i l y p m l i c l I.hc Ii rc \ss;ii y I i ui ul >-■] I >1 i : i ' l \

iis Wi:l] a s lilt! a m p l i f i e r s p a r i n g ; ( i e w e w i l l k n o w h o w m a n y K U F A s s h o u l d !.(■ IS.-I I ;, n i

w i l t ‘IV l o p l í i r t ! I I l l - I l l )

I ' l i i c l i c i i l l y , l.lii! ( m l pu l p o w e r o f Lilli liglil, s o u r c e is a l x m l s o n i c n i \ v I J111 s ill lai i n c l i i ’i I ])(IWI'I i s nol v e r y liiy.il T1 ) t y p i c a l v a l u o o f KI ) ' ' A’s H»i n i s i i i o u n d i n w Ill'll i l i r l a u n c h e d p o w e r ()]■ l.lic K D F A ’s g a i n i s 1' a l l i c r h i^ li , I lie r i l r c l <)l' K D F / V s Sill 111; 111'»11 l i m y l.iki! p l i i c c d

T h e r cl a i i o n s 1)(!|.WI!CI1 lh<! n u m b e r o f i m i p l i i i t T S ill I h e c h a i n a n d I lie i i i u p l i f j r i (-Mill , I i d vvt!(M1 I lie 1C(]UÌH'(I p o w e r III 1.1k; b e g i n n i n g o f I,lie d i i i i n mil l f In' ;i 111 f >1 i f i< ,‘.|i;n inj! ; n v c o n s i d e r e d [2| , w l i c K ! s o l I Hi o i l i e r I C D F A ’h p ; u ; m i < ' l a s ( S N H , 1/ J .) : n c UK'iit i> >m-> I w h i l e I Ik: eili' cl o f (.]Hi cli sl.oi' l.i ons a r e l c j c c l c d , T h e ( l i l l o i c n c c ill l liis UKjf [«■] is I h a i I )| ■ p i i r a m r l i T S i i r r l a k c n I r o m I 111! I c c l m i c i i l p o i n l o f v i e w

I V O o i i c l u l i o i i

A l)lac:k b o x m o d e l o f opl i cí ì l a m p l i f i e r c h a i n s l i a s t x v n ( l e i i v i ' d T h e I f | ; i l lull'- 1)1'I w e e' II l.ho l i u i i i b r r <)!' Í i m p l i í i c i s a n d 1,1 u: a m p l i l i i ' i g a i n , l x ‘l-WCIMI i Ĩ1J) 111 <-r j 11i 11 •( ] II r.vri I [ 111 I 1111 i i i n p l i i i e i y|)iu:iiif> l i i i ve I nn' l l s h o w n W i l l ] U i c s c si II 111 la I.if IDS, w e c ; m ]) I [ 11 < - 11M1111 I I I I iimpliiiuta a s well a s llu: icq u n ed power i l l I 111: lje^inninij!, o f 11 J<• ' ] iii 11 A ( f ■

>111]>;i11\-w i l l i s i JI J u h 11 i t J i I S p r o s c n U x l i l l p r e v i o u s p n p e i s ( f i , j , >111]>;i11\-w o l i n v c p n > | U ) S < ' < | s o m e J ■: I r [■: I !'„■ -I I s i m u l a t i o n s ill 1.1 It: h o p e 1.11 aL IhcHO m a y ĩac.iliI n t o I,lu; c h o i c e o f s ni l a i d e K I ) ] ' A , nl I I >r A ■■

n u m b e r a n d 1.1ms m i n i m i z e I ho n u m b e r o f n e e d e d c o m p o n e n t s , r r du c r (lie sysi i ' i n ( C.si. I { ( j l c i u n c c s

1 J o h n M S e n i o r , O p t i c a l F i b e r C o m m u n i c a t i o n s - J ' f i n c i j i l c m i l l I ' i i n l i i i I ’]*))! i' I

Kill], N e w Y o r k L o n d o n , T o r o n l o S y d n e y T o k y o Siii(j,;i| )ni c |!)!)2

‘2 B e c k e r l ’ ( í O l s s o n N A , Si ) I1SJX >11 h ' r h i v m - Di i ị i i iI \ m / i h j t i I •, l - ’i u i

( l u i nc n i a t s a n d ’t'cchnuloijy, A cad em ic : P re ss, S ail Dii-juj r,(»ii(| n i\Vv; y II k S', - i 11- V T i ikyiI *r <m>]ilI) J !)!)!)

;t D c s n r v i n ; 1V J 111 ỉ I ;i 111 u ■], E r b i u m - D o p e d F i b e r A m j i l i J i f r s , J o l m W i l ' V .V S o i l ' , In I nil I Si ;il <-s <>r A m c i i c a

I K c s c a i c l i I l i s l i t i l l c 1)1' l ’osl ' H ' l c c o l i l l i i u n i c a l io ns Mr-Hmd f u r i n ' r< nsiiHỊ t ! n H'.m n.sm,'

n i / K i c i h j o f N o r t h - S o u t h e r n V i e t n a m o pt i c a l l u i r , l ' J ' R

iV.Miyt-ii 'I MilII A n i l , ICr bi um - D o p e d F i b e r A m j d i j k i s - A r r li, „tinn.s ìn OỊ, l i n l I

I I I I I I I K i l l i o n s t M i l f i l c i I ) i s s ( ’r l a If)11, 0

(i N j i i y i-11 T u i i n A n i l , lMimii i Q u o c Ma o, l ’l v - a m j l i f i o r IIII'I I ><»"•<•! iimj.Jili- ill ■ f " •• l i i m s m i h s i o i i s y s l c m s - s i JI in ] ;i I i o n s , C m m m m i c n t i o n s v h ỵ s n s .

7 N m i y c n T i i i i n A n i l , IMinii K Q m o c Mho, S i n m l a l i o n n l ‘ f.|»l iffil l i l - r 1.1 1' M■ I- i-s y i-s l C111S Iisinj* H D F A , J o u r n a l o f S c ir.m r, V N U , I X Í X N o j n n i

P H Ầ N III

PHIẾU ĐÃNG KÝ

KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u KH - CN

Tên để tài:

M ô p h ỏn g hệ t h ố n g th ô n g tin q u a n g sử d ụ n g k h u ế c h đại sợi quang kích hoạt bằ n g E r b i u m

M ã số: Q T - 03 - _ Cơ quan chủ trì đề tài:

K h o a Vật lý

Địa chỉ: Nhà T3, 33 N g u y ễ n Trãi - Tha nh Xuân - Hà Nội

Tel: 8

Cơ qu an chủ trì đ ề tài:

T r n g Đại học K H T N , Đ H Q G Hà Nôi Địa chỉ: 334 N g u y ễ n Trãi - T h a n h Xuân - Hà Nội

Tel:

Tổng k inh phí th ự c chi: 1 0 0 0 đ

T ron g đó: - T n g â n s c h N h nước: 10.000.000 đ - K in h p h í c ủ a t r n g : Kh ô n g

- V a y tín d ụ n g : Không

- V ố n tự có: Khơng

- T h u hồi: Kh ổn g _ Thời gian n g h iê n cứu: 01 n ăm

Thòi gian b a t đ ầu : /2 0 Thời gian kết th ú c : 12/2003

Tên cán p h ố i hợp n g h iê n cứu: P hù n g Q u ố c Bảo: Chủ trì N g u y ễ n T u ấ n Anh : T h a m gia Lê H ổ n g Sơn: T h a m gia

Số đăng ký đc tài

Ngày:

Số ch ứ n g nh ận đăn g ký kết q u a ngh icn cứu

Bao mậl:

Tóm tất kết nghiên cứu:

Phân tích hoạt đ ộ n g củ a m ộ t s ố khối q u a n trọng hệ thống thông tin quang: khối nguồn q u an g , trạm đ ầu c u ố i N g hi ên cứu m ộ t số cấu hình Iruyền clÃn quang thơ ng s ố chính: độ s uy hao, tán sắc, g suất dự phịng, cồng sum penalty làm sở c h o việc xây dự ng chư ơng trình mơ Phan lích hoại động, chức n ă n g c ủ a E D F A cấu hình khuếch đại sợi quang tiêu chuẩn ến t ruy ền dẫn thông số chúng (hệ số khuếch đại, cô n g suất xạ tự phát kh uếc h đại, tỷ số S / N .) Cùng với thông số ến tu y ề n dẫn, thông số bị k hu ếc h đại sở để xây dựng chương trình m ph ỏn g Đ ề xu ất thuật toán n h ằ m khảo sát số đường đặc trưng E D F A c sở đó, xây dựng chương trình mơ hỗ trợ thiết k ế tuyến tr uy ền d ẫ n q u a n g cho ph ép tính cự lý truyền dẫn, kiểu loại, sổ lượng vị trí lắp đặt cá c E D F A tuyến Đ ổ n g thời, phan tích xử lý kết thu c h o p h é p đ n h giá ảnh hưởng thông số đường truyén, thông số E D F A c ũ n g n h c ủ a n g u n qu an g đầu thu lên cự ly truyền dãn

Ki ến n gh ị q u y m ô v đ ối t ợ n g p d ụ n g nghiên cứ u :

- Kết n g hi ên cứu c ủ a đề tài dù ng làm tài liệu tham khảo cho định hướng thiết k ế cá c tu yế n truyền dẫn quang n g h i ê n cứu vể khuếch đại q u a n g t h ôn g tin sợi quang

- Tài liệu n y sử dụ ng giảng dạy cao học nghiên cứu sinh chuyên n g n h Q u a n g học

- Cần phải n g h i ê n cứu ảnh hưởng hiệu ứng q u a n g phi tuyến đến cự ly truyền dẫn Đ n g thời, bổ x u n g th êm thông s ố tên, chủ ng loại, tiêu kỹ thuật củ a cá c loại c p quang, E D F A thương ph ẩm vào sử liệu dể tâng tính thuận tiện c h o ch ươn g trình

C h ủ nhiệm đê tài

T h ủ trưởng cơ quan chủ

trì đề tài

C hủ tịch Hội đ n g đán h

giá

thức

T hủ trưởiiịỉ cơ quỉin quản

lý đe lài Ho ten P h ù n g Q u ố c B ả o

Học hàm

Hoc vi Ti ến sỹ

Ký tên