Báo cáo nghiên cứu khoa học xác ĐỊNH các THÔNG số tối ưu CHO TUYẾN THÔNG TIN sợi QUANG WDM sử DỤNG EDFA

XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO
TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG WDM SỬ DỤNG EDFA
DETERMINATION OF THE OPTIMAL PARAMETERS IN WDM OPTIC
FIBER COMMUNICATION LINK USING EDFA

NGUYỄN VĂN TUẤN
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TRẦN NHẬT LINH
Trung tâm Dịch vụ Viễn thông khu vực 3 - GPC Đà Nẵng

TÓM TẮT
Bài báo xây dựng thuật toán, tính toán mô phỏng nhằm xác định các thông số tối ưu như
công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại và vị trí đặt bộ khuếch đại EDFA trên tuyến thông
tin sợi quang đa kênh ghép kênh theo bước sóng (WDM) có khoảng cách truyền dẫn 250km
sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA sao cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR tại đầu
máy thu lớn nhất. Sau đó, xây dựng bảng kết quả và vẽ đồ thị cho phép xác định ngay các
thông số tối ưu tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau từ 100km đến 250km.
Kết quả này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế tuyến và khai thác mạng.
ABSTRACT
In this paper, we built the algorithm, simulated fiber optic communication link using WDM and
EDFA for determination optimal parameters such as power of optical source, gain of EDFA
and its location on the link in order to achieve the maximum of OSNR at the receiver. We then
calculated and found out the set of optimal parameters corresponding to the different
distances (from 100km to 250km) and presented the results through tables and the graphs.
The results can be applied effectively in designing fiber optic communication link as well as in
exploitation its operation.

1. Giới thiệu
Công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM kết hợp với bộ khuếch
đại quang sợi EDFA cho phép tăng dung lượng truyền dẫn lên đáng kể mà không cần sử dụng
thêm sợi quang, nên được sử dụng hiệu quả và rộng rãi trên thế giới và được ứng dụng bước

đầu ở Việt Nam. Thông thường, khoảng cách giữa các thành phố không quá 250km, nên
phạm vi của bài báo là khảo sát tuyến WDM có đặt một EDFA với khoảng cách truyền dẫn
250km.
Bài toán được đưa ra là đặt EDFA ở vị trí nào trên tuyến để tỉ số tín hiệu trên nhiễu
quang OSNR tại máy thu đạt giá trị cực đại? Đặt ngay sau máy phát và bộ ghép kênh MUX
(gọi là phương án BA), đặt trước máy thu và bộ giải ghép kênh DEMUX (gọi là PA) hay đặt
trên đường truyền (gọi là LA). Nội dung của bài báo nhằm giải quyết bài toán nêu trên, đồng
thời xác định các thông số tối ưu khác như công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại EDFA
tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau từ 100km đến 250km.
2. Nội dung
Sơ đồ khối tuyến WDM điển hình có đặt EDFA ở 3 vị trí khác nhau được biểu diễn
như hình sau:


TX1

Sîi dÉn quang

1

MUX
TXn

n

1

1,.. n

1,..n

BA

DEMUX

PA

LA

RX1

n

RXn

Hình 1. Sơ đồ khối tuyến WDM điển hình có EDFA

Trong đó: TX1...TXn, RX1...RXn, lần lượt là các máy phát quang và máy thu quang.
MUX, DEMUX là bộ ghép và giải ghép bước sóng. 1... n: là các bước sóng của các kênh
được ghép theo WDM.
Vì tuyến truyền dẫn đang xét chỉ sử dụng một bộ khuếch đại EDFA trên đường truyền
nên có 3 trường hợp đặt bộ khuếch đại EDFA là đặt ngay sau bộ ghép kênh (BA), đặt trên
đường truyền (LA) và đặt ngay trước bộ giải ghép kênh (PA) như hình 1. Ta xét trường hợp
tổng quát là đặt bộ EDFA trên đường truyền (LA) cách máy phát một khoảng L1 và máy thu
một khoảng L2 (với L1=L1(1)+L2(1); L2=L1(2)+L2(2) ), khi đó BA và LA là 2 trường hợp đặc biệt:
BA tương ứng với L1 = 0, L2 = L và PA tương ứng với L1 = L, L2 = 0.
Sơ đồ khối của tuyến truyền dẫn quang xét đối với từng kênh thông tin được biểu diễn
như hình 2 sau đây:
Pin (fh)
Máy

Ph¸t
quang

Psig(fh)
LA
L1(1), L2(1)

G

B0
L1(2), L2(2)

Máy
Thu
quang

Hình 2. Các thành phần chính trong tuyến WDM khi xét một kênh thông tin riêng lẻ

Tỉ số OSNR của một kênh thông tin h bất kỳ trong hệ thống WDM được xác định theo
biểu thức:
Psig ( f h )
(1)
OSNR ( f h ) 
Pnoise ( f h )
trong đó OSNR(fh ), Psig(fh),Pnoise(fh) lần lượt là tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang, công suất tín
hiệu hữu ích và công suất các loại nhiễu gây ra trên kênh h tại đầu vào máy thu quang.
Trong các hệ thống WDM sử dụng EDFA, các loại nhiễu thường xuất hiện là nhiễu
phát xạ tự phát được kích thích (ASE) do EDFA gây ra và nhiễu do các hiệu ứng phi tuyến
như trộn bốn bước sóng (FWM), tán xạ Brillouin kích thích (SBS), tán xạ Raman kích thích
(SRS), tự điều chế pha (SPM), điều chế chéo pha (XPM)... Khi c«ng suÊt quang mçi kªnh

<20mW vµ tèc ®é bit <10Gbit/s thì 2 loại nhiễu chính tác động đến chất lượng tín hiệu trong
hệ thống là nhiễu ASE và nhiễu FWM [2]. Vì vậy tỉ số OSNR được viết lại như sau:


OSNR ( f h ) 

Psig ( f h )

(2)

PFWM ( f h )  PASE ( f h )

Trong đó:
+ Công suất tín hiệu của kênh thông tin tại bộ thu (bị suy hao trên đường truyền và tại
các mối nối) được biểu diễn bởi biểu thức:



(1)
1

(1)
2

( 2)
1





( 2)
2

 2 .L
10. L0

PSig ( f h )  Pin ( f h ).G. exp   1 ( L  L  L  L ) .10
(3)
+ Công suất nhiễu ASE gây ra trên kênh thông tin [4](cũng bị suy hao trên đường
truyền và tại các mối nối):



( 2)
1

PASE ( f h )  mt .h. .n sp .(G  1).B0. exp   1 ( L

( 2)
2





 L ) .10

 2 .( L1( 2 )  L(22 ) )
10. L0

(4)

+ Công suất nhiễu FWM gây ra trên kênh thông tin (cũng bị suy hao trên đường
truyền và tại các mối nối) được suy ra từ [1], [2], với một bộ EDFA trên tuyến:

PFWM ( f h ) 



P

pqr

fk  fi  f j  f h

fi

( fh )

(5)

fj

Với:
 .L

3
 2
1024 6

2 Pin
(1)
(1)
( 2)
(2)
Ppqr ( f h  f i  f j  f k )  4 2 2 ( d . ) . 2 . exp   1 ( L1  L2  L1  L2 ) .10 10. L0
n 0 . .c
Aeff





















2



 1  exp(  1  i.  1 ) L1(1)
1  exp (  1  i  2 ) L(21) 
 
G .
 exp (  1  i 1 ) L1(1)
 1  i.  1
 1  i 2


(2)
 1  exp (  1  i. 1 ) L1


  i. 1
3
(1)
(1)
(1) 
 G . exp   1 ( L1  L2 )  i.  .
( 2)
  exp (   i.  ) L( 2 ) . 1  exp (  1  i. 2 ) L 2
1
1
1

 1  i.  2















(6)

Trong đó: 1,2: phối hợp pha của sợi 1 và 2

1, 2

22k  
2k dD1, 2 (k ) 
 ( f i  f k )( f j  f k )
  D1, 2 (k )  ( f i  f k )  ( f j  f k ) 
c
2c
d 


 ( m )   1 L1( m )   2 L(2m ) : phối hợp pha tích luỹ trong phân đoạn m;

n0: chiết suất của sợi; : bước sóng [m]; L0: chiều dài mỗi cuộn cáp quang [m];
c: vận tốc ánh sáng [m/s]; Pl (l=i, j, k): công suất của các kênh được đưa vào đầu sợi quang
[W];
d: hệ số suy giảm (d =3 nếu i = j  k, d = 6 nếu i  j  k); G: hệ số khuếch đại EDFA [lần];

: độ nhạy cảm phi tuyến bậc 3 [m3/W.s];2: suy hao mối hàn [dB];
Aeff: diện tích hiệu dụng của lõi sợi [m2], cho gần đúng bằng diện tích thật của lõi;

1: suy hao của 2 loại sợi [1/m], 2 loại sợi có tán sắc khác nhau nhưng có cùng suy hao.
D1,2(k): tán sắc của 2 loại sợi tại bước sóng k [s/m2];


3.Thuật toán tính toán các thông số hệ thống
Dựa vào các biểu thức từ (2) đến (6) chúng tôi tiến hành xây dựng thuật toán xác định
các thông số tối ưu như công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại và vị trí đặt EDFA như
hình 6.
4. Kết quả tính toán mô phỏng và thảo luận
Ðể kết quả tính toán lý thuyết sát với thực tế nhưng không làm mất tính tổng quát của
bài toán, giá trị của các tham số tính toán được lựa chọn dựa vào các giá trị tiêu biểu của
chúng trong thực tế. Phần mềm tính toán mô phỏng được sử dụng là Mathcad2001 và Excel.
L1(1), L2(1) là chiều dài của 2 loại sợi quang có tán sắc khác nhau được sử dụng trong phân
đoạn đường truyền đặt trước EDFA và L1 (2), L2(2) đặt sau. Chúng tương ứng với sợi quang đơn
mode SMF có tán sắc D1=18ps/nm.km và sợi dịch chuyển tán sắc DSF có tán sắc D2 = 2ps/nm.km với tỉ lệ chiều dài của 2 loại sợi này trong mỗi phân là 4,76/45,24 [2] để thực hiện
bù tán sắc tại bước sóng 1550nm. Độ biến thiên tán sắc theo bước sóng của 2 loại sợi là
dD1,2()=0,07ps/nm.km.
Các tham số cơ bản của tuyến truyền dẫn được trình bày trong bảng 1 sau đây
[1][2],[3],[4]:
Tham số
8 bước sóng được đưa vào sử dụng
Phạm vi hệ số khuếch đại của EDFA

Chiều dài tuyến truyền dẫn
Suy hao tại mỗi mối nối
Suy hao của 2 loại sợi quang
Dự trữ suy hao
Chiều dài mỗi cuộn cáp sợi quang
Chiết suất lõi sợi quang
Độ cảm ứng phi tuyến bậc 3
Diện tích hiệu dụng của lõi sợi
Số mode truyền của quá trình phân cực
Hệ số phát xạ tự phát của EDFA
Băng thông quang của bộ lọc quang i trước mỗi bộ thu
Dải công suất nguồn phát quang
Dải công suất của máy thu tại mỗi kênh thông tin

Giá trị
1550nm, 1551nm... 1557nm.
G = 1dB  40dB
L = 150km
2 = 0,1dB
1 = 0,21dB/km
4dB
4km
n0 = 1,5
 = 4.10-15 m3/W.s
Aeff = 50.10-12 m2
mt = 2
nsp = 1,26
B0 = 0,1nm  12,5GHz
-10dBm  5dBm
-25dBm  -10dBm.

Kết quả tính toán và mô phỏng được thể hiện như sau:
Vị trí đặt EDFA tối ưu trên tuyến là đặt cách bộ phát quang 56km tương ứng với mức
công suất phát quang từng kênh (sau bộ MUX) là 2dBm, hệ số khuếch đại của EDFA là 13dB
và khi đó tỉ số OSNR thu được của kênh thấp nhất (kênh số 4) trong 8 kênh là 42,9dB (hình
1).


Ti so OSNR (dB)

43.05

43

42.95

42.9
1

2

3

4
5
Vi tri kenh

6

7

8

.

.

50

60

31.25
12.5

Ti so OSNR (dB)

Cong suat nhieu FWM, ASE, tin hieu(dBm)

Hình 3. Quan hệ giữa OSNR theo các kênh tương ứng với Ptx=2dBm, G=13dB và bộ EDFA
đặt cách bộ phát quang 56km. Kênh số 4 tương ứng với OSNR thấp nhất nên là kênh được
chọn để khảo sát thêm mối quan hệ giữa công tín hiệu, nhiếu, OSNR theo hệ số khuếch đại G
của EDFA

6.25
25
43.75

40

20

62.5

.

81.25
100
0

.

0

10

20
30
He so khuech dai (dB)

40

Cong suat nhieu FWM
Cong suat nhieu ASE
Cong suat tin hieu

Hình 4. Quan hệ giữa công suất nhiễu FWM, ASE
và công suất tín hiệu của kênh 4 với Ptx=2dBm
theo hệ số khuếch đại G

0

10

20
30
He so khuech dai (dB)

40

Hình 5. Quan hệ giữa OSNR của kênh 4 tương
ứng với Ptx = 2dBm theo hệ số khuếch đại G
của EDFA


Bắt đầu

Hỡnh 6. Lu thut toỏn xỏc
nh cỏc thụng s ti u ca
tuyn truyn dn

_Nhập các thông số sợi quang: no, , , D1,
D2, Aeff, dD/d.
_Nhập các thông số khác: mt, h, c, , 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.
_Nhập vào chiều dài của tuyến: L

_Tính công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu: P(Ptx,G)
_Tính công suất nhiễu FWM tại kênh m: Ptot(m,L1,Ptx,G)
_Tính công suất nhiễu ASE tại kênh m: Pase(m,L1,G)
_Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang của kênh m:

OSNRdB(m,L1,Ptx,G)
_Tính OSNRdB nhỏ nhất trong các kênh:
OSNRdBmin(L1,Ptx, G)

_Bắt đầu với Ptx = -1dBm; G = 10dB; L1 =50km
_Tính OSNRdBmin(50,-1,10) K

For L1 = 0,1, 2..L
For Ptx = -10, -9..2
For G = 1, 2..40

No

(G+Ptx-0,21.L1-0,1.L/4) 2
-25 < G+Ptx-0,21.L-7,7 <-10?

Yes
Tính OSNRdBmin (L1,Ptx,G)
OSNRdBmin(L1,Ptx,G)
Yes
K.
Nhận các giá trị L1,Ptx,G

OSNRdBmin(L1,Ptx,G) > K?

_Vị trí đặt EDFA: L1 _Công suất phát: Ptx
_Hệ số khuếch đại G _Tỉ số OSNR
_Công suất tín hiệu thu được.

Kết thúc

No


37.5

Ti so OSNR(dB)

Cong suat nhieu FWM, ASE, tin hieu(dBm)

45

0
18.75

56.25
75
93.75

40

35

112.5

.

131.25

. 150

10

9

8

7

6
5
4 3
2
Cong suat phat (dBm)

1

0

1

30

2

Cong suat nhieu FWM
Cong suat nhieu ASE
Cong suat tin hieu

10

9

8

7

6
5
4
3
2
Cong suat phat(dBm)

1

0

1

2

Hình 8. Quan hệ giữa OSNR của kênh thứ
4 ứng với G=13dB theo công suất phát Ptx

Hình 7. Quan hệ giữa công suất (CS) nhiễu FWM,
ASE và CS tín hiệu của kênh 4 ứng với G=13dB
theo CS Ptx.

Dựa vào 2 đồ thị hình 4 và 5 ta thấy công suất tín hiệu tăng gần như tuyến tính theo G,

trong khi đó trong đoạn G = 1dB22dB, nhiễu ASE là nhiễu trội so với nhiễu FWM nên tác
động chính đến tỉ số OSNR, loại nhiễu này có tốc độ tăng tương tự như đối với tín hiệu nên
OSNR trong đoạn này giảm không đáng kể. Trong đoạn còn lại G = 23dB 40dB, công suất
nhiễu FWM tăng nhanh và lớn hơn nhiều so với nhiễu ASE nên nó là nhiễu trội và làm OSNR
giảm đi đáng kể. Như vậy, OSNR lớn nhất đạt tại G = 1dB. Tuy nhiên hệ số khuếch đại này
làm công suất tín hiệu thu được tại máy thu quá nhỏ (không nằm trong dải công suất làm việc
của máy thu) nên phải tăng G đến 13dB.
Đồ thị hình 7 và 8 cho thấy công suất tín hiệu và công suất nhiễu FWM đều tăng
theo Ptx, công suất nhiễu ASE không thay đổi theo Ptx, tuy nhiên công suất nhiễu FWM dù
tăng lên vẫn nhỏ hơn nhiều so với nhiễu ASE do đó tổng công suất nhiễu ảnh hưởng đến hệ
thống chủ yếu là nhiễu ASE gần như không đổi vì vậy tỉ số OSNR tăng lên theo Ptx. Như trên
đồ thị ta thấy tỉ số OSNR lớn nhất đạt tại mức Ptx = 2dBm.
Tiến hành các bước tính toán tương tự như trên cho các tuyến có chiều dài thay đổi từ
100km đến 250km với bước thay đổi là 10km, chúng tôi xác định được các thông số tối ưu, từ
đó lập thành bảng 2 và vẽ đồ thị như hình 9. Từ đây ta có thể kết luận hệ số khuếch đại và vị
trí đặt EDFA tối ưu tăng tỉ lệ với chiều dài tuyến, trong khi đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR
tối ưu thì lại giảm khi khoảng cách tuyến truyền dẫn tăng lên.
Bảng 2. Các thông số tối ưu ứng với các tuyến truyền dẫn có chiều dài khác nhau.
Chiều dài
tuyến (km)
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190

Mức công suất
phát tối ưu (dBm)
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2

Hệ số khuếch
đại tối ưu (dB)
1
3
6
8
10
13
15
17
20
22

Vị trí đặt EDFA
tối ưu (km)
5

13
26
35
43
56
64
73
86
94

Tỉ số OSNR
tối ưu (dB)
57,72
53,48
50,13
48,03
46,04
42,92
40,98
38,83
35,76
33,87


200
210
220
230
240
250

2
2
2
2
2
2

25
27
29
32
34
36

107
115
124
137
145
154

30,81
28,92
26,81
23,75
21,87
19,75

Vị trí đặt EDFA tối ưu

Tỉ số OSNR tối ưu
Hệ số khuếch đại G tối ưu

Hình 9. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại G,
OSNR và vị trí đặt EDFA tối ưu theo chiều dài các tuyến truyền dẫn
khác nhau.

5. Kết luận
Kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế và khai
thác mạng. Ứng với mỗi tuyến truyền dẫn cụ thể có chiều dài khác nhau ta có thể xác định
ngay được mức công suất phát, hệ số khuếch đại của EDFA và vị trí đặt EDFA tối ưu trên
tuyến để thông tin truyền đi đạt chất lượng tốt nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]

[3]
[4]

Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Tấn Hưng, "Tính toán số kênh truyền cực đại trong hệ
thống WDM có EDFA mắc chuỗi dưới tác dụng của hiệu ứng FWM và nhiễu ASE
tích luỹ", Chuyên san tạp chí Bưu chính Viễn thông, số 12, tháng 8 năm 2004, trang
25-32.
Wolgang Zeiler, Fabrizio Di Pasquale, member IEEE, Polina Bayvel, Member IEEE,
and John E. Midwinter, IEEE, “Modeling of Four-Wave Mixing and Gain Peaking in
Amplified WDM Optical Communication Systems and Networks”, Journal of
Lightwave Technology, Vol. 14, No. 9, September 1996.
Nortel Networks Optera Long Haul 1600G, December 2002.

P.C. Becker, N. A. Olson, Erbiumdoped fiber amplifiers, Fundamentals and
Technology, Academic Press, 1999.