Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang wdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ HỮU TIẾN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ HỮU TIẾN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS NGUYỄN QUỐC TRUNG Hà Nội – 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Vũ Hữu Tiến Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi truyền dẫn quang WDM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số SV: CB170244 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 30/6/2020 với nội dung sau: - Chỉnh sửa số lỗi đánh máy luận văn - Chỉnh sửa số hình ảnh cho đồng rõ nét - Phần sơ đồ mô tách phần cho rõ - Cập nhật thêm số tài liệu tham khảo Ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS.TS Nguyễn Quốc Trung Vũ Hữu Tiến CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Quốc Khương LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Vũ Hữu Tiến Giáo viên hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Quốc Trung LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Trung tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này, tạo điều kiện thuận lợi để cơng trình nghiên cứu hoàn thành Em xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập nghiên cứu Luận văn hồn thành khoảng thời gian khơng dài với kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đánh giá, nhận xét, góp ý thầy giáo hội đồng để luận văn hồn thiện Cuối biết ơn tới gia đình, bạn bè thơng cảm, động viên giúp đỡ em có thêm nghị lực để hoàn thành luận văn Tác giả luận văn VŨ HỮU TIẾN CÁC TỪ VIẾT TẮT AGC Automatic Gain Control Tự động điều chỉnh khuếch đại AMP Amplifier Khuếch đại APC Automatic Power Control Tự động điều chỉnh công suất APD Avalanche Photodiode Điốt quang thác APR Automatic Power Reduction Giảm công suất tự động ASE Amplifier Spontaneous Emission Khuếch đại tự phát BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit CPG Circuit Pack Group Card nhóm CPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha DAC Dual Amplifier Circuit Mạch khuếch đại Dual (kép) DBF Distributed Feedback laser Laser hồi tiếp phân bố DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DRA Distributed Raman Amplifier Khuếch đại phân bố Raman DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng mật DX Digital Cross Connect Kết nối chéo số EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang pha tạp Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm ILF Interleave Filter Bộ lọc xen INTLV Interleave Xen ITU-T International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế Telecommunication Standardization Sector LA Line Amplifier Bộ Khuếch đại đường dây LASER Light Amplication by Stimulate Khuếch đại ánh sáng cách Emission of Radiation kích thích phát xạ xạ LD Laser Diode Điốt laser LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LRA Lumped Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman tập trung LTE Line Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đường dây MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode MPI Multipath Interference Nhiễu mức MSA Mid-Stage Access Điểm truy nhập tầng NDSF Non Dispersion Shifted Fiber Sợi quang không dịch tán sắc NF Noise Figure Hình ảnh nhiễu NLSE Nonliear Schrodinger Equation Phương trình Schrodinger phi tuyến NRZ Non-Return-to-Zero Mã NRZ OADM Optical Add/Drop Multiplexing Bộ ghép xen/rớt quang OAR Optically Aplifed Recciver Thu khuếch đại quang OC Optic Circulator Bộ vòng quang ODEMUX Optical DeMultiplexing Bộ tách quang OFA Optic Fiber Ampliter Bộ khuếch đại quang sợi OLA Optical Line Amplifier Khuếch đại đường dây quang OLT Optical Line Terminal Đầu cuối đường dây quang OMUX Optical Multiplexing Bộ ghép quang OSA Optical Spectrum Analyser Bộ phân tích phổ quang OSC Optical Service Channel Kênh dịch vụ quang OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu OTDR Optical Time Domain Reflectometers Đường truyền dẫn quang OTR Optical Transport Repeater Bộ lặp quang OTU Optical Transmission Section Đoạn truyền dẫn quang PA Pre-amplifier Tiền khuếch đại PCE Power Conversion Efficiency Hiệu suất biến đổi công suất PBE Push Button Equalization Chức cân PDFA Praseodymium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp Praseodymium PO Power Optimizer Bộ tối ưu hóa cơng suất RIN Renatine Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối S/N Signal to Noise ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SLA Semiconductor Laser Amplifier Bộ khuếch đại Laser bán dẫn SMF Singel Mode Fiber Sợi đơn mode SNCP Sub-Network Connection Protecting Bảo vệ kết nối mạng SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích TDFA Thulium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp Thulium TEC Thermally Expanded Core Interface Giao diện lõi mở rộng nhiệt WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng WT Wavelength Translation Chuyển đổi bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các tượng biến đổi quang điện 14 Hình 1.2 Mơ hình tổng qt khuếch đại quang 16 Hình 1.3 Khuếch đại quang sợi thiết bị hai cửa 18 Hình 1.4 Cấu trúc EDFA 18 Hình 1.5 Cấu trúc hình học lõi pha tạp Erbium 20 Hình 1.6 Sơ đồ sợi TEC vuốt Gaussian 21 Hình 1.7 Biểu đồ lượng ion Erbium có hóa trị ba 21 Hình 1.8 Đặc tính hấp thụ sợi thủy tinh pha tạp Erbium 22 Hình 1.9 Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào cơng suất bơm EDFA 24 Hình 1.10 Độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất bơm 25 Hình 1.11 Độ khuếch đại phụ thuộc vào độ dài EDF 26 Hình 1.12 Các phổ tiết diện xạ hấp thụ mức I13/ I15 / 26 Hình 1.13 Sợi EDF mơ tả chuỗi lát khuếch đại riêng rẽ 28 Hình 1.14 Khuếch đại tín hiệu hàm số cơng suất tín hiệu đầu với công suất bơm khác Hình 1.15 Hiệu suất biến đổi công suất hàm độ dài EDF với hai loại cấu hình bơm 32 Hình 1.16 Minh họa cho độ dốc khuếch đại tĩnh động 33 Hình 1.17 Phổ đầu quang tiêu biểu EDFA 34 Hình 1.18 Quan hệ hệ số nhiễu độ dài EDF với cấu hình bơm khác 42 Hình 1.19 Khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào nhiệt độ 43 Hình 1.20 Cấu trúc sợi pha tạp Er 3+ 45 Hình 1.21 Giản đồ lượng Thulium 46 Hình 1.22 Phổ khuếch đại quang sợi pha tạp 53 Hình 1.23 Giản đồ lượng Pr 3+ 54 Hình 1.24 Ảnh hưởng độ dài tới độ khuếch đại độ rộng dải khuếch đại 56 Hình 1.25 Giản đồ lượng trình tán xạ Raman 58 Hình 1.26 Phổ khuếch đại Raman sợi Silic bước sóng bơm λ p = 1µ m 59 Hình 1.27 Cấu trúc khuếch đại Raman 60 Hình 1.28 Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng tín hiệu nguồn bơm 69 Hình 2.1 Sơ đồ chức hệ thống WDM 71 Hình 2.2 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng 72 Hình 2.3 Các phần tử mạng quang WDM 74 Hình 2.4 Các loại chức khuếch đại quang 76 Hình 2.5 Cách sử dụng khuếch đại đường dây 77 Hình 2.6 Sơ đồ khối khuếch đại đường dây quang điển hình 79 hiệu WDM thành tín hiệu bước sóng thành phần OLT thường dùng đầu liên kết điểm – điểm  OADM dùng cần số kênh bước sóng cịn lại cần phải định tuyến qua nút mạng khác OADM thường dùng mơ hình mạng tuyến tính mạng vòng Ring  OXC thực chức tương tự OADM với số lượng cổng nhiều số lượng bước sóng xử lý nhiều OXC thường dùng cấu hình mạng mắt lưới (Mesh) để nối mạng vòng Ring với Các khách hàng kiến trúc mạng mà ta trình bày nối đến nút mạng OLT, OADM OXC để xử lý tín hiệu, chuyển thành dạng thích hợp, ghép vào tín hiệu WDM truyền Các mơ hình khách hàng mà kiến trúc mạng hỗ trợ đa dạng, gồm có định tuyến IP, chuyển mạch ATM, đầu cuối xen/rớt SDH…Kiến trúc mạng WDM phải đáp ứng yêu cầu sau:  Tái sử dụng bước sóng: ta thấy hình 2.3, nhiều đường quang (light path) khác mạng khơng trùng với để sử dụng bước sóng Khả tái sử dụng bước sóng giúp cho số lượng đường quang mạng triển khai nhiều với số lượng bước sóng giới hạn Ta phải hiểu điều kiện quan trọng điều kiện băng thông thiết bị WDM hạn chế  Chuyển đổi bước sóng đường quang định tuyến mạng dùng nhiều bước sóng khác để truyền tín hiệu Khả chuyển đổi bước sóng cần thiết để có mạng truyền tải quang linh hoạt cho hiệu sử dụng bước sóng cao Hơn nữa, chuyển đổi bước sóng cịn phải thực giao diện với phía mạng khách hàng để chuyển đổi tín hiệu bước sóng chuẩn WDM sang tín hiệu bước sóng mạng lớp khách hàng  Trong suốt: có nghĩa kiến trúc mạng phải có khả truyền tải tín hiệu khách hàng với nhiều tốc độ bit khác nhau, giao thức khác  Chuyển mạch kênh: lớp kênh quang, chế thiết lập xóa bỏ đường quang tương tự chuyển mạch kênh Tuy qua thực tế, trình tồn đường quang điểm nút mạng thời gian 75 dài: vài tháng năm Cơ chế chuyển mạch gói lớp kênh quang chưa phát triển đáp ứng chậm khả linh hoạt thiết bị hoạt động lớp kênh quang Chuyển mạch gói áp dụng mạng lớp trên, mạng lớp khách hàng IP, ATM…, đường quang giữ nguyên trạng thái thiết lập  Mơ hình đường quang: mơ hình đường quang đồ thị điểm nút mạng, với giao diện giao tiếp với lớp mạng khách hàng nút Như mơ hình đường quang sử dụng lớp mạng khách hàng trên, thiết kế cho đáp ứng nhu cầu truyền tải thông tin lớp mạng khách hàng 2.2 Khuếch đại quang hệ thống WDM 2.2.1 Chức khuếch đại quang WDM Các khuếch đại quang phân chia theo chức hoạt động Có loại là: khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây tiền khuếch đại (xem hình 2.4) Hình 2.4 Các loại chức khuếch đại quang Một khuếch đại công suất, gọi post-amplifier, khuếch đại tín hiệu trước truyền sợi quang hình 2.4a Bộ khuếch đại cơng suất khuếch đại cơng suất tín hiệu quang lên mức cao để truyền tín hiệu khoảng cách xa Yêu cầu khuếch đại phát cơng suất tín hiệu cao nhất, khơng phải độ lợi cao nhất, tín hiệu vào có độ lợi giới hạn tín hiệu ngõ vào tương đối lớn đưa đến từ phát quang 76 Thêm thuận lợi sử dụng khuếch đại công suất giảm nhẹ công suất tín hiệu quang cao cho phát quang, cho phép người thiết kế mạng tập trung cải tiến đặc điểm kỹ thuật phát quang lo lắng công suất yêu cầu Một khuếch đại đường dây hoạt động với tín hiệu tuyến truyền dẫn quang, hình 2.4b minh họa Chức phục hồi cơng suất tín hiệu bị suy giảm suy hao sợi quang, mối nối phân tán tín hiệu mạng Yêu cầu khuếch đại tính ổn định tồn giải thơng mạng WDM Do sử dụng nhiều khuếch đại đường dây mắc nối tiếp với điều kiện chúng có đặc tính độ lợi đồng Các yêu cầu khuếch giữ nhiễu mức thấp hoạt động ổn định kết nối với sợi quang Bộ tiền khuếch đại thực việc khuếch đại tín hiệu trước đưa vào thu quang Xem hình 2.4c, khuếch đại hoạt động với mức tín hiệu yếu địi hỏi phải có độ nhạy tốt, độ lợi cao nhiễu thấp Nhiễu đặc tính quan trọng tiền khuếch đại chất lượng thu bị giới hạn không nhiễu mà cịn nhiễu tiền khuếch đại Sử dụng tiền khuếch đại giảm yêu cầu nghiêm ngặt độ nhạy máy thu cho phép mạng hoạt động với tốc độ bit cao Hình 2.5 Cách sử dụng khuếch đại đường dây Số lượng khuếch đại công suất tiền khuếch đại yêu cầu mạng tính toán dựa số lượng phát quang thu quang diện hệ 77 thống Nhưng số lượng khuếch đại đường dây dựa chiều dài tuyến truyền dẫn quang cấu hình mạng Đối với tuyến đường dài, tuyến đại dương xuyên lục địa, khuếch đại đường dây sử dụng khoảng cách từ 80km đến 100km Các khuếch đại phục hồi tín hiệu gây suy hao sợi quang mối nối Tuy nhiên, khuếch đại đường dây cần thiết cho mạng cự ly ngắn để phục hồi tín hiệu mát phân tán tín hiệu mạng nội hình 2.5 Khi bàn khuếch đại đường dây, khuếch đại công suất hay tiền khuếch đại, thường sử dụng khuếch đại quang sợi trộn Erbium (EDFA) khuếch đại Raman dùng để bổ sung cho khuếch đại EDFA 2.2.2 Chức khuếch đại tín hiệu OLT Để thực chức khuếch đại tín hiệu, dùng hai cấu hình EDFA khác Cấu hình EDFA khuếch đại cơng suất cho hướng phát (booster amplifier) cấu hình tiền khuếch đại (Preamplifier) cho hướng thu Hiện nay, nút mạng WDM hoạt động bước sóng băng C (1530-1565nm) băng L (1565-1625nm) khuếch đại EDFA hoạt động hai băng sóng 2.2.3 Bộ khuếch đại đường quang (OLA) Các khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) dùng liên kết quang với khoảng cách (trên thực tế khoảng cách đặt OLA không phải nhỏ giá trị khoảng cách định, thường 100-200km) Trên hình 2.6 sơ đồ khối OLA, thành phần nhiều khối độ lợi sợi EDF mắc nối tiếp với nhau, chặng độ lợi bù tán sắc (dispersion compensasor) để bù tán sắc tích lũy dọc theo tuyến quang Hình 2.6 Sơ đồ khối khuếch đại đường dây quang điển hình 78 Bộ OlA cịn có thiết bị thực chức ghép/tách kênh giám sát OSC Tại đầu vào chưa qua khối độ lợi, kênh giám sát OSC lọc lại đưa vào đầu thu OSC Tiếp đến, sau khuếch đại kênh tín hiệu thuộc bước sóng khác nhau, kênh OSC ghép chung vào với kênh tín hiệu truyền Như vậy, kênh OSC không khuếch đại OLA Bộ OLA cấu hình gồm khuếch đại Raman thực chức khuếch đại phân bố cách cấu hình đầu vào nó, nguồn bơm Raman có cơng suất quang lớn, bơm ngược chiều với chiều tín hiệu vào Ngồi ứng dụng làm khuếch đại đường truyền quang, khuếch đại quang sử dụng chuyển đổi bước sóng Việc chuyển đổi bước sóng thực dựa tượng bão hòa độ lợi tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) xảy khuếch đại quang Kết luận: Qua chương tơi trình bày khái qt cơng nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM khuếch đại quang hệ thống quang WDM 79 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 3.1 Chương trình mơ Sử dụng phần mềm Optisystem mô hệ thống quang WDM ghép kênh bước sóng sử dụng khuếch đại EDFA đường truyền  Các thành phần hệ thống: - 04 Nguồn phát: + Bộ tạo chuỗi bit + Bộ tạo xung NRZ + Bộ điều chế + Laser diode - Bộ ghép kênh WDM bước sóng: - 04 Nguồn thu: 80 + Photodiode PIN + Bộ lọc thông thấp + Khối 3R + Bộ hiển thị BER - Bộ phân kênh WDM bước sóng: - Tuyến truyền dẫn: + Sợi đơn mode chuẩn SMF có độ dài 50 km, suy hao 0.2 dB/km sợi đơn mode chuẩn SMF có độ dài km, suy hao 0.5 dB/km + Bộ khuếch đại EDFA có độ lợi 10 dB, nhiễu nội dB khuếch đại EDFA có độ lợi 2dB, nhiễu nội dB + Sử dụng kĩ thuật bù tán sắc (bù tán sắc quang sử dụng sợi DCF có độ dài km) 3.2 Kết mơ - Thơng số tín hiệu trước truyền tải đường truyền 81 - Phổ tín hiệu trước truyền tài kênh truyền - Phổ tín hiệu sau truyền tải qua sợi quang đơn mode chuẩn 82 Ta thấy xảy hiệu ứng phi tuyến - Phổ tín hiệu vào phân kênh phía thu 83 - Phổ tín hiệu thu kênh - Phổ tín hiệu thu kênh 84 - Phổ tín hiệu thu kênh - Phổ tín hiệu thu kênh Như phía thu nhận tín hiệu kênh phía phát với phổ thu đồng 85 - Tỷ lệ lỗi bit kênh - Tỷ lệ lỗi bit kênh 86 - Tỷ lệ lỗi bit kênh - Tỷ lệ lỗi bit kênh Như với thông số hệ thống thông tin quang nêu trên, ta thu tín hiệu phía phát với tỷ lệ lỗi bit 87 KẾT LUẬN Khuếch đại quang phận quan trọng mạng thơng tin quang WDM, có nhiều phương pháp khuếch đại quang sợi hệ thống chủ yếu sử dụng khuếch đại EDFA Raman đặc biệt sử dụng khuếch đại Raman đem lại tiến vượt bậc khả tăng dung lượng truyền dẫn thông tin quang Từ việc nghiên cứu lý thuyết, nguyên lý khuếch đại quang sợi EDFA, TDFA, PDFA Raman luận văn sâu tìm hiểu thơng số, đặc tính kỹ thuật khuếch đại mơ hình ứng dụng hệ thống thông tin quang Luận văn đưa chương trình mơ hệ thống thơng tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh WDM kết hợp khuếch đại EDFA đường truyền đưa kết mô Hướng phát triển: giai đoạn nhu cầu tăng dung lượng truyền lớn, việc nghiên cứu khuếch đại Raman để ứng dụng vào thực tiễn cần thiết Trên sở luận văn tiếp tục sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách truyền dẫn, công suất đầu vào việc bù công suất khuếch đại Raman 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Việt Em “Kỹ thuật thông tin quang 2”, 2007 [2] TS Vũ Văn San “Hệ thống thông tin quang 2”, 2008 [3] PGS.TS Vũ Doãn Miên “Cơ sở thông tin quang sợi”, 2001 [4] Scott S H Yam and Jaedon Kim "Ground State Absorption in ThuliumDoped Fiber Ampli Experiment and modeling." IEEE journal of selected topics in quantum electronics, vol 12, no 4, pp 797- 803, 2006 [5] Tadashi Sakamoto, Shin-ichi Aozasa, Makoto Yamada, and Makoto Shimizu “Hybrid Fiber Amplifiers Consisting of Cascaded TDFA and EDFA for WDM Signals”, 2006 [6] Abdel Hakeim M.Husein and Fady I EL-Nahal “Schematic Representation for Illustrating the Procedure of Optical Noise Figure in Erbium-doped Fiber Amplifier (EDFA) and Praseodymium-doped Fiber Amplifier (PDFA)”, 2011 [7] Clifford Headley, Govind P.Agrawal “Raman Amplìication in Fiber Optical Communication Systems”, 2005 89 ... cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi truyền dẫn quang WDM? ?? Luận văn chia làm chương: 11 Chương 1: Tổng quan khuếch đại quang Chương trình bầy khái quát khuếch đại quang sợi sử dụng truyền dẫn quang. .. loại khuếch đại quang là: bán dẫn sợi Bộ khuếch đại quang phổ biến khuếch đại quang sợi trộn Erbium (Erbium-doped fiber amplifier EDFA), mở cánh cửa cho việc sử dụng hệ thống truyền dẫn quang WDM. .. loại khuếch đại quang sử dụng hiệu ứng Raman va Brillouin Sử dụng hiệu ứng xây dựng phân tán, gom lại khuếch đại quang tín hiệu quang Chúng có ưu điểm sau: thành phần giống sợi quang truyền dẫn khuếch