nguồn phát quang trong thông tin sợi quang

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT – HÀN
KHOA: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


`

MÔN : THÔNG TIN SỢ QUANG
ĐỀ TÀI:

nguồn phát quang trong thông tin sợi quang

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang
SVTH: Bùi Qúy Tâm
Lớp: CCVT07A

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2016


Lời mở đầu
Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hảo sợ quang được bù tuần
hoàn nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) cách
nhau khoảng 60-80Km. Chúng được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp
thương mại năm 1990. Nhờ việc cung cấp các bộ khuếch đại quang mà việc
truyền dẫn cáp biển với lục địa trở nên dễ dàng. Tuy nhiên khi cự ly truyền dẫn
dài thì đến mức nào đó suy hao sẽ vượt quá mức công suất dự phòng, không
thỏa mãn ở phía thu nên cần phải sử dụng các trạm lặp. Trạm lặp để khuếch đại
quang trên đường truyền.
Trong hệ thống thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử
dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà không phải qua biến đổi quangđiện hay điện-quang. Tốc độ và khoảng cách truyền dẫn được tăng lên. Ngoài ra
khuêch đại tín hiệu quang, EDFA còn tạo ra các tạp âm ảnh hưởng khả năng hoạt

động của hệ thống.
Đồ án này dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Vũ Anh Quang, em
trình bày bộ khuếch đại quang EDFA cùng với việc khảo sát nó trên phần mềm
Optisystem.
Kiến thức em có hạn nên việc trình bày còn nhiều thiếu sót rất mong Thầy
cô bổ sung và giúp đỡ. Em xin chân thành cảm ơn !!!

2


Mục Lục
Lời mở đầu
Mục lục
Lời mở đầu..................................................................................................................................3
Chương 1: Tổng quan khuếch đại quang EDFA.........................................................................4
2.Khái niệm chung về khuếch đại quang................................................................................4
Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi EDFA................................................................................6
Chương 3: Khảo sát các thông số khuếch đại quang EDFA.....................................................10
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................................17

3


Chương 1: Tổng quan khuếch đại quang EDFA
1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang
1.1
Tín hiệu
vào

Sơ đồ khối thông tin quang

Bộ phát
quang

Kênh
truyền
dẫn

Bộ thu
quang

Tín hiệu
ra

Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát quang, một bộ thu quang và kênh
thông tin truyền dẫn là ba phần tử cơ bản nhất của hệ thống thông tin.
1.2

Vai trò

a) Kênh thông tin truyền dẫn-sợ quang
Để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu tránh làm méo dạng tín
hiệu. Hầu hết hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang như kênh thông tin
truyền dẫn.
b) Bộ phát quang
Chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang
vào sợi để truyền dẫn. Bộ phát quang gồm có một nguồn quang, một bộ điều
chế, một bộ ghép nối với sợi quang.
c) Bộ thu quang
Chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ra của tuyến sợi quang thành tín

hiệu điện. Gồm có bộ ghép nối, tách sóng quang và bộ giải điều chế.
2. Khái niệm chung về khuếch đại quang
Khoảng cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin sợi quang bị giới hạn bởi
tổn hao trong sợi. Điều này làm giảm khả năng truyền dẫn và làm giới hạn kích
cỡ của mạng quang. Để khắc phục ta đặt trạm lặp để khuếch đại trung gian. Bộ
lặp có nhiệm vụ thu tín hiệu quang, biến đổi quang - điện (O/E), sửa lại xung
điện, khuyếch đại tín hiệu và biến đổi điện - quang (E/O) trở lại.

4


O-E

Bộ chuyển đổi

E-O

K
Đ
Bộ khuếch đại điện

Bộ chuyển đổi quang điện

quang điện
Hình 1: sơ đồ khối của một trạm lặp quang điện
Trong bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra
trong môi trường được gọi là vùng tích cực. Các tín hiệu quang đươc khuếch đại
trong vùng đó và có độ lợi khác nhau tùy thuộc vào năng lượng cung cấp từ một
nguồn bên ngoài gọi là nguồn bơm.
Khuếch đại quang sợi là một đoạn sợi quang có độ khuếch đại môi trường

dương. Để đạt được điều đó thì cần phải pha tạp các ion như Erbium, Er3+. Khi
bơm quang bên ngoài hoạt động, nó sẽ truyền năng lượng và tác động đến các
ion pha tạp lên trạng thái kích thích, sau đó dưới tác dụng của ánh sáng truyền
qua bộ khuếch đại thì cái ion chuyển từ trạng thái kích thích sang trạng thái nền
tạo ra các proton và được khuếch đại.
Sử dụng sợi quang pha tạp Erbium là phổ biến nhất vì khuếch đại ánh
sáng ở bước sóng 1550nm, phù hợp thông tin truyền dẫn đường dài.
3. Ưu điểm của khuếch đại quang
+ Băng thông khuếch đại rộng vài ngàn Ghz nên sử dụng rộng rãi trong mạng
thông tin.
+ Có thể khuếch đại đa kênh quang nên được sử dụng phổ biến trong hệ thống
thông tin sợ quang ghép kênh phân chia theo bước sóng.
+ Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.
+Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu.
5


Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi EDFA
1. Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi
Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò quang trọng trong mạng viễn thông quang
học vì có khả năng bù lại suy hao tín hiệu trong quá trình lan truyền trên sợi
quang do các bộ kết nối và mối hàn tại các nút mạng gây nên.
Có 2 loại khuếch đại quang sợi là khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm và
khuếch đại quang sợi Raman.
Tùy theo loại đất hiếm được pha trộn trong lõi sợi quang mà sẽ có bước song
bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA ( Optical Fiber
Amplifier) thay đổi. Gồm các loại như YDFA ( pha tạp Ytterbium), PDFA (pha
tạp Praseodymium), TDFA (pha tạp Thulium) và EDFA (pha tạp Erbium).
Trong các loại trên, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có ánh sáng
khuếch đại 1530nm-1565nm thích hợp với dải tần làm việc của hệ thống ghép

kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM ( Dense Wavelenghth Division
Multiplexing).
2. Cấu tạo cơ bản của EDFA

Hình 2: Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Erbium
6


EDFA có thành phần chính gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp
khoảng 0,1 % Erbium. Erbium là nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích
cực. EDF ( Erbium – doper Fiber) là đoạn sợi quang pha tạp và laser bơm cung
cấp năng lượng cho EDF.
Cấu trúc tiêu biểu:

Bộ
cách li

Bộ
cách li

Bộ
ghép

Bộ
ghép
Sợi quang pha tạp

Bơm
laser

Erbium

Bơm
laser

Laser bơm là các laser diode bán dẫn phát xạ ở bước song 980nm và
1480nm . Công suất phát xạ cao lên đến 165mW.
Laser bơm bao gồm: một laser diode (LD) phát ra ánh sáng bơm, một backfaced
photodiode (PD) để giám sát hiệu suất của LD và trermoelectric cooler (TEC)
với thermistor để điều khiển ổn định của laser.
Cách tăng công suất bơm:
- Tăng công suất laser diode bơm đơn lên 250nm.
- Bơm 1 EDFA với laser riêng biệt theo trạng thái phân cực phát xạ của
laser.
- Sử dụng các laser bơm riêng rẽ với các bước sóng khác nhau.

7


3. Nguyên lý hoạt động của EDFA
Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang được biểu diễn như sau:
ánh sáng đến

ánh sáng đã được khếch đại

Đoạn sợi quang pha tạp
Nguồn bơm ngoài
Để kích thích các hạt mang Er3+ lên mức năng lượng cao hơn thì cần một
nguồn bơm bên ngoài để bơm năng lượng quang vào sợi. Nguồn bơm là một
laser diode hoạt động ở bước sóng 980nm hoặc 1480nm. Sự dịch chuyển điện tử

ở các mức năng lượng khác nhau, mức từ cao xuống cơ bản sẽ tạo ra proton, các
proton sẽ bức xạ kích thích cùng hướng với proton tới đồng thời sẽ gây ra nhiễu
bức xa tự phát trong khuếch đại (ASE). Quá trình đó đã tạo ra khuếch đại quang
EDFA.
Quá trình bơm tại 2 bước sóng

Mật độ thấp
Mật độ cao

Bơm tại
bước
sóng
1450nm

Bơm tại
bước
sóng
1530nm

Mật độ thấp
Mật độ cao

Hình 3: Qúa trình bơm tại 2 bước sóng

8


Do hiệu ứng stark, ở trại thái bền và siêu bền tồn tại nhiều mức năng
lượng. Ở trạng thái cân bằng nhiệt, mật độ hạt mang điện cao nằm ở dải thấp.
Đồng thời nó còn tỉ lệ với tốc độ bơm và bức xạ kích thích nên bơm xảy ra ở dải

thấp của trạng thái bền và cao ở trạng thái siêu bền ứng vớ bước song 1450nm
và ngược lại với bức xạ ở bước sóng 1530nm.

9


Chương 3: Khảo sát các thông số khuếch đại quang EDFA
1. Mô phỏng bằng phần mềm optisystem
Optisystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm có
khả năng thiết kế, đo kiểm tra, thực hiện tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin
quang trước khi ứng dụng vào trong thực tế.
Phần mềm có giao diện thân thiên, hiển thị trực quang và dễ sử dụng.
2. Xây dựng bộ EDFA trên phần mềm optisystem

10


2.1

Cấu trúc bộ EDFA

Cấu trúc bộ EDFA trên optisystem gồm có:
- Laser bơm với bước sóng 980nm.
- WDM coupler: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser
bơm vào trong sợi quang.
- Bộ cách ly quang: ngăn không cho tín hiệu quang phản xạ ngược về phía
đầu phát hoặc trên đường truyền EDFA.
2.2

Phần phát

11


Gồm có các thành phần:
- Phần tử tạo bit ( bit rate).
- Phần tử tạo xung (NRZ).
- Điều chế ngoài.
- Điều chế Mach-Zehnder.
- Đường truyền sợi quang.
2.3

Phần thu

Phần thu gồm có:
- Thu Photodiode PIN.
- Bộ lọc thông thấp Bessel.
3. Khảo sát dải bơm EDFA
Các tham số của hệ thống:
- Khoảng cách truyền dẫn 150km.
- Tốc độ truyền 2,5Gbps.
- Bước sóng bơm 980nm.
- Công suất phát từ -5 đến 2dbm.
- Bước sóng 1550nm.
Bảng thông số khi thay đổi công suất phát PT với tốc độ 2.5Gbps:

12


PT

Q

PR

Log(BER)

-5

10.7

15.103

-26.63

-4.5

11.462

15.106

-30.05

-4

12.18

15.110

-33.78

-3.5

12.92

15.113

-37.82

-3

13.67

15.117

-42.17

-2.5

14.42

15.122

-46.81

-2

15.18

15.126

-51.71

-1.5

15.94

15.131

-56.87

-1

16.69

15.138

-62.25

-0.5

17.44

15.145

-68.93

0

18.18

15.153

-73.57

0.5

18.92

15.161

-79.48

1

19.64

15.171

-85.54

1.5

20.35

15.181

-91.71

2

21.04

15.193

-97.98

Nhận xét:
Công suất phát tăng mỗi lần 0.5dbm thì hệ số phẩm chất Q cũng tăng theo .
Công suất phát càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi bit (BER) càng lớn và ngược lại.
Vì vậy, muốn tăng hệ số phẩm chất có nghĩa là giảm tỷ lệ lỗi bit Ber ta có
thể tăng công suất phát, bên cạnh đó ứng với một công suất phát hệ thống có tốc
dộ bit càng cao thì hệ số phẩm chất càng nhỏ tức tỷ lệ lỗi bit Ber tăng.

13


4. Một số hình ảnh giản đồ
Hình ảnh giản đồ với công suất phát 0.5dbm.

Hình ảnh giản đồ với công suất phát 2dbm.

14


Hình ảnh giản đồ với công suất phát -4dbm

Hình ảnh giản đồ với công suất phát

15

Hình ảnh giản đồ với công suất phát -3dbm

16


Tài liệu tham khảo
1. Vũ Văn San, Trần Hoàng Diệu, Phương pháp tính toán thiết kế cấu hình
tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, Tuyển tập công
trình, Hội nghị Khoa học, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hà Nội,
2001.
2. J.A Chiddix, H.Loar, D.M. Pangrac, L.D. William, R.W. Wolfe, AM video
on fiber CATV systems: Need and Implementation, IEEE Journal on Selected
Areas in Communications, p.1229-1239, Vol.8, No.7, Sep 1990.
3. Các trang web: www.optiwave.com...

17