Cân bằng phổ khuếch đại edfa và mô phỏng đánh giá hệ thống wdm sử dụng khuếch đại edfa (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - VŨ NGỌC TÚ CÂN BẰNG PHỔ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG WDM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI EDFA Chun ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 60.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ TUẤN LÂM Phản biện 1: ………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Ngày với bùng nổ công nghệ thông tin liên lạc, nhu cầu băng thơng ngày cao Do với ưu điểm tính xác, băng thơng rộng hệ thống truyền dẫn quang hệ thống triển khai rộng rãi Các công nghệ truyền tải quang liên tục nghiên cứu ứng dụng triển khai để nâng cao dung lượng truyền tải, tận dụng hiệu băng thông rộng sợi quang Một công nghệ ứng dụng “Cơng nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” Mặc dù hiệu hệ thống WDM đem lại lớn, băng thông, độ ổn định…nhưng gặp phải vấn đề quan trọng: suy hao sợi, tán sắc, ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến, phổ khuếch đại không phẳng cho bước sóng ghép Hiện khuếch đại quang EDFA ứng dụng hệ thống WDM thực tế, với ưu điểm: độ rộng phổ khuếch đại lớn, biên độ khuếch đại cao Tuy vậy, khuếch đại EDFA chưa giải triệt để vấn đề: phổ khuếch đại khơng phẳng cho bước sóng ghép hệ thống WDM Vì vậy, luận văn vào nghiên cứu đưa giải pháp cân phổ khuếch đại EDFA, ảnh hưởng phổ khuếch đại EDFA, cuối khảo sát đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA kết hợp với phương pháp cân bằng.Với lý em chọn đề tài :” Cân phổ khuếch đại EDFA khảo sát đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA ” để làm luận văn tốt nghiệp Luận văn trình bày chương: Chương 1: Giới thiệu tóm tắt khuếch đại EDFA, hệ thống WDM đơn giản, ảnh hưởng độ khuếch đại phụ thuộc bước sóng, phương pháp cân phổ khuếch đại EDFA Chương 2: Trình bày lý thuyết lọc cách tử Bragg ứng dụng làm lọc cân phổ EDFA Đưa số đặc tính phản xạ cách tử Bragg 2 Chương 3: Mô khảo sát hệ thống WDM có sử dụng khuếch đại EDFA kết hợp với lọc cân cách tử Bragg Em xin chân thành cảm ơn TS VŨ TUẤN LÂM hướng dẫn em tận tình để hồn thành luận văn Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Khuếch đại quang sợi EDFA Khuếch đại quang sợi hoạt động theo nguyên lý: nguyên tử cấu tạo nên sợi quang (các nguyên tử pha tạp) hấp thụ lượng cung cấp nguồn cung cấp bên ngồi, sau hạt chuyển sang trạng thái kích thích mức lượng cao hơn, hết thời gian sống (ở trạng thái kích thích) có tín hiệu cần khuếch đại truyền sợi quang hạt chuyển mức lượng thấp giải phóng lượng dạng photon ánh sáng, bước sóng pha với tín hiệu Kết tín hiệu khuếch đại 1.1.1 Khuếch đại EDFA Khuếch đại EDFA loại khuếch đại quang sợi pha tạp chất Erbium Với dải bước sóng khuếch đại khơng đồng dạng 1500 – 1600 nm, đỉnh khuếch đại xung quanh bước sóng 1532nm Do EDFA phù hợp để sử dụng cho hệ thống WDM thường sử dụng sổ 1530 – 1565 nm (C-band) để truyền tải tín hiệu 1.1.2 Nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA a) Các mức lượng ion Er+3 Sự chuyển tiếp mức lượng ion Er+3 tương ứng với hấp thụ lượng từ bước sóng bơm hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ mức lượng ion Er+3 b) Nguyên lý hoạt động EDFA Quá trình xạ xảy EDFA nhìn chung phân cấp thành xạ kích thích xạ tự phát Khi ion Erbium Er+3 kích thích từ trạng thái thơng qua hấp thụ ánh sáng bơm, phân rã không phát xạ từ mức lượng cao tiến tới trạng thái giả bền 4I13/2 Tín hiệu quang tới gặp ion Erbium kích thích Lúc xảy q trình xạ kích thích ion Erbium chuyển từ mức giả bền 4I13/2 xuống mức lượng thấp 4I15/2 (nơi mà mật độ điện tử cao) tạo photon có pha hướng quang tín hiệu tới Như đạt trình khuếch đại quang EDFA 1.2 Hệ thống Wavelength Division Multiplexing (WDM) Để tăng dung lượng liệu truyền sợi quang, hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) nghiên cứu ứng dụng Hệ thống ghép kênh bước sóng ghép kênh quang Sau truyền sợi quang Tới điểm cuối kênh nàyg tách tách kênh quang Tổng dung lượng hệ thống N kênh WDM tăng lên N lần 1.2.1 Khuếch đại quang 1.2.2 Độ khuếch đại phụ thuộc bước sóng Khi thực q trình khuếch đại bù suy hao cho tín hiệu quang WDM, lý tưởng yêu cầu độ khuếch đại kênh bước sóng phải Tuy nhiên thực tế, phương pháp khuếch đại quang sợi (phát xạ kích thích (EDFA),tán xạ kích thích Raman) phụ thuộc vào bước sóng Do đó, hai bước sóng với cơng suất phát có cơng suất khơng sau khuếch đại Và sau truyền dẫn qua nhiều khuếch đại quang sợi, khác biệt công suất tỉ số signal-to-noise (NSRs) tăng lên đến mức chấp nhận Kết số kênh trở nên yếu, làm cho tỉ số SNR nhỏ nhận biết kênh, dẫn đến tín hiệu kênh bị Hình 1.4 Độ khuếch đại phụ thuộc công suất EDFA 1.2.3 Các phương pháp cân độ khuếch đại Pre-emphasis kênh Hoạt động Pre-emphasis kênh đơn giản: Nếu biết tổng độ lợi tất khuếch đại tuyến cho kênh WDM, thiết lập cơng suất lối vào cho kênh để đạt cơng suất lối tỉ số SNR cho kênh WDM gần Khi thông tin công suất lối node đích phản hồi node nguồn phương pháp truyền tải(quang, vơ tuyến ), chế điều chỉnh node nguồn điều chỉnh lại công suất lối vào cho kênh để đạt phổ khuếch đại tối ưu node đích Lọc cân Một lọc quang kết nối với khuếch đại quang để thực cân phổ khuếch đại Phổ truyền đạt lọc cân yêu cầu phải có dạng ngược lại với phổ truyền đạt khuếch đại quang dải bước sóng Ngồi đặt lọc cân sau chuỗi vài khuếch đại Hai loại lọc cân thường sử dụng là: lọc cách tử sợi quang – fiber gratings (LPG, FBG) lọc dielectric thinfilm Cả hai loại tích hợp module EDFA thương mại thực tế Hình 1.6 Hoạt động lọc cân Cân động Đây kĩ thuật mở rộng từ kĩ thuật lọc cân bằng, cân động dựa lọc với phổ truyền đạt điều chỉnh Bằng việc theo dõi phổ khuếch đại lối ra, cân động có hể điều chỉnh theo thời gian thực để bù lại thay đổi độ khuếch đại Một số kĩ thuật cân động phát triển: Tunable Fiber Bragg gratings, acoustooptic tunable filters, micro – electro – mechanical system… Chương 2: CÂN BẰNG PHỔ KHUẾCH ĐẠI EDFA SỬ DỤNG BỘ LỌC CÁCH TỬ BRAGG 2.1 Giới thiệu Thông thường sợi quang môi trường đồng dọc theo chiều dài sợi, đặc tính sợi quang điểm giống Tuy nhiên, làm cho số khúc xạ (chiết suất) sợi quang thay đổi cách có chu kì dọc chiều theo chiều dài sợi, tăng lên giảm, sau lại tăng lên Những sợi gọi cách tử sợi, thay đổi số khúc xạ tán xạ phản xạ ánh sáng chạy dọc sợi Cách tử Bragg quang (FBG) thực chất xáo trộn cấu trúc số chiết suất theo dạng chu kì dọc theo hướng truyền sóng sợi quang mơ tả hình 2.1 Hình 2.1 Cấu trúc cách tử Bragg 2.2 Nguyên lý hoạt động FBG Quá trình truyền ánh sáng ống dẫn sóng (sợi quang) mô tả dạng tập hợp sóng điện từ định hướng gọi mode ống dẫn sóng Trong sợi quang điều kiện biên lõi-vỏ dẫn đến ghép cặp thành phần trường điện từ Mỗi mode có số truyền đạt cụ thể β Nếu có xáo trộn theo chu kì dọc theo sợi quang mode trao đổi lượng Hiện tượng biết đến tượng ghép mode Và điều kiện để xảy phản xạ hồn tồn cách tử Bragg mơ tả bởi: b  neff   (2.5) Bước sóng mà có phản xạ hồn tồn gọi bước sóng Bragg λb 2.3 Lý thuyết ghép mode Mối liên hệ đơn giản bước sóng Bragg λB, chu kì cách tử số khúc xạ ảnh hưởng neff không đưa thông tin băng thông đáp ứng lọc hay độ phản xạ cách tử Một công cụ hữu ích sử dụng để mô tả thuộc tính cách tử Bragg lý thuyết ghép mode Phương trình ghép mode đơn giản hố việc giảm số mode xuống hai mode mô tả sau: dR(z)  iζR( z)  ikS (z) dz dS(z) iζR(z) ikR(z) dz (2.8) Trong R(z) = A+(z)exp( iδz – θ/2) S(z) = A-(z)exp[- iδz + θ/2)], R(z) mode hướng tới S(z) mode hướng phản xạ ngược trở lại, hai hàm thể mode bao thay đổi chậm  hệ số tự ghép mode chung DC, tương ứng với hệ số điều hướng δ ), k hệ số ghép mode “AC” hay gọi độ mạnh ghép mode bên cách tử Đối với dạng cách tử Bragg phương trình ghép mode có phương pháp giải tương tự nhau, đưa kết thuộc tính cách tử khác Phần sau giải phương trình theo loại cách tử 8 2.3.1 Cách tử Bragg (Uniform FGB) Cách tử Bragg quang chu kì UFBG cách tử có chu kì Λ khơng đổi chiết suất cách tử thay đổi tuần hoàn dọc theo cách tử Bằng việc giải phương trình ghép mode (2.8) theo điều kiện ban đầu cách tử Bragg đều, ta độ phản xạ lớn cách tử (xảy bước sóng Bragg) mơ tả rmax= tanh2(kL) (2.19) Từ phương trình (2.19) thấy độ phản xạ thay đổi theo thay đổi số điều chế chiết suất, độ phản xạ thay đổi theo chiều dài cách tử Hiển nhiên từ phương trình hệ số phản xạ FBG gần tới điều chế số chiết suất độ dài cách tử tăng độ xác Hình 2.7 Mơ tả độ phản xạ (nét đứt) truyền đạt (nét liền) cách tử Bragg L=1 cm, λB = 1550 nm, neff =1.45, kL=2 2.3.2 Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi 2.3.3 Cách tử Bragg điều biến chiết suất 2.4 Ứng dụng cách tử Bragg cân băng phổ khuếch đại EDFA Phần nghiên cứu đưa kết đặc tính cách tử Bragg Ta thấy đặc trưng cách tử Bragg khả phản xạ lại bước sóng thỏa mãn điều kiện Bragg Và cách tử Bragg UFBG độ phản xạ theo (2.19) phụ thuộc vào hệ số ghép k độ dài cách tử L Do sử dụng cách tử Bragg lọc để phản xạ lượng bước sóng Bragg theo độ mạnh phản xạ, thu cơng suất mong muốn đầu cách tử Bragg Đối với hệ thống ghép kênh quang WDM, sau khuếch đại qua EDFA có đặc tính phổ khuếch đại không phẳng, kèm theo nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại cơng suất kênh không Nếu xác định không đồng kênh WDM sau khuếch đại EDFA, sử dụng cách tử Bragg với tham số độ mạnh phản xạ khác thích hợp để thu phổ khuếch đại phẳng 2.4.1 Cân dựa vào đặc tính cơng suất kênh WDM Với đặc tính phản xạ cách tử Bragg, sử dụng làm lọc suy hao cho kênh bước sóng theo độ phản xạ cần thiết để làm cân công suất kênh WDM Trong mô hình chuỗi cách tử Bragg đặt sau khuếch đại EDFA Mỗi cách tử chịu trách nhiệm suy hao cho bước sóng Hình 2.13 Cấu trúc chuỗi lọc FBG cân phổ khuếch đại EDFA 10 2.4.2 Cân dựa nhiễu khuếch đại ASE Trong cấu hình sử dụng cân khuyếch đại này, cách tử Bragg đặt trước sợi quang pha Erbium nhằm mục đích phản xạ gần toàn nhiễu khuyếch đại tự phát ASE quay trở lại sợi EDF nhằm giảm bão hoà gây nên tín hiệu, làm tăng dải biến thiên cơng suất đầu vào Hình 2.14 EDFA khơng sử dụng có sử dụng FBG phản xạ nhiễu ASE 2.5 Các ứng dụng khác cách tử Bragg truyền dẫn quang 2.5.1 Ứng dụng bù tán sắc 2.5.2 Ứng dụng tách ghép kênh quang 2.5.3 Ứng dụng cảm biến 2.5.4 Ứng dụng công nghệ Laser 11 Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM SỬ DỤNG BỘ LỌC CÁCH TỬ BRAGG CÂN BẰNG PHỔ KHUẾCH ĐẠI EDFA 3.1 Giới thiệu phần mềm mô OptiSystem 3.2 Mơ hình mơ 3.2.1 u cầu mơ a) Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA với yêu cầu sau: - Tốc độ bít: 10Gbit/s - Cự ly truyền dẫn : 120 km - Số lượng kênh bước sóng: kênh - Loại sợi quang: Sợi đơn mode chuẩn (G.655) - Đảm bảo chênh lệch công suất tín hiệu đầu phát/thu nhỏ - Đảm bảo cơng suất kênh đồng b) Sử dụng phầm mềm Otisystem xây dựng mơ hình theo phương án mơ - Chạy mô - Hiển thị kết mô thiết bị đo đặt tuyến - Thay đổi tham số phần tử lọc để đạt độ cân công suất kênh c) Báo cáo đánh giá kết mô 3.2.2 Xây dựng hệ thống WDM theo phương án thiết kế a) Phần phát quang ghép kênh - Nguồn phát kênh WDM - Bộ ghép kênh quang MUX (ghép kênh) b) Tuyến truyền dẫn quang - Sợi quang: G.655, tuyến 120 km - Khuếch đại EDFA - Cách tử Bragg UFBG c) Phần thu/tách kênh quang - Bộ tách kênh quang 12 d) Thiết bị đo - Máy phân tích phổ quang (Optical Spectrum Analyzer) - Máy phân tích kênh WDM (WDM Analyzer) - Máy phân tích kênh WDM cổng (Dual Port WDM Analyzer) 3.3 Chạy mô Phần thực chạy mô mơ hình xây dựng Sau đưa kết cho mơ hình hệ thống WDM khơng có khuếch đại EDFA, có khuếch đại EDFA chưa làm phẳng sử dụng cách tử Bragg để làm phẳng 3.3.1 Kết mơ hình khơng có khuếch đại EDFA Cơng suất kênh WDM phát sau tryền dẫn a) b) Hình 3.13 a) Cơng suất tín hiệu phát; b) Cơng suất tín hệu sau truyền dẫn 13 Nhận xét: Từ kết nhận sau chạy mơ ta thấy rằng: quang phổ tín hiệu lối hợp kênh quang WDM ~ - 22.9 dBm Sau truyền dẫn qua tuyến quang 120 km rõ ràng lúc cơng suất tín hiệu kênh bị giảm xuống suy hao đường truyền 24 dB, lúc công suất kênh ~ -46,9 dBm Với giá trị số công suất nhỏ rõ ràng thu khó phân biệt tín hiệu, điều cần thiết phải sử dụng khuếch đại EDFA ~ 24 dBm để bù lại suy hao Đảm bảo không gây thông tin truyền tuyến 3.3.2 Kết mơ hình có khuếch đại EDFA chưa cân Hình 3.15 Sơ đồ mơ hệ thống WDM sử dụng EDFA chưa cân 14 Quang phổ tín hiệu sau khuếch đại EDFA sau truyền dẫn a) b) Hình 3.16 a) Quang phổ tín hiệu phát; b) Quang phổ tín hệu sau truyền dẫn 15 Cơng suất tín hiệu sau khuếch đại truyến dẫn a) b) Hình 3.18 a) Cơng suất tín hiệu phát; b) Cơng suất tín hệu sau truyền dẫn sử dụng EDFA Nhận xét: Từ kết mô rõ ràng sau sử dụng khuếch đại EDFA cơng suất kênh nâng lên với kênh công suất thấp tại196.4 THz ~ -21.631 dBm kênh công suất cao 195.6 THz -15.272 dBm, thay cho giá trị -46,9 dBm trước sử dụng khuếch đại 16 Tuy tín hiệu khếch đại độ khuếch đại kênh không đồng nhau, chênh lệch công suất lớn kênh ~ 6.7 dBm Sự không đồng gây ảnh hưởng xấu tới tuyến truyền dẫn dài mà có sử dụng nhiều khuếch đại EDFA, chênh lệch cơng suất lớn kênh có độ khuếch đại cao nhanh chạm tới mức bão hịa kênh nhỏ tiếp tục tăng Kết tới phía thu có kênh bị tín hiệu Do điều cần thiết phải cân độ khuếch đại kênh Ở phần sau sử dụng cách tử Bragg lọc công suất cho kênh tín hiệu để đạt dược cân kênh Ngoài ta thấy rằng, sau sử dụng khuếch đại EDFA cơng suất nhiễu tăng lên kênh ~ -67.574 dBm thay cho giá trị -100dBm trước sử dụng khuếch đại Và xuất thêm số bước sóng hài xung quanh bước sóng sử dụng truyền dẫn Điều xảy đặc tính khuếch đại EDFA tạo xạ tự phát giữ sợi quang, hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng sóng bơm 3.3.3 Kết mơ hình có khuếch đại EDFA cân Theo bảng công suất tín hiệu sau khuếch đại EDFA ta thấy, cơng suất thấp kênh 196.4 THz ~ 2.292 dBm Giả sử mức cơng suất kênh sau qua lọc cân cách tử Bragg đều, ta cần cân kênh bước sóng cịn lại Do cần thêm vào chuỗi gồm cách tử Bragg sau khuếch đại EDFA, cách tử Bragg tương ứng với kênh kênh bước sóng Mỗi cách tử có chức phản xạ làm suy hao cơng suất kênh bước sóng để đạt mức cơng suất u cầu 17 Hình 3.19 Sơ đồ mô hệ thống WDM sử dụng EDFA cân cách tử Bragg Bằng thực nghiệm chạy mô thay đổi tham số lọc suy hao cách tử Bragg ta đạt cân cơng suất kênh có giá trị xung quanh ~ 2.292 dBm Bảng thông số cài đặt cho cách tử sau: Bảng 3.1 Thông số cài đặt cho cách tử Tên cách tử Băng thông Tần số (GHz) (THz) UFBG_195 Độ phản xạ 195.0 0.27 195.2 0.54 UFBG_195.4 195.4 0.72 UFBG_195.6 195.6 0.79 UFBG_195.2 10 18 UFBG_195.8 195.8 0.78 UFBG_196 196.0 0.69 UFBG_196.2 196.2 0.4 Cơng suất tín hiệu sau lọc cách tử Bragg truyền dẫn a) b) Hình 3.21 Cơng suất cân cách tử Bragg a) Công suất tín hiệu phát; b) Cơng suất tín hệu sau truyền dẫn 19 Nhận xét: Theo kết chạy mô với tham số có lọc cách tử Bragg cơng suất kênh gần đồng giá trị 2.2 dBm Và công suất sau truyền dẫn cân xung quang giá trị -21.8 dBm, với độ sai lệch công suất lớn kênh nhỏ ~ 0.24 dBm Do việc sử dụng cách tử Bragg khuếch đại EDFA hiệu việc cân độ khuếch đại, làm giảm độ chênh lệch công suất kênh từ 6.7 dBm xuống cịn 0.24 dBm 3.3.4 Kết mơ hình thay đổi chiều dài sợi quang 3.3.5 Kết mô hình lọc cân đặt sau tuyến truyền dẫn quang 3.3.6 Kết mơ hình thay đổi cơng suất phát kênh WDM 3.3.7 Kết thay đổi khuếch đại EDFA 20 KẾT LUẬN Việc ứng dụng khuếch đại quang sợi EDFA với phổ khuếch đại rộng trải toàn băng C, bù lại phần suy hoa sợi quang truyền tải hệ thống WDM Tuy vấn đề gây ảnh hưởng lớn tín hiệu đặc tính khơng cân phổ khuếch đại kênh bước sóng, tuyến truyền dẫn sử dụng nhiều khuếch đại EDFA đặc tính gây tượng bão hịa số bước sóng, bước sóng khác khuếch đại tuyến tính Hiện tượng dẫn đến tỉ số tín hiệu/nhiễu bị giảm có khả gây tín hiệu Vấn đề luận văn giải phương pháp khắc phục tượng phổ khuếc đại EDFA không cân Và tập trung vào phương pháp cân sử dụng lọc cách tử Bragg Với đặc tính phản xạ lại bước sóng thỏa mãn điều kiện Bragg, cách tử Bragg sử dụng lọc suy hao cho kênh bước sóng để đạt cân kênh Cuối phần mô đưa kết chứng minh cho suy hao sợi quang, phổ khuếch đại EDFA không cân Và cho thấy hiệu lọc cách tử Bragg việc cân cơng suất kênh Ngồi phụ thuộc hiệu cân lọc cách tử vào tham số: khoảng cách tuyến, công suất phát kênh WDM, vị trí đặt lọc, khảo sát để chi tiết thêm số đặc tính lọc cân  ... đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA kết hợp với phương pháp cân bằng. Với lý em chọn đề tài :” Cân phổ khuếch đại EDFA khảo sát đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA ” để làm luận... đề: phổ khuếch đại không phẳng cho bước sóng ghép hệ thống WDM Vì vậy, luận văn vào nghiên cứu đưa giải pháp cân phổ khuếch đại EDFA, ảnh hưởng phổ khuếch đại EDFA, cuối khảo sát đánh giá hệ thống. .. tuyến, phổ khuếch đại không phẳng cho bước sóng ghép Hiện khuếch đại quang EDFA ứng dụng hệ thống WDM thực tế, với ưu điểm: độ rộng phổ khuếch đại lớn, biên độ khuếch đại cao Tuy vậy, khuếch đại EDFA