DSpace at VNU: Nghiên cứu hệ thống thông tin quang truyền song hướng trên một sợi quang ghép kênh theo bước sóng sử dụng khuếch đại quang sợi : Luận văn ThS. Kỹ thuật Điện tử-Viễn thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Minh Thắng

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2006


Lời cảm ơn,

Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Trường Đại học Công
nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, động
viên, giúp đỡ em hoàn thành các môn học trong chương trình học tập,
nghiên cứu tại trường.
Em xin trận trọng cảm ơn PGS., TS. Phạm Văn Hội đã tận tình giảng dạy,
hướng dẫn, giúp đỡ và hiệu chỉnh trong quá trình em thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn Thạc sỹ Chử Thị Thu Hà và các cán bộ Phòng Vật
liệu và Ứng dụng quang sợi đã giúp hướng dẫn nghiên cứu, thu thập số liệu
thực nghiệm để đối chiếu với lý thuyết, giúp tôi củng cố phần nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn Cục Quản lý chất lượng Bưu chính, Viễn thông và
Công nghệ thông tin - Bộ Bưu chính, Viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi tham gia chương trình đào tạo. Xin trân trọng cảm ơn các đồng
nghiệp tại Phòng Chất lượng sản phẩm đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên
tôi trong trong suốt quá trình học tập, thực hiện luận văn.

Xin được cảm ơn người thân, bạn bè, các bạn học viên lớp cao học K10Đ1
đã động viên, giúp đỡ tôi.
Trân trọng cảm ơn!

Nguyễn Minh Thắng


MỞ ĐẦU

Với những ưu điểm về độ rộng băng tần, cự ly thông tin, không bị ảnh hưởng của
nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao..., hệ thống truyền dẫn quang là sự
hấp dẫn mạnh các nhà khai thác viễn thông, các nhà nghiên cứu khoa học. Các hệ thống
thông tin quang không những đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa,
đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của
mạnh nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin
quang đã có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ chế tạo các
thiết bị truyền dẫn, phát, thu, lọc...quang đã tạo ra những sản phẩm mới, đáp ứng việc thiết
lập hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA.
Bộ khuếch đại dùng sợi quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng tạo ra hiệu ứng
khếch đại ở vùng bước sóng 1550mm đã được đưa vào sử dụng trong mạng thông tin và
các tuyến truyền dẫn. Các sợi quang thông dụng hiện nay chế tạo bằng thuỷ tinh SiO 2 có
độ suy hao thấp ở bước sóng 1550mm. Do phổ phát xạ của Er3+ trong dải sóng có bước
sóng từ 1525 - 1650 không đồng đều, chúng có 2 đỉnh tại các bước sóng 1530 và 1560mm
đã đưa đến ý tưởng chỉ sử dụng 2 tần số nằm ở 2 vùng tần số có hệ số khuếch đại cao để
thiết lập nên hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ
EDFA.
Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) là giải pháp tiên
tiến trong thông tin sợi quang, đáp ứng nhu cầu về băng thông cũng như đảm bảo được
những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn. Kỹ thuật này cho phép ghép các tín hiệu quang có

bước sóng khác nhau để truyền đi trên một sợi quang duy nhất và do vậy, tăng dung lượng
truyền dẫn trên hệ thống mà không cần phải tăng tốc của từng kêng trên mỗi bước sóng.
Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng là kết hợp các tín hiệu có
bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tác chúng để chuyển tới các bộ tách
sóng quang ở đầu kia. Phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang 2 hướng:
một đầu phát thông tin tại nhóm bước sóng 1, thu thông tin tại nhóm bước sóng 2. Đồng
thời ở đầu kia phát thông tin khác tại nhóm bước sóng 2, thu thông tin tại nhóm bước sóng
1.


Luận văn này tổng hợp các kiến thức cơ bản về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng,
bộ khuếch đại EDFA và giới thiệu những vấn đề cơ bản của hệ thống thông tin quang song
công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, giải pháp để có thể tận dụng các
tuyến thông tin cáp quang có sẵn đã truyền một chiều, để truyền theo chiều ngược lại trong
cùng một sợi quang, lời giải cho bài toán kinh tế, kỹ thuật cho các nhà cung cấp dịch vụ
viễn thông chọn lựa khi đầu tư.
Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng
- Hệ thống song công.
Chương II: Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
Chương III: Hệ thống song công.
Kết luận.
Kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng to lớn và phong
phú. Việc truyền dẫn 2 chiều (song công) trong một sợi quang là ứng dụng còn rất mới ở
nước ta, công việc nghiên cứu đang tiến tới phía trước với một tiền đồ rộng lớn. Do khả
năng và trình độ hiểu biết còn hạn chế, và thời gian nghiên cứu cũng có hạn, nên luận văn
chỉ đề cập đến một phần nhỏ của lĩnh vực có một triển vọng to lớn trong ứng dụng này.
Đồng thời, phần trình bày luận văn chắc hẳn cũng còn nhiều thiếu sót, rất mong các thầy,
cô, các bạn đồng nghiệp chỉ bảo để bổ sung hoàn thiện hơn./.

KẾT LUẬN
1. Đánh giá kết quả
Luận văn đã đề cập đến hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng;
khuếch đại quang sợi pha tạp Eribium và việc khảo sát một số tham số quan trọng của
EDFA; mô hình hệ thống song công sử dụng quang sợi EDFA cùng các linh kiện liên
quan; tính toán, khảo sát hệ thống thông tin quang. Kết quả cụ thể của luận văn, ngoài phần
tổng hợp kiến thức là:
1.1 Kết quả khảo sát một số tham số quan trọng của EDFA:
-

Khảo sát phổ ASE: Kết quả khảo sát trên sợi có chiều dài 6m và 4,5m nồng độ pha
tạp 2500pmm cho thấy: Với sợi 6m, phổ ASE có cực đại trong vùng bước sóng
1560nm (λpeak=1557,8nm Ppeak= -23,28dBm) khi công suất bơm là 50mA, cực đại
này sẽ chuyển dần về vùng bước sóng 1530nm (λpeak=1531,6nm Ppeak= -11,29dBm)
khi ta tăng công suất bơm lên 100mA. Kết quả khảo sát trên sợi 4,5m cũng tương
tự. Điều này rất phù hợp với lý thuyết, được giải thích là do hệ số hấp thụ và phát
xạ trong hai vùng này là khác nhau.

-

Khảo sát công suất nhiễu ASE và thông số tạp âm: Sợi 6m, nồng độ pha tạp
2500ppm kết quả ở bảng 2.2; Sợi 4,5m, nồng độ pha tạp 2500ppm kết quả ở bảng
2.3;

-

Khảo sát hệ số khuếch đại: Với công suất của tín hiệu vào chưa được khuếch đại
vào cỡ -6dBm đến -7dBm, được lấy theo giá trị trung bình của các lần đo là 6,49dBm; EDFA có sợi 6m nồng độ pha tạp 2500ppm; EDFA có sợi 4,5m nồng độ
pha tạp 2500ppm được kết quả lần lượt trong bảng 2.2 và bảng 2.3. Kết quả này

được biểu diễn dưới dạng đồ thị tại hình 2.19.
Ta thấy hệ số khuếch đại G của bộ khuếch đại tăng theo hàm e mũ khi tăng công
suất bơm. Ngoài ra ta cũng thấy sự phụ thuộc của tham số này vào độ dài của sợi
pha tạp: Bộ khuếch đại dùng sợi có chiều dài dài hơn thì có hệ số khuếch đại lớn
hơn.


-

Băng tần khuếch đại: Thấy được băng tần khuếch đại của EDFA sợi 4,5m nồng độ
pha tạp 2500ppm được khảo sát nằm trong khoảng 1524-1560nm hay dải khuếch
đại là 36nm rất thích hợp với cửa sổ thông tin thứ 3 (1550nm).

1.2. Đã đưa ra 03 mô hình truyền song công sử dụng EDFA với các ứng dụng khác nhau,
từ đó có thể xây dựng 04 mô hình khác truyền song công khác sử dụng EDFA.
1.3. Tính toán, khảo sát hệ thống.
Đã xây dựng được phần mềm tính toán bằng ngôn ngữ VisualBasic, được đóng gói
dạng chương trình cài đặt để phục vụ tính toán, khảo sát. Chương trình có thể thực hiện:
-

Tính toán khoảng lặp cực đại theo công suất và tán sắc, lưu kết quả ra tệp để sử
dụng vào các mục đích tiếp theo.

-

Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng cách lặp cực đại vào công suất phát.

-

Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng cách lặp cực đại vào độ nhạy thu.

-

Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng cách lặp cực đại vào hệ số suy hao
quang sợi.

-

Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng lặp cực đại vào tốc độ truyền dẫn.

-

Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng lặp cực đại vào suy hao tại các phần
tử trên mạng.

Việc thực hiện một ví dụ tính toán cụ thể đã kiểm chứng được phần tính toán với lý
thuyết,
2. Đề xuất nghiên cứu
Để tăng dung lượng của truyền dẫn song công mà không cần phải tăng tốc độ
truyền trên một kênh của một bước sóng, cần phải ghép nhiều tín hiệu quang có bước sóng
khác nhau và truyền đi trên cả hai chiều trong cùng một sợi quang. Mặt khác, khi truyền
nhiều bước sóng trên cả hai chiều cần phải có các giải pháp kỹ thuật phù hợp khắc phục
các tổn hao do xuyên kênh, các hiệu ứng phi tuyến ... gây ra. Một trong hai vấn đề này
cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ./.


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1.

APD

Avalanche PhotoDiode

2.

BA

3.

BER

Bit Erro Rate

4.

DBR

Distributed Bragg Reflectior

5.

DFB

Distributed FeedBack

6.

DCF

Dispersion Compensating Fiber

7.

DEMUX

8.

DFF

Dispersion Flated Fiber

9.

DSF

Dispersion shifted Fiber

10.

DWDM

11.

EDFA

12.

FP

Fabry – Perot

13.

FPF

Fabry – Perot Filter

14.

FSCs

Free Space Couplers

15.

FWM

Four Wave Mixing

16.

LA

Line Amplifier

17.

LD

Laser Diode

18.

MUX

Multiplexer

19.

NF

Noise Figure

20.

NZ-DSF

21.

OOK

On – Off Keying

22.

OSNR

Optical Signal to Noise Ratio

23.

PA

Pre – Amplifier

24.

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

25.

SMF

Single Mode Optical Fiber

26.

SRS

Stimulated Raman Scattering

27.

WDM

Wavelength Division Multiplexing

28.

WGR

Waveguide Grating Routes

Booster Amplifier

Demultiplexer

Dense Wavelength Division Multiplexing
Erbium Doped Fiber Amplifier

Non – Zero Dispersion Shifted Fiber


MỤC LỤC
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU
Chương I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH
THEO BƯỚC SÓNG - HỆ THỐNG SONG CÔNG
1.1. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng
1.1.1. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng
1.1.2. Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước
sóng quang WDM
1.1.3. Khả năng ứng dụng của WDM
1.2. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM
1.2.1. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM
1.2.2. Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM
1.3. Các tham số đáng chú ý

1.3.1. Tham số phần phát
1.3.2. Tham số phần thu
1.3.3. Tham số sợi quang
Chương II
KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM
2.1. Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm
2.1.1. Hệ phương trình tốc độ
21.2. Hệ phương trình truyền dẫn
2.1.3. Khuếch đại bức xạ tự phát
2.2. Một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
2.2.1. Công suất và bước sóng bơm trong EDFA
2.2.2. Hệ số khuếch đại
2.2.3. Phổ khuếch đại của EDFA
2.2.4. Nhiễu trong bộ khuếch đại
2.3. Các ứng dụng của EDFA trong thông tin quang
2.3.1. Cấu trúc thiết bị EDFA trong ứng dụng thông tin quang
2.3.2. Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang
2.4. Khảo sát một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi
2.4.1. Kết quả khảo sát độ khuếch đại bức xạ tự phát ASE
2.4.2. Khảo sát các tham số đặc trưng của bộ khuếch đại
Chương III
HỆ THỐNG SONG CÔNG
3.1. Các linh kiện cơ bản của hệ thống
3.1.1. Bộ phát quang

Trang 1

6

8

19

26

33

46

53


3.1.2. Bộ thu quang
3.1.3. Sợi quang
3.1.4. Các bộ ghép và tách sóng quang
3.1.5. Bộ lọc quang
3.1.6. Bộ định tuyến bước sóng
3.1.7. Bộ chia định hướng (Circulator)
3.1.8. Bộ cách ly và ghép kênh
3.1.9. Bộ cách ly
3.2. Hệ thống song công
3.2.1. Truyền song công trên một sợi quang
3.2.2. Các cấu hình truyền dẫn song công sử dụng EDFA
3.3. Thiết kế hệ thống song công
3.3.1. Nguyên tắc thiết kế
3.3.2. Các bước thiết kế chung
3.3.3. Xây dựng công thức tính toán.
3.3.4. Phầm mềm tính toán
3.3.5. Bài toán tính toán cụ thể
KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

59

62


TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Vũ Như Cương (2005), Giáo trình môn học.
2. Vũ Tuấn Lâm (2005), Nghiên cứu giải pháp cân bằng hệ số khuếch đại trong các hệ
thống thông tin quang đa kênh sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sợi, Học viện Công
nghệ Bưu chính, Viễn thông Việt Nam, Hà Nội.
3. Nguyễn Quang Nghĩa (2004), Nghiên cứu, xây dựng chương trình mô phỏng bộ khuếch
đại quang EDFA, phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học của Học viện, Học viện Công
nghệ Bưu chính, Viễn thông Việt Nam.
4. Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang - Tập 1, Trung tâm Thông tin Bưu điện,
Hà Nội.
5. Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang - Tập 2, Trung tâm Thông tin Bưu điện,
Hà Nội.
6. ITU-T (2006),G.691 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical
components and subsystems - Optical interfaces for single channel STM-64 and other
SDH systems with optical amplifiers, ITU-T.
7. ITU-T (1998),G.692 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical
components and subsystems - Optical interfaces for multichannel systemswith optical
amplifiers, ITU-T.
8. ITU-T (2005),G.692 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical
components and subsystems - Optical interfaces for multichannel systemswith optical
amplifiers - Amendment 1, ITU-T.
9. ITU-T (2003),G.709/Y.1331 - Internet protocol aspects - Transport - Interfaces for the

Optical Transport Network (OTN), ITU-T.
10. ITU-T (2001),G.872 - Digital networks – Optical transport networks - Architecture of
optical transport networks, ITU-T.
11. ITU-T (2006),G.957 - Digital sections and digital line system – Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital
hierarchy, ITU-T.
12. ITU-T (2006),G.959 - Digital sections and digital line system – Digital line systems Optical transport network physical layer interfaces, ITU-T.
13. Shoichi Sudo (Editor) (1997), Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices, and
Applications, Artech House, Inc., London.