Hệ thống thông tin quang và công nghệ ghép kênh theo thời gian

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ NGHÉP KÊNH OTDM Sinh viên thực VINH – 2011 : Vũ Văn Nam MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Sự phát triển thông tin quang 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 1.3 Ƣu, nhƣợc điểm ứng dụng hệ thống thông tin quang 11 1.3.1 Ƣu điểm 11 1.3.2 Nhƣợc điểm 12 1.3.3 Ứng dụng 13 CHƢƠNG II: CÁP SỢI QUANG 14 2.1 Bản chất ánh sáng 14 2.1.1 Các định luật ánh sáng 14 2.1.2 Đặc tính phản xạ sợi quang 15 2.2 Cáp sợi quang 16 2.2.1 lõi cáp sợi quang 17 2.2.2 Vỏ cáp quang 17 2.2.3 Phần tử gia cƣờng 18 2.2.4 Các phần tử khác lõi cáp 19 2.3 Phân loại sợi quang 20 2.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi 20 2.3.2 Phân loại theo mode lan truyền 21 2.3.3 Phân loại theo phân bố số khúc xạ 21 2.4 Các nguyên tắc lan truyền ánh sáng sợi quang 22 2.4.1 Ánh sáng lan truyền sợi quang đa mode chiết suất bậc 22 2.4.2 Ánh sáng lan truyền sợi quang đa mode chiết suất liên tục 23 2.4.3 Sợi quang đơn mode chiaats suất bậc 24 2.5 Đặc tính suy hao sợi quang(AT) 24 2.5.1 Các yếu tố suy hao bên 24 2.5.2 Suy hao công nghệ chế tạo sợi quang 25 2.5.3 Các nguyên nhân suy hao bên 26 2.5.4 Suy hao hàn nối sợi 26 2.5.5 Méo mod 27 2.6 Các hình thức lắp đặt cáp 27 2.6.1 Cáp treo 27 2.6.2 Cáp cống 29 2.6.3 Cáp chôn trực tiếp 29 2.6.4 Cáp nhà cáp vƣợt 29 2.6.5 Cáp thả dƣới nƣớc 30 2.6.6 Cáp thả biển 30 2.7 Hàn sợi quang 32 2.7.1 Nhận xét 32 2.7.2 Các phƣơng pháp hàn học 33 CHƢƠNG III: NGUỒN PHÁT QUANG 37 3.1 Nguyên lý xạ ánh sáng chất bán dẫn 37 3.1.1 Nguyên lý xạ ánh sáng 37 3.1.2 Các chất bán dẫn dùng để chế tạo nguồn phát quang 39 3.2 Phân loại nguồn phát quang 41 3.3 Diode phát quang (LED) 42 3.3.1 LED phát xạ mặt 42 3.3.2 LED phát xạ cạn 44 3.3.3 Các đặc trƣng kỹ thuật LED 44 3.4 LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) 46 3.4.1 Cấu trúc nguyên tắc làm việc 46 3.4.2 Một số loại laser đƣợc sử dụng 47 3.4.2.1 Laser đa mode Fabry_Pero (F_P) 47 3.4.2.2 LASER đơn mode 48 3.4.3 Các đặc trƣng laser 50 CHƢƠNG IV: NGUỒN THU QUANG 53 4.1 Khái quát nguồn thu quang 53 4.2 Photo diode P-N 53 4.2.1 Cấu tạo nguyên tắc tách sóng quang photo diode P-N 53 4.1.3 Các đặc tính kỹ thuật photo diode P- N 54 4.3 Photo diode PIN 56 4.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc 56 4.3.2 Tham số kỹ thuật PIN 57 4.4 Photo diode thác APD 58 4.4.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc 58 4.4.2 Các tham số kỹ thuật APD 60 CHƢƠNG V: GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 62 5.1 Tổng quan hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM 62 5.1.1 Nguyên lý ghép kênh hệ thống OTDM 62 5.1.2 Phát tín hiệu hệ thống OTDM 63 5.2 Giải ghép xen rẽ kênh hệ thống OTDM 64 5.2.1 Giải ghép 64 5.2.2 Xen rẽ kênh 67 5.2.3 Đồng quang hệ thống OTDM 68 5.3 Đặc tính truyền dẫn OTDM 69 5.4 Bộ khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 70 5.4.1 Các cấu trúc EDFA70 5.4.2 Lý thuyết khuếch đại EDFA 72 5.4.3 Yêu cầu nguồn bơm 75 5.4.4 Phổ khuếch đại 78 5.5 Kết luận chƣơng 80 KẾT LUẬN 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ BẢNG: BẢNG 2.1: Các đặc tính phần tử gia cƣờng BẢNG 2.2: Phân loại sợi quang BẢNG 3.1: So sánh ELED SLED BẢNG 4.1: Các tham số kỹ thuật photo diode PIN BẢNG 4.2: Các thông số kỹ thuật APD BẢNG 5.1: Bảng tóm tắt phƣơng pháp ghép kênh OTDM BẢNG 5.2: So sánh hai mức bơm 980nm 1480nm BẢNG 5.3: Bảng so sánh EDFA hoạt động băng C L HÌNH: HÌNH 1.1: Cấu trúc hệ thống thông tin quang HÌNH 2.1: Hiện tƣợng phản xạ khúc xạ ánh sáng HÌNH 2.2: Ảnh hƣởng tán xạ lên tín hiệu digital(a) tín hiệu analog HÌNH 2.3: Cách đặt phần tử gia cƣờng HÌNH 2.4: Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất bậc HÌNH 2.5: Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất liên tục HÌNH 2.6: Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode chiết suất liên tục HÌNH 2.7: Các loại cáp phịng tự treo HÌNH 2.8: Cáp nhà cáp vƣợt HÌNH 2.9: Cáp thả biển HÌNH 2.10: Hàn học ống mao HÌNH 2.11: Hán học măng xơng học HÌNH 3.1: Dải cấm lƣợng trực tiếp HÌNH 3.2: Dải cấm lƣợng gián tiếp HÌNH 3.3: Cấu tạo LED phát xạ mặt HÌNH 3.4: Cấu trúc LED phát xạ cạnh HÌNH 3.5: a) Bức xạ tự phát HÌNH 3.5: b) xạ kích thích HÌNH 3.6: Cấu trúc lọc ngồi HÌNH 3.7: Đồ thị phổ xạ LASER HÌNH 4.1: Đƣờng cong độ nhạy R hiệu suất lƣợng tử  HÌNH 4.2: Cấu tạo photo diode quang HÌNH 4.3: Cấu tạo diode thác APD HÌNH 5.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM ghép kênh quang HÌNH 5.2: Nguyên lý ghép kênh thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang HÌNH 5.3: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock HÌNH 5.4: Cấu trúc tổng qt khuếch đại EDFA HÌNH 5.5: Mặt cắt ngang sợi quang ion Erbium HÌNH 5.6: Giản đồ lƣợng ion Er3+ HÌNH 5.7: Phổ hấp thụ phổ độ lợi HÌNH 5.8: Q trình khuếch đại tín hiệu xảy với bƣớc sóng bơm 980nm 1480nm HÌNH 5.9: Cấu hình khuếch đại EDFA đƣợc bơm kép CÁC TỪ VIẾT TẮT APD Avalanche Photo Diode Điốt tách sóng thác APS Automatic Protection Switching Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động AS Absortion Spectrum Phổ hấp thụ BUF Bandwidth Utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông CLP Counterdirectional Pumping Bơm ngƣợc CP Condirectional Pumping Bơm thuận CR Coupling Ratio Tỉ số ghép D Directivity Tính dịnh hƣớng DH Double-Heterojunction Dị thể ghép cấu trúc DP Dual Pumping Bơm hai chiều DSF Dispersion shifted Fiber Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc EDF Erbium –Doped Fiber Sợi quang pha ion đất Erbium EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier FBGF Flouride-Based Glass Fiber Bộ khuếch đại quang sợi Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium Sợi thủy tinh Flouride FBT Fuset Bin conicaljager Coupler thông dụng GI Gradexindex Sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GS Gain Spectrum Phổ độ lợi IL Insertion Loss Suy hao xen ISI Inter symbol Interference Sự giao thoa kí hiệu LD Laser Diode Điốt Lase LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang LW Linewidth Độ rộng kênh truyền MaD Material Dispersion Tán sắc vật liệu MB Mestable Bend Vùng giả bến MGF Multicomponent Glass Fiber Sợi quang thủy tinh đa vật liệu MM-GI Multimode Gradexindex Sợi quang đa mode biến đổi Gradien MM-SI Multimade Stepindex Sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc MoD Mode Dispersion Tán sắc mode NC Nonradiative Cecay Phân rã không xạ NOLM Norlinear-Loop-Mirror Optical Frequency Division Multiplexing Gƣơng vòng phi tuyến OFDM Ghép kênh quang phân chia theo tần số Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM Optical Time Division Multiplexing OTN Optical Transport Network Mơ hình mạng truyền tải quang OxC Optical Wave Division Multiplexing Optical Crossconnect Ghép kênh quang phân chia theo bƣớc sóng Bộ kết nối chéo quang P Padiation Phóng xạ ánh sáng Phân cấp số cận đồng PDL Plesiochronous Digital Hierarchy Polarization Dependent Loss PIN Positi Intrinsic Nagative Điốt PIN PL Pumping Laser Laser bơm PLL Phase-Locked-Loop Mạch khóa pha RL Return Loss Suy hao phản hồi SDH Synchrorious Digital Hierarchy Phân cấp số đồng SI Stepindex Sợi quang chiết suất nhảy bậc OWDM PDH Suy hao phân cực Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ lệ nén biên U Uniformity WDM Wave Division Multiplexing Tính đồng Ghép kênh quang phân chia theo bƣớc sóng LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, giới bƣớc sang kỷ ngun kinh tế tri thức thơng tin động lực thúc đẩy phát triển xã hội Do đó, nhu cầu truyền thơng ngày lớn với nhiều dịch vụ băng rộng đa phƣơng tiện đời sống kinh tế - xã hội quốc gia nhƣ kết nối toàn cầu Để đáp ứng đƣợc vai trò động lực thúc đẩy phát triển kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thơng cần phải có khả truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lƣợng lớn Một giải pháp để tạo mạng truyền thơng có khả truyền dẫn tốc độ cao hay băng thông rộng, với dung lƣợng lớn đa dịch vụ, cơng nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao Khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ cao hay băng tần rộng, trình biến đổi điện – quang phần tử phát quang (LED, LD) trình biến đổi quang – điện phần tử thu quang ( PIN, Photodiode, APD) không tuân theo đặc tuyến tĩnh nữa, mà hàm số tần số (đó q trình biến đổi động phần tử phát thu quang) Khi tốc độ truyền dẫn lớn tần số truyền dẫn hệ thống cao, ảnh hƣởng trình biến đổi động phần tử phát thu quang đến chất lƣợng truyền dẫn lớn Tuy nhiên, truyền dẫn thông tin quang chứa đựng tiềm vô phong phú đƣợc cập nhật thơng tin Do để bao quát hết đƣợc vấn đề công việc rộng lớn Chính thế, em chọn đề tài “ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VA NGHÉP KÊNH OTDM” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp Đề tài gồm chƣơng với nội dung nhƣ sau: CHƢƠNG I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Trong chƣơng này, giới thiệu hệ thống thông tin quang, ƣu nhƣợc điểm hệ thống CHƢƠNG II CÁP SỢI QUANG Trong chƣơng chúng em nghiên cứu cấu tạo, phân loại sợi quang đặc tính riêng loại CHƢƠNG III NGUỒN PHÁT QUANG Chƣơng giới thiệu chung nguyên lý phát quang, nguồn thu quang Cấu tạo, nguyên tắc làm việc đặc trƣng kĩ thuật loại nguồn phát quang CHƢƠNG IV NGUỒN THU QUANG Nghiên cứu nguyên lý thiết bị thu quang, thiết bị dung thu tín hiệu quang CHƢƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM Giới thiệu kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, nguyên lý, ƣu nhƣợc điểm hệ thống Do thời gian kiến thức hạn chế nên cịn nhiều thiếu sót cần bổ xung phát triển mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q thầy nhƣ bạn có quan tâm để hồn thiện kiến thƣớcvề cơng nghệ 10 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian với hệ thống OTDM tốc độ làm việc cao tính chất quang hóa hệ thống thể rõ cấn phải xử dụng việc tách tín hiệu clock dựa cơng nghệ quang Các mạch PLL đáp ứng đƣợc tốc độ cực nhanh tín hiệu hệ thống OTDM nhƣ hệ thống thông tin tốc độ cao khác Trong cấu hình mạch PLL quang, khuếch đại Laser LDA có chức nhƣ mạch kết hợp ngang quang có tốc độ cực nhanh Khi có tín hiệu quang xung từ clock tới, khuếch đại LDA kết hợp hai tín hiệu cho tín hiệu tần số thấp có chứa thành phần ∆f với ∆f lệch tần số hai tín hiệu này, sau tổ hợp tín hiệu đƣợc tách sóng lọc để tạo tín hiệu ∆f tƣơng ứng với tín hiệu nội so sánh Dịch pha đƣợc kiểm tra mạch so pha, kết so pha đƣợc đƣa vào dao động điều khiển điện áp VCO để phát tần số f Máy phát tín hiệu quang biến đổi tín hiệu điện có tần số f +∆f thành tín hiệu quang tƣơng ứng Tín hiệu clock quang đƣợc lấy từ biến đổi điện – quang E/O cấp vào thiết bị giải ghép quang hệ thống OTDM 5.3 Đặc tính truyền dẫn OTDM Do ánh sáng truyền sợi quang bị giải rộng tán sắc sợi quang, hệ thống thơng tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM hoạt động với tốc độ cao, điều địi hỏi xung phát phải ngắn Ta đƣa truyền dẫn Soliton hệ thống để khắc phục vấn đề tán sắc Tuy vậy, phải quan tâm tới vấn đề xung cực hẹp Giả sử khuếch đại quang thƣờng đƣợc sử dụng để tăng mức tín hiệu dọc theo tuyến thông tin quang cần Trong truyền dẫn tuyến tính tín hiệu RZ sợi có tán sắc, vấn đề bù cho hệ thống theo nghĩa bù trừ tán sắc thiết lập cho xung tín hiệu bị lƣợng vào khe thời gian lân cận Tuy vậy, điều xảy hệ thống bị suy giảm nhanh nên để tăng cực đại khoảng cách truyền dẫn phải đƣa hệ thống truyền dẫn OTDM tuyến tán sắc tiến tới không Giải pháp nguồn phát phải làm việc bƣớc sóng gần với bƣớc sóng tán sắc sợi không điều khó thực giảm cơng suất tín hiệu để tránh dãn xung cần thiết nhƣng 69 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian điều làm cho đặc tính hệ thống bị giới hạn tỉ lệ S/N Giải pháp thứ hai kỹ thuật điều tiết tán sắc ánh sáng đƣợc sử dụng để trì hình thức truyền dẫn tuyến tính tuyến Hệ thống sử dụng phát OTDM truyền dẫn số phi tuyến có ƣu điểm lớn Các dạng xung ngắn phù hợp với truyền dẫn Soliton để khắc phục tán sắc sợi dẫn quang Với hệ thống Soliton khoảng lặp hệ thống OTDM phi tuyến đƣợc tăng lên lớn cách thực kỹ thuật điều khiển Soliton, thông qua việc sử dụng lọc dẫn định thời tích cực Các lọc dẫn thuận lợi áp dụng vào mơi trƣờng có hiệu ứng Gordon-Haus gây Jitter, lại việc định lại thời gian tích cực loại bỏ Jitter chế hoạt động Nhờ cơng nghệ ngƣời ta thực trạm lặp bao gồm khối khôi phục clock điện để điều khiển thiết bị điện-quang quang hoàn toàn nhằm đƣa dịch pha 5.4 Bộ khuếch đại sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 5.4.1 Các cấu trúc EDFA Er3+ Doped Fiber Isolator Isolator Coupler LASER bơm Hình 5.4 Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA Cấu trúc khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (ErbiumDoped Fiber Amplifier) đƣợc minh họa hình 5.4 Trong bao gồm: Sợi quang pha ion đất Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): nơi xảy trình khuếch đại (vùng tích cực) EDFA Cấu tạo sợi quang pha ion Er3+ đƣợc minh họa nhƣ hình 5.5 70 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Hình 5.5 Mặt cắt ngang sợi quang ion Erbium Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đƣờng kính từ -6 μm) EDF đƣợc pha trộn ion Er3+ nơi có cƣờng độ sóng bơm tín hiệu cao Việc pha ion Er 3+ vùng cung cấp chồng lắp lƣợng bơm tín hiệu với ion Erbium lớn dẫn đến khuếch đại tốt Lớp bọc (Cladding) có chiết suất thấp bao quanh vùng lõi Lớp phủ (Coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng 250 μm Lớp phủ có chiết suất lớn so với lớp bọc dùng để loại bỏ ánh sáng không mong muốn lan truyền sợi quang Nếu không kể đến chất pha Erbium, cấu trúc EDF giống nhƣ sợi đơn mode chuẩn viễn thơng Ngồi ra, EDF đƣợc chế tạo các loại vật liệu khác nhƣ sợi thủy tinh flouride (Flouride-Based Glass Fiber) sợi quang thủy tinh đa vật liệu (Multicomponent Glass Fiber) Laser bơm (Pumping Laser): cung cấp lƣợng ánh sáng để tạo trạng thái nghịch đảo nồng độ vùng tích cực Laser bơm phát ánh sáng có bƣớc sóng 980nm 1480nm WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vào sợi quang Loại coupler đƣợc sử dụng WDM coupler cho phép ghép tín hiệu có bƣớc sóng 980/1550nm 1480/1550nm 71 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Bộ cách ly quang (Optical Isolator): ngăn khơng cho tín hiệu quang đƣợc khuếch đại phản xạ ngƣợc phía đầu phát tín hiệu quang đƣờng phản xạ ngƣợc EDFA 5.4.2 Lý thuyết khuếch đại EDFA a) Giản đồ phân bố luợng Er3+ Hình 5.6 Giản đồ lƣợng ion Er3+ Giản đồ phân bố lƣợng Er3+ sợi silica đƣợc minh họa hình 5.6 Theo đó, ion Er3+ tồn nhiều vùng lƣợng khác đƣợc ký hiệu: 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2 Trong đó: Vùng 4I15/2 có mức lƣợng thấp nhất, đƣợc gọi vùng (ground-state band) Vùng 4I13/2 đƣợc gọi vùng giả bền (mestable band) ion Er3+ có thời gian sống (lifetime) vùng lâu (khoảng 10ms) trƣớc chuyển xuống vùng Thời gian sống thay đổi tùy theo loại tạp chất đƣợc pha lõi EDFA Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4H11/2 vùng lƣợng cao, đƣợc gọi vùng kích thích hay vùng bơm (Pumping Band) Thời gian ion Er3+ có trạng thái lƣợng vùng ngắn (khoảng μs) Sự chuyển đổi lƣợng ion Er3+ xảy trƣờng hợp sau: 72 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Khi ion Er3+ vùng nhận mức lƣợng độ chênh lệch lƣợng vùng vùng lƣợng cao hơn, chúng chuyển lên vùng có mức lƣợng cao (sự hấp thụ lƣợng) Khi ion Er3+ chuyển từ vùng lƣợng cao xuống vùng lƣợng thấp xảy hai trƣờng hợp sau: Phân rã không xạ (Nonradiative Decay): lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng photon tạo dao động phân tử sợi quang Phát xạ ánh sáng (Radiation): lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng photon Độ chênh lệch lƣợng vùng giả bền (4I13/2) vùng (4I15/2) [1]: +) 0.775eV (tƣơng ứng với lƣợng photon có bƣớc sóng 1600nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh vùng +) 0.814eV (1527 nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy vùng +) 0.841 eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy vùng Hình 5.7 Phổ hấp thụ phổ độ lợi Mật độ phân bố lƣợng ion Er3+ vùng giả bền khơng nhau: ion Er3+ có khuynh hƣớng tập trung nhiều mức lƣợng thấp Điều dẫn đến khả hấp thụ phát xạ photon ion Erbium thay đổi theo bƣớc sóng Phổ hấp thụ (Absortion Spectrum) phổ độ lợi (Gain Spectrum) EDFA có lõi pha Ge đƣợc biểu diễn hình 5.7 b Nguyên lý hoạt động EDFA 73 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Nguyên lý khuếch đại EDFA đƣợc dựa tƣợng phát xạ kích thích Q trình khuếch đại tín hiệu quang EDFA đƣợc thực theo bƣớc nhƣ hình 2.13 Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, ion Er3+ vùng hấp thụ lƣợng từ photon (có lƣợng Ephoton =1.27eV) chuyển lên trạng thái lƣợng cao vùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, ion Er3+ phân rã không xạ nhanh (khoảng 1μs) chuyển xuống vùng giả bền (2) Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, ion Er3+ vùng hấp thụ lƣợng từ photon (có lƣợng Ephoton =0.841eV) chuyển sang trạng thái lƣợng cao đỉnh vùng giả bền (3) Hình 5.8 Q trình khuếch đại tín hiệu xảy với bƣớc sóng bơm 980nm 1480nm Các ion Er3+ vùng giả bền ln có khuynh hƣớng chuyển xuống vùng lƣợng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4) Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), khơng đƣợc kích thích photon có lƣợng thích hợp (phát xạ kích thích) ion Er3+ chuyển sang trạng thái lƣợng thấp vùng phát xạ photon (phát xạ tự phát) (5) 74 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Khi cho tín hiệu ánh sáng vào EDFA, xảy đồng thời hai tƣợng sau: Các photon tín hiệu bị hấp thụ ion Er3+ vùng (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao, photon tín hiệu kích thích ion Er3+ vùng giả bền (7) Hiện tƣợng phát xạ kích thích xảy Khi đó, ion Er3+ bị kích thích chuyển trạng thái lƣợng từ mức lƣợng cao vùng giả bền xuống mức lƣợng thấp vùng phát xạ photon có hƣớng truyền, phân cực, pha bƣớc sóng Tín hiệu ánh sáng đƣợc khuếch đại Độ rộng vùng giả bền vùng cho phép phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy khoảng bƣớc sóng 1530 nm – 1565nm Đây vùng bƣớc sóng hoạt động EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng bƣớc sóng lớn 1565 nm dB bƣớc sóng 1616nm 5.4.3 Yêu cầu nguồn bơm a Bƣớc sóng bơm Với vùng lƣợng đƣợc nêu ánh sáng bơm đƣợc sử dụng bƣớc sóng khác 650 nm (4F9/2), 800 nm (4I9/2), 980 nm (4I11/2), 1480 nm (4I13/2) Tuy nhiên, bƣớc sóng bơm ngắn ion Er3+ phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổi lƣợng trƣớc trở vùng phát xạ photon ánh sáng Do đó, hiệu suất bơm khơng cao, lƣợng bơm bị hao phí qua việc tạo phonon thay photon Vì vậy, thực tế, ánh sáng bơm sử dụng cho EDFA đƣợc sử dụng hai bƣớc sóng 980nm 1480nm Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu đạt đƣợc nghịch đảo nồng độ cách sử dụng nguồn bơm để bơm ion erbium lên trạng thái kích thích Có hai cách thực q trình này: bơm trực tiếp bƣớc sóng 1480 nm bơm gián tiếp bƣớc sóng 980 nm Phƣơng pháp bơm gián tiếp (bơm 980 nm): Trong trƣờng hợp này, ion Erbium liên tục đƣợc chuyển tiếp từ vùng lƣợng 4I15/2 thấp lên vùng lƣợng cao 4I11/2, sau ion phân rã xuống vùng 4I13/2 nhƣng không phát xạ Từ vùng này, có ánh sáng kích thích ion phát xạ bƣớc sóng mong muốn 75 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian (từ 1550 đến 1600 nm) chuyển từ vùng lƣợng 4I13/2 xuống vùng 4I15/2 Đây hệ thống ba mức Thời gian sống ion Erbium mức 4I11/2 khoảng 1μs 4I13/2 tới 10ms Với thời gian sống dài, vùng 4I15/2 đƣợc gọi vùng ổn định Vì vậy, ion đƣợc bơm lên mức cao, sau nhanh chóng rơi xuống vùng 4I13/2 tồn khoảng thời gian tƣơng đối dài tạo nên nghịch đảo nồng độ Với phƣơng pháp bơm trực tiếp (1480 nm): ion erbium hoạt động hai vùng lƣợng 4I13/2 4I15/2 Đây hệ thống mức Các ion Erbium liên tục đƣợc chuyển từ vùng lƣợng 4I15/2 lên vùng lƣợng kích thích 4I13/2 nhờ lƣợng bơm Vì thời gian tồn mức dài nên chúng tích lũy tạo nghịch đảo nồng độ Nguồn bơm có hiệu cao hai bƣớc sóng 980 1480 nm Để có hệ số khuếch đại 20 dB cần tạo nguồn bơm có cơng suất nhỏ mW, nhƣng cần phải có nguồn bơm từ 10 đến 100 mW để đảm bảo cho công suất đủ lớn Chỉ số nhiễu lƣợng tử giới hạn dB đạt đƣợc bƣớc sóng 980 nm Đối với bƣớc sóng 1480 nm số nhiễu vào khoảng dB tiết diện ngang phát xạ tại1480 nm cao 980 nm xạ kích thích nguồn bơm giới hạn nghịch đảo tích luỹ 1480nm Do đó, bƣớc sóng bơm 980 nm đƣợc ứng dụng cho khuếch đại tạp âm thấp Hệ số độ lợi bƣớc sóng bơm 980 nm cao 1480 nm cơng suất bơm Do đó, để đạt đƣợc hệ số độ lợi cơng suất bơm 1480 nm phải cao 980 nm Vì ơng suất bơm 1480 nm lớn nên công suất ngõ lớn hơn, bơm bƣớc sóng 1480nm đƣợc ứng dụng cho khuếch đại công suất Ngồi ra, bƣớc sóng bơm 1480 nm đƣợc truyền sợi quang với suy hao thấp Do đó, nguồn bơm laser đặt xa khuếch đại Hiện nay, bơm bƣớc sóng 1480nm đƣợc sử dụng rộng rãi chúng sẵn có độ tin cậy cao Độ tin cậy đặc điểm quan trọng laser bơm dùng để bơm cho khoảng cách dài để tránh làm nhiễu tín hiệu Các thiết bị khuếch đại cơng suất địi hỏi cơng suất bơm cao độ ổn định chúng mấu chốt trình nghiên cứu phát triển 76 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian chúng Nếu tăng đƣợc độ ổn định laser có bƣớc sóng 980 nm chúng đƣợc chọn làm nguồn bơm Một số EDFA đƣợc bơm hai bƣớc sóng để tận dụng ƣu điểm hai bƣớc sóng Bƣớc sóng bơm 980nm 1480nm Độ lợi Cao Thấp Độ lợi công suất bơm Thấp Cao Suy hao công suất bơm Cao Thấp Hệ số nhiễu Thấp Cao Tiền khuếch đại Khuếch đại cơng suất Tính chất: Ứng dụng Bảng 5.2 So sánh hai mức bơm 980nm 1480nm c Công suất bơm Công suất bơm lớn có nhiều ion Erbium bị kích thích để trao đổi lƣợng với tín hiệu cần khuếch đại làm cho hệ số khuếch đại tăng lên Tuy nhiên, hệ số khuếch đại tăng theo cơng suất bơm số lƣợng ion erbium đƣợc cấy vào sợi có giới hạn Ngồi ra, cơng suất bơm tăng lên hệ số nhiễu giảm Điều đƣợc trình bày phần tính hệ số nhiễu EDFA d Hƣớng bơm Bộ khuếch đại EDFA đƣợc bơm theo ba cách: Bơm thuận (Codirectional Pumping): nguồn bơm đƣợc bơm chiều với hƣớng truyền tín hiệu Bơm ngƣợc (Counterdirectional Pumping): nguồn bơm đƣợc bơm ngƣợc chiều với hƣớng truyền tín hiệu Bơm hai chiều (Dual Pumping): sử dụng hai nguồn bơm bơm đƣợc theo hai chiều ngƣợc 77 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Hƣớng bơm thuận có ƣu điểm nhiễu thấp nhiễu nhạy cảm với độ lợi mà độ lợi tín hiệu cao cơng suất tín hiệu vào thấp Trong đó, hƣớng bơm ngƣợc cung cấp cơng suất bão hồ cao nhƣng có hệ số nhiễu cao bơm thuận Do vậy, ngƣời ta đề nghị sử dụng hai laser bơm có bƣớc sóng bơm khác Việc bơm bƣớc sóng 1480 nm thƣờng đƣợc sử dụng theo chiều ngƣợc với hƣớng truyền tín hiệu bơm 980 nm theo hƣớng thuận để sử dụng tốt ƣu điểm loại bơm Bơm 1480 nm có hiệu suất lƣợng tử cao nhƣng có hệ số nhiễu cao hơn, bơm bƣớc sóng 980 nm cung cấp hệ số nhiễu gần mức giới hạn lƣợng tử Hệ số nhiễu thấp phù hợp cho ứng dụng tiền khuếch đại Một EDFA đƣợc bơm nguồn bơm cung cấp cơng suất đầu cực đại khoảng +16 dBm vùng bão hoà hệ số nhiễu từ 5-6 dB vùng tín hiệu nhỏ Cả hai bƣớc sóng bơm đƣợc sử dụng đồng thời cung cấp công suất đầu cao Một EDFA đƣợc bơm kép cung cấp cơng suất tới +26 dBm vùng công suất bơm cao đạt đƣợc Hình 5.9 thể EDFA đƣợc bơm kép Giá trị đặc tính khuếch đại EDFA đƣợc trình bày bảng 5.2 Hình 5.9 Cấu hình khuếch đại EDFA đƣợc bơm kép 5.4.4 Phổ khuếch đại Phổ độ lợi EDFA đƣợc trình bày hình 5.9 tính chất quan trọng EDFA xác định kênh tín hiệu đƣợc khuếch đại hệ thống WDM Hình dạng phổ khuếch đại phụ thuộc vào chất sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) nồng độ tạp chất đƣợc pha lõi sợi quang 78 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Hình 5.9 cho thấy phổ độ lợi EDFA có lõi pha Ge rộng Tuy nhiên, phổ độ lợi không phẳng Điều dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác bƣớc sóng khác Nếu độ lợi kênh tín hiệu không đồng nhất, sau qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi tích luỹ tuyến tính đến mức tới đầu thu kênh bƣớc sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu q tải Ngƣợc lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ tỉ số SNR khơng đạt u cầu Sự làm phẳng độ lợi cần thiết để loại bỏ khuếch đại méo tín hiệu qua EDFA đƣờng truyền ghép tầng Một số biện pháp đƣợc sử dụng để khắc phục không phẳng phổ độ lợi: Chọn lựa bƣớc sóng có độ lợi gần WDM làm việc dải sóng băng C (1530 – 1565 nm) Trong dải bƣớc sóng chọn 40 bƣớc sóng làm bƣớc sóng cơng tác WDM Các bƣớc sóng có độ lợi gần Công nghệ cân độ lợi: dùng cân (Equalizer) hấp thụ bớt công suất bƣớc sóng có độ lợi lớn khuếch tăng cơng suất bƣớc sóng có độ lợi nhỏ Thay đổi thành phần trộn sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo với Erbium tạo nên khuếch đại có băng tần đƣợc mở rộng phổ khuếch đại phẳng Ngồi ra, phổ độ lợi EDFA cịn phụ thuộc vào chiều dài sợi EDF Lý trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài sợi quang công suất bơm thay đổi Bộ khuếch đại EDFA hoạt động băng C (1530-1565 nm) Tuy nhiên, độ lợi sợi pha tạp có trải rộng đến khoảng 1605 nm Điều kích thích phát triển hệ thống hoạt động băng L từ 1565 đến 1625 nm Nguyên lý hoạt động EDFA băng L giống nhƣ EDFA băng C Tuy nhiên, có khác việc thiết kế EDFA cho băng C băng L Các phần tử bên khuếch đại quang nhƣ cách ly (isolator) ghép (coupler) phụ thuộc vào bƣớc sóng nên chúng khác băng C băng L Sự so sánh tính chất EDFA băng C băng L đƣợc thể bảng 5.3 79 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian Tính chất Băng C Băng L Độ lợi Cao Nhỏ khoảng lần Phổ độ lợi Ít phẳng Bằng phẳng Nhiễu ASE Thấp Cao Bảng 5.3 Bảng so sánh EDFA hoạt động băng C L Bảng 5.3 trình bày cấu trúc khuếch đại băng L làm phẳng độ lợi khoảng bƣớc sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng 5.5 Kết luận chƣơng Qua nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM) cho thấy đặc điểm bật sau:  Dung lƣợng kênh truyền dẫn lớn  Tốc độ truyền dẫn cao  Vận dụng tốt phổ hẹp Laser  Kết hợp đƣợc với kỹ thuật điều khiển Siliton để tăng khả lặp hệ thống phi tuyến lên lớn  Ghép kênh quang phân chia theo thời gian phù hợp với loại Laser tạo xung có độ dài độ dài khe thời gian tín hiệu cho phép 80 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian KẾT LUẬN Đề tài “kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian” hệ thống thông tin quang thực đem lại cho chúng em nhiều hiểu biết thông tin sợi quang Khi tìm hiểu hệ thống thơng tin sợi quang chƣơng trình bày cách khái quát hệ thống giúp cho chúng em có tầm nhìn hệ thống thơng tin sợi quang cách tổng quát Các chƣơng tập trung vào trình bày cách then chốt vấn đề nhƣ đặc điểm, cấu tạo chức hệ thống cáp sợi quang Với ƣu điểm kể việc sử dụng sợi quang làm phƣơng tiện truyền dẫn cần thiết Thế nhƣng sử dụng sợi quang thực tế điều đơn giản, chế ánh sáng lan truyền sợi quang nhƣ độ tổn hao yếu tố cần phải tính đến trƣớc tiên chọn sợi quang làm phƣơng tiện truyền dẫn tín hiệu Tuy nhiên, để tăng tốc độ truyền dẫn, băng thơng, dung lƣợng…thì vấn đề ghép kênh quang tất yếu Có ba loại ghép kênh quang ghép kênh phân chia theo thời gian (OTDM), ghép kênh phân chia theo tần số (OTDM), ghép kênh quang phân chia theo bƣớc sóng (WDM) Trong ba phƣơng án ghép kênh quang phân chia theo thời gian phổ biến với tính ƣu việt Trong năm gần đây, nƣớc phát triển giới nhƣ Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Đức…đang nghiên cứu để đua công nghệ mới: WDM truyền dẫn tốc độ cao vài trăm Gbit đến Tbit Dùng công nghệ WDM để mở rộng dung lƣợng, tiết kiệm đƣợc số lƣợng lớn điểm lặp, tái sinh, giảm giá thành hệ thống Nó móng cho phát triển lâu dài tƣơng lai 81 Chƣơng V: Ghép kênh quang phân chia theo thời gian DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Công nghệ truyền dẫn quang Tổng cục bƣu điện_ Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hệ thống thông tin quang (2 tập) Vũ Văn San_ Nhà xuất bƣu điện Kỹ thuật ghép kênh quang Kỹ thuật thơng tin quang Tổng cơng ty bƣu viễn thơng Việt Nam 82 ... V: GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 62 5.1 Tổng quan hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM 62 5.1.1 Nguyên lý ghép kênh hệ thống OTDM 62 5.1.2 Phát tín hiệu hệ thống. .. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Sự phát triển thông tin quang 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 1.3 Ƣu, nhƣợc điểm ứng dụng hệ thống thông tin quang 11 1.3.1... hiệu quang CHƢƠNG V: KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN OTDM Giới thiệu kĩ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, nguyên lý, ƣu nhƣợc điểm hệ thống Do thời gian kiến thức hạn chế nên cịn