Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Quốc Hồn THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử viễn thông LUẬN VĂN THẠC K TH ẬT K THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : T Bùi Việt Khôi Hà Nội – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung đề cập luận văn “Thiết kế mô hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng khuếch đại quang” viết dựa kết nghiên cứu theo đề cương cá nhân hướng dẫn Tiến sĩ Bùi Việt Khôi Mọi thông tin số liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ nguồn sử dụng theo luật quyền quy định Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học viên cao học TRẦN QUỐC HỒN MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THƠNG TIN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG WDM 12 1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin quang 12 1.2 Các thành phần tuyến thơng tin quang 13 1.3 Giới thiệu kĩ thuật ghép kênh quang WDM 14 1.4 Định nghĩa WDM 14 1.5 Nguyên lý WDM 15 1.6 Phân loại hệ thống WDM 18 1.7 Chức hệ thống WDM 21 1.8 Ưu nhược điểm công nghệ WDM 22 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 24 2.1 Tổng quan 24 2.1.1 Nguyên lý khuếch đại quang 25 2.1.2 Ứng dụng khuyếch đại quang 27 2.2 Các thơng số khuếch đại quang 28 2.2.1 Hệ số khuếch đại 28 2.2.2 Băng thông khuếch đại 30 2.2.3 Công suất ngõ bão hoà 30 2.2.4 Hệ số nhiễu 32 2.3 Phân loại khuếch đại quang 33 2.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn 33 2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA 35 2.3.3 Khuếch đại Raman 37 CHƯƠNG 3: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 38 3.1 Tán xạ Raman 38 3.1.1 Ánh sáng 38 3.1.2 Tương tác ánh sáng môi trường 38 3.1.3 Quá trình truyền ánh sáng sợi quang 40 3.1.4 Tính chất phi tuyến sợi quang 43 3.1.5 Tán xạ ánh sáng 45 3.1.6 Tán xạ Raman 47 3.2 Nguyên lý hoạt động khuếch đại Raman 48 3.3 Bơm phương trình tín hiệu 50 3.3.1 Phổ độ khuếch đại Raman 52 3.3.2 Bộ khuếch đại Raman 01 nguồn bơm 56 3.3.3 Khuếch đại Raman nhiều nguồn bơm 63 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng khuếch đại Raman 66 3.4.1 Tán xạ Rayleigh 66 3.4.2 Tán xạ Raman tự phát 67 3.4.3 Tạp âm từ nguồn bơm 67 3.4.4 Tán xạ mode phân cực 68 3.5 Ưu điểm khuếch đại Raman 68 3.5.1 Cải thiện hệ số nhiễu 68 3.5.2 Cải thiện hệ số phẳng 70 3.6 Phân loại khuếch đại Raman 73 3.6.1 Khuếch đại Raman phân bố 73 3.6.2 Khuếch đại Raman tập trung 75 3.6.3 Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 76 CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 77 4.1 Giới thiệu chung 77 4.2 Phân tích thơng số thiết kế đầu vào 79 4.2.1 Cự ly tuyến 79 4.2.2 Số kênh bước sóng khoảng cách kênh 79 4.2.3 Tỷ số lỗi bít (BER) 80 4.3 Lựa chọn thiết bị 80 4.3.1 Bộ phát quang 80 4.3.2 Các thu quang 81 4.3.3 Phương án bù tán sắc 81 4.3.4 Sợi quang 81 4.3.5 Bộ khuếch đại quang 82 4.4 Tính tốn tham số 82 4.4.1 Chiều dài sợi quang 82 4.4.2 Suy hao chặng khuếch đại 83 4.4.3 Bù công suất hiệu ứng phi tuyến 84 4.4.4 Hệ số khuếch đại khuếch đại phát tiền khuếch đại 85 4.4.5 Bộ khuếch đại Raman 86 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI RAMAN 89 5.1 Mô hệ thống truyền dẫn đơn kênh 89 5.1.1 Mục đích mơ 89 5.1.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống 89 5.1.3 Sơ đồ hệ thống 90 5.1.4 Khảo sát G theo Δλ 91 5.1.5 Khảo sát G theo L 92 5.1.6 Khảo sát G theo P0 94 5.2 Thiết kế, mô hệ thống truyền dẫn đa kênh sử dụng khuếch đại Raman 96 5.2.1 Mục đích 96 5.2.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống 96 5.2.3 Các thu phát quang 96 5.2.4 Sợi quang 96 5.2.5 Suy hao bù công suất 97 5.2.6 Phương án khuếch đại quang 97 5.2.7 Thiết kế DRA 97 5.2.8 Tổng hợp thông số hệ thống đa kênh mô 99 5.2.9 Sơ đồ hệ thống 100 5.2.10 Kết mô 101 5.2.11 Nhận xét 103 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACI Adjacent Crosstalk Interference Nhiễu xuyên kênh APD Avalanche Photo Diode Điốt thác lũ ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu tự phát BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit CW Continuous Wave Sóng liên tục DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DCU Dispersion Compensation Unit Bộ bù tán sắc Demultiplexer Bộ tách kênh Distributed Feedback Bộ hồi tiếp phân tán DPSK Differiential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép DEMUX DFB DWDM Dense Wavelength Multiplexing Division Ghép phân chia theo bước sóng dày đặc EDFA Erbium Droped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi pha Erbium FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự ITU International Union Liên minh viễn thông quốc tế LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman tập trung MUX Multiplexer Bộ ghép kênh Telecommunication Noise Figure Hệ số nhiễu Non Return to Zero Bộ điều chế không dần tới Nonzero Dispersion Fiber Sợi quang tán sắc khác không Optical Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi quang Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm quang OSA Optical Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ quang OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực Quality Factor Hệ số phẩm chất SBS Stimulated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích SLA Superlarge Area Miền siêu rộng SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín tạp âm SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Hiện tượng tán xạ Raman kích thích WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo ZDW Zero Dispersion Wave Bước sóng tán sắc khơng NF NRZ NZDF OFA ONSR Q DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sự phân chia băng sóng WDM [2] 15 Bảng 1.2 Bảng so sánh gi a CWDM DWDM [1] 20 Bảng 4.1 Giá trị bù công suất hiệu ứng phi tuyến [6] 84 Bảng 5.1 Bảng giá trị G theo bước sóng bơm λp 91 Bảng 5.2 Bảng giá trị G theo chiều dài khuếch đại L 93 Bảng 5.3 Bảng giá trị G theo công suất bơm P0 95 Bảng 5.4 Thông số 02 loại sợi SMF DCF 97 Bảng 5.5 Bảng tổng hợp thông số hệ thống 99 Bảng 5.6 Hệ số khuếch đại tương ứng với tín hiệu vào 103 DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang [2] 13 Hình 1.2 Phổ WDM [1] 15 Hình 1.3 Cấu hình hệ thống WDM [1] 16 Hình 1.4 Cấu hình hệ thống WDM khơng quy định đầu thu phát [1] 17 Hình 1.5 Hệ thống WDM đơn hướng song hướng [2] 18 Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát WDM phổ tín hiệu ghép [2] 21 Hình 2.1 Bộ lặp quang điện [2] 24 Hình 2.2 Các tượng biến đổi quang điện [5] 26 Hình 2.3 Các ứng dụng khuếch đại [2] 27 Hình 2.4 Mối tương quan hệ số khuếch đại hệ số độ lợi [2] 30 Hình 2.5 Sự phụ thuộc công suất theo G [2] 31 Hình 2.6 Sơ đồ khối SOA [2] 34 Hình 2.7 Các ứng dụng SOA [2] 35 Hình 2.8 Sơ đồ mức lượng ion Er3+ tự [2] 36 Hình 3.1 Hệ số tán sắc sợi quang SMF-28 [2] 41 Hình 3.2 Chiều dài hiệu dụng sợi quang [2] 42 Hình 3.3 Quá trình tán xạ ánh sáng [2] 45 Hình 3.4 Tần số ánh sáng tán xạ [2] 46 Hình 3.5 Giản đồ lượng trình tán xạ Raman [3] 47 Hình 3.6 Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman [3] 49 Hình 3.7 Cấu trúc khuếch đại Raman [6] 49 Hình 3.8 Sơ đồ minh họa tán xạ Raman từ quan điểm học lượng tử [3] 51 Hình 3.9 Bộ khuếch đại Raman sở cấu hình bơm thuận [3] 52 Hình 3.10 Phổ độ khuếch đại Raman cho khối silic [3] 53 Hình 3.11 Phổ độ khuếch đại Raman cho loại sợi quang 1,45µm [3] 55 Hình 3.12 Sự biến thiên cơng suất tín hiệu bơm hai chiều [3] 58 Hình 3.13 Sự cải thiện hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc độ khuếch đại [3] 59 - Nhận xét: + Hệ số khuếch đại G DRA đạt cao giá trị Δλ khoảng 90 – 110 nm, lớn Δλ = 100 nm (13,2 THz), tương ứng với bước sóng bơm 1453 nm Kết mô phù hợp với lý thuyết nêu mục 3.3.1 luận văn + Trong trình thiết kế hệ thống cần lưu ý lựa chọn giá trị λs λp phù hợp khoảng giá trị nêu 5.1.5 Khảo sát G theo L - Thay đổi độ dài L khuếch đại DRA - Các thông số laser bơm: + Bước sóng bơm: 1453 nm + Cơng suất bơm P0 = 300 mW - Kết mơ phỏng: Hình 5.3 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo chiều dài khuếch đại 92 STT L (km) G (dB) 10 15 6,7 25 9,2 30 10,1 35 10,8 45 11,8 60 12,7 75 13,1 90 13,3 10 105 13,4 Bảng 5.2 Bảng giá trị G theo chiều dài khuếch đại L - Nhận xét: + Với giá trị công suất bơm định, chiều dài L thấp (trong trường hợp khoảng 25 km) G tăng nhanh theo L Tiếp theo tăng L (trong khoảng 30 – 60 km), hệ số khuếch đại G tăng chậm Khi giá trị L đủ lớn (L ≥ 75 km), hệ số G gần không thay đổi L tăng lên Với giá trị công suất bơm 300 mW bước sóng bơm 1453 nm L = 75 km, hệ số khuếch đại hệ thống đạt giá trị bão hòa G phụ thuộc vào L theo dạng hàm mũ + Về mặt lý thuyết lượng tử điều giải thích công suất quang laser bơm không đổi, photon laser bơm truyền cho số lượng phân tử định để chúng dao động tạo hiệu ứng Raman cưỡng Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời gi nguyên giá trị công suất bơm, tức tăng số lượng phân tử môi trường tán xạ khơng tăng lượng kích thích Sau số lượng phân tử đạt tới giá trị ngưỡng tương ứng với lượng kích thích nêu trên, dù có tiếp tục tăng thêm phân tử 93 không tạo thêm hiệu ứng Raman cưỡng bức, không làm tăng thêm hệ số khuếch đại khuếch đại 5.1.6 Khảo sát G theo P0 - Thay đổi công suất bơm P0 laser bơm - Các thông số khác: + Chiều dài L = 75 km + Bước sóng bơm: 1453 nm - Kết mơ phỏng: Hình 5.4 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo công suất bơm STT P0 (mW) G (dB) 100 4,4 200 8,7 300 13,1 400 17,4 500 21,7 600 25,8 700 29,6 94 800 32,9 900 35,6 10 1000 38,0 Bảng 5.3 Bảng giá trị G theo công suất bơm P0 - Nhận xét: + Trong phạm vi công suất bơm khảo sát (100 – 1000 mW), hệ số khuếch đại G tăng tuyến tính theo giá trị cơng suất bơm laser Điều lý giải góc độ lượng tử tăng công suất bơm laser tức số lượng photon phát tăng lên, dẫn tới số phân tử môi trường tán xạ (sợi quang) bị kích thích lên trạng thái có mức lượng cao tăng lên Khi có photon tín hiệu đến kích thích phân tử trạng thái có mức lượng cao mức lượng thấp hơn, trình phát 01 photon có bước sóng pha với photon tín hiệu tới Photon lại tiếp tục tương tác với 01 phân tử mức lượng cao khác (nếu có) để phát 01 photon Như vậy, số lượng phân tử mức lượng cao nhiều số photon phát xạ nhiều, hệ số khuếch đại khuếch đại lớn + Về mặt lý thuyết, chiều dài đường truyền không đổi, tức số phân tử mơi trường tán xạ khơng đổi tiếp tục dần tăng công suất bơm, số phân tử tán xạ đạt đến trạng thái mức lượng cao tăng dần đến giá trị ngưỡng định Sau đó, dù tiếp tục tăng cơng suất bơm, hệ số khuếch đại khuếch đại không tăng Theo lý thuyết đồ thị biểu diễn phụ thuộc G theo P0 có dạng hàm mũ + Trong thực tế thường sử dụng laser có cơng suất bơm 300 mW để đảm bảo tuổi thọ sợi quang laser Do hệ số khuếch đại G khuếch đại Raman hệ thống thực tế tăng tuyến tính theo cơng suất bơm 95 + Hệ số khuếch đại khuếch đại Raman thấp khuếch đại EDFA công suất bơm tương đương Ví dụ P0 100 mW giá trị G khuếch đại EDFA khoảng 20 dB [4] 5.2 Thiết kế, mô hệ thống truyền dẫn đa kênh sử dụng khuếch đại Raman 5.2.1 Mục đích: kiểm nghiệm q trình thiết kế theo bước chương 5.2.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống - Tốc độ bit: 10 Gb/s/kênh - Số kênh đầu vào: kênh - Khoảng cách kênh: 100 GHz - Chiều dài tuyến: Ltuyen = 120 km 5.2.3 Các thu phát quang Bộ phát quang: - Công suất phát Laser: dBm - Tần số tín hiệu phát: 191,1 THz – 191,8 THz ( tương đương bước sóng 1546,9 nm – 1552,5 nm) - Độ rộng phổ laser: 10 MHz - Suy hao điều chế ngoài: dB - Suy hao ghép kênh: dB Bộ thu quang: - Độ nhạy thu: PS = - 14 dBm - Suy hao tách kênh: 5dB - Suy hao giải điều chế: dB 5.2.4 Sợi quang - Trong thiết kế sử dụng 02 loại sợi quang sợi đơn mode (SMF) sợi dịch tán sắc (DCF) - Việc bù tán sắc đường truyền thực sợi DCF 96 - Các thông số 02 loại sợi: STT Thông số SMF DCF Hệ số suy hao 0,2 dB/km 0,2 dB/km Hệ số tán sắc 20 ps/nm.km -60 ps/nm.km Tiết diện hiệu dụng 72 µm2 30 µm2 Bảng 5.4 Thông số loại sợi SMF DCF - Tính tốn chiều dài sợi: (5.1) 5.2.5 Suy hao bù công suất - Suy hao tuyến truyền dẫn: 24 dB - Bù công suất hiệu ứng phi tuyến gây hệ thống: dB 5.2.6 Phương án khuếch đại quang - Sử dụng khuếch đại phát đầu phát để bù lại suy hao đầu phát, đảm bảo công suất vào chặng: GBo = dB - Sử dụng tiền khuếch đại đầu thu để bù suy hao thành phần phía thu gây (tách kênh, giải điều chế…) để đảm bảo ngưỡng thu phù hợp với độ nhạy thu: GPre = dB - Sử dụng khuếch đại Raman phân bố (DRA) chặng để bù suy hao chặng đó: GDRA = 15 dB 5.2.7 Thiết kế DRA - Sử dụng khuếch đại DRA 03 nguồn bơm - Lựa chọn bước sóng bơm: + Dải bước sóng bơm (căn nội dung lý thuyết nêu mục 3.3.1 97 kiểm nghiệm qua mô mục 5.1.4): – (5.2) + Chọn ∆λ = nm, ta chọn 03 bước sóng bơm tương ứng nằm dải bước sóng bơm sau: (5.3) - Lựa chọn công suất bơm: + Bơm công suất lớn cho bước sóng bơm ngắn tượng cơng suất từ bước sóng ngắn chuyển dần sang bước sóng dài tương tác SRS gi a bước sóng bơm + Với cự ly tuyến khoảng 120 km (tức hệ số khuếch đại khuếch đại 24 dB) thường chọn công suất bơm 100 – 400 mW phù hợp [6] + Công suất bơm cực đại (ứng với trường hợp nguồn bơm): 340 mW + Chọn ∆P = 10 mW, ta chọn công suất bơm tương ứng sau: (5.4) 98 5.2.8 Tổng hợp thông số hệ thống đa kênh mô Tham số STT Giá trị Đơn vị dBm 193,1/1552,5 193,2/1551,7 193,3/1550,9 193,4/1550,1 193,5/1549,3 193,6/1548,5 193,7/1547,7 193,8/1546,9 THz/nm 90 km Các nguồn Laser - Cơng suất - Tần số/bước sóng Bộ khuếch đại DRA - Chiều dài - Nguồn bơm 1440 130 nm mW - Nguồn bơm 1448 120 nm mW - Nguồn bơm 1456 110 nm mW - Hệ số suy hao 0,2 dB/km - Hệ số tán sắc 20 ps/nm.km Bộ khuếch đại phát dB Bộ khuếch đại thu dB Sợi quang DCF - Chiều dài 30 km - Hệ số suy hao 0,2 dB/km - Hệ số tán sắc -60 ps/nm.km Bảng 5.5 Bảng tổng hợp thông số hệ thống 99 5.2.9 Sơ đồ hệ thống Hình 5.5 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn đa kênh sử dụng khuếch đại Raman 100 5.2.10 Kết mơ Hình 5.6 Phổ tín hiệu phát Hình 5.7 Phổ tín hiệu vào khuếch đại 101 Hình 5.8 Phổ tín hiệu khuếch đại Hình 5.9 Phổ tín hiệu thu 102 Hình 5.10 BER 01 kênh 5.2.11 Nhận xét - Hệ số khuếch đại Raman tương đối phẳng với nguồn tín hiệu vào tần số khác đạt giá trị khoảng 15 dB yêu cầu (kết đo bảng 5.6) => giá trị cơng suất bơm bước sóng bơm tính tốn, lựa chọn phù hợp STT Nguồn tín hiệu phát (THz) Hệ số khuếch đại tương ứng (dB) 193,1 15,38 193,2 15,33 193,3 15,27 193,4 15,19 193,5 15,12 193,6 15,04 193,7 14,97 193,8 14,92 Bảng 5.6 Hệ số khuếch đại tương ứng với tín hiệu vào 103 - Tín hiệu thu đầu kênh: + Cơng suất tín hiệu -4,486 dBm nằm giới hạn cho phép hệ thống STM-64 tốc độ 10 Gbps quy định tiêu chuẩn quốc gia QCVN 7:2010/BTTTT Bộ Thông tin Truyền thông ban hành (độ nhạy thu -14 dBm, mức tải -3 dBm) + Để đảm bảo BER hệ thống < 10-13 BER chưa sử dụng sửa lỗi trước (FEC) phía phát cần