CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM
CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN
5.1 Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đơn kênh
- Như đã trình bày ở các phần trên, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Raman phụ thuộc vào nhiều thông số như công suất bơm (P0), chiều dài tuyến truyền dẫn (L) và chênh lệch gi a bước sóng tín hiệu vào với bước sóng bơm hay còn gọi là độ dịch Stoke (Δλ).
- Do vậy, trước khi thực hiện tính toán thiết kế một hệ thống truyền dẫn cụ thể chúng ta sẽ khảo sát sự biến thiên hệ số khuếch đại G của bộ khuếch đại Raman phân bố DRA theo các thông số nêu trên để làm rõ các vấn đề lý thuyết đã nêu.
5.1.2 Các thông số thiết kế đầu vào hệ thống - Tốc độ bit: 10 Gb/s
- Chiều dài chuỗi: 64 bit - Số mẫu/bit: 64 mẫu - Số kênh đầu vào: 1 kênh - Nguồn Laser:
+ Công suất: 0 dBm
+ Bước sóng: 1553 nm (193,1 THz) - Sợi quang: sợi SMF thông thường
+ Hệ số suy hao: 0,2 dB/km (0,046 km-1) + Hệ số tán sắc: 16,75 ps/nm/km
90 5.1.3 Sơ đồ hệ thống
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn đơn kênh sử dụng bộ khuếch đại Raman
91 5.1.4 Khảo sát G theo Δλ
- Với tín hiệu vào không đổi, ta sẽ lần lượt thay đổi bước sóng bơm λp để qua đó thay đổi giá trị Δλ tương ứng.
- Các thông số khác của bộ khuếch đại và laser bơm:
+ Chiều dài L = 40 km
+ Công suất bơm P0 = 300 mW - Kết quả mô phỏng:
Hình 5.2 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo bước sóng bơm (gi cố định bước sóng tín hiệu vào)
STT λp (nm) Δλ (nm) G (dB)
1 1423 130 2,0
2 1433 120 7,1
3 1443 110 10,8
4 1453 100 11,3
5 1463 90 10,1
6 1473 80 8,6
7 1483 70 6,5
Bảng 5.1 Bảng giá trị G theo bước sóng bơm λp
92 - Nhận xét:
+ Hệ số khuếch đại G của bộ DRA đạt cao tại giá trị Δλ trong khoảng 90 – 110 nm, trong đó lớn nhất là tại Δλ = 100 nm (13,2 THz), tương ứng với bước sóng bơm 1453 nm. Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết đã nêu tại mục 3.3.1 của luận văn này.
+ Trong quá trình thiết kế hệ thống cần lưu ý lựa chọn các giá trị λs và λp phù hợp trong khoảng giá trị nêu trên.
5.1.5 Khảo sát G theo L
- Thay đổi độ dài L của bộ khuếch đại DRA.
- Các thông số của laser bơm:
+ Bước sóng bơm: 1453 nm + Công suất bơm P0 = 300 mW - Kết quả mô phỏng:
Hình 5.3 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo chiều dài khuếch đại
93
STT L (km) G (dB)
1 10 5
2 15 6,7
3 25 9,2
4 30 10,1
5 35 10,8
6 45 11,8
7 60 12,7
8 75 13,1
9 90 13,3
10 105 13,4
Bảng 5.2 Bảng giá trị G theo chiều dài khuếch đại L
- Nhận xét:
+ Với một giá trị công suất bơm nhất định, khi chiều dài L còn thấp (trong trường hợp này khoảng dưới 25 km) thì G tăng nhanh theo L. Tiếp theo khi tăng L (trong khoảng 30 – 60 km), hệ số khuếch đại G tăng chậm. Khi giá trị L đủ lớn (L ≥ 75 km), hệ số G gần như không thay đổi ngay cả khi L tăng lên. Với giá trị công suất bơm 300 mW và bước sóng bơm 1453 nm như trên thì tại L = 75 km, hệ số khuếch đại của hệ thống đã đạt giá trị bão hòa. G phụ thuộc vào L theo dạng hàm mũ.
+ Về mặt lý thuyết lượng tử điều này được giải thích là khi công suất quang của laser bơm không đổi, các photon của laser bơm chỉ có thể truyền cho một số lượng phân tử nhất định để chúng dao động và tạo ra hiệu ứng Raman cưỡng bức. Khi tăng chiều dài sợi quang, đồng thời gi nguyên giá trị công suất bơm, tức là chúng ta đã tăng số lượng các phân tử trong môi trường tán xạ trong khi không tăng năng lượng kích thích. Sau khi số lượng các phân tử đạt tới giá trị ngưỡng tương ứng với năng lượng kích thích nêu trên, thì dù có tiếp tục tăng thêm các phân tử thì về cơ bản cũng
94
không tạo thêm hiệu ứng Raman cưỡng bức, do vậy không làm tăng thêm hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại.
5.1.6 Khảo sát G theo P0
- Thay đổi công suất bơm P0 của laser bơm.
- Các thông số khác:
+ Chiều dài L = 75 km + Bước sóng bơm: 1453 nm - Kết quả mô phỏng:
Hình 5.4 Sự biến thiên độ khuếch đại G theo công suất bơm
STT P0 (mW) G (dB)
1 100 4,4
2 200 8,7
3 300 13,1
4 400 17,4
5 500 21,7
6 600 25,8
7 700 29,6
95
8 800 32,9
9 900 35,6
10 1000 38,0
Bảng 5.3 Bảng giá trị G theo công suất bơm P0
- Nhận xét:
+ Trong phạm vi công suất bơm được khảo sát (100 – 1000 mW), hệ số khuếch đại G tăng tuyến tính theo giá trị của công suất bơm của laser.
Điều này được lý giải dưới góc độ lượng tử là khi tăng công suất bơm của laser tức là số lượng photon phát ra tăng lên, dẫn tới số phân tử trong môi trường tán xạ (sợi quang) bị kích thích lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn cũng tăng lên. Khi có photon của tín hiệu đến thì nó sẽ kích thích các phân tử đang ở trạng thái có mức năng lượng cao đó về mức năng lượng thấp hơn, quá trình này phát ra 01 photon mới có cùng bước sóng và pha với photon tín hiệu tới. Photon mới này lại tiếp tục tương tác với 01 phân tử ở mức năng lượng cao khác (nếu có) để phát ra 01 photon mới tiếp theo. Như vậy, nếu số lượng phân tử ở mức năng lượng cao càng nhiều thì số photon phát xạ ra càng nhiều, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại càng lớn.
+ Về mặt lý thuyết, nếu chiều dài đường truyền không đổi, tức là số phân tử trong môi trường tán xạ không đổi thì khi tiếp tục dần tăng công suất bơm, số phân tử tán xạ đạt đến trạng thái mức năng lượng cao sẽ tăng dần đến giá trị ngưỡng nhất định. Sau đó, dù tiếp tục tăng công suất bơm, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại cơ bản không tăng. Theo lý thuyết đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của G theo P0 sẽ có dạng hàm mũ.
+ Trong thực tế chúng ta thường sử dụng các laser có công suất bơm dưới 300 mW để đảm bảo tuổi thọ của sợi quang và laser. Do vậy hệ số khuếch đại G của khuếch đại Raman trong hệ thống thực tế sẽ tăng tuyến tính theo công suất bơm.
96
+ Hệ số khuếch đại của khuếch đại Raman thấp hơn khuếch đại EDFA ở công suất bơm tương đương. Ví dụ tại P0 100 mW giá trị G của bộ khuếch đại EDFA là khoảng 20 dB [4].