Nghiên cứu giải pháp nâng cao dung lượng, tốc độ tuyến thông tin quang

Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang Chƣơng CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ, DUNG LƢỢNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG I KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ DUNG LƢỢNG Trong thực tế hệ thống đơn kênh, tốc độ đường truyền đạt tới mức người ta thấy hạn chế mạch điện việc nâng cao tốc độ kéo dài cự ly truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s, khoảng cách truyền dẫn ngắn lại, thân mạch điện tử đảm bảo xung tín hiệu hẹp, thêm vào chi phí cho giải pháp tuyến truyền dẫn trở nên tốn cấu trúc hệ thống phức tạp địi hỏi cơng nghệ cao Do kỹ thuật ghép kênh quang đời khắc phục nhược điểm Hơn thông thường tuyến thông tin quang truyền thống cần có trạm lặp với mục đích khuếch đại tín hiệu đủ lớn Nhưng trạm lặp có mặt hạn chế băng tần, cấu trúc phức tạp, tín phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn, ảnh hưởng nhiễu điện v.v…Cho nên phát triển khoa học cho đời kỹ thuật khuếch đại quang Nó thự q trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà khơng cần biến đổi điện Khi khuếch đai quang giải vấn đề suy hao, lúc vấn đề tán sắc trở nên tồi tệ suy hao sợi Sự suy giảm tín hiệu tán sắc tích lũy qua nhiều khuếch đại quang Như vấn đề cần phải bù tán sắc để trả lại tín hiệu gốc Sau ta sâu vào phân tích giải pháp Các phƣơng pháp ghép kênh quang Do sợi quang có băng tần truyền dẫn rộng nên có khả ghép nhiều kênh quang sợi để truyền dẫn ể tăng dung lượng kênh, tăng tốc độ truyền dẫn sợi quang, người ta dùng kỹ thuật ghép kênh quang ó là: Ghép kênh theo thời gian OTDM , ghép kênh theo sóng mang Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 22 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang thứ cấp SCM , ghép kênh theo mã CDM , ghép kênh theo bước sóng WDM M i kỹ thuật ghép kênh có ưu, nhược điểm khác mức độ ứng dụng khác K thu t gh p ênh the th i gian OT M Quá trình ghép kênh hệ thống thơng tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM mơ tả thơng qua hình 2.1 Khèi ph¸t clock Tín hiệu Bộ điều chế Kênh Bộ điều chế Nguồn phát Khuếch đại quang Bộ chia quang Bộ ghép quang Khuếch đại quang Bộ tách kênh Bộ điều chế Kênh Bộ điều chế Trễ quang 1 Kênh 4 Thêi gian Thêi gian Trong ghép kênh quang OTDM chu i xung hẹp phát t nguồn phát laser thích hợp Các tín hiệu đưa vào khuếch nâng mức tín hiệu đủ lớn đáp ứng u cầu hệ thống Sau tín hiệu chia thành N luồng m i luồng đưa vào điều chế nhờ điều chế với tín hiệu nhánh tốc độ Gb/s ể thực ghép tín hiệu quang với tín hiệu nhánh phải đưa qua trễ quang Tuỳ theo v trí t ng kênh theo thời gian khung mà trễ thực trễ để d ch khe thời gian quang cách tương ứng Vậy tín hiệu sau ghép có tốc độ Nx Gb/s Sau truyền đường truyền thiết b tách kênh phía thu thực tách kênh khơi phục xung clock để đưa t ng kênh riêng biệt u điểm: Kỹ thuật OTDM khơng thơng qua q trình biến đổi điện mà biến đổi toàn quang hệ thống khơng b hạn chế Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 23 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang tốc độ hạn chế tốc độ xử l linh kiện điện tử Với kỹ thuật tốc độ hệ thống lên tới hàng trăm Gb/s chí 1Tb/s Nhược điểm: - Cự li truyền dẫn tín hiệu hệ thống OTDM b hạn chế tượng tán sắc lớn - Tạo xung quang ngắn, đòi hỏi kỹ thuật công nghệ cao, giá thành cao Gh p ênh phân chia the tần số tín hiệu quang (OF M) Phương pháp ghép kênh theo tần số quang OFDM thực cách chia dải tần sóng quang thành băng tần nhỏ f, m i f dành để truyền tín hiệu kênh quang hình 2.2 S1 f1 LD1 S2 LD2 f1 OF1 OF2 OF1 f2 M U X F=f1fn D M U X LDn PD1 f2 OF2 fn Sn S1 S2 PD2 fn OFn OFn : Sơ đồ Sn PDn eo ầ Các kênh quang tương ứng với tần số sóng mang khác biến đổi thành luồng song song truyền sợi quang ặc tính sợi quang có suy hao nhỏ dải bước sóng t 800 đến 1800 nm tương đương với dải tần 200000 GHz Vì vậy, truyền dẫn sợi quang số lượng lớn kênh ghép có tần số khác nhau, m i kênh có dải tần rộng Chẳng hạn khoảng 1,5 1,6 m có băng tần khoảng 12500 GHz T bước sóng 1500nm đến 1600 nm có độ suy hao nhỏ nhất, ghép tới 1000 kênh quang tốc độ lớn 1Gb/s với khoảng cách hai Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 24 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang kênh kề 10 GHz Khi dung lượng tổng cộng sợi quang lớn Tbit/s Các hệ thống ghép kênh quang theo tần số phải dựa nguồn phát quang có tần số ổn đ nh Các laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp sử dụng làm nguồn phát cho hệ thống OFDM Tuy nhiên laser có độ rộng phổ hẹp lại khơng ổn đ nh tần số; cần phải dung hồ mặt 1.3 K thu t gh p ênh the s ng ang th cấp SCM SC1 SC2 Bé kÕt hỵp Viba Bộ phát quang Chọn kênh tách sóng Photodidde Sợi quang SC3 Bé thu Viba S Hình 2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo sóng mang thứ cấp dựa kỹ thuật thông tin viba ối với thông tin viba dải thông tổng b hạn chế thấp 1GHz sử dụng cáp đồng để truyền tín hiệu viba nhiều kênh Nhưng tín hiệu viba nhiều kênh truyền mơi trường quang sử dụng sợi quang dải thơng tín hiệu lên tới 10GHz cho m i tín hiệu quang riêng r Phương thức gọi ghép kênh theo sóng mang thứ cấp SCM, việc ghép kênh thực cách sử dụng sóng mang phụ dải siêu cao tần khơng phải sóng mang quang Sơ đồ khối mô tả hệ thống SCM thiết kế với sóng mang quang đơn Hình 2.2 Chất lượng hệ thống SCM phụ thuộc vào t số sóng mang nhiễu CNR t số cơng suất sóng mang RMS cơng suất nhiễu RMS đầu tách sóng quang CNR tính theo công thức sau: CNR= Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà mR P 2 / 2  s2  2   l2   IMD 25 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang Với m ch số điều chế kênh, R đáp ứng tách sóng P cơng suất quang trung bình thu  s ,   ,  l ,  IMD tương ứng giá tr RMS dịng nhiễu có liên quan đến nhiễu lượng tử, nhiễu nhiệt, nhiễu cường độ nhiễu xuyên điều chế IMD u điểm: Tính linh hoạt cao khả cập nhật cấu trúc mạng băng rộng Có thể sử dụng điều chế tương tự điều chế số kết hợp hai để truyền nhiều loại tín hiệu tới nhiều người dùng 1.4 K thu t gh p ênh the C M Các kỹ thuật ghép kênh quang khác có ưu điểm việc đ nh tuyến đơn giản lại sử dụng không hiệu băng tần kênh Do để giải vấn đề ta sử dụng kỹ thuật đa truy cập ngẫu nhiên, kỹ thuật cho phép người dùng truy cập kênh thời điểm tuỳ ó kỹ thuật trải phổ hay hiểu kỹ thuật ghép kênh theo mã CDM m i kênh mã hoá riêng tuyến, phổ trải lớn nhiều phổ trải tín hiệu truyền thống sử dụng u điểm: Việc đ nh tuyến đơn giản, có độ bảo mật thông tin cực cao phù hợp với hệ thống cần độ an tồn thơng tin cao mã sử dụng mã ngẫu nhiên Thơng thường có hai phương pháp sử dụng kỹ thuật mã hoá chu i trực tiếp kỹ thuật mã hoá nhảy tần 1.5 K thu t gh p ênh quang the ước s ng M ây kỹ thuật sử dụng phổ biến rộng rãi nay, có nhiều ưu điểm trội so với kỹ thuật khác như: Tận dụng tài nguyên băng tần rộng sợi quang, có khả truyền dẫn nhiều tín hiệu lúc, tiết kiệm đầu tư cho đường dây đồng thời giảm yêu cầu siêu cao tốc linh kiện Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 26 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang Các phƣơng pháp khu h Khuếch i tín hiệu i quang i n tín hiệu iện (O -E/O) Thời kỳ đầu kỹ thuật khuếch đại quang trạm lặp thực theo mơ hình chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu điện, tái tạo xung sau chuyển đổi điện quang phát tiếp vào đường truyền Trong trường hợp có nhiều kênh thông tin hoạt động đồng thời nhiều bước sóng khác phải thực tách kênh quang riêng r , sau tương ứng phải khuếch đại, tái tạo xung cho t ng kênh chuyển đổi điện quang để phát tiếp vào đường truyền Cấu trúc trạm lặp kiểu ny nh Hỡnh 2.3 Sợi quang Phần thu quang xột mt chiu Phần xử lý tín hiệu điện Phần phát quang Sợi quang Hỡnh S Phn thu quang thực tách sóng tín hiệu quang yếu đầu vào chuyển đổi thành tín hiệu điện đưa tới khối xử l tín hiệu điện Tại tín hiệu điện v a tách sóng khuếch đại sửa dạng méo xung, sau tín hiệu điện đưa tới điều khiển phần phát quang để thực phát tiếp tín hiệu quang vào đường truyền Như thời kỳ đầu kỹ thuật khuếch đại tín hiệu quang chủ yếu dùng trạm lặp có cấu trúc trên, chưa phát triển kỹ thuật khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà khơng qua trình biến đổi trung gian 2 Khuếch i tín hiệu i n tín hiệu quang Với phát triển khoa học người ta thực trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà khơng phải qua q trình biến đổi điện nào, kỹ thuật khuếch đại quang Kỹ thuật khuếch đại quang đời khắc phục nhiều hạn chế trạm lặp băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng nhiễu điện… Việc áp dụng khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang đưa Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 27 tưởng Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang lớn cho trình phát triển tuyến thơng tin hồn tồn dùng khuếch đại quang t phát triển thành mạng quang hố hồn tồn Các khuếch đại quang thiết b bù suy hao có hiệu cho sợi quang Chúng thường chia thành vài loại Các thiết b khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà khơng thơng qua biến đổi quangđiện điện quang Cơ chế chung khuếch đại khuếch đại quang xạ kích thích, giống q trình xạ sử dụng laser Các loại khuếch đại quang bao gồm:  Khuếch đại laser bán dẫn SL  Khuếch đại Raman  Khuếch đại Brillouin  Khuếch đại EDF * Khuếch đại bán dẫn laser bán dẫn khơng có hồi tiếp ể xạ kích thích xảy ra, ta cần phải có điều kiện đảo nồng độ, tức số phân tử trạng thái kích thích phải cao số phân tử trạng thái Trong khuếch đại laser bán dẫn, điều kiện đảo nồng độ thực thơng qua q trình bơm dịng ngồi Mặc dù có số ứng dụng đưa ra, nhiên để sử dụng thực tế, khuếch đại bán dẫn phải khắc phục số nhược điểm Một số nhược điểm khuếch đại bán dẫn độ nhạy phân cực cao, nhiễu xuyên kênh suy hao ghép lớn Các khuếch đại bán dẫn có hệ số khuếch đại đạt tới 30-35 dB, hệ số khuếch đại thực tế sử dụng b giảm 8-10 dB suy hao ghép lớn đầu vào đầu khuếch đại Có hai loại khuếch đại laser bán dẫn khuếch đại sóng chạy TW Traveling - Wave mplifier khuếch đại Fabry Perot FPA (Fabry-Perot Amplifier) * Bộ khuếch đại Raman tận dụng tán xạ Raman SRS kích thích xảy sợi quang silic có chùm ánh sáng mạnh truyền qua Trong SRS, photon tới phần lượng để tạo photon khác tần số thấp bước sóng lớn Phần lượng cịn lại b hấp thụ suy Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 28 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang hao dạng dao động phân tử Khuếch đại Raman có ưu điểm bơm hồn tồn dịng quang, không giống khuếch đại bán dẫn bơm dịng điện Hơn nữa, khuếch đại Raman khơng cần tới điều kiện đảo nồng độ Băng tần rộng khuếch đại Raman thực cần thiết trường hợp khuếch đại nhiều kênh đồng thời Tuy nhiên, khuếch đại Raman có nhược điểm nhiễu khuếch đại kết hợp với tán xạ Raman tự phát xảy dải tần rộng (>5 THz) * Khuếch đại Brillouin có nguyên l hoạt động giống khuếch đại Raman, ch có khác biệt khuếch đại quang thực tán xạ Brillouin kích thích SBS SBS khác với SRS ba đặc điểm quan trọng: i khuếch đại ch xảy dịng tín hiệu truyền theo hướng ngược với dòng bơm; ii ộ d ch tần SBS phụ thuộc vào tần số bơm nhỏ ~ 10GHz so với SRS; iii Phổ khuếch đại Brillouin hẹp với băng tần nhỏ 100 MHz Nguyên nhân khác t số tương đối nhỏ vận tốc sóng âm sợi thu tinh vận tốc ánh sáng Khuếch đại Brillouin không phù hợp với ứng dụng làm khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay tiền khuếch đại Tuy nhiên, với băng tần hẹp, khuếch đại Brillouin sử dụng hệ thống quang coherent hệ thống nhiều kênh để khuếch đại cho số kênh ch đ nh * Khuếch đại quang sợi kích thích tạo cách bơm ion đất vào sợi quang Các ion đất erbium, holmium, neodymium, samarium, thulium, ytterbium, bơm để khuếch đại vùng bước sóng khác t dải vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại lên đến 2.8 m Sợi quang pha tạp Erbium EDF khuếch đại tồn quang thơng dụng nhất, đặc tính khuếch đại vùng gần 1.55 m, cửa sổ truyền dẫn quang Hệ số khuếch đại cao nhiễu thấp giúp cho khuếch đại quang sợi trở thành thiết b tính hợp hầu hết ứng dụng quan trọng hệ thống thơng tin quang Chúng đặt sau thiết b Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 29 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang phát để làm khuếch đại công suất B , tuyến để tăng cự ly khoảng lặp khuếch đại đường truyền L , sử dụng trước thu quang để cải thiện độ nhạy thu tiền khuếch đại S sánh huếch i iện v huếch i quang Như biết khuếch đại điện có cấu trúc phức tạp, khó khăn khuếch đại đa kênh, phải tách kênh trước khuếch đại t ng kênh, b ảnh hưởng nhiễu điện t trường, vấn đề cấp nguồn, giá thành cao Với khuếch đại quang EDF hoạt động với tốc độ dịng bít lớn, có khả khuếch đại đa kênh có cấu trúc đơn giản Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại cao, tổn hao ghép nhỏ, băng tần rộng, tạp âm nhỏ, xuyên nhiễu kênh nhỏ, có khả sử dụng làm khuếch đại công suất, tiền khuếch đại khuếch đại trạm lặp Nó có giá thành thấp khuếch đại điện có tượng tán sắc nhiễu tích luỹ thu t tán s Khác với hệ thống thông tin quang trước mà suy hao yếu tố giới hạn việc sử dụng khuếch đại quang sợi tuyến sợi quang cho phép khoảng cách truyền dẫn không lặp đạt tới hàng trăm hay hàng ngàn số trở lên Lúc phải đối mặt với hiệu ứng dãn rộng xung ánh sáng tán sắc toàn tuyến sợi quang gây Sự ảnh hưởng tán sắc quan tâm xét tới hiệu ứng phi tuyến công suất quang truyền sợi lớn hệ thống WDM hoạt động vùng bước sóng 1550nm Do việc quản l tán sắc quản l phi tuyến việc cần thiết hệ thống thông tin quang muốn nâng tốc độ hệ thống thông tin quang Có nhiều phương pháp quản l tán sắc phát triển, sử dụng sợi bù tán sắc biện pháp đơn giản dễ khả thi Qua q trình phân tích ta nhận thấy giải pháp thực khả thi có tính ứng dụng vào điều kiện thực tế ba giải Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 30 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang pháp: Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM, kỹ thuật khuếch đại quang trộn đất Erbium EDF kỹ thuật bù tán sắc sợi bù tán sắc II NGUYÊN LÝ PHƢƠNG PHÁP GHÉP ÊNH THEO BƢỚC SÓNG QUANG WDM Ngu ên n phân o i hệ thống WDM Nguyên lý ản ĩ thu t M Nguyên l trình ghép kênh theo bước sóng quang mơ tả minh họa Hình 2.5 Sợi dẫn quang I1(1) In(n) O1(1) O(1, n) DE M U I(1, n) X Hình 2.5 - Sơ đồ W M U X On(n) Giả sử phía phát có nguồn quang làm việc bước sóng khác nhau, tín hiệu quang bước sóng khác ghép vào sợi quang nhờ ghép kênh quang Yêu cầu ghép bước sóng phía phát, thiết b ghép kênh phải có suy hao nhỏ t m i nguồn quang tới đầu ghép kênh Ở phía thu tách sóng quang phải nhạy với độ rộng bước sóng quang Khi thực tách kênh cần phải thực cách ly kênh quang thật tốt với bước sóng cách thiết kế giải ghép kênh thật xác, lọc quang sử dụng phải có bước sóng cắt xác, dải làm việc thật ổn đ nh Tín hiệu sau ghép xong truyền dọc theo trục sợi đưa đến đầu thu Tại đầu thu thực trình giải ghép kênh giải ghép kênh sau đưa đến hướng thông tin khác Phân l i hệ thống truy n dẫn * ướ o M ướ : kết hợp tín hiệu WDM có bước sóng khác vào sợi quang đầu, thực tách chúng để chuyển tới tách sóng quang đầu Với phương án để truyền Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 31 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu Hình 2.15 biểu diễn phổ khuếch đại EDF bơm bước sóng 980nm với cường độ khác Trong chiều dài sợi khuếch đại chọn cho m i công suất bơm để phổ khuếch đại phẳng đường nét liền hệ số khuếch đại lớn bước sóng 1532nm đường nét đứt Hệ số khuếch đại (dB) 40 I p I sat=20 30 I p I sat=15 = 10 I p I sat 20 10 1500 1520 1540 1560 1580 1600 Bước sóng (nm) ế D i ng khu h đạ i Dải động khuếch đại EDF dải cơng suất tín hiệu đầu vào mà EDF làm việc chế độ khuếch đại chưa bão hoà Psmin  Ps  Pssat Với Ps cơng suất tín hiệu vào Psmin cơng suất tín hiệu đầu vào nhỏ cơng suất tín hiệu đầu vượt trội so với tạp âm nội SE để đảm bảo thoả mãn t số tín tạp theo u cầu Pssat cơng suất tín hiệu bão hồ Dải động khuếch đại EDF là: dd = Pssat - Psmin Tín hiệu thơng tin hệ thống thông tin quang gửi cách điều biến công suất xạ t nguồn quang Yêu cầu thiết b đặt Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 47 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang phát thu quang không gây méo tín hiệu Sự méo tín hiệu gây khuếch đại quang có hệ số khuếch đại thăng giáng EDF làm giảm ổn đ nh hệ số khuếch đại, thời gian phân hu ngẫu nhiên trạng thái kích thích dài, bão hoà hệ số khuếch đại thấp iển hình phải 0,1ms  1ms để làm giảm hệ số khuếch đại sau tín hiệu bảo hoà đưa vào EDF Do khoảng thời gian dài so với chu kỳ xung tín hiệu Gigabit điều biến tín hiệu hệ thống nalog, EDF làm méo tín hiệu gây xuyên âm bé Hệ số khuếch đại khuếch đại quang không b ảnh hưởng phân cực tín hiệu vào Mặt khác tín hiệu b méo nhiễu nhiều độ phân cực sợi quang truyền dẫn b biến đổi ngẫu nhiên với thời gian Hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào độ phân cực khuếch đại phân bố đối xứng tròn sợi dẫn quang hướng ngẫu nhiên Ion Erbium sợi quang .T pâ a khu h i EDFA Dựa vào nguyên l hoạt động EDF ngồi việc khuếch đại tín hiệu, EDF cịn sinh tạp âm nhỏ phát xạ tự phát Các photon phát xạ tự phát truyền lan dọc theo sợi khuếch đại đơn giản truyền lan dọc theo sợi tới khuếch đại khuếch đại lại khuếch đại lên Hầu hết phát xạ tự phát bước sóng khác với bước sóng tín hiệu, số bước sóng tín hiệu Hình 2.17 mơ tả tín hiệu tạp âm đầu EDF ể đánh giá tạp âm EDF cần đưa hệ số tạp âm F0: F0 = Trong SNR in SNR in SNR out SNR out tương ứng t số tín tạp đầu vào đầu EDF Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 48 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thơng tin quang Cơng suất Tín hiệu Bước sóng Ngu n ấu h nh đầ cho EDFA Nguồn Nguồn bơm cho EDF có nhiệm vụ cung cấp ánh sáng bơm thích hợp để kích thích Ion Er 3+ mức lên mức lượng cao để thực việc khuếch đại quang ể đảm bảo công suất đầu đủ lớn, yêu cầu nguồn bơm phải có cơng suất t  10 mW Sơ đồ mức lượng Er 3+ giải bước sóng bơm tương ứng trình bày Hình 2.18 520 S3/ S9 / 810 I9/ 980 I 11 / I 13 / I 15 / 543 Dải bơm (nm) H 11 / 660 1480 1550 Tăng ích Tự phát Trạng thái Sơ đồ Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 3+ ướ ó ươ 49 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang T Hình 2.18 ta thấy bước sóng 520, 660, 800, 980 1480 nm sử dụng làm bước sóng bơm cho EDF , nhiên hai bước sóng bơm sử dụng nhiều 980nm 1480 nm Các nguồn bơm có bước sóng nhỏ 700 nm khó chế tạo, cơng suất không cao, nên thực tế không sử dụng bước sóng bơm 700 nm Nguồn bơm 800 nm có cơng suất lớn, hiệu suất bơm thấp hấp thụ trạng thái kích thích ES ES tượng xảy Ion Er 3+ trạng thái gần ổn đ nh mức 4I13/2 lại hấp thụ photon bơm photon tín hiệu chuyển lên mức lượng cao hơn, làm giảm hiệu suất bơm Vì bước sóng bơm 800 nm sử dụng Các nguồn bơm Laser diode bán dẫn bước sóng 980 nm 1480 nm cho cơng suất xạ hàng trăm mW Các Laser diode bán dẫn có đặc điểm ch cần điện áp tiếp xúc nhỏ, giảm nguồn ni u cầu Nguồn bơm 1480 nm sử dụng rộng rãi loại Laser diode s n độ tin cậy cao ộ tin cậy vấn đề đặc biệt quan trọng trường hợp dùng để bơm khoảng cách dài để tránh làm nhiễu tín hiệu Ngồi nguồn bơm 1480 nm có ưu điểm phổ hấp thụ rộng nên khơng cần địi hỏi xác bước sóng Laser bơm Hệ số khuếch đại 20  30 dB đạt với cơng suất bơm 10  30 mW Tuy nhiên bơm bước sóng 1480 nm có nhược điểm khuếch đại làm việc theo hệ thống Laser mức nên đảo mật độ hồn tồn khơng thể xảy ra, dẫn đến tạp âm lớn Hệ số tạp âm thường  dB Do nguồn bơm 980 nm nguồn bơm chủ yếu hiệu suất khuếch đại cao Hệ số khuếch đại 40 dB đạt ch với công suất bơm 20mW Tạp âm khuếch đại bơm 980 nm nhỏ, hệ số tạp âm gần với giá tr tới hạn 3dB Vì nguồn bơm bước sóng 980 1480nm nguồn bơm chủ yếu cho khuếch đại EDF Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 50 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang Nguồn bơm tín hiệu ghép với ghép bước sóng ch hình 2.10 Thiết b ghép dùng thấu kính để ghép ánh sáng vào ánh sáng sợi Nó bao gồm gương lọc tích hợp Trong ghép bước sóng WDM này, lượng bơm tín hiệu tổn hao khoảng < 0,5dB Sự hồi tiếp t tượng phản xạ hai mặt khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sinh dao động làm giảm khả chống nhiễu hệ thống Nếu đặt vào đường truyền cách ly quang Hình 2.10 Thì làm triệt tiêu phản xạ Các cách ly quang thường làm giảm ánh sáng phản xạ khoảng 35dB ch tổn hao cho tín hiệu truyền qua 1dB Tham số Hàn sợi Suy hao xen (dB) ộ nhạy phân cực (dB) Giá thành ộ ổn đ nh nhiệt (nm/0C) Chế tạo iện môi Cách tử < 0,2 < 0,1 < 3,0dB < 0,2 Khơng Khơng Thấp Trung bình Trung bình 0,005 0,05 0,007 ơn giản Kích thước mm B 10 x 10 x 80 So 5.2 Cấu h nh ch * Cấu h nh t chi u - đồ Công nghệ Công nghệ cao cao x8 x 60 10 x 10 x 80 ướ ó FA ướ Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 51 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang Bộ ghép quang Tín hiệu vào Bộ cách quang Tín hiệu Sợi quang trộn Erbium Nguồn ánh sáng bơm (Laser diode) đồ ướ Cấu hình có đặc điểm cho tạp âm nhỏ sử dụng làm khuếch đại cho máy thu - ướ Bộ cách quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Tín hiệu Sợi quang trộn Erbium Nguồn ánh sáng bơm (Laser diode) ướ Cấu hình cho cơng suất tín hiệu đầu cao sử dụng làm khuếch đại công suất * Cấu h nh hai chi u Bộ ghép quang Bộ cách quang Tín hiệu vào Bộ ghép quang Bộ cách quang Tín hiệu Sợi quang trộn Erbium Nguồn ánh sáng bơm (Laser diode) Nguồn ánh sáng bơm (Laser diode) Cấu hình bơm hai chiều sử dụng làm khuếch đại lặp Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 52 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp * o sánh gi a Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang ấu h nh ối với cấu hình bơm chiều, ánh sáng bơm yếu truyền dọc theo sợi Erbium bước sóng bơm bước sóng có suy hao lớn Do đảo mật độ tăng ích giảm theo khoảng cách t phía nguồn bơm Ví dụ cấu hình bơm đồng hướng có tăng ích lớn phía đầu vào giảm dần phía đầu ngược với cấu hình bơm ngược hướng Bên cạnh hai cấu hình bơm có phát xạ tự phát SE khác Cấu hình bơm chiều có độ tin cậy khơng cao ối với cấu hình bơm hai chiều, độ bão hồ khuếch đại gần đồng Cho nên công suất tín hiệu khơng b thay đổi lên xuống, nhờ tín hiệu thu trung thực Sử dụng cấu hình bơm cho độ tin cậy hệ thống cao Mặt khác bơm t hai phía nên cấu hình cho phép sử dụng đoạn sợi trộn Erbium dài hơn, có hệ số khuếch đại cao cấu hình bơm chiều Tuy nhiên cấu hình bơm hai chiều có thiết b chế tạo phức tạp hơn, dẫn đến giá thành hệ thống sử dụng cấu hình cao so với hệ thống sử dụng cấu hình bơm chiều IV Ỹ THUẬT BÙ TÁN ẮC Cá u tố gi i h n hệ thống th ng tin quang tố ao Tán s c s c th Một hàng rào cản trình truyền xung sợi quang tán sắc sắc thể hay GVD phụ thuộc số lan truyền vào tần số Kết dãn xung ánh sáng gây giao thoa k hiệu gây l i thu Ở tốc độ cao, xung quang hẹp có phổ rộng dể b ảnh hưởng nghiêm trọng tán sắc ối với phát laser DFB điều biến trực tiếp, GVD giới hạn tính hệ thống tốc độ bít vượt 2Gbit/s khoảng cách truyền dẫn b giới hạn [6 : L < 4B D   )-1   độ rộng phổ hiệu dụng xung tín hiệu, B tốc độ bít, L Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 53 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang chiều dài sợi quang Như với hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode tiêu chu n b giới hạn L  42 km khó sử dụng khuếch đại quang sợi O hệ thống Tính hệ thống cải thiện sử dụng kỹ thuật điều biến để tránh tượng chirping trường hợp khoảng cách truyền dẫn xác đ nh điều kiện: L < (16 2 B2 )-1  = ( 2 / 2c )D,  bước sóng hoạt động Như lượng tán sắc cho phép tín hiệu giảm t lệ ngh ch với bình phương tốc độ Giới hạn khoảng cách truyền dẫn hai loại sợi quang: sợi đơn mode chu n S-SMF sợi d ch tán sắc khác không NZ-DSF tốc độ khác cửa sổ 1550 nm cho Bảng 2.2 Tốc độ Gbít/s Sợi S-SMF(km) B Sợi NZ-DSF(km) 2,5 1000 3400 10 60 200-400 40 13 o đ T giới hạn cho ta thấy hệ thống 10Gbit/s trở lên, khoảng cách lớn cần có biện pháp bù để đảm bảo lượng tán sắc tổng tích luỹ tuyến phải nằm giới hạn cho phép Tuy nhiên việc sử dụng sợi tán sắc NZ-DSF cho phép cải thiện tính hệ thống, hệ thống cáp sử dụng dùng sợi đơn mode chu n , tìm giải pháp bù tán sắc thích hợp vấn đề quan trọng Hiệu ng phi tuyến Khi cường độ truyền sợi quang lớn hệ thống WDM gây hiệu ứng phi tuyến Sự phụ thuộc chiết suất thu tinh vào cường độ ánh sáng gây pha tín hiệu quang b điều biến cường độ hiệu ứng tự điều biến pha SPM cường độ kênh lân cận điều biến pha chéo XPM sinh bước sóng trội Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 54 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang bước sóng khác hệ thống WDM hiệu ứng trộn bốn sóng FWM Các hiệu ứng phi tuyến khơng tác động mà tương tác với tán sắc theo nhiều cách Do tán sắc thể sợi quang nên trình điều chế pha sinh SPM XPM gây méo dạng tín hiệu jitter đ nh thời Tuy nhiên việc xác đ nh xác tác động phi tuyến tán sắc cơng việc khó Việc chọn sợi quang có tán sắc cao lại cho phép giảm tác động hiệu ứng XPM giá tr tán sắc cao làm giảm khoảng cách mà xung kênh tương tác với nhau, đồng thời hiệu suất FWM lại phụ thuộc vào phối hợp pha kênh tham gia q trình lớn khơng có tán sắc Hệ thống th ng tin quang ƣ qu n tán s Qua phần cho thấy, hệ thống thông tin quang tốc độ cao khoảng cách lớn cần thiết phải sử dụng biên pháp bù tán sắc hợp l không ch quản l tán sắc mà quản l phi tuyến hệ thống Một nguyên tắc chung cho việc quản l tán sắc phi tuyến hiệu giữ cho tán sắc cục đủ cao để giảm hiệu ứng phi tuyến đảm bảo tán sắc tích luỹ tổng cộng sát gần tới m i kênh toàn tuyến 2.1 Bù tán s c ch sợi ơn de chu n ối với hệ thống sử dụng sợi đơn mode chu n S-SMF , kỹ thuật đơn giản thường sử dụng để bù tán sắc dùng sợi bù tán sắc DCF có hệ số tán sắc âm nhờ thiết kế sợi hợp l Các DCF sử dụng module rời rạc để ghép xen vào v trí khuếch đại quang thường EDF , cho phép nâng cấp hệ thống lên cấp độ cao iều kiện để bù tán sắc hoàn toàn xác đ nh : DSMFLSFM + DDCFLDCF = Trong DSMF, DDCF hệ số tán sắc sợi cần bù sợi DCF, LSMF, LDCF chiều dài sợi cần bù sợi DCF tương ứng Một tham số để đánh giá chất lượng DCF hệ số ph m chất FOM : FOM = D /  Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 55 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang Trong  hệ số suy hao sợi DCF Các sợi DCF thường có FOM khoảng t 150  300ps/nm/dB với hệ số tán sắc khoảng t 70  100ps/nm/km Tuy nhiên FOM chưa đủ thấy tác động DCF lên tính hệ thống chưa tính tới hiệu ứng phi tuyến diện tích hiệu dụng eff sợi DCF thường nhỏ khoảng 20  m2 Vì l thực tế ta mong muốn LDCF ngắn tốt để đảm bảo tính gọn nhẹ module bù tán sắc DCM suy hao xen Như tuyến thông tin quang tốc độ cao, khoảng cách lớn nhiệm vụ đầy thách thức đòi hỏi tối ưu hố nhiều tham số, bao gồm số lượng kênh khoảng cách tần số chúng, dạng điều chế, khoảng cách khuếch đại, mức công suất đầu vào hệ thống dĩ nhiên lựa chọn loại sợi kiểu xếp chúng gọi cấu hình xếp tán sắc DCF Tx Độ dư tán sắc (ps/nm) S-SMF OA Rx OA LSS LDC F Tx Độ dư tán sắc (ps/nm) DCF Rx OA LSSMF Khoảng cách (km) (a) Một chu kỳ bù tán sắc S-SMF OA LDC F Một chu kỳ bù tán sắc Khoảng cách (km) (b) Độ dư tán sắc (ps/nm) DCF S-SMF DCF R x Tx 1/2L Khoảng cách (km) LDCF F LSS M DC (c) Một chu kỳ bù tán sắc Sơ đồ ế Việc xếp tán sắc hệ thống để quản l tán sắc tuần hoàn thực cách kết nối sợi quang có hệ số tán sắc âm dương theo kiểu xen kẽ ể đảm bảo tán sắc tổng m i chu kỳ hệ thống sử dụng sợi đơn mode chu n S-SMF có hệ số tán sắc 16ps/nm/km bước sóng 1550 nm bù DCF theo kiểu cấu hình thể hình 2.22.Có chế độ tán sắc: Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 56 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang - Chế độ bù trước: Trên m i chu kỳ sợi cần bù kết nối sau sợi DCF Hình2.22a - Chế độ bù sau: Trên m i chu kỳ sợi cần bù kết nối trước sợi DCF Hình2.22b - Chế độ bù đối xứng h n hợp: Trên m i chu kỳ sợi cần bù nằm đoạn sợi DCF hai đầu Hình2.22c ể thấy khả sử dụng ảnh hưởng cấu hình đến tính hệ thống , hệ thống 10 Gbit/s gồm đoạn quản l tán sắc với tham số cho bảng sau: Tham số Chiều dài D(ps/nm/km) S(ps/nm2/km) Aeff(  m2) Sợi S-SMF 120 km 16 0.07 80 Sợi DCF 24 km -80 0.17 20 B đoạ Tính hệ thống thể qua hệ số Q hàm công suất quang đầu vào hệ thống thể Hình 2.23 35 Bù đ ố 30 g Bù trước 25 Hệ số Q (dB) i xứ n 20 Bù s au 15 10 5 Công suất (mW) S 10 ào đầ ếđ T kết cho ta thấy chế độ bù trước bù sau có xu hướng giảm Q cơng suất đầu vào tăng, cịn trường hợp bù hổn hợp có giá tr cơng suất đầu vào tối ưu phạm vi đến mW Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 57 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang 35 Hệ số Q (dB) 30 25 20 15 10 200 400 600 -600 -400 -200 Độ dư tán sắc (ps/nm) Bù đối xứng 800 1000 1200 Bù trước S đ đoạ eo đ Bù sau W ể đánh giá ảnh hưởng độ dư tán sắc hệ thống, kết phụ thuộc hệ số Q vào độ tán sắc cho Hình 2.24 việc thay đổi độ dài sợi DCF Qua đồ th cho thấy chế độ bù sau hệ số Q có giá tr lớn giá tr độ dư tán sắc độ dư tán sắc dương có hệ số Q cao độ dư tán sắc âm iều tương tác với hiệu ứng phi tuyến, thực chế độ bù thiếu đảm bảo lượng dư tán sắc giới hạn cho phép cải thiện tính hệ thống 22 ù tán s c ng r ng ối với hệ thống WDM băng rộng, việc bù tán sắc gặp khó khăn phụ thuộc hệ số tán sắc vào bước sóng gọi độ dốc tán sắc Như kênh khác hệ thống WDM tích luỹ lượng tán sắc khác truyền qua tuyến sợi quang Việc bù hệ thống ch bước sóng xác đ nh, gây bù khơng hồn tồn cho kênh khác Hiệu ứng tích luỹ m i chu kỳ bù tán sắc thấy Hình 2.25a Tuy nhiên nay, số sợi quang bù tán sắc thiết kế để giải vấn đề gọi sợi bù tán sắc độ dốc tán sắc SC-DCF Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 58 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang cách phối hợp với độ dốc tán sắc sợi S-SMF cho phép bù hoàn toàn băng tần rộng Hình 2.25b cho thấy cấu hình xếp tán sắc sử dụng sợi Độ dư tán sắc (ps/nm) Độ dư tán sắc (ps/nm) Khoảng cách (km) Sơ đồ Khoảng cách (km) ế K đ ó đ Một tham số đánh giá sợi t lệ độ dốc tán sắc hệ số tán sắc RDS: RDS = S D Trong D S hệ số tán sắc độ dốc tán sắc sợi ể đảm bảo bù độ dốc tán sắc tốt RDS sợi SC-DCF phải có giá tr với RDS sợi quang cần bù S d ng sợi quang ới Khi áp dụng công nghệ WDM, loại sợi quang đơn mode thích hợp sợi NZDSF có hệ số tán sắc khác không đủ nhỏ phạm vi rộng bước sóng Các sợi NZDSF thơng thường có hệ số tán sắc khoảng -2 ps/nm/km Do kiểu xếp tán sắc đơn giản sử dụng loại sợi dùng sợi đơn mode chu n để bù Một hệ thống 10Gbit/s tương tự sử dụng sợi NZDSF với kiểu xếp khác khảo sát có tham số cho bảng sau: S(ps/nm2/km) Aeff (  m2) Tham số Chiều dài D(ps/nm/km) Sợi S-SMF 15 Km 16 0.07 80 Sợi NZDSF 120 Km -2 0.17 70 B Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà S-S 59 S Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang 32 30 Hệ số Q (dB) 28 26 24 22 20 18 16 Bù trước Công suất (mW) Bù sau S Bù đối xứng S 10 đầ o S-S đ Hình 2.26 cho thấy kết thu hệ thống khảo sát, qua cho thấy việc sử dụng sợi NZDSF cho thấy tính hệ thống đạt tốt sợi S-SMF Về xu hướng phụ thuộc hệ số Q vào công suất đầu vào sợi chế độ bù khác tương tự hình 2.23 nhiên cho thấy phạm vi công suất hoạt động rộng 32 30 Hệ số Q (dB) 28 26 24 22 20 18 16 Công suất (mW) Bù trước Bù đối xứng S o 10 Bù sau đầ S T Hình 2.27 cho ta thấy m i kiểu xếp tán sắc cho thấy phạm vi công suất đầu vào tối ưu đồng thời đảm bảo hệ số Q trường Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 60 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang hợp sử dụng sợi S-SMF khoảng cách truyền dẫn gấp đôi iều cho thấy ưu điểm rỏ rệt khả áp dụng loại sợi thực tế hệ thống khoảng cách dài tốc độ cao Sinh viên thực hiện: Cù Thế Hoà 61 Lớp: 46K_ĐTVT ... Thế Hoà 36 Lớp: 46K_ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang B nối héo quang Trong mạng thông tin quang WDM đòi hỏi việc đ nh tuyến động để tái lập lại cấu hình mạng trì chất... tốt nghiệp Nâng cấp dung lượng tuyến thông tin quang lớn cho q trình phát triển tuyến thơng tin hồn tồn dùng khuếch đại quang t phát triển thành mạng quang hố hồn tồn Các khuếch đại quang thiết... tuyến việc cần thiết hệ thống thông tin quang muốn nâng tốc độ hệ thống thông tin quang Có nhiều phương pháp quản l tán sắc phát triển, sử dụng sợi bù tán sắc biện pháp đơn giản dễ khả thi Qua