Thông tin quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng wdm

n t n qu n v p n t o s n WDM MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG 10 Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 11 1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang 11 1.1.1 Lịch sử phát triển 11 1.1.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang 12 1.1.3 Ƣu nhƣợc điểm 15 1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 16 1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu 16 1.2.2 Phân loại theo phƣơng pháp điều biến giải điều biến 16 1.2.3 Phân loại theo tốc độ cự li truyền dẫn 17 1.2.4 Phân loại theo phƣơng thức ghép kênh 17 1.3 Các thành phần hệ thống thông tin quang 18 1.3.1 Sợi quang cáp quang 18 1.3.1.1 Cấu tạo phân loại sợi quang 18 1.3.1.2 Cáp quang phân loại cáp quang 23 1.3.2 Các thiết bị phát quang 27 1.3.3 Các thiết bị thu quang 33 1.3.4 Các trạm lặp 38 1.3.5 Các trạm xen rẽ kênh 39 1.4 Các tham số hệ thống thông tin quang 40 1.5 Truyền ánh sáng sợi quang 41 1.5.1 Đặc điểm ánh sáng 41 1.5.2 Nguyên lý truyền ánh sáng lõi sợi quang 43 1.5.3 Đặc tính truyền dẫn sợi quang 44 Chƣơng II CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG WDM 49 2.1 Giới thiệu 49 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM 2.2 Các công nghệ dùng mạng thông tin quang 49 2.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian 50 2.2.2 SONET/SDH 51 2.2.3 Gigabit Ethernet 52 2.3 Nguyên lý ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM 53 2.3.1 Định nghĩa 53 2.3.2 Nguyên lý WDM 53 2.4 Các linh kiện dùng hệ thống WDM 57 2.4.1 Bộ ghép/tách tín hiệu 57 2.4.2 Bộ Isolator/circulator 58 2.4.3 Bộ lọc quang 60 2.4.4 Bộ ghép tách kênh bƣớc sóng 63 2.4.5 Bộ chuyển mạch quang 65 2.4.6 Bộ chuyển đổi bƣớc sóng 66 2.5 Ƣu nhƣợc điểm công nghệ WDM 67 2.5.1 Ƣu điểm 67 2.5.2 Nhƣợc điểm 68 Chƣơng III NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG WDM 69 3.1 Số kênh đƣợc sử dụng khoảng cách kênh 69 3.2 Ổn định bƣớc sóng nguồn quang độ rộng phổ nguồn phát 72 3.3 Xuyên nhiễu kênh 73 3.4 Suy hao quỹ công suất hệ thống WDM 73 3.5 Tán sắc bù tán sắc 74 3.6 Ảnh hƣởng hiệu ứng phi tuyến 76 3.6.1 Hiệu ứng SRS 77 3.6.2 Hiệu ứng SBS 79 3.6.3 Hiệu ứng SPM 80 3.6.4 Hiệu ứng CPM 81 3.6.5 Hiệu ứng FWM 81 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM 3.7 Bộ khuếch đại EDFA 83 3.7.1 Nguyên lý khuếch đại quang 83 3.7.2 Phân loại khuếch đại quang 84 3.7.3 Bộ khuếch đại quang pha tạp Ebirum 85 3.7.3.1 Các cấu trúc EDFA 85 3.7.3.2 Nguyên lý khuếch đại EDFA 86 3.7.4 Yêu cầu nguồn bơm 90 3.7.5 Phổ khuếch đại 93 3.7.6 Các tính chát EDFA 95 3.7.7 Ƣu khuyết điểm EDFA 97 KẾT LUẬN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ nghành khoa học, nghiên cứu phát minh đƣợc cơng bố, kéo theo công nghệ đƣợc đời Sự phát triển nhanh chóng xã hội khoa học kỹ thuật đòi hỏi ngƣời phải liên tục đổi công nghệ nhƣ phƣơng thức hoạt động, Ngành công nghệ thông tin nhƣ điện tử viễn thông khơng nằm ngồi quy luật Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ truyền tin, u cầu thông tin cần đƣợc trao đổi xã hội, địi hỏi phải có mạng mới, cơng nghệ đƣa vào sử dụng để đáp ứng cho nhu cầu đó, song đời mạng mà khơng có thay đổi băng thơng, đƣờng truyền khơng đáp ứng đƣợc dung lƣợng truyền dẫn cho mạng hoạt động cách hiệu Với yêu cầu thiết mạng thơng tin quang đƣợc đời đƣa vào sử dụng mạnh mẽ năm gần Mạng thông tin quang đời giải đƣợc vấn đề băng thông đƣờng truyền cho nghành thông tin truyền thông giới nhƣ Việt Nam Với băng thơng lớn dung lƣợng dồi dào, mạng thơng tin quang đáp ứng đƣợc nhu cầu trao đổi thông tin cho xã hội Song để khai thác hết tiềm viễn thơng địi hỏi phải có công nghệ phƣơng thức đƣa vào sử dụng để có đƣợc hiệu cao Có nhiều công nghệ ghép kênh đƣợc sử dụng nhƣ: ghép kênh theo thời gian OTDM, ghép kênh theo tần số OFDM, song chƣa thể đáp ứng cho nhu cầu truyền dẫn, chi phí lắp đặt cịn q cao mà hiệu lại khôn cao không tận dụng hết dải thông nguồn ánh sáng Với đời phƣơng thức ghép kênh theo bƣớc sóng WDM phần giải quyêt đƣợc vấn đề này, Đây phƣơng thức ghép kênh mà tín hiệu quang đƣợc phân chia thành bƣớc sóng sau đƣợc ghép vào sợi quang đƣợc truyền với phƣơng thức phần đáp ứng đƣợc băng thơng truyền dẫn tín hiệu Nhƣng chƣa phải phƣơng thức hiệu nhất, cịn nhƣợc điểm cần phải khắc phục, chƣa tận dụng hết dải thông nguồn ánh sáng Trong tƣơng lai có phƣơng thức đƣợc đƣa vào sử dụng mạng thông tin quang nhằm khai thác đƣợc hết dải thơng Để đƣờng truyền dẫn tín hiệu thông tin đạt hiệu N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM cao Em chọn đề tài Thông tin quang ghép kênh theo bƣớc sóng WDM để nghiên cứu tìm hiểu Đề tài em bao gồm ba chƣơng: CHƢƠNG I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang CHƢƠNG II: Công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng CHƢƠNG III: Những vấn đề kỹ thuật công nghệ WDM khuếch đại quang pha tạp Erbium Trong trình tìm hiểu đƣợc bảo giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh nên em hoàn thành đƣợc đồ án khoảng thời gian quy định, song sinh viên ngồi ghế nà trƣờng, kiến thức cịn nhiều hạn chế nên tìm hiểu nghiên cứu cịn gặp nhiều khó khăn, chƣa thể sâu vào thực để tìm hiểu biết thêm nguyên lý cấu tạo nhƣ hoạt động thiêt bị truyền dẫn quang Vẫn cần phải tìm hiểu học học hỏi nhiều, em mong đƣợc thầy cô giáo bảo giúp đỡ em nhiều để hiểu biết em đƣợc nâng lên, hồn thiện thân hơn, em xin thầy, cô giáo cho em nhận xét đồ án để em co thể hồn thiện Qua em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh nhiệt tình hƣớng dẫn bảo cho em suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, em xin đƣợc chân thành cảm ơn tất Thầy, Cô Giáo ngồi khoa nhiệt tình giảng dạy suốt năm em đƣợc học tập nghiên cứu trƣờng để em có đƣợc vốn hiểu biết Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng năm 2010 Sinh viên Nguyễn Hữu Việt N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh AOTF Acousto- Optic Turnable Fitter Bộ lọc quang âm điều chỉnh đƣợc APD Avalanche Photo – Diode Photodiode thác lũ APS Automatic Protection Switching chuyển mạch bảo vệ tự động ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ATM ASynchronous Transfer Mode Phƣơng thức truyền không đồng AWG Arrayed – Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận BW Bandwidth Độ rộng dải thông CPM Cross phase Modulation Điều chế xuyên pha CR Coupler Ratio Tỉ số ghép CW Continous Wave Sóng quang liên tục DC directonal Coupler Coupler định hƣớng DD Direct detection Tách sóng trực tiếp DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh DFA Doped-Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp chất Dese Wavelength Division Ghép kênh theo bƣớc sóng quang Muliplexer dày đặc DXC Digital Cross conect Bộ kết nối chéo số EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang trộn Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi trộn DWDM Erbium FPA Fabry – Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry – Perot FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bƣớc sóng IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IL Insersion Loss Suy hao xen MUX Multiplexer Bộ ghép kênh N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM MZF Mach- Zehnder Filter Bộ lọc Mach – Zehnder Filter MZI Mach – Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach – Zehnder Interferometer NE Network Element Phần tử mạng NF Noise Figure Hệ số tạp âm OADM Optical Add – Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh quang OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đƣờng quang OSNR Optcal Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm quang OTDM Optical Time Devision Multiplexer Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OXC Optical Cross connect Bộ kết nối chéo quang PDH Plesiochronous Digital Hierachi Phân cấp số đồng RA Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman REG Regenarator Trạm lặp SBS Stimulated Brilouin Scaterring Tán xạ kích thích Brillouin SDH Synchronouns Digital Hierachi Phân cáp số đồng SNR Signal to Noisy Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng SPM Self Phase Modulation Tự điều pha SRS Stimulated Raman Scaterring Tán xạ bị kích thích Raman TDM Time Division Multiplexer Ghép kênh theo thời gian TE Terminal Equipement Thiết bị đầu cuối WC Wavelength Converted Bộ chuyển đổi bƣớc sóng WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bƣớc sóng XPC Cross phase Modulation Điều chế xuyên pha N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần hệ thống thơng tin quang 12 Hình 1.2 Suy hao sợi quang theo bƣớc sóng 14 Hình 1.3 Cấu tạo sợi quang 18 Hình 1.4 Sợi quang đa mode MM 21 Hình 1.5 Sợi đơn mode 21 Hình 1.6 Sợi SI Sợi GI 22 Hình 1.7 Cấu tạo chung cáp quang 25 Hình 1.8 Cấu trúc LED 28 Hình 1.9 Cấu trúc LED phát mặt 29 Hình 1.10 Cấu trúc LED phát cạnh 29 Hình 1.11 Diode lazer 31 Hình 1.12 Ba cấu trúc cho sóng quang hạn chế theo hƣớng bên 32 Hình 1.13 Sơ đồ vùng lƣợng photođiode PIN 34 Hình 1.14 Hệ số hấp thụ theo bƣớc sóng 35 Hình 1.15 Đáp ứng Photodiode PIN 35 Hình 1.16 Cấu trúc diode photodiode 36 Hình 1.17 Sơ đồ sơ lƣợc mạch điện thu quang 37 Hình 1.18 Mạch tƣơng đƣơng thiết kế thu hỗ dẫn ngƣợc 38 Hình 1.19 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 38 Hình 1.20 Sơ đồ khối chức trạm lặp loại điện quang 39 Hình 1.21 Nguyên lý truyền ánh sáng 42 Hình 1.22 Tia sáng lõi sợi quang 43 Hình 1.23 Quan hệ P  /Pmax phụ thuộc vào  45 Hình 1.24 Đặc tính suy hao theo bƣớc sóng dạng suy hao 48 Hình 2.1 Hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian TDM 50 Hình 2.2 Nguyên tắc ghép kênh SONET 51 Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống quang WDM 54 Hình 2.4 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều hai sợi quang 55 Hình 2.5 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang 55 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM Hình 2.6 Mơ tả thiết bị ghép/tách hốn hợp MUX – DEMUX) 56 Hình 2.7 Cấu tạo Coupler FBT 2x2 57 Hình 2.8 a Sơ đồ khối circulator cửa; b Sơ đồ khối circulator cửa; c Sơ đồ khối Isolator 59 Hình 2.9 Sơ đồ khối lọc a lọc cố định λk b lọc điều chỉnh bƣớc sóng đƣợc khoảng ∆λ 61 Hình 2.10 a thông số đặc trƣng lọc; b Độ gợn sóng lọc; b Thơng số 62 Hình 2.11 Bộ tách/ghép bƣớc sóng quang a Sơ đồ khối ghép kênh bƣớc sóng (MUX); b Sơ đồ khối tách kênh bƣớc sóng DEMUX Các thông số đặc trƣng MUX/DEMUX 64 Hình 2.12 Các loại cấu hình chuyển mach quang a chuyển mạch on/off 1x1 chuyển mạch chuyển tiếp 1x2 không nghẽn ; c,d chuyển mach 2x2 co nghẽn 65 Hình 3.1 Mơ hình tổng qt khuếch đại quang 84 Hình 3.2 Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA 85 Hình 3.3 Mặt cắt ngang loại sợi quang pha ion Erbium 85 Hình 3.4 Giản đồ lƣợng ion Er3+ sợi silica 86 Hình 3.5 Phổ hấp thụ absorption spectrum độ lợi gain spectrum EDFA có lõi pha Ge 88 Hình 3.6 Q trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA với hai bƣớc sóng bơm 980 nm 1480 nm 89 Hình 3.7 Cấu hình khuếch đại EDFA đƣợc bơm kép 93 Hình 3.8 Cấu hình khuếch đại băn L làm băng phẳng khoảng bƣớc sóng 1570 đến 1610 nm vơi thiết kế hai tầng 94 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V n t n qu n v p n t o s n WDM DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các đặc tính vật liệu dùng làm lõi 23 Bảng 1.2 Các đặc điểm vật liệu thành phần gia cƣờng 24 Bảng 1.3 Đặc tính dải cấm bƣớc sóng vật liệu ghép 30 Bảng 1.4 Các đặc tính ELED tiêu biểu 31 Bảng 3.1 Tần số trung tâm hệ thống WDM có 16 kênh kênh 71 Bảng 3.2 Cự ly bị hạn chế tán sắc khơng có trạm lặp trị số lý thuyết 75 Bảng 3.3 So sánh bƣớc sóng bơm 980nm va 1480 nm .91 Bảng 3.4 Bảng so sánh EDFA hoạt động băng C băng L 94 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 10 n t n qu n v p n t o s n WDM 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 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 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 truyền phản xạ ngƣợc EDFA 3.7.3.2 Lý thuyết khuếch đại EDFA a) Giản đồ phân bố luợng Er3+ Hình 3.4 G ản đồ năn l ợn ủ on Er3+ tron sợ s l Giản đồ phân bố lƣợng Er3+ sợi silica đƣợc minh họa hình 3.4 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 đó: N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 86 n t n qu n v p n t o s n WDM - 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 EDF - 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: - Khi ion Er3+ vùng nhận mức lƣợng độ chênh lệch lƣợng vùng vùng lƣợng cao hơn, chúng chuyển lên vùng có mức lƣợng cao 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 - 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 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 87 n t n qu n v p n t o Hìn 3.5 P ổ ấp t ụ s n WDM sorpt on sp trum v độ lợ ủ EDFA lõ p G n sp trum 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 3.5 b Nguyên lý hoạt động EDFA 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 sau xem hình 3.6 : 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 Tại vùng bơm, ion Er3+ phân rã không xạ nhanh khoảng 1μs chuyển xuống vùng giả bền 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 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 88 n t n qu n v p n t o s n WDM Hìn 3.6 Q trìn uế đạ tín ệu ảy r EDFA v s n ơm 980 nm v 1480 nm Các ion Er3+ vùng giả bền ln có khuynh hƣớng chuyển xuống vùng lƣợng thấp vùng có mật độ điện tử cao 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 Khi cho tín hiệu ánh sáng vào EDFA, xảy đồng thời hai tƣợng sau: - Các photon tín hiệu bị hấp thụ ion Er3+ vùng Tín hiệu ánh sáng bị suy hao - Các photon tín hiệu kích thích ion Er3+ vùng giả bền 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 1616 nm N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 89 n t n qu n v p n t o s n WDM 3.7.4 Yêu cầu nguồn bơm a Bƣớc sóng bơm Với vùng lƣợng đƣợc nêu phần 3.6.3 a , 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 khơng phát xạ Từ vùng này, có ánh sáng kích thích ion phát xạ bƣớc sóng mong muốn 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 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 90 n t n qu n v p n t o s n WDM 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 ông suất bơm 1480 nm lớn nên công suất ngõ lớn hơn, bơm bƣớc sóng 1480nm đƣợc ứng dụng cho khuếch đại cơng 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 1480 nm 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 công suất bơm cao độ ổn định chúng mấu chốt trình nghiên cứu phát triển 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 b Cơng suất bơm Cơng 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 khơng thể 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 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 91 n t n qu n v p n t o s n WDM giảm Điều đƣợc trình bày phần tính hệ số nhiễu EDFA c 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 đƣợc theo hai chiều ngƣợc 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 cơng suất đầu cao hơn; EDFA đƣợc bơm kép cung cấp cơng suất tới +26 dBm vùng công suất bơm cao đạt đƣợc Hình 3.7 thể EDFA đƣợc bơm kép Giá trị đặc tính khuếch đại EDFA đƣợc trình bày bảng N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 92 n t n qu n v p n t o Hìn 3.7 Cấu ìn s n WDM ộ uế đạ EDFA đ ợ ơm p 3.7.5 Phổ khuếch đại Phổ độ lợi EDFA đƣợc trình bày hình 3.5 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 Hình 3.5 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 khơng 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 tải Ngƣợc lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ tỉ số SNR không đạt yêu 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 Cơng nghệ cân độ lợi: dùng cân equalizer hấp thụ bớt cơng suất bƣớc sóng có độ lợi lớn khuếch tăng công 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 Ngoài ra, phổ độ lợi EDFA 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 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 93 n t n qu n v p n t o s n WDM 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 Bản 3.4: Bản so sán EDFA oạt độn ăn C v Hìn 3.8 trìn y ấu trú ủ ộ uế đạ ăn L ăn L l m ằn p ẳn độ lợ Trong khoảng bƣớc sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng [3] Tầng đƣợc bơm bƣớc sóng 980nm hoạt động nhƣ EDFA truyền thống sợi quang dài 20-30nm có khả cung cấp độ lợi khoảng bƣớc sóng 1530-1570 nm Ngƣợc lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m đƣợc bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm Một isolator đƣợc đặt hai tầng cho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ sang tầng thứ nhƣng ngăn ASE truyền ngƣợc tầng thứ Với cấu trúc nối tiếp nhƣ vậy, khuếch đại hai tầng cung cấp độ lợi phẳng vùng băng thông rộng trì mức nhiễu thấp N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 94 n t n qu n v p n t o s n WDM 3.7.6 Các tính chất EDFA a.Độ lợi (3.15) Độ lợi EDFA đƣợc tính theo phƣơng trình sau: Trong đó: - N2 z , N1 z : mật độ ion erbium trạng thái kích thích trạng thái vị trí z đoạn sợi quang pha erbium - L: chiều dài sợi pha erbium - : tiết diện ngang hấp thụ phát xạ ion erbium bƣớc sóng tín hiệu -Phƣơng trình 2.11 cho thấy độ lợi liên quan đến nghịch đảo nồng độ trung bình Gọi , lần lƣợt nồng độ ion Erbium mức lƣợng mức lƣợng kích thích trung bình Khi , đƣợc tính theo cơng thức sau: (3.16) (3.17) Phƣơng trình 3.15 đƣợc viết lại cách đơn giản nhƣ sau: (3.18) Từ phƣơng trình ta thấy độ lợi tín hiệu sau qua sợi quang phụ thuộc vào nghịch đảo nồng độ ion erbium trung bình sợi quang mà khơng phụ thuộc vào chi tiết dạng nghịch đảo nhƣ hàm vị trí dọc theo chiều dài sợi quang Trong phƣơng trình 3.16 , 3.17 có hai tham số N1 z N2 z hàm theo vị trí z dọc theo sợi quang đƣợc cho bởi: N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 95 n t n qu n v p n t o s n WDM 3.19 3.20 đó: • τ : thời gian sống ion erbium trạng thái kích thích 4I13/2 (3.20) • Ps z : cơng suất tín hiệu vị trí z sợi quang • Pp z : cơng suất bơm vị trí z sợi quang • Γs : hệ số chồng lắp bƣớc sóng tín hiệu • Γp : hệ số chồng lắp bƣớc sóng bơm • A : diện tích tiết diện ngang hiệu dụng • fs : tần số tín hiệu • fp : tần số bơm • N : mật độ ion erbium tổng cộng • , : tiết diện ngang hấp thụ phát xạ bƣớc sóng tín hiệu • , : tiết diện ngang hấp thụ phát xạ bƣớc sóng bơm • h : số Planck; h = 6,625.10-34 J.s Từ công thức 3.19 ta thấy hệ số khuếch đại EDFA phụ thuộc vào yếu tố sau: Phụ thuộc vào nồng độ ion Er3+ : Khi nồng độ Er3+trong sợi quang EDFA tăng khả chúng đƣợc chuyển lên mức lƣợng cao nhiều, hệ số khuếch đại tăng Nhƣng nồng độ Er3+ tăng cao gây tích tụ dẫn đến tƣợng tiêu hao quang làm cho hệ số khuếch đại giảm Phụ thuộc vào cơng suất tín hiệu đến công suất bơm quang: Khi công suất vào tăng, xạ bị kích tăng nhanh, nghĩa ion Er3+ mức lƣợng cao trở mức lƣợng nhiều làm giảm nồng độ số ion Er3+ mức lƣợng cao, làm yếu khả xạ ion Er3+khi tín hiệu quang đƣợc đƣa tới, hệ số khuếch đại giảm Sẽ có mức giới hạn mà cơng suất tín hiệu vào tăng nhƣng công suất không tăng gọi cơng suất bão hồ Phụ thuộc vào chiều dài sợi: Khi chiều dài sợi ngắn tín hiệu không đƣợc khuếch N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 96 n t n qu n v p n t o s n WDM đạnhiều độ lợi tín hiệu nhỏ Ngƣợc lại, chiều dài tăng lên tín hiệu đƣợckhuếch đại nhiều hơn, độ lợi lớn Tuy nhiên, chiều dài q dài so vớcơng suất bơm độ lợi tín hiệu bị giảm chiều dài lớn mà công suất bơm lạkhông đáp ứng hết chiều dài sợi tín hiệu bị suy hao dần làm giảm độ lợi Phụ thuộc vào cơng suất bơm: Cơng suất bơm lớn có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi lƣợng với tín hiệu cần khuếch đại làm cho hệ sốkhuếch đại tăng lên Tuy nhiên, hệ số khuếch đại tăng theo công suất bơm số lƣợng ion erbium đƣợc cấy vào sợi có giới hạn Do vậy, tùy theo ứng dụng EDFA, yếu tố đƣợc hiệu chỉnh sau cho độ lợi EDFA đạt giá trị yêu cầu với hiệu suất cao Thông thƣờng, độ lợi EDFA vào khoảng 20 - 40 dB tuỳ theo ứng dụng EDFA khuếch đại công suất, khuếch đại đƣờng truyền hay tiền khuếch đại b Công suất bão hoà Sự bão hoà xảy cơng suất tín hiệu vào EDFA lớn gây giảm hệ số khuếch đại Vì vậy, giới hạn cơng suất khuếch đại Sự bão hồ hệ số khuếch đại xuất công suất tín hiệu tăng cao gây phát xạ kích thích tỷ lệ cao làm giảm nghịch đảo nồng độ Điều có nghĩa số ion erbium trạng thái kích thích giảm cách đáng kể Hệ là, cơng suất tín hiệu ngõ bị hạn chế bão hồ cơng suất Cơng suất bão hồ số mà tăng lên tuyến tính với cơng suất bơm Cơng suất bão hồ đƣợc xác định cơng suất tín hiệu ngõ mà độ lợi độ lợi tín hiệu nhỏ trừ dB Nhƣ cách xác định độ lợi tín hiệu nhỏ ta suy điểm bão hồ từ xác định cơng suất bão hoà 3.7.7 Ƣu khuyết điểm EDFA a Ƣu điểm Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn cơng suất cao Cấu hình đơn giản: hạ giá thành hệ thống Cấu trúc nhỏ gọn: lắp đặt nhiều EDFA trạm, dễ vận chuyển N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 97 n t n qu n v p n t o s n WDM thay Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi áp dụng cho tuyến thơng tin quang biển Khơng có nhiễu xuyên kênh khuếch đại tín hiệu WDM nhƣ khuếch đbán dẫn Hầu nhƣ không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu b Khuyết điểm Phổ độ lợi EDFA không phẳng Băng tần hiên bị giới hạn băng C băng L Nhiễu đƣợc tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 98 n t n qu n v p n t o s n WDM KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đề tài, em thấy mạng thông tin quang mạng có ƣu điểm vƣợt trội so với mạng sử dụng dây dẫn băng kim loại trƣớc Cơng nghệ thơng tin quang có băng thông lớn với dải thông từ 1011 đến 1015Hz nên có khả truyền dẫn đƣợc nhiều nguồn tín hiệu có tốc độ cao có dải tần rộng, sợi quang có độ suy hao nhỏ truyền đƣợc tín hiệu xa giảm số trạm lặp Sợi quang đƣợc chế tạo từ chất điện môi nên khơng chịu ảnh hƣởng sóng điện từ sóng vơ tuyến nên chất lƣợng tín hiệu cao, cịn cho phép đƣờng dây dẫn quang đƣờng dây điện cơng nghiệp nên giảm đƣợc chi phí lắp đặt, vật liệu sản xuất sợi quang rẻ tiền Để đáp ứng đƣợc nhu cầu thông tin băng thông dồi nguồn quang có nhiều phƣơng pháp ghép kênh đƣợc nghiên cứu đƣa vào sử dụng, song công nghệ ghép kênh theo bƣơc sóng cơng nghệ đƣợc sử dụng để ghép kênh quang Các bƣớc sóng đƣợc ghép lại hƣớng phát nhờ ghép kênh MUX sau đƣợc truyền đƣờng truyền dẫn quang đầu thu tín hiệu lại đƣợc tách nhờ tách kênh DEMUX với cơng nghệ WDM băng thơng đƣợc sử dụng có hiệu cơng nghệ trƣớc Trong qua trình truyền dẫn tín hiệu bị suy hao đƣờng truyền, nên phải sử dụng trạm lặp, tín hiệu đƣợc tái tạo khuếch truyền khoảng cách xa Mạng thơng tin quang có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với mạng sử dụng đƣờng dây dẫn kim loại nên tƣơng lại mạng quang đƣợc sử dụng rộng rãi tất tỉnh thành nƣớc nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin cho ngƣời dân toàn thể xã hội Là sinh viên trƣờng em hi vọng đƣợc sử bảo giúp đỡ thầy giáo để em có thêm kiến thức, nhƣ hiểu biết để sau trở thành ngƣời có ích cho xã hội Qua em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh nhiệt tình hƣớng dẫn giúp em hồn thành đồ án Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trƣờng nhƣ khoa nhiệt tình giảng dạy cho em năm em học trƣờng SV: N uyễn Hữu V ệt N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 99 n t n qu n v p n t o s n WDM TÀI LIỆU THAM KHẢO VŨ VĂN SAN Kỹ thuật thông tin quang Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 1997 DƢƠNG ĐỨC TUỆ Hệ thống ghép kênh theo bƣớc sóng Nhà suất bƣu điện – 2001 CAO PHÁN Ghép kênh quang khuếch đại quang Học viện cơng nghệ bƣu viễn thơng –1998 CAO PHÁN Cơ sở kỹ thuật thông tin quang Học viện cơng nghệ bƣu viễn thơng – 2000 TRẦN THUỶ BÌNH, PHẠM HỒNG NHUNG Nghiên cứu loại sợi dẫn quang khả sử dụng vào hệ thống truyền dẫn mạng viễn thông Việt Nam Viện KHKT Bƣu điện – 1999 NGUYỄN MINH DÂN Mạng cáp quang nội hạt thuê bao quang - Đề tài nghiên cứu khoa học cấp ngành – Hà Nội – 1995 N uyễn Hữu V ệt - L p 46K Đ V 100 ... xuất công nghệ ghép kênh nhƣ công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số quang OFDM, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM, cơng nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng WDM Hệ thống WDM. .. thống thông tin quang sử dụng rộng rãi phƣơng thức ghép kênh theo thời gian - Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bƣớc sóng WDM Wavelength Division Multiplex) Kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng. .. tài Thông tin quang ghép kênh theo bƣớc sóng WDM để nghiên cứu tìm hiểu Đề tài em bao gồm ba chƣơng: CHƢƠNG I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang CHƢƠNG II: Công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng