nghiên cứu nâng cao chất lượng tuyên thông tin sợi quang wdm xuyên biển sử dụng hfa

-
1
-
















LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của
bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.






Sinh viên

-
2
-





MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 1

Mục lục 2

Các từ viết tắt 5

Lời mở đầu 6

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng bộ

khuếch đại ghép lai EDFA/Raman

1.1. Giới thiệu chương 8

1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM 8

1.2.1. Sơ lược về hệ thống WDM 8

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh phân theo bước sóng

1.2.2. Cấu hình của một hệ thống WDM

1.3. Mô hình hệ thống WDM sử dụng HFA
10


11


12

1.3.1 Khả năng ứng dụng bộ HFA trong thông tin sợi quang 12

1.3.2 Mô hình chung của hệ thống WDM sử dụng bộ HFA 14

1.4. Kết luận chương 14


Chương 2 Nguyên lý và đặc điểm của các bộ khuếch đại quang

2.1. Giới thiệu chương

16

2.2. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 16

2.2.1 Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA 16

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 17

2.2.3 Các đặc tính của EDFA 18

2.2.4 Bơm cho EDFA 20

2.3. Bộ khuếch đại Raman 21

2.3.1 Cấu trúc bộ khuếch đại Raman 21

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 22

2.3.3 Các đặc tính của bộ khuếch đại Raman 23

-
3
-

2.3.4 Cấu hình bơm của RA 29

2.4. Cơ sở của sự kết hợp bộ khuếch đại Raman và bộ khuếch đại pha tạp

Erbium 29


2.5. Bộ khuếch đại ghép lai EDFA/Raman (HFA) 31

2.5.1 Cấu trúc bộ HFA 31

2.5.2 Đặc diểm của bộ HFA 31

2.6. Kết luận chương 33


Chương 3 Tín hiệu và nhiễu trong hệ thống WDM có HFA mắc chuỗi

3.1. Giới thiệu chương



34

3.2. Tán xạ Rayleigh kép(DRB) 34

3.2.1. Công suất nhiễu tán xạ Rayleigh 35

3.2.2. Công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép tích lũy

3.3. Nhiễu ASE

3.3.1. Nhiễu ASE trong các bộ khuếch đại
36


37


37

3.3.2. Nhiễu ASE tích lũy

3.4. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

3.4.1 Hiệu ứng FWM
39


39


40

3.4.2 Công suất sóng FWM trong hệ thống WDM có các HFA mắc chuỗi

42

3.5. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR 45

3.6. Kết luận chương 46


Chương 4 Mô phỏng nhiễu trong hệ thống thông tin sợi quang WDM

sử dụng bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA

4.1 Giới thiệu chương 47

4.2 Cấu hình tuyến WDM dùng bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA 47

4.3 Mô phỏng nhiễu tán xạ Rayleigh kép 48

4.3.1 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép do bộ khuếch đại Raman sinh ra 48

4.3.2 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép tích luỹ 49

4.4 Mô phỏng nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) 50
-
4
-





4.4.1 Nhiễu ASE do từng bộ khuếch đại tạo ra 51

4.4.2 Nhiễu ASE tích lũy 52

4.5 Mô phỏng hiệu ứng trộn bốn bước sóng 53

4.6 Mô phỏng các thông số ảnh hưởng đến độ khuếch đại Raman 54

4.7 So sánh sự ảnh hưởng của các loại nhiễu đến tỉ số OSNR của 56


hệ thống WDM sử dụng HFA

4.8 Kết luận chương 58


Chương 5 Tính toán nâng cao chất lượng tuyến thông tin quang WDM cho

Segment 9 của hệ thống cáp quang biển quốc tế SEA-ME-WE3

5.1 Giới thiệu chương 59

5.2 Đặc điểm của tuyến Segment 9 và cấu hình tuyến dùng cho tính toán 59

5.2.1 Đặc điểm tuyến Segment 9 của hệ thống cáp quang biển

SEA-ME-WE 3 59

5.2.2 Cấu hình tuyến dùng cho tính toán 60

5.3 Phương pháp tính toán tối ưu tỉ số tín hiệu quang trên nhiễu cho tuyến

cáp quang biển từ Sesimbra đến Penmarch 61

5.3.1 Phương pháp tính toán 61

5.3.2 So sánh chất lượng của hệ thống sử dụng HFA mắc chuỗi với

hệ thống sử dụng EDFA mắc chuỗi 62

5.4 Hiệu chỉnh độ khếch đại của 2 bộ EDFA trong bộ HFA 62

5.5 Tính toán tối ưu tỉ số OSNR 64

5.6 Kết quả và nhận xét 69

5.7 Kết luận chương 71

Kết luận và hướng phát triển đề tài 72

Tài liệu tham khảo 74

Phần phụ lục 76

-
5
-

CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH




ASE Amplified Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại

BA Boost Amplifier Bộ khuếch đại công suất
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
CW Continuos Wave Sóng liên tục
DCF Dipersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc

DMUX DEMUX Bộ giải ghép kênh

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố

DRB Double Rayleigh Back Scattering Tán xạ Rayleigh kép

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi thay đổi vị trí tán sắc

DWDM Dense Wave Division Miltiplexer WDM mật độ cao

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi có pha
tạp Erbium
FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng

GFF Gain Flattening Filter Bộ lọc làm phẳng độ lợi

HFA Hybrid Raman/EDFA Amplifier Bộ khuếch đại Raman/EDFA

ghép lai

LA Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

NDSF Non- Dispersion Shifted Fiber Sợi không thay đổi vị trí tán sắc

NZDSF None Zero Dispersion Fiber Sợi dịch tán sắc khác không

NF Noise Figure Hệ số nhiễu

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang

PA Pre- Amplifier Bộ tiền khuếch đại
-
6
-





Lời mở
đầu



Với những ưu điểm nổi bật về dung lượng và khoảng cách truyền dẫn, thông
tin sợi quang là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển

và xuyên lục địa. Cùng với sự ra đời của các kĩ thuật mới như kĩ thuật ghép kênh
phân chia theo bước sóng mật độ cao và đặc biệt là sự xuất hiện và nhanh chóng
được thương mại hoá của EDFA đã đáp ứng được nhu cầu về trao đổi thông tin
ngày càng cao trong những năm gần đây. Tuy nhiên, mạng viễn thông hiện nay
đang đứng trước nguy cơ quá tải do các loại hình dịch vụ và phương thức đa truy
cập mới của mạng Internet ra đời và phát triển với tốc độ chóng mặt. Tốc độ truyền
dẫn của các tuyến thông tin sợi quang WDM đạt đến hàng nhiều Gbit/s và sử dụng
hết băng thông khuếch đại của EDFA. Trước thực trạng đó, yêu cầu về nâng cấp
mạng thông tin quang đang trở nên ngày càng cấp thiết hơn. Mô hình bộ khuếch
đại ghép lai HFA - sự kết hợp giữa EDFA và bộ khuếch đại Raman - đã mở ra
nhiều triển vọng cho các hệ thống viễn thông. Bộ khuếch đại này mang ưu điểm của
cả EDFA và Raman, vừa tăng khả năng chống nhiễu, giảm hiệu ứng phi tuyến của
Raman đồng thời tăng độ khuếch đại cao nhờ EDFA. Tuy nhiên, sự kết hợp này
cũng tạo ra nhiều loại nhiễu hết sức phức tạp. Để đạt được các ưu điểm trên cần
phải nghiên cứu nghiêm túc bộ khuếch đại này, tiến hành khảo sát cẩn thận về
nhiễu và tín hiệu. Sau đó đề xuất cấu hình bộ khếch đại ghép lai HFA thích hợp để
dùng cho tuyến thông tin sợi quang WDM xuyên biển hiện nay. Tiếp đến xây dựng
lưu đồ thuật toán, tính toán mô phỏng tối ưu hóa bộ khuếch đại ghép lai HFA nhằm
nâng cao chất lượng của tuyến.
Với mục đích như trên, đồ án tập trung vào vấn đề “Nghiên cứu nâng cao
chất lượng tuyên thông tin sợi quang WDM xuyên biển sử dụng HFA”. Nội dung
của đồ án chia làm 5 chương như sau:
Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng HFA

Chương 2 Nguyên lý và đặc điểm của các bộ khuếch đại quang

Chương 3 Tín hiệu và nhiễu trong hệ thống WDM có HFA mắc chuỗi
-
7
-

Chương 4 Mô phỏng nhiễu trong hệ thống thông tin sợi quang WDM sử dụng
bộ khuếch đại ghép lai Raman/EDFA
Chương 5 Tính toán nâng cao chất lượng tuyến thông tin quang WDM cho

Segment 9 của hệ thống cáp quang biển quốc tế SEA-ME-WE3

Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của đồ án là lý thuyết kết hợp với tính
toán, mô phỏng bằng ngôn ngữ lập trình Mathcad.
Em xin chân thành cảm ơn Ts. Nguyễn Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn,
động viên trong thời gian nghiên cứu đề tài này. Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô
giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã nhiệt tình dạy dỗ, cung cấp trang bị cho em
những kiến thức quí báu, góp phần giúp em hoàn thành đồ án này.
Đà Nẵng, ngày 25 tháng 5 năm 2007

Sinh viên thực hiện




-
8
-

Chươ
n

g 1
T
ổ
ng quan v
ề hệ th
ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…





CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI
QUANG WDM SỬ DỤNG BỘ KHUYẾCH ĐẠI
GHÉP LAI RAMAN/EDFA



1.1. Giới thiệu chương

Hệ thống tin quang WDM sử dụng các bộ khuếch đại EDFA đã được triển
khai trên toàn thế giới để truyền tải thông tin với dung lượng lớn. Nhưng do sự phát

triển nhanh của các dịch vụ mới, của internet làm nhu cầu về băng thông tăng lên
nhanh chóng. Các hệ thống thông tin quang WDM sử dụng EDFA hiện hành trở nên
quá tải. Vì vậy cần phải nâng cấp hệ thống WDM sao cho đảm bảo dung hoà giữa
dung lượng truyền dẫn, chất lượng tín hiệu và giá thành.
Trong chương này, đồ án sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin sợi
quang WDM, cấu hình của một hệ thống WDM hiện nay và các tiêu chuẩn nâng cấp
hệ thống. Sau đó, đồ án đưa ra một mô hình mới là hệ thống WDM sử dụng bộ
khuếch đại ghép lai Raman/EDFA.
1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang WDM

1.2.1 Sơ lược về hệ thống WDM

Tiến trình phát triển của dung lượng truyền dẫn khẳng định rằng WDM, kể
từ khi xuất hiện đã mang lại hiệu suất cao hơn so với các kỹ thuật truyền đơn kênh.
WDM ghép nối các kênh ở trong lòng cùng một sợi quang thay cho việc xử lý
chúng riêng lẽ bằng tín hiệu điện. Điều này hết sức hữu ích, vì chỉ cần một bộ
khuếch đại quang học duy nhất cho phép kéo dài việc truyền trên đoạn tiếp theo,
không phải trang bị cho mỗi kênh quang học một hệ thống điện tử để tái tạo lại tín
hiệu trên kênh đó[8].
-
9
-

Chươ
n
g 1
T
ổ
ng quan v
ề hệ th

ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…







Hình 1.1 Tiến trình phát triển của dung lượng truyền dẫn[8]



Sự ra đời của công nghệ truyền tin WDM bắt nguồn từ các tiến bộ khoa học
liên quan đến việc tiến hành hiệu chỉnh các laser đầu tiên, tiếp đến là quá trình chế
ngự chất lượng của sợi quang học và cuối cùng là sự chế ngự chất lượng của các
linh kiện sợi quang học, các laser diôt. WDM được cải tiến sau hai sự kiện chính:
thứ nhất là do sự xuất hiện của công nghệ EDFA, thứ hai là nhu cầu sử dụng trọn
vẹn dải băng tần đó sau khi đã kiểm soát được hiệu ứng xuyên kênh trong trường
hợp lưu lượng của mỗi kênh lớn.
Tiến trình ứng dụng kỹ thuật WDM vào thực tế: nếu trong phòng thí nghiệm
chỉ cần một vài năm có thể tăng được dung lượng của từng kênh thì điều đó chậm
hơn rất nhiều khi chuyển qua đấu thầu thương mại, lắp đặt vận hành hệ thống trên
thực tế. Cho tới hiện nay, số lượng kênh được sử dụng trên thực tế không hề vượt

quá 40 kênh.
Các hệ thống trên mặt đất được lắp ráp sao cho tương thích với các mối liên
kết đã tồn tại và các điểm khuếch đại đã có sẵn trên mặt đất. Các hệ thống ngầm
dưới đại dương cũng được lắp đặt cùng thời điểm với sợi truyền trên mặt đất và bản
thân khoảng cách giữa các bộ khuếch đại được tối ưu hoá. Như vậy việc này luôn sử
dụng công nghệ hiện đại nhất, và cũng bởi vì chúng cho phép vượt qua các khoảng
cách dài nhất. Chúng cũng là các hệ thống vượt khoảng các dài đầu tiên sử dụng
khuếch đại quang học và chúng còn cho ta tích số giữa dung lượng và khoảng cách
-
10
-

Chươ
n
g 1
T
ổ
ng quan v
ề hệ th
ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…

Thiết bị

WDM
một sợi
quang


Thiết bị

WDM

ë
1
,
ë
2
, ,
ë
n

ë



cao nhất trong các hệ thống thương mại hiên nay. Các hệ thống được thương mại
hoá hiện nay sử dụng lưu lượng trên mỗi kênh là 10Gb/s
1.2.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh phân theo bước sóng

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM là công nghệ trong một sợi
quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang [2].
Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng quang được minh hoạ như hình

1.2. Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ
1
, λ
2
, , λ
n
.
Tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này được ghép vào cùng một sợi dẫn
quang nhờ bộ ghép kênh MUX, bộ ghép kênh phải bảo đảm có suy hao nhỏ. Tín
hiệu sau đó sẽ được truyền dọc theo sợi quang để tới phía thu. Ở đầu thu, các bộ
tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng lẻ
sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng.





Nguồn
ë
1

Nguồn

1

phát

ë 2


quang
ë


MUX DMUX

ë
2
thu

ë

n
ë
1
,

ë

2
, ,

ë

n

ë

1
,
ë
2

, ,ë
n
n


Hình 1.2 Nguyên lý của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng [1]



Với nguyên lý cơ bản như trên, hệ thống WDM có hai hình thức cấu thành là

truyền dẫn 1 chiều và truyền dẫn 2 chiều được biểu diễn như hình 1.3(a), (b)



Kênh 1


Kênh 2

Nguồn ë
1

Nguồn ë
2


Thu ë
1



Thu ë
2

Kênh 1


Kênh 2





Kênh n
Nguồn ë
n


Thu

ë
n

Kênh n

Hình 1.3 (a) Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng
-
11
-

Chươ
n
g 1
T
ổ
ng quan v
ề hệ th
ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…






Kênh vào

Kênh ra

Nguồn

ë
1





Thu

ë
2




Thiết bị
WDM



Một sợi

ë
1

ë
2




Thiết bị
WDM

Thu

ë
1





Nguồn

ë
2

Kênh ra

Kênh vào


Hình 1.3 (b) Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng[2]




1.2.3 Cấu hình của một hệ thống WDM



Các bộ phát


Sợi quang



Bộ khuếch đại
Các bộ thu

Bộ ghép kênh

Bộ giải ghép



Hình 1.4 Tuyến truyền dẫn WDM điển hình [13]




Cấu hình điển hình của một hệ thống WDM điểm-điểm thường bao gồm các
thiết bị sau (hình 1.4)
- Các bộ phát quang với các bước sóng khác nhau.

- Một bộ ghép kênh quang (MUX).

- Các đoạn sợi truyền dẫn, thường sử dụng các loại sợi đơn mode như

SSMF, DSF, NZ-DSF.

- Các bộ khuếch đại quang, thường là EDFA.

- Các thiết bị bù tán sắc, như DCF

- Một bộ giải ghép quang (DEMUX)

- Các bộ thu quang với các bước sóng tương ứng bộ phát.

Trong những năm gần đây, nhu cầu dịch vụ tăng đột ngột do sự phát triển
nhanh chóng của Internet tạo ra các thay đổi mới cho những người thiết kế hệ thống
-
12
-

Chươ
n
g 1
T
ổ
ng quan v
ề hệ th
ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…

WDM. Các mô hình chung bắt đầu bộc lộ những hạn chế của chúng và việc sử dụng
các mô hình kỹ thuật cải tiến ngày càng trở nên quan trọng hơn. Thêm vào đó, để
đạt được các mục tiêu cần thiết cho sự phát triển vấn đề hướng ứng dụng, các hệ
thống tương lai phải tuân thủ các hoạt động nâng cấp như sau
Tổng dung lượng dữ liệu truyền dẫn cao hơn thông qua việc tăng tốc độ

bit từng kênh và số lượng kênh được ghép bước sóng

Giảm giá thành bằng cách đặt các bộ khuếch đại với khoảng cách dài
hơn, nhờ đó giảm được số bộ EDFA trên một tuyến quang
Giảm méo tín hiệu để khoảng cách truyền dẫn của tuyến quang dài hơn
Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, có nhiều cách để thực hiện các mô hình thiết
kế mới.

Sử dụng cửa sổ truyền dẫn mới trong miền bước sóng.

Dùng các loại bộ khuếch đại quang mới bao phủ một dải thông tín hiệu
cao để tăng dung lượng dữ liệu.
Truyền dẫn WDM hai hướng cho phép khử các tương tác sợi phi tuyến.
Sau đây, đồ án sẽ trình bày một cấu hình mới cho hệ thống WDM dùng các bộ
khuếch đại quang mới.


1.3. Mô hình hệ thống WDM sử dụng HFA

1.3.1 Khả năng ứng dụng bộ HFA trong thông tin sợi quang

Từ khi ra đời, các bộ EDFA đã nhanh chóng trở nên thương mại hóa và được

sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống thông tin quang trên toàn thế giới. Các
hệ thống thông tin hiện nay đã sử dụng hết toàn bộ băng thông khuếch đại của
EDFA (băng C và băng L). Tuy nhiên khi dung lượng kênh tăng cao hơn nữa với
nhu cầu ngay càng tăng hiện nay thì trong tương lai không xa thì các hệ thống dựa
trên các bộ EDFA sẽ đối mặt với vấn đề là: nếu tín hiệu đi vào bộ khuếch đại quá
cao, nó phải chịu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang nhưng nếu tín hiệu ở mức
quá thấp thì nó sẽ nhận mức nhiễu cao ở các bộ khuếch đại tiếp theo.
-
13
-

Chươ
n
g 1
T
ổ
ng quan v
ề hệ th
ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…

Hình 1.5 Sơ đồ so sánh mức tín hiệu khi có khuếch đại EDFA
và DRA



Để giải quyết vấn đề một cách hiệu quả nhất cả về mặt kỹ thuật và kinh tế là
sử dụng bộ khếch đại ghép lai. Về mặt kinh tế việc kết hợp bộ khuếch đại Raman
với EDFA cho phép giữ nguyên cấu hình cũ của tuyến và chỉ cần lắp đặt thêm các
bộ bơm Raman vào hệ thống. Về mặt kỹ thuật, Raman phân bố DRA đặt trước bộ
khuếch đại EDFA đóng vai trò như một bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp. Nó không
yêu cầu mức tín hiệu vào cao do đó giảm được hiệu ứng phi tuyến. Đồng thời tín
hiệu vào bộ EDFA cũng không giảm xuống ở mức quá thấp do có khuếch đại
Raman nâng mức công suất tín hiệu vào của EDFA vì vậy mà tỉ số tín hiệu trên
nhiễu được duy trì ở mức cao. Kết quả là tăng khoảng cách giữa các bộ EDFA và
khoảng cách giữa các kênh gần hơn nhờ giảm các hiệu ứng phi tuyến.
Hệ thống sử dụng bộ khuếch đại ghép lai đã được nhiều nhà khoa học nghiên
cứu thành công với nhiều ưu điểm đó là tốc độ bit lên đến Tb /s, băng thông rộng
100nm và hiệu suất cao [7]. T.Ito et al đã thực hiện nghiên cứu thành công thí
nghiệm truyền dẫn WDM dài 1500km với tốc độ 3,2Tb/s nhờ sử dụng bộ khuếch
đại ghép lai. M.Kárase, M.Menif và A.Bellmare đã thiết kế hệ thống trên 50 kênh
WDM, khoảng cách kênh là 0, 8nm. Các kênh WDM có công suất vào P
s0
= -
17dBm/kênh được đặt trong băng C (1550nm đến 1560nm) hoặc băng L (1560nm

đến 1670nm). A.Carena, V.Curi và P.Poggiolini đã chứng minh rằng hệ thống
WDM có khoảng cách giữa các kênh 0,1nm, sử dụng các bộ HFA mắc chuỗi, sợi

truyền dẫn SMF và DCF, với chiều dài mỗi phân đoạn là 50km thì chiều dài tuyến
-
14
-

Chươ
n
g 1
T
ổ
ng quan v
ề hệ th
ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…





cực đại có thể đạt được là 7500km và có khả năng chịu đựng phi tuyến lớn hơn
nhiều so với hệ thống chỉ sử dụng EDFA.
Các kết quả trên cùng với nhiều thành công của nhiều nhà khoa học khác
trong lĩnh vực này cho phép mở ra một kỷ nguyên mới trong ngành viễn thông
quang học: hệ thống truyền dẫn quang tốc độ Tb/s, băng cực rộng nhờ sử dụng bộ

khuếch đại Raman và bộ khuếch đại EDFA/Raman ghép lai.
Vậy, sự kết hợp bộ khuếch đại Raman với EDFA tạo thành bộ khuếch đại ghép lai
là hoàn toàn có cơ sở về mặt kỹ thuật, kinh tế cũng như thực nghiệm.

1.3.2 Mô hình chung của hệ thống WDM sử dụng bộ HFA

Mô hình chung của hệ thống WDM đơn giản sử dụng bộ khuếch đại ghép lai
Raman/EDFA (HFA) bao gồm một bộ khuếch đại Raman phân bố, một hoặc vài bộ
EDFA, bộ ghép kênh và giải kênh. Sợi truyền dẫn được bơm cùng hướng, ngược
hướng hoặc bơm hai chiều qua một bộ ghép kênh bơm. Sợi có pha tạp được bơm từ
xa thông qua sợi truyền dẫn mà tại đó xảy ra khuếch đại Raman. Từ mô hình này,
người thiết kế có thể đưa ra các cấu hình hệ thống thích hợp cho các ứng dụng cụ
thể.




Các bộ phát


Sợi có pha tạp Sợi truyền dẫn

Các bộ thu

Bộ ghép kênh
Bộ ghép
kênh bơm

Các
bơm
laser


Bộ giải ghép
Hình 1.6 Mô hình hệ thống WDM sử dụng bộ khuyếch ghép lai
HFA



1.4. Kết luận chương

Chương này đã cho ta một cái nhìn khái quát về hệ thống WDM truyền
thống. Đồ án nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đưa ra một giải pháp cho vấn đề
tăng băng thông của mạng đường quang trục, thấy rõ việc sử dụng HFA rất hiệu quả
-
15
-

Chươ
n
g 1
T
ổ
ng quan v

ề hệ th
ố
ng thông tin
s
ợi qua
n
g WDM

…





cho việc nâng cấp hệ thống trong tương lai mà không cần thay đổi nhiều cấu trúc
của hệ thống hiện tại mà có thể tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện tỷ số tín hiệu
trên nhiễu. Để hiểu sâu hơn về bộ khuếch đại ghép lai HFA, trong những chương
sau đồ án sẽ đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý và các đặc điểm của các bộ khuếch đại
EDFA và Raman, từng bước chứng minh những ưu điểm của HFA.
-
16
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c

đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LÝ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI
QUANG




2.1 Giới thiệu chương

Bộ khuếch đại là cần thiết trên các tuyến truyền dẫn để đảm bảo một công
suất tín hiệu đủ lớn tại điểm thu nhận. So với các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch
đại quang có ưu điểm nổi trội là khả năng khuếch đại tất cả các bước sóng một lần
mà không cần sự biến đổi quang-điện-quang(OEO). Các khuếch đại quang được
dùng để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền, nâng công suất tín hiệu sau khi ghép
kênh hoặc trước khi tách kênh. Chương này sẽ trình bày về nguyên lý và đặc điểm
của bộ khuếch đại EDFA, bộ khuếch đại Raman. Từ đó đưa ra cấu hình hợp lý cho
bộ khuếch đại ghép lai HFA và nêu những đặc tính ưu việt của nó.

2.2 Bộ kuyếch đại quang pha tạp Erbium (EDFA)

Cho đến nay, EDFA chính là bộ khuếch đại đất hiếm đạt được thành công
nhất. Loại này được nghiên cứu rất kỹ từ đầu những năm 90, nó đã được đưa vào sử
dụng lần đầu vào năm 1995 và từ đó được công nhận như là một bộ khuếch đại
tham chiếu (Reference) cho truyền thông quang học ở bước sóng
1,55
µ
m
[5]

2.2.1 Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA

EDFA bao gồm sợi pha tạp Erbium, laser bơm LD, bộ ghép bước sóng quang

WDM và bộ cách ly quang.




Hình 2.1 Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA
-
17
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b

ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g





Sợi pha tạp Erbium (EDF-Erbium Dopped Fiber) thường có độ dài bằng
hoặc hơn 10m, có lõi được pha tạp các ion Er3+ với nồng độ 100-2000 ppm. Các
sợi EDF thường có lõi nhỏ hơn và có khẩu độ số NA lớn hơn so với các sợi đơn
mode tiêu chuẩn. Để thu được độ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang
gọi là năng lượng bơm cho sợi pha tạp Erbium. Các diode laser LD được dùng làm
nguồn bơm cung cấp năng lượng này với công suất bơm 10mW đến 100mW và
bước sóng bơm 980nm hoặc 1480nm. Bộ ghép bước sóng WDM thực hiện ghép
ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào sợi pha tạp Erbium. Các bộ cách ly ngăn cản
không cho tín hiệu đaị khuếch đại phản xạ trở lại thiết bị để tránh làm tăng nhiễu

khuếch đại và giảm hiệu suất bộ khuếch đại.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

EDFA hoạt động dựa trên sự hấp thụ và bức xạ của ion Er
3+
trong sợi EDF.
Hình 2.2 là giản đồ năng lượng của Er
3+
. Trong đó trạng thái đất (mức có năng
lượng thấp nhất) được ký hiệu là
4
I
15/2
, mức
4
I
13/2
là mức siêu bền tức là mức năng
lượng mà ion Er
3+
có thời gian sống là lớn nhất.


4
H
11/2
4
S
3/2

4
F
9/2
4
I
9/2

4
I
11/2


4
I
13/2


4
I
15/2

Phân
















Bức xạ
520nm
550nm

650nm
800nm

980nm

1480nm

Hình 2.2 Giãn đồ năng lượng của ion Er
3+





Ánh sáng bơm sẽ được truyền dọc theo sợi có pha tạp Erbium. Thông qua sự

hấp thụ năng lượng của ánh sáng bơm có bước sóng 1480nm, 980nm hay

800nm,.v.v…các ion Er
3+
sẽ chuyển từ trạng thái đất lên các trạng thái có mức năng
-
18
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể

m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g



Cô
n
g

su

ất



lượng tương ứng là
4
I
13/2
,
4
I
11/2
,
4
I
9/2
Các ion ở các mức
4
I
11/2
,
4
I
9/2
sẽ nhanh
chóng phân rã không phát xạ vàchuyển xuống trạng thái siêu bền (trạng thái ở mức
năng lượng
4
I
13/2

). Khi tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF đến gặp các ion Er
3+
đã
được kích thích và phân bố dọc theo lõi sợi sẽ xảy ra quá trình bức xạ kích thích .
Quá trình này sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng như là tín hiệu tới,
chính vì thế mà ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu
vào. Như vậy là đã đạt được quá trình khuếch đại trong EDFA. Các ion đã được
kích thích mà không tương tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát xuống trạng thái
đất. Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission ) có pha và hướng ngẫu nhiên.
Thông thường có ít hơn 1% được giữ lại trong mode quang nên nó trở thành nguồn
nhiễu quang. Nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát được
khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission ). Ở trạng thái đất, khi có sự hấp
thụ photon bơm hoạt động trở lại, quá trình này sẽ tự lặp lại. ASE làm giảm tỉ số tín
hiệu trên nhiễu, cần phải thiết kế cẩn thận các bộ khuếch đại quang.

2.2.3 Các đặc tính của EDFA

Các bộ EDFA được đặc trưng bằng các tính chất: dải khuếch đại, hệ số

khuếch đại, sự bảo hòa và tạp âm [5]

Bước sóng
(nm)


Hình 2.3 Đường cong khuếch đại là một hàm theo bước sóng
-
19
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa

c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g




Đ
ộ

khu
ếch

đ
ạ
i

(dB)




Dải khuếch đại :

Dải khuếch đại là miền phổ mà trên đó ta có thể khuếch đại tương đương nhiều
bước sóng. Hình 2.3 cho thấy hình dạng và vị trí của dải khuếch đại được xác định
như một hàm theo bước sóng. Dải khuếch đại của EDFA tương đối bằng phẳng giữa
1530nm và 1570nm (được quy ước băng C). Đối với dải khuếch đại giữa 1570nm
và 1600nm được gọi là dải L. Hiện nay hầu hết EDFA được sử dụng ở băng C với
bước sóng bơm 980nm.
Hệ số khuếch đại

Hệ số khuếch đại và nhiễu khuếch đại là các đặc tính quan trọng nhất cần xem
xét đến khi sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin. Hình 2.4 chỉ ra hệ số khuếch
đại thay đổi theo mức bơm . Hệ số khuếch đại là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và
công suất tín hiệu vào. Với bước sóng 1530nm và 1550nm tại đó EDFA có hệ số
khuếch đại cao nhất. Công suất bơm tối thiểu để đạt được hệ số khuếch đại cao nhất
là mấu chốt trong việc sử dụng EDFA vào các hệ thống thực tế, với công suất như
vậy thì khả năng của một diode laser bán dẫn hoạt động với hàng trăm mA dòng
một chiều là đủ.

Công suất tín hiệu
vào


Hình 2.4 Hệ số khuếch đại của EDFA là hàm của công suất
tín hiệu đầu vào ứng với các mức bơm khác nhau
-
20
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n

g





Sự bão hoà

Sự nghịch đảo cục bộ mật độ bão hòa xảy ra khi có công suất bơm và công
suất tín hiệu mạnh [8]. Khi công suất bơm tăng lên, đường cong hệ số khuếch đại
tăng tuyến tính với công suất bơm, sau đó tiến đến một tiệm cận.
Xét sự tiến triển của hệ số khuếch đại theo công suất tín hiệu. Ban đầu sự
thay đổi hệ số khuếch đại là trong chế độ tuyến tính (tín hiệu nhỏ). Khi công suất tín
hiệu tăng lên một lượng lớn và gây ra sự nghịch đảo mật độ tích lũy làm các ion
Erbium kích thích giảm một cách đáng kể, hệ số khuếch đại giảm do số ion không
đủ ở trạng thái kích thích, nghĩa là sự kích thích các điện tử bằng hấp thụ bơm
không bù đắp được với sự chuyển dời bởi bức xạ cưỡng bức, đây chính là chế độ
bão hòa.
Ở chế độ bão hòa, ta có dải khuếch đại phẳng hơn. Tuy nhiên, chế độ này có
một nhược điểm: đối với bước sóng nhất định của tín hiệu, khả năng bão hòa một
cách cục bộ hệ số khuếch đại tạo ra một số lỗ trống trong dải phổ khuếch đại. Hiện
tượng này được gọi là Gain Spectral Hole Burning(GSHB). Với các hệ thống đường
ngắn, hiện tượng này là không đáng kể. Nhưng với hệ thống đường dài hàng ngàn
km như trong hệ thống truyền xuyên Đại Tây Dương, có nhiều EDFA mắc chuỗi,
thì các lỗ trống sẽ được duy trì trên suốt đường truyền và làm giảm mạnh cường độ
tín hiệu ở bước sóng bão hòa.
Tạp âm và các hiệu ứng phi tuyến

Tạp âm chính trong hệ thống có sử dụng EDFA là nhiễu bức xạ tự phát được
khuếch đại (ASE). Trong số các hiệu ứng phi tuyến thì trộn bốn sóng(FWM) gây

tổn hao nhiều nhất cho hệ thống WDM. Đồ án sẽ thảo luận về vấn đề này trong
chương sau để làm sáng tỏ các ảnh hưởng của chúng đối với hệ thống có EDFA
mắc chuỗi.

2.2.4 Bơm cho EDFA

Tuỳ thuộc vào hướng của tín hiệu bơm, bộ khuếch đại EDFA có các cấu hình
bơm xuôi, bơm ngược và bơm hai hướng. Nếu hướng của tín hiệu bơm cùng hướng
lan truyền của tín hiệu vào thì ta gọi đó là cấu hình bơm xuôi (co-pumping), trái lại
-
21
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g





nếu ngược với hướng tín hiệu gọi là cấu hình bơm ngược (counter-pumping).Cấu
hình bơm hai hướng là dạng kết hợp của cả hai cấu hình bơm trên.
Bơm cùng chiều cho phép ta thu được sự nghịch đảo mật độ mạnh ở đầu sợi,
điều này cho phép hạn chế được hiện tượng bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE)
và như vậy hạn chế được tạp âm của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, kiểu bơm này được
đặc trưng bằng sự hạn chế hiệu suất chuyển đổi photon bơm thành photon tín hiệu
bởi hiện tượng ASE ở cuối sợi. Loại bơm ngược chiều cho phép nhận được công
suất đầu ra cũng như là hiệu suất chuyển đổi rất cao. Ngược lại, ASE thường xuất
hiện ở đầu sợi (sự nghịch đảo dân số thấp khi không có sóng bơm); điều này giải
thích tại sao sơ đồ này có hiệu năng không tốt lắm, nhất là từ quan điểm tạp âm.

Trong thực tế, người ta thường dùng phương pháp bơm hai chiều, nó tận dụng được
các ưu điểm của mỗi kiểu bơm trong các cấu hình trên. Hơn nữa, do mức nghịch
đảo mật độ hầu như không đổi trên toàn bộ chiều dài sợi nên có thể giảm thiểu được
tạp âm.
Tóm lại, bộ khuếch đại EDFA có phổ độ lợi bằng phẳng trong khoảng bước
sóng 1530-1565nm (băng C), 1570-1600nm (băng L) với hệ số khuếch đại cỡ
10~40dB và độc lập phân cực. Hệ số nhiễu của EDFA cỡ từ 3 đến 7dB. Hệ thống
dùng EDFA thường sử dụng cấu hình bơm hai hướng, bước sóng 980nm hoặc
1480nm, công suất bơm cỡ 20mW đến 100mW.

2.3 Bộ khuếch đại Raman

Vào đầu thập niên 1970, Stolen và Ippen lần đầu tiên đã quan sát và đo đạc
độ khuếch đại Raman trong sợi quang. Những thử nghiệm về thông tin quang sử
dụng khuếch đại Raman đã được Aoki và các cộng sự thực hiện. Mặc dù được phát
hiện trước EDFA nhưng các bộ khuếch đại Raman không được triển khai trong các
hệ thống thực tế cho đến gần đây khi các nguồn bơm công suất cao được thương
mại hoá rộng rãi.

2.3.1Cấu trúc bộ khuếch đại Raman

Cấu trúc một bộ khuếch đại Raman điển hình, bao gồm một nguồn bơm
-
22
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g

bơm tín hiệu có bước sóng thích hợp vào sợi truyền dẫn.

Khi sóng bơm với công suất đủ lớn được phát ở bước sóng thấp hơn tín hiệu
được khuếch đại, sự khuếch đại xảy ra khi photon bơm giải phóng năng lượng của
nó để tạo ra một photon mới ở bước sóng tín hiệu, cộng với số năng lượng còn lại
mà sẽ được hấp thụ như các phonon.








Nguồn
tín



Bộ lọc


Sợi quang
Nguồn
bơm
hiệu
Tín hiệu ra

Hình 2.5 Cấu trúc bộ khuếch đại Raman



Có thể chia ra hai loại bộ khuếch đại Raman là Raman phân bố và Raman rời
rạc. Khi sợi đang được bơm là một sợi truyền dẫn thực sự, liên kết hai điểm trong
tuyến, sơ đồ này được gọi là khuếch đại Raman phân bố(DRA). Nếu bộ khuếch đại
được chứa trong đầu cuối hay đầu thu của hệ thống thì được gọi là khuếch đại
Raman rời rạc. Một đặc tính khác nhau giữa khuếch đại Raman phân bố và rời rạc
là chiều dài sợi được sử dụng. Khuếch đại Raman phân bố có chiều dài điển hình
trên 40 km trong khi khuếch đại Raman rời rạc có chiều dài khoảng 5 km. Do đó ta
sẽ sử dụng DRA trong cấu hình của bộ khuếch đại ghép lai HFA và phần này chỉ
tập trung trình bày về DRA.

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Việc sử dụng nguyên lý của hiệu ứng Raman trong sợi quang là một trong
những thành tựu đáng chú ý nhất trong thời gian gần đây. Bộ khuếch đại Raman sử
dụng các đặc tính bên trong của sợi Silic để khuếch đại tín hiệu. Nghĩa là các sợi
truyền dẫn được sử dụng như một môi trường khuếch đại và do đó có thể bù suy
hao cho các tín hiệu thông tin được phát trên sợi.
Cơ chế khuếch đại trong bộ khuếch đại Raman là một quá trình tán xạ

Raman kích thích xảy ra trong sợi quang. Theo cơ chế lượng tử, quá trình này là
-
23
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n

g





quá trình trong đó một photon bơm tần số í
p
kích thích một phân tử môi trường lên
một mức ảo. Phân tử này nhanh chóng nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn và
phát ra một photon tần số í
S
.





Tín hiệu1

Các trạng
thái ảo


Bơm 1

Tín hiệu2


Trạng thái

NL thứ nhất

Trạng thái nền
Bơm 2





Các phân tử thủy ti
nh






Phonon quang
Hình 2.6 Các mức năng lượng và sự dịch chuyển liên quan đến tán
xạ Raman kích thích [12]


Sự sai lệch về năng lượng của photon bơm và photon vừa được tạo ra là do
năng lượng này bị các phân tử của môi trường hấp thụ dưới dạng năng lượng dao
động. Độ lệch tần số í
p
- í
s
hoặc độ lệch bước sóng ë
s

- ë
p
được gọi là độ dịch
Stokes, trong các sợi quang chuẩn độ dịch này xấp xỉ 13,2THz tương ứng với
100nm. Do đó để photon vừa phát xạ ra có cùng bước sóng với bước sóng tín hiệu
thì bước sóng của ánh sáng bơm phải nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu là 100nm.

2.3.3 Các đặc tính của bộ khuếch đại Raman


2.3.3.1 Các thông số của bộ khuếch đại Raman

Hệ số khuếch đại Raman ( g
R
)

Hình 2.7 biểu diễn hệ số khuếch đại Raman của các loại sợi quang khác
nhau. Sợi DCF có độ khuếch đại Raman lớn nhất, nó thường được dùng làm môi
trường khuếch đại cho các bộ khuếch đại Raman rời rạc do chỉ cần độ dài khoảng
vài km đã có được độ khuếch đại đạt yêu cầu. Các loại sợi DSF và SMF thường
được dùng làm môi trường khuếch đại của Raman phân bố, tuy hệ số khuếch đại
không cao nhưng do vốn đã được sử dụng làm sợi truyền dẫn với chiều dài đến
-
24
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u
ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g

Hình 2.7 Hệ số khuếch đại Raman của các loại sợi quang khác nhau[15]


hàng chục hoặc trăm km nên vẫn đảm bảo được yêu cầu về độ khuếch đại và giảm

được giá thành thiết kế.

Diện tích hiệu dụng(A
eff
) và công suất bơm(P
P
)



Hình 2.8 Quan hệ giữa độ khuếch đại Raman theo công suất bơm [10]

Hình 2.8 biểu diện sự phụ thuộc của độ khuếch đại Raman vào công suất
bơm và diện tích hiệu dụng của sợi quang của sợi SMF-28 80µm
2
và sợi Vascade
L1000 102µm
2
dài 100km của hãng Corning. Từ hình 2.8 cho thấy độ khuếch đại
Raman tỉ lệ gần như tuyến tính với công suất bơm, khi công suất bơm càng lớn độ

khuếch đại càng tăng, khác với EDFA độ khuếch đại nhanh chóng đạt đến giá trị
bão hoà khi công suất bơm tăng lên. Ngoài ra, so với EDFA công suất bơm yêu cầu
của Raman cao hơn gấp nhiều lần, ứng với độ khuếch đại 20dB khi dùng sợi SMF-

28 dài 100km công suất bơm của Raman trên 750mW so với 10mW công suất bơm
-
25
-

Chương 2

Nguyên lý và

đ
ặ
c
đ
i
ể
m c
ủa
c
á
c
b
ộ

k
h
u

ếch

đ
ạ
i

q
u
a
n
g



í



của EDFA khi dùng sợi EDF dài 10m. Yêu cầu công suất bơm cao là một trong
những nguyên nhân làm cho khuếch đại Raman được ứng dụng chậm vào thực tế
mặc dù nó được nghiên cứu từ trước EDFA. Từ hình 2.8 cũng cho thấy, độ khuếch
đại tỉ lệ nghịch với diện tích hiệu dụng, sợi 80µm
2
có độ khuếch đại lớn hơn khoảng
30% so với sợi 102µm
2
.

Độ dài sợi khuếch đại (L )

Hình 2.9 Công suất tín hiệu khi có và không có bơm Raman [10]



Hình 2.9 biểu diễn công suất tín hiệu khi có và không có bơm Raman của sợi
SMF-28 dài 100km. Trong khoảng dưới 40 km gần như hoàn toàn không có khuếch
đại Raman, chỉ đến trên 40 km khuếch đại Raman mới xuất hiện và tăng dần theo
độ dài sợi. Vì vậy, khi nâng cấp hệ thống cần chú ý đến độ dài tuyến truyền dẫn, chỉ
nên thêm khuếch đại Raman phân bố vào những tuyến có chiều dài đủ.

2.3.2.2 Độ khuyếch đại của Raman
Sự tăng công suất tín hiệu và bơm có thể được biểu diễn qua hai phương
trình sau:

dP
s
=-
á


P + g P P


(2.1)

dz

s s

R s p

dP
p

dz


= á


p
P
p

í

p

 g
R
P
S
P
P

s

(2.2)

P
s
, P
P
: Công suất tín hiệu, công suất bơm (W )