Báo cáo nghiên cứu khoa học: "TÍNH TOÁN TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI HFA TỐC ĐỘ BIT CAO" docx

TÍNH TOÁN TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG
SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI HFA TỐC ĐỘ BIT CAO
OPTIMAL CALCULATION OF FIBER OPTIC COMMUNICATION LINK
USING HYBRID HFA AMPLIFIER AT HIGH BIT-RATE


NGUYỄN VĂN TUẤN
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN TRẦN TÚ NHI
Công ty Acronics Systems


TÓM TẮT
Bài báo này đề xuất mô hình tính toán tuyến thông tin sợi quang sử dụng khuếch đại ghép lai
HFA tốc độ bit cao (gồm khuếch đại Raman phân bố kết hợp với 2 EDFA). Sau đó, xây dựng
lưu đồ thuật toán, viết chương trình tính toán bằng ngôn ngữ MathCAD nhằm xác định giá trị
tối ưu của các thông số như công suất bơm và chiều dài khuếch đại Raman, chiều dài sợi bù
tán sắc, độ khuếch đại của 2 EDFA và khoảng cách giữa chúng sao cho tỉ số OSNR tại đầu
vào máy thu đạt giá trị cực đại. Tiếp đến, xây dựng bảng kết quả tính toán và vẽ đồ thị cho
phép xác định ngay các thông số tối ưu tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác
nhau. Kết quả này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế tuyến nhằm nâng cao
chất lượng tín hiệu truyền dẫn.
ABSTRACT
In this paper, we propose the model for calculating Fiber Optic Communication Link using HFA
at High Bite-Rate (including combination of Distributed Raman Amplifier and 2 EDFAs). Then,
building algorithm chart and writing MathCAD-based calculating program are carried out to
determine the optimal values of parameters such as pumping power and length of Raman
Amplifier, length of DCF, Gain of two EDFAs and Span between them in order to achieve the
maximum of OSNR at Optic Receiver’s input. In addition, we calculate and find out the set of
optimal parameters corresponding to the different distances and present the results through
tables and the graphs. The results can be applied effectively in designing fiber optic

communication links to improve the quality of signal transferred through them.


1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng gia
tăng nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ băng rộng khác nhau, người ta đã tiến hành các
thực nghiệm và triển khai nhiều tuyến thông tin sử dụng bộ khuếch đại ghép lai [1], [2], [3],
kết hợp giữa khuếch đại Raman phân bố và EDFA, gọi tắt là HFA. Thành công ban đầu của
các dự án này đã khẳng định được các ưu điểm nổi trội của HFA là khả năng tăng dung lượng
thông tin nhờ mở rộng băng thông truyền dẫn và nâng cao được tỉ số tín hiệu trên nhiễu
(OSNR) tại cuối tuyến. Hiệu quả việc khai thác các ưu điểm trên của HFA phụ thuộc chủ yếu
vào việc đề xuất các mô hình HFA và xác định các thông số tối ưu của các thành phần tạo nên
bộ khuếch đại này. Tuỳ thuộc vào cự ly thông tin, dung lượng truyền dẫn và tốc độ dữ liệu mà
người ta có thể chọn mô hình HFA phù hợp [4], [5], [6].
Trong phạm vi nghiên cứu tuyến truyền dẫn có khoảng cách từ 150km đến 300km, tốc
độ bit 10Gbit/s, chúng tôi đề xuất mô hình bộ khuếch đại ghép lai gồm khuếch đại Raman
phân bố sử dụng một bơm ngược chiều, kết hợp với hai khuếch đại EDFA và sợi quang bù tán
sắc đặt giữa chúng như hình1. Mô hình HFA cơ bản này có thể được mắc nối tiếp nhau (N x
HFA) để tạo nên tuyến thông tin có khoảng cách truyền dẫn cực lớn. Bước đầu, chúng tôi
nghiên cứu ưu điểm thứ hai của HFA là khả năng nâng cao tỉ số OSNR tại máy thu. Bài toán
đặt ra là với một khoảng cách cho trước L
S
từ máy phát đến máy thu, cần xác định công suất
quang P
S
đưa vào sợi, công suất bơm Raman P
P
, chiều dài hiệu dụng L
S1
của khuếch đại

Raman, chiều dài sợi bù tán sắc L
DCF
, độ khuếch đại công suất G
1
, G
2
của 2 EDFA và khoảng
cách L
S2
giữa chúng sao cho tỉ số OSNR tại máy thu đạt cực đại.

2. Sơ đồ khối và tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR tại đầu vào máy thu












Hình 1 biểu diễn mô hình tính toán tuyến truyền dẫn HFA. Trong đó: L
S1
, L
S2
, L
DCF

:
lần lượt là chiều dài của 2 sợi truyền dẫn và của sợi bù tán sắc. L
S1
đồng thời là sợi khuếch đại
Raman. G
R
, G
1
, G
2
: độ khuếch đại của Raman, EDFA
1
và EDFA
2
.
1

,
2

là hệ số tổn hao của
sợi truyền dẫn NZDSF và của sợi bù DCF. P
S
là công suất tín hiệu đưa vào sợi.
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tuyến thông tin quang đơn kênh có các HFA mắc chuỗi:




DRSASE

Sig
PP
P
OSNR
(1)
Sig
P : công suất tín hiệu ở cuối tuyến.
ASE
P ,
DRS
P : công suất nhiễu phát xạ tự phát (ASE) và
công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép (DRS) tạo ra tại cuối tuyến.
Sig
P được khuếch đại bởi các khuếch đại Raman, EDFA
1
, EDFA
2
, đồng thời cũng bị suy giảm
khi đi qua các tuyến truyền dẫn L
S1
, L
S2
, L
DCF
nên được tính như sau:

S
LLL
RSig
PeeGGGP

DCFSS

2211
)(
21



(2)
ASE
P : công suất nhiễu phát xạ tự phát do HFA tạo ra tại đầu vào máy thu, được biểu diễn:

21221221

2_21_21_
SDCFSDCFS
L
EASE
LL
EASE
LL
RASEASE
ePeeGPeeGGPP



 (3)
Trong đó:
RASE
P

_
là công suất nhiễu ASE do khuếch đại Raman trong HFA tạo ra và được tính
như sau:
0
BNhmP
ASEstRASE




(4)
1_ EASE
P
và
2_ EASE
P
là công suất nhiễu ASE tại đầu ra của EDFA
1
và EDFA
2
, được xác định
theo biểu thức:



011_
1 BGhnmP
SPtEASE





022_
1 BGhnmP
SPtEASE




(5)
Với
0
,,,, Bnhm
SPt

: lần lượt là hệ số phân cực ánh sáng, hằng số Planck, tần số tín hiệu, hệ số
nhiễu ASE của EDFA và băng thông bộ lọc quang của máy thu.
DRS
P
: công suất nhiễu DRS tại đầu vào máy thu được tính như sau:
DRS
LLL
RDRS
PeeGGGP
DCFSS

2211
)(
21





với
     
dyLyGyPrLP
RRS
L
DRS
,
0


(6)
Trong đó
DRS
P do khuếch đại Raman trong HFA tạo ra,
r
là hệ số tán xạ Rayleigh
Hình 1. Mô hình tính toán tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại ghép lai HFA
Sợi NZDSF
Bơm Raman
EDFA
1

EDFA
2

Sợi DCF

Máy phát
Sợi NZDSF
2

, L
DCF

1

, L
S1
1

, L
S2

G
1
G
2
P
S
Máy thu
N

Y

Max<OSNR

Y

Tính




DRS
ASE
Sig
PP
P
OSNR
Max:=OSNR

40
2
G



Viết các biểu thức tính công suất tín hiệu P
sig
, nhiễu
tích luỹ
ASE
P
,
DRS
P

và OSNR tại đầu vào máy thu.
Gán Max=15dB

Nh
ập các thông số tuyến:

L
S
, A
eff
,
1

,
2



, D
S
, D
DCF
, m
t
, h, c,
Bắt đầu
Y

N

G
2
:=G
2
+
1


Hình 3. Lưu đồ thuật toán tính toán tối ưu tuyến thông tin
sợi quang sử dụng khuếch đại HFA


K
ết thúc

40
1
G


Y


N


G
1

:=G
1
+
1



Y

N

P
P
:=P
P
+
1

26
P
P


Y

N

0
S
P

P
S
:=P
S

+
1

P
Rmin
<P
Sig
<P
RMax


N


P
P
:=21


G
1
:=10

G
2
:=10


P
S
:=-10


Xuất các giá trị:OSNR, công suất quang P
S
, công suất
bơm Raman P
P
, chiều dài khuếch đại Raman L
S1
,
chiều dài sợi bù tán sắc L
DCF
, độ khuếch đại công suất
G
1
, G
2
và khoảng cách L
S2
của 2 EDFA.

Để xác định giá trị x thích hợp
nhất cho 2 sợi truyền dẫn L
S1
, L
S2
,
chúng tôi dựa vào các biểu thức từ (1)
đến (7), tính toán vẽ đồ thị biểu diễn
mối quan hệ giữa OSNR theo x tương
ứng với các giá trị khác nhau của P
S
,
P
p

, và L
S
.Hình 2 biểu diễn các giá trị
OSNR khi x thay đổi từ 0,1 đến 1.
Đường 1 và 2 biểu diễn OSNR ứng
với P
S
bằng -10dBm và 2dBm trong
khi các thông số khác ở giá trị trung
bình P
P
=24dBm, L
S
=200km. Tương
tự đường 3 và 4 tương ứng với OSNR
khi L
S
nhỏ nhất và lớn nhất, đường 5
và 6 ứng với OSNR khi P
P
nhỏ nhất và
lớn nhất, các thông số khác ở giá trị
trung bình. Ta thấy rằng OSNR đạt giá
trị chuẩn (20dB) ứng với khoảng biến
thiên lớn nhất của x là 0,4 đến 0,8
(giới hạn bởi đường 3 và 4). Tuy
nhiên, xét trung bình cả 6 đường, tức
xét OSNR theo tất cả các thông số P
S
,

P
S
, L
S
có thể xem giá trị trung bình
của x là 0,6.








3. Xác định tỉ số độ dài của 2 sợi truyền dẫn L
S1
, L
S2
.
Chiều dài của tuyến L
S
và của sợi bù L
DCF
được xác định :
DCFSSS
LLLL 
21
và
 
21 SS

DCF
S
DCF
LL
D
D
L 
với D
S
, D
DCF
: là hệ số tán sắc của sợi NZDSF và sợi DCF.
Gọi x là tỉ số giữa L
S1
, L
S2
và được biểu diễn theo biểu thức:

1
1
2
1
SDCFS
S
S
S
LLL
L
L
L

x

 (7)


4. Tính toán mô phỏng và thảo luận
Việc tối ưu tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào máy thu sẽ được tiến hành theo 4 thông
số là công suất tín hiệu đưa vào sợi P
S
,,công suất bơm Raman P
P
, hệ số khuếch đại của 2 EDFA
G
1
và G
2
còn chiều dài tuyến L
S
cho phép thay đổi để có thể xác định được các tổ hợp thông số
tối ưu khác nhau tương ứng với các khoảng truyền dẫn cho trước, thuận tiện cho việc áp dụng
vào một tuyến thực tế cụ thể. Quá trình tối ưu được thực hiện theo lưu đồ thuật toán được biểu
diễn trong hình 3.
Tiến hành các bước tính toán như trên cho các tuyến có chiều dài thay đổi từ 150km
đến 250km với bước thay đổi là 10km ta xác định được các thông số tối ưu, từ đó lập thành
bảng 1 và 2.
Từ đó ta rút ra các nhận xét như sau:
 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đạt giá trị tối ưu khi độ khuếch đại EDFA 2 ở giá trị nhỏ
nhất, công suất bơm Raman lớn nhất (đồng nghĩa với độ khuếch đại Raman lớn nhất) và độ
khuếch đại EDFA 1 ở giá trị đủ lớn mà vẫn thoả mãn điều kiện về công suất tín hiệu cuối
đường truyền đã đề cập ở trên. Khi thiết kế tuyến cần chú ý đến đặc điểm này để có thể đạt

được tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao.
 Giá trị OSNR tối ưu tỉ lệ nghịch với chiều dài tuyến truyền dẫn. Chiều dài tuyến càng
tăng OSNR tối ưu càng giảm. Ngược lại, OSNR tối ưu tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu vào,
khi công suất tín hiệu vào tăng lên, OSNR tối ưu tăng theo. Tuy nhiên, không thể nói rằng
công suất tín hiệu vào càng tăng thì OSNR cũng tăng theo một cách tuyến tính mà nó bị giới
hạn bởi các điều kiện về công suất tín hiệu ở đầu vào máy thu.

Bảng 1. Các thông số tối ưu khi công suất tín hiệu vào Ps=-10dBm

L
S
(km)
OSNR tối ưu
(dB)
CS bơm tối ưu
(dBm)
Độ KĐ EDFA
1

tối ưu (dB)
Độ KĐ EDFA
2

tối ưu (dB)
150 25,01 24 11 10
160 24,477 25 10 10
170 23,627 25,5 10 10
180 22,717 26 10 10
190 21,639 26 12 10
200 20,547 26 15 10

210 19,442 26 17 10
Bảng 2. Các thông số tối ưu khi công suất tín hiệu vào Ps=-5dBm
L
S
(km)
OSNR tối ưu
(dB)
CS bơm tối ưu
(dBm)
Độ KĐ EDFA 1
tối ưu (dB)
Độ KĐ EDFA 2 tối
ưu (dB)
150 29,915 24 10 10
160 29,085 24,5 11 10
170 28,222 25 11 10
180 27,301 25,5 11 10
190 26,247 26 11 10
200 25,239 26 14 10
210 24,201 26 16 10
220 23,141 26 19 10
230 22,062 26 21 10
240 20,969 26 23 10
250 19,865 26 26 10

Hình 4 biểu diễn đồ thị hình chiếu bằng của OSNR tối ưu theo công suất tín hiệu vào
và chiều dài tuyến cho phép ta quan sát một cách tổng quát giá trị của OSNR khi các thông số
đầu vào thay đổi trong cả khoảng giá trị của chúng. Ví dụ muốn OSNR đạt được giá trị chuẩn
20dB khi công suất tín hiệu vào là -5dBm thì chiều dài tuyến không được lớn hơn 250km.

Hình 4. Đồ thị dạng của OSNR tối ưu theo
công suất tín hiệu vào và chiều dài tuyến

5. Kết luận
Trên cơ sở mô hình tính toán tuyến thông tín sợi quang sử dụng khuếch đại ghép lai
HFA (EDFA/RAMAN), bài báo đã xây dựng lưu đồ thuật toán, tính toán mô phỏng và đã xác
định được giá trị tối ưu của các thông số như công suất quang

đưa vào sợi, công suất bơm
Raman, chiều dài hiệu dụng của khuếch đại Raman, chiều dài sợi bù tán sắc, độ khuếch đại
công suất của 2 EDFA và khoảng cách giữa chúng sao cho tỉ số OSNR tại đầu vào máy thu đạt

cực đại. Sau đó, bài báo đã xây dựng được các đồ thị, bảng biểu cho phép xác định ngay tập
hợp các giá trị tối ưu của các thành phần trên tuyến tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn
khác nhau. Do đó, bài toán có thể được ứng dụng hiệu quả trong công tác thiết kế lắp đặt và
vận hành tuyến nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] E. Brandon, J.P.Blondel, G. Grandpierre, and A. Lombard, “461-km WDM8x2.5 Gb/s
Repeaterless Transmission Using Launch Signal Power in Excess of 1W”; IEEE
photonics Technology Letters, Vol.10, No.1, January 1998, pp. 168-170.
[2] Takashi Mizuochi et al., “Bidirectional Unrepeatered 43Gb/s WDM Transmission
With C/L Band-Separated Raman Amplification”, Journal of Lightwave Technology,
Vol. 20, No.12, December 2002, pp. 2079-2085.
[3] T.N. Nielsen et al., “10-Gbit/s repeaterless transmission at 1.3 um with 55.1dB power
budget using Raman post-and preamplifier”, OFC ’98 Technical Digest.
[4] A. Carena, V. Curri, P. Poggiolini, “ On the Optimization of Hybrid Raman/Erbium-
Doped Fiber Amplifiers”, IEEE photonics Technology Letters, Vol.13, No.11,
November 2001, pp. 1170-1172.
[5] Zhi Tong, Huai Wei, and Shuisheng Jian, “Investigation and Optimization of
bidirectionally dual-order pumped distributed Raman amplifiers”, Optics Express, (C)
2004 USA, Vol.12, No.9, 3 May 2004, pp. 1794-1802
[6] Chisato Fukai et al , “A study of the Optimum Fiber Design for a Distributed Raman
Amplification Transmission System”, IEEE photonics Technology Letters, Vol.15,
No.11, November 2003, pp. 1642-1644.