đề tài xây dựng hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch đại quang edfa

BÁO CÁO THỰC HÀNH
BÁO CÁO THỰC HÀNH
Kỹ Thuật Thông Tin Quang Nâng Cao
Đề Tài: Xây dựng hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch
đại quang EDFA.
Giảng viên hướng dẫn: Lê Thanh Thủy
Sinh viên thực hiện: Nhóm 2 – L10CQ VT03 B
Danh sách sinh viên nhóm 2:
1. Nguyễn Anh Sơn
2. Trần Trung Vinh
3. Nguyễn Bá Việt
4. Nguyễn Thị Nga
5. Đỗ Thành Huân
6. Vũ Đăng Trường
7. Dương Thanh Tú
8. Nguyễn Quang Vinh
9. Trần Huyền Trang
10. Phạm Văn Công
11. Vũ Văn Quyền
12. Nguyễn Văn Vĩ
I. Tổng quan hệ thống WDM
1. Định nghĩa

Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng
được ghép lại và truyền chung trên một đường truyền quang được gọi là hệ
thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght
Division Multiplexing)
2. Các dải băng tần hoạt động trong WDM

O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm ÷ nm.
E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm ÷ 1460 nm.
S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm ÷ 1530 nm.
C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm ÷ 1565 nm
L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm ÷ 1625 nm

3. Phân loại hệ thống WDM
Theo hướng truyền dẫn: Gồm 2 loại

Hệ thống đơn hướng


• Đặc điểm :
- Chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang.
- Khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống
song hướng.
- Số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng.


Hệ thống song hướng
• Đặc điểm:
- Khi có sự cố, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển
mạch bảo vệ tự động APS.
- Thiết kế hệ thống song hướng khó hơn.
- Các hệ thống khuếch đại trong hệ thống song hướng có cấu trúc phức
tạp hơn so với hệ thống đơn hướng nhưng có công suất quang đầu ra lớn
hơn so với hệ thống đơn hướng.

4. Ưu nhược điểm hệ thống WDM
* Ưu điểm

- Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được
ghép vào để truyền trên 1 sợi quang
- Tính trong suốt
- Khả năng mở rộng
Hiện tại chỉ duy nhất công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hình mạng
truyền tải quang OTN (Optical Transport Network)
* Nhược điểm
- Chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang
- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần
- Nếu hệ thộng sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất
khó triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn 4 bước sóng khá gay gắt.

5. Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

Sơ đồ khối và chức năng các khối

Chức năng của các khối:
• Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là Laser
với các yêu cầu như là có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức
công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm
trong giới hạn cho phép.
• Ghép / tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng
khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền qua sợi
quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành
các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các
bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg
sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot

• Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự
ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi

tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ
thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )
• Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch
đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch
đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ khuếch
đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại.
• Thu tín hiệu: Sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin
quang thông thường : PIN, APD

Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM
- Bộ phát quang
- Bộ thu quang
- OMUX / ODEMUX
- Sợi quang
- Bộ khuếch đại quang (OA)
- Bộ xen rẽ bước sóng (OADM)…

6. Các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống WDM

Khoảng cách giữa các kênh: Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu
chuẩn giữa các kênh gần nhau. Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải
băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần
và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau. Một số yếu tố ảnh
hưởng đến khoảng cách này:
• Tốc độ truyền dẫn của từng kênh
• Quỹ công suất quang
• Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
• Độ rộng phổ của nguồn phát
• Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM


Suy hao quỹ công suất của hệ thống WDM
Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ
số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một
mức BER cho phép

Để máy thu thu được thông tin thì công suất tín hiệu đến máy thu phải
nằm trong dải công suất của máy thu.
Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ
Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max
Như vậy để đảm bảo được thông tin thì công suất phát phải càng lớn khi
cự ly truyền dẫn càng lớn. Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ khuếch
đại quang sợi EDFA

Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM
Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công
suất của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó. Đối với các hệ
thống WDM thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn
kênh. Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM
chủ yếu gồm: Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR. Các hiệu ứng này
có thể chia thành hai loại:
- Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR.
- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM,
XPM và FWM


II. Bộ khuếch đại quang EDFA
1. Cấu trúc bộ khuếch đại quang EDFA
- EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp
khoảng 0,1% Erbium.
- Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn

EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và
bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng
phản xạ từ hệ thống.
Cấu trúc tổng quát bộ khuếch đại EDFA - Mặt cắt ngang của một loại sợi quang
pha ion Erbium

2. EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng

Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch
đại quang sự dụng trong hệ thống WDM cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa
ra cao. Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng vì đây là yêu cầu đặc biệt của hệ thống
truyền dẫn WDM đối với EDFA.
- Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng.
- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh
hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh.
- EDFA phải có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu
vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại
đối với tất cả các kênh

3. Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp
sợi quang
•
Trường hợp BA (đặt ngay sau máy
phát): Cho tỷ số SNR lớn hơn trong
trường hợp khoảng cách truyền dẫn
ngắn, dễ giám sát và điều khiển. Tuy
nhiên, công suất ngõ ra không được cao
quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi
quang. Điều này giới hạn độ khuếch đại

của EDFA và công suất phát.
• Trường hợp PA (đặt ngay trước máy
thu): Có thể cho công suất đến máy thu
lớn. Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của
EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào máy
thu do ít bị suy giảm. Điều này giới hạn
tỷ số SNR.
• Trường hợp PA (đặt giữa đường
truyền): Ở trường hợp này, ta có thể tăng
công suất phát và hệ số khuếch đại
EDFA một cách hợp lý để đạt được công
suất tín hiệu và SNR thích hợp.

4. Các ưu điểm của EDFA
- EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi nên mạch sẽ
trở nên linh hoạt hơn.
- EDFA có cấu trúc nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng
một trạm, do đó có thể làm cho hệ thống linh hoạt hơn.
- Có thể hạ thấp được giá thành của hệ thống do có cấu trúc đơn giản
của EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ nâng cao được khoảng cách lặp và dung
lượng truyền dẫn.
- Đối với bộ khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm 1480nm cho
hiệu quả tốt hơn đối với bước sóng tín hiệu đang được dùng phổ biến hiện nay
là 1550nm.
- Các hệ thống thông tin sợi quang đường dài có thể sử dụng chuỗi
EDFA trong truyền dẫn. Cự ly truyền dẫn có thể đạt được xa hơn nhờ sử dụng
các EDFA, có nhiễu thấp và độ khuếch đại cao.

III. Sợi quang đơn mode chuẩn G.652
1. Cấu tạo sợi quang


Sợi quang sử dụng là loại đơn mode. Lõi của sợi quang làm bằng SiO2 và
các chất phụ gia khác, đảm bảo có chỉ số chiếc suất của lõi sợi quang lớn hơn
chỉ số chiếc suất của lớp vỏ phản xạ. Lớp vỏ phản xạ của sợi quang làm bằng
SiO2. Lớp bảo vệ sơ cấp làm bằng vật liệu chống được tia cực tím, đảm bảo
sợi quang không bị suy hao do uốn cong và trầy xước.

2. Các yếu tố ảnh hưởng

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ
thống thông tin quang, bao gồm : Tán sắc, suy hao, hiệu ứng phi tuyến Đối
với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng
khác nhau:
+ Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần
quan tâm là suy hao.
+ Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần
quan tâm là suy hao và tán sắc.
+ Đối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài hai yếu tố
trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến

Sợi quang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong các hệ thống là sợi
đơn mode SMF-28, G.652. Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang này theo
chuẩn của sợi quang đơn mode chuẩn. Các đường cong mô tả tán sắc và suy
hao của sợi đơn mode cho thấy rằng suy hao của sợi đạt giá trị nhỏ nhất ở
vùng bước sóng 1550 nm nhưng tán sắc có giá trị thấp nhất lại ở bước song
1300 nm.
3. Thông số kĩ thuật
Thông số kĩ thuật Tiêu chuẩn
1 Tiêu chuẩn áp dụng ITU-T G.652 D
2 Biên dạng chỉ số chiết suất Dạng bậc thang

3 Đường kính trường mode tại bước sóng
1310nm
9.2 mm ± 0.4 mm
4 Đường kính trường mode tại bước sóng
1550nm
10.4 mm ± 0.5 mm
5 Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của dải quang
phổ Neff (bước sóng 1310nm)
1.4676
6 Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của dải quang
phổ Neff (bước sóng 1550nm)
1.4682
7 Bước sóng tán sắc không 1310 nm - 1324 nm
8 Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1310nm ≤ 0.36 dB/km
9 Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1550nm ≤ 0.22 dB/km
10 Hệ số tán sắc tại bước sóng 1550nm ≤ 18 ps/nm.km
11 Độ dốc tán sắc không ≤ 0.092 ps/nm2.km
12 Hệ số tán sắc mode phân cực PMD ≤ 0.2 ps/km
1/2

IV. Thiết kế hệ thống WDM bằng Optisystem
1. Bài toán: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có
sử dụng khuếch đại quang EDFA với các yêu cầu thiết kế như sau:
Tốc độ bit: 10 Gbit/s
- Chiều dài chuỗi: 128 bits
- Số mẫu trong 1 bit: 64
- Cự ly truyền dẫn: 300 km
Số lượng kênh bước sóng: 4 kênh
Sử dụng:
- Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn(G.652)

- Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser.
- Phương thức điều chế: điều chế ngoài
- Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel
Sử dụng các thiết bị đo cơ bản:
- Thiết bị đo công suất quang
- Thiết bị phân tích phổ quang
- Thiết bị đo BER

2. Thiết kế hệ thống

Phía phát
- Nguồn phát quang lazer CW lazer array
- Bộ phát xung RZ pulse genarator
- Bộ phát bít điện User Defined Bit
- Điều chế Mach-zehnder Modulator.
Do hệ thống WDM
ghép 4 kênh tín hiệu
nên phía đầu phát sẽ
bao gồm có 4 bộ phát.
Thiết bị được sắp xếp
như trên được goi là
phương pháp điều chế
ngoài.
Do ghép 4 kênh tín
hiệu nên bộ WDM
Mux sử dụng là Mux
4x1


Phía thu

- Bộ tách kênh Demux 1x4
- PIN kết hợp bộ lọc thông thấp Bessel
- Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có thiết bị đo Ber,
genarator 3R được đặt ở vị trí thích hợp.



Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc được thực hiện bằng
sợi bù tán sắc DCF. Như vậy việc bù tán sắc là cần thiết để đạt chất lượng tín
hiệu đầu ra cao, và BER có giá trị nhỏ.
- Thông số sợi bù tán sắc DCF:
Biết D1(hệ số tán sắc G.652)=16.75 ps/nm/km, 1(hệ số suy hao G.652)=0.2
dB/km, S1(độ dốc tán sắc G.652)=0.075ps/nm2/km
D2(hệ số tán sắc DCF)= -85 ps/nm/km, 2(hệ số suy hao DCF)=0.5,
dB/km
Mà: S2 = - S1*(L1/L2) = - S1*(D2/D1)
=> S2= -0.075ps/nm2/km (-85 ps/nm/km : 16.75 ps/nm/km)=
0.38ps/nm2/km
=> L2= | -(L1*D1)/D2 | . Chọn L1=50 km => L2=9.8 km. Để đáp ứng yêu
cầu đề bài với cự ly truyền dẫn là 300 km thì phải chọn L2= 10 km
=> Số vòng Loop cần dùng là: 300/(50+10) = 5
- Vòng lặp (hạn chế sự cồng kềnh cho hệ thống mà vẫn đảm bảo cự ly
truyền dẫn)


Do tín hiệu được truyền trên sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây
ra suy hao sợi quang, và làm suy giảm công suất phát tín hiệu. Để khắc phục
hiện tượng suy giảm công suất và suy hao tín hiện nên khi thiết kế hệ thống
WDM sử dụng thêm bộ khuếch đại EDFA. Với hệ số khuếch đại G đúng bằng
lượng suy hao trên tuyến.

+ Gọi G1 là hệ số khuếch đại của EDFA1
G2 là hệ số khuếch đại của EDFA 2
Công thức: G2 = |G1 – α1 × L1 – L2 × α2|
=> Chọn G1= 10 dB thì G2 = |10 – 0.2 ×50 - 0.5 × 10 |= 5 dB


Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh