NGHIÊN CỨU MẠNG WDMFSO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG LAI GHÉP RAMANEDFA

30 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỌ VÀ TÊN LÊ HOÀNG LONG KHÓA 16 HỆ ĐÀO TẠO DÀI HẠN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU MẠNG WDM FSO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG LAI GHÉP RA.

HỌ VÀ TÊN: LÊ HOÀNG LONG

KHÓA: 16

HỆ ĐÀO TẠO DÀI HẠN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI

HỌC

NGHIÊN CỨU MẠNG WDM-FSO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH

ĐẠI QUANG LAI GHÉP RAMAN-EDFA

NĂM 2022

HỌ VÀ TÊN: LÊ HOÀNG LONG

KHÓA: 16

HỆ ĐÀO TẠO DÀI HẠN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI

HỌC

MÃ SỐ: 52520201

NGHIÊN CỨU MẠNG WDM-FSO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH

ĐẠI QUANG LAI GHÉP RAMAN-EDFA

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS, TS Nguyễn Thế

Quang

GV, TS Nguyễn Hồng Kiểm

NĂM 2022

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Lê Hoàng Long Lớp: ĐTVT 16B Khóa: 16

Ngành: Kỹ thuật điện – điện tử Chuyên ngành: Điện tử viễnthông

1 Tên đề tài: Nghiên cứu mạng WDM-FSO sử dụng bộ khuếch đạiquang lai ghép Raman-EDFA

2 Các số liệu ban đầu: Thu thập thông tin từ sách, dựa vào kiếnthức đã học cùng với sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn

3 Nội dung bản thuyết minh: Đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng WDM-FSO

Chương 2: Tổng quan về bộ khuếch đại quang

Chương 3: Mô phỏng hệ thống WDM-FSO sử dụng bộkhuếch đại quang lai ghép bằng phần mềm Optisystem

4 Số lượng, nội dung các bản vẽ (ghi rõ loại, kích thước và cáchthực hiện các bản vẽ) và các sản phẩm cụ thể (nếu có): sảnphẩm: 01 mô phỏng OptiSystem

5 Cán bộ hướng dẫn (ghi rõ họ tên, cấp bậc, chức vụ, đơn vị,hướng dẫn toàn bộ hay từng phần):

PGS, TS Nguyễn Thế Quang – Bộ môn Thông tin – Khoa Vôtuyến Điện tử: hướng dẫn toàn bộ đồ án

GV, TS Nguyễn Hồng Kiểm – SQTT/Binh chủng TTLL: hướngdẫn chương 3 đồ án

Hà Nội, ngày 03 tháng 05 năm 2022

Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên, học hàm, học vị) (Ký, ghi rõ họ tên, học hàm,học vị)

Học viên thực hiện

Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 03 tháng

05 năm 2022

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình đã tạo điều kiệncho em có cơ hội được học tập cũng như giúp đỡ em nhiều mặt về cả vật chấtcũng như tinh thần Đó là điều em luôn nhớ và tri ân suốt đời.

Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự đãtạo điều kiện học tập cũng như cho em cơ hội được làm đồ án tốt nghiệp

Đặc biệt, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn Thôngtin - thầy Nguyễn Thế Quang đã dạy dỗ , truyền đạt những kiến thức quý báucho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 03 tháng 05 năm

Em xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU MẠNG

WDM-FSO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG LAI GHÉP EDFA” là đồ án do em thực hiện

RAMAN-Em đã đọc và hiểu các hành vi vi phạm sự trung thực tronghọc thuật Em cam kết bằng danh dự cá nhân rằng đồ án tốtnghiệp này do nhóm em tự thực hiện và không vi phạm yêu cầu

về sự trung thực trong học thuật

Hà Nội, ngày 03 tháng 05 năm

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG WDM-FSO 2

1.1 Giới thiệu chung về WDM 2

1.1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM 3

1.1.2 Phân loại WDM 5

1.1.3 Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM 6

1.1.4 Đặc điểm thiết kế hệ thống WDM 8

1.2 Tổng quan về FSO 9

1.2.1 Đặc điểm của FSO 9

1.2.2 Ứng dụng của FSO 10

1.2.3 Ưu nhược điểm của FSO so với các mạng thông tin vô tuyến khác 10

1.3 Giới thiệu chung về mạng WDM-FSO 12

1.4 Phân tích hệ thống WDM-FSO 13

1.4.1 Hiệu ứng nhiễu do khói mù 14

1.4.2 Hiệu ứng nhiễu do mưa 15

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG 17

2.1 Giới thiệu chung về bộ khuếch đại quang 17

2.2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA 18

2.2.1 Cấu tạo 18

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 19

2.2.3 Các tham số của bộ khuếch đại EDFA 20

2.2.4 Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA 27

2.3 Khuếch đại quang Raman 28

2.3.2 Nguyên lý của bộ khuếch đại quang Raman .28

2.3.3 Nhiễu trong các bộ khuếch đại Raman 30

2.3.4 Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại Raman 32

2.4 Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) 32

2.4.1 Khái niệm 32

2.4.2 Cấu trúc cơ bản của SOA 34

2.4.3 Nguyên lý hoạt động của SOA 35

2.4.4 Các thông số chính của SOA 36

2.4.5 Ưu, nhược điểm của SOA 37

2.4.6 Ứng dụng của SOA 37

2.5 Bộ khuếch đại quang lai ghép 37

CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM-FSO SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG LAI GHÉP BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM .40

3.1 Tổng quan về phần mềm Optisystem 40

3.1.1 Lợi ích 40

3.1.2 Ứng dụng 40

3.2 Đặc điểm chính của Optisystem 41

3.2.1 Thư viện các phần tử (Component Library) 41

3.2.2 Khả năng kết hợp với các công cụ phần mềm khác của Optiwave .42

3.2.3 Các công cụ hiển thị 42

3.2.4 Mô phỏng phân cấp với các hệ thống con (subsystem) 42

3.2.6 Thiết kế nhiều lớp (multiple layout) 43

3.2.7 Trang báo cáo (report page) 43

3.2.8 Quét tham số và tối ưu hóa (parameter sweeps and optimizations) 43

3.3 Mô phỏng khuếch đại quang lai ghép bằng phần mềm OptiSystem43 3.3.1 Khảo sát hệ thống WDM-FSO khi thay đổi số lượng kênh 45

3.3.2 Trường hợp hệ thống WDM-FSO thay đổi khoảng cách các kênh 48

3.3.3 Trường hợp thay đổi môi trường truyền của FSO do điều kiện thời tiết 51

3.4 Kết luận chương 3 54

KẾT LUẬN 56

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

viết

tắt

Mô tả tiếng Anh Mô tả tiếng Việt

AGC Automatic Gain Control Tự động điều chỉnh

khuếch đạiASE Amplifier Spontaneous

bốDWDM Distributed Raman Amplifer Khuếch đại Raman phân

bốEDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi

pha tạp ErbiumFSO Free-Space Optics

Truyền thông quangtrong không gian tự

doHOA Hybrid Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

laiLRA Lumped Raman Amplified Khuếch đại Raman tập

trung

NB-HA NarrowBand-Hybird Amplifer Bộ khuếch đại băng hẹp

SOA Semiconductor Optical

Amplifier

Bộ khuếch đại quang

bán dẫnSWB-

Hình 1.1 : Mô tả quá trình ghép và giải ghép WDM 4

Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép – giải ghép hỗn hợp (MUX/DEMUX) 5

Hình 1.3: Xuyên kênh a) ở bộ giải ghép kênh và b) ở bộ ghép – giải ghép hỗn hợp 7

Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống WDM:FSO 14

Hình 2.1 : Mô hình khái quát bộ khuếch đại 18

Hình 2.2: Mặt cắt của một loại sợi quang pha ion Erbium .19

Hình 2.3 : Cấu trúc cơ bản của 1 EDFA 19

Hình 2.4: Giản đồ năng lượng Erbium 20

Hình 2.5: Hoạt động cơ bản của các photon ánh sáng trong bộ khuếch đại 22

Hình 2.6: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 23

Hình 2.7: Đặc tính thể hiện sự phụ thuộc của công suất24 Hình 2.8: Ảnh hưởng của hướng bơm đến hệ số khuếch đại 25

Hình 2.9: Hệ số tạp âm EDFA 26

Hình 2.10: Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của EDFA .27

Hình 2.11: Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman 29

Hình 2.12: Nguyên lý bơm thuận và ngược 30

Hình 2.13: Sơ đồ của một SOA 33

Hình 2.14: Các SOA cơ bản và phổ độ lợi tương ứng 34

Hình 2.15: Cấu trúc của một SOA 34

Hình 2.16: Cấu trúc dị tiếp xúc các hạt tải điện 35

Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM-FSO sử dụng

bộ khuếch đại lai ghép EDFA-RAMAN bằng Optisystem 44 Hình 3.2: Bộ khuếch đại quang lai ghép EDFA-Raman sử dụng cho mạng WDM-FSO 44

Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM-FSO ghép 4 kênh, bước sóng từ 193 THz đến 193.15 THz, khoảng cách kênh 50 GHz 45 Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM-FSO ghép 16 kênh, bước sóng từ 192.75 THz đến 193.5 THz, khoảng cách kênh là 50 GHz 45 Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM-FSO ghép 32 kênh, bước sóng từ 192.35 THz đến 193.9 THz, khoảng cách kênh 50 GHz 46 Hình 3.6: Đồ thị thể hiện chất lượng hệ thống WDM-FSO khi thay đổi số lượng kênh 47 Hình 3.7: Mẫu mắt của kênh 1 (a), kênh 3 (b) và kênh 4 (c) của hệ thống WDM-FSO ghép 4 kênh 47 Hình 3.8: Mẫu mắt kênh 1(a), kênh 5(b), kênh 8(c) của hệ thống WDM-FSO ghép 8 kênh 47 Hình 3.9: Mẫu mắt kênh 1(a), kênh 8(b), kênh 16(c) của

hệ thống WDM-FSO ghép 16 kênh 48 Hình 3.10: Mẫu mắt kênh 1(a), kênh 16(b), kênh 32(c) của hệ thống WDM-FSO ghép 32 kênh 48 Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM-FSO ghép 8 kênh khi thay đổi khoảng cách kênh 49 Hình 3.12: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của khoảng cách giữa các kênh đến chất lượng các kênh của hệ thống 50

khoảng cách giữa các kênh 25GHz 50 Hình 3.14: Giản đồ mẫu mắt của hệ thống WDM-FSO có khoảng cách giữa các kênh 100 GHz 51 Hình 3.15: Giản đồ mẫu mắt của hệ thống WDM-FSO có khoảng cách giữa các kênh 200 GHz 51 Hình 3.16: Giản đồ mẫu mắt của hệ thống WDM-FSO khi thời tiết trời trong 53 Hình 3.17: Giản đồ mẫu mắt của hệ thống WDM-FSO khi thời tiết sương mù 53 Hình 3 18: Giản đồ mẫu mắt của hệ thống WDM-FSO khi thời tiết mưa to 54 Hình 3.19: Đồ thị thể hiện chất lượng hệ thống DWDM khi thay đổi hệ số suy hao quang 54

Bảng 2.1: So sánh các tham số của các bộ khuếch đại quang lai ghép 38

Bảng 3.1: Hệ số phẩm chất Q với từng trường hợp 46 Bảng 3.2: Hệ số phẩm chất Q với từng khoảng cách kênh

49

Bảng 3.3: Hệ số suy hao quang với từng điều kiện thời tiết 52 Bảng 3.4: Hệ số phẩm chất Q với từng điều kiện thời tiết

52

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu băng rộng và sự phát triển củacác mạng truy cập mới như ADSL, FTTx,… nhu cầu về dung lượng mạng tănglên nhanh chóng đặc biệt là các dịch vụ liên quan đến dữ liệu Ngoài ra, để vừađảm bảo chất lượng dịch vụ, bảo vệ dữ liệu, tình trạng sử dụng được mạng cầntạo ra khả năng cung ứng càng cao càng tốt so với nhu cầu thông tin Các hệthống thông tin trong thực tế sử dụng công nghệ WDM kết hợp khuếch đạiEDFA đã phần nào đáp ứng được nhu cầu này với tốc độ bit phổ biến hiện naycủa mỗi kênh truyền dẫn là 10 Gb/s và sắp đến sẽ là 40 Gb/s Hầu hết các hệthống thông tin đường trục đều đã khai thác tối đa dung lượng băng tần C

Tuy nhiên dung lượng tăng cao hơn nữa thì các hệ thống này sẽ gặp khókhăn vì mật độ kênh trong băng C lúc này quá cao, đồng thời công suất tín hiệuđưa vào sợi quang tăng quá lớn làm cho hiệu ứng phi tuyến như FWM, SPM,XPM…ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu truyền dẫn Để giảiquyết vấn đề này, một giải pháp được đưa ra là sử dụng bộ khuếch đại quang laighép kết hợp giữa Raman phân bố và EDFA, gọi tắt là HFA Các bước đi banđầu đã khẳng định được các ưu điểm nổi trội của HFA là khả năng tăng dunglượng thông tin nhờ mở rộng băng thông truyền dẫn và nâng cao được tỉ số tínhiệu trên nhiễu (OSNR) tại cuối tuyến Tùy thuộc vào cự ly thông tin, dunglượng truyền dẫn và tốc độ dữ liệu mà ta có thể chọn mô hình HFA phù hợp để

hệ thống hoạt động hiệu quả nhất

Vì vậy, em chọn đề tài “Nghiên cứu mạng WDM-FSO sử dụng bộkhuếch đại quang lai ghép Raman-EDFA” Do kiến thức của bản thân còn nhiềuhạn chế nên bài làm không thể tránh khỏi sai sót Rất mong nhận được những ýkiến đóng góp của thầy cô để em có thể tiếp tục nghiên cứu sau này

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn NguyễnThế Quang, các thầy cô giáo trong khoa Vô tuyến Điện tử, Họcviện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ

án này

Hà Nội, ngày 3 tháng 5 năm 2022

Sinh viên thựchiện

Lê Hoàng Long

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG WDM-FSO 1.1 Giới thiệu chung về WDM

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ ghép nhiềukênh có bước sóng khác nhau để truyền đi trên cùng một sợiquang Các bộ ghép và tách kênh được sử dụng là các thiết bịquang thụ động Ghép kênh theo bước sóng hoàn toàn trong suốtđối với dữ liệu được truyền Vì thế, tốc độ và chuẩn dữ liệu củacác kênh được ghép không cần phải giống nhau

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệthống truyền dẫn quang SDH có rất nhiều điểm tương tự Cả hai

hệ thống đều có:

 Các thiết bị ghép kênh đầu cuối (MUX, DEMUX)

 Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (LineAmplifier, Regenerator)

 Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM)

 Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment)

 Sợi quang

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệthống truyền dẫn SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗihướng phát, còn hệ thống WDM thì dùng nhiều bước sóng (từ haibước sóng trở lên); đối tượng làm việc của hệ thống SDH là cácluồng tín hiệu PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là các bước sóng

và các bước sóng này không nhất thiết truyền tải tín hiệu số Mỗi

bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trườngtruyền tín hiệu cho hệ thống vì vậy gọi là sợi “quang ảo”.

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông

do sự phát triển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầuInternet, sự ra đời của các ứng dụng và ứng dụng mới trên nềntảng Internet Trước WDM, người ta tập trung mọi nỗ lực để nângcao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết quả thuđược không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu hiện tạitốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt đến hàng chụcGbit/s bản thân các mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứngđược xung tín hiệu cực kỳ hẹp Thêm vào đó chi phí cho các giảipháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp , đòi hỏicông nghệ rất cao Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quangmới được sử dụng một phần nhỏ Tuy nguyên lý ghép kênh theobước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần sốFDM, nhưng các hệ thống WDM chỉ được thương mại hóa khi một

số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đóphải kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộlọc quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đường truyền quangdải rộng (khuếch đại sợi quang EDFA, khuếch đại Raman)

Các laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hưởng lẫnnhau của các bước sóng lan truyền trên cùng một sợi quang Các

bộ lọc quang dùng để tách một bước sóng ra khỏi ra khỏi cácbước sóng khác Các bộ khuếch đại đường truyền dải rộng cần đểtăng cự ly truyển của tín hiệu quang tổng gồm nhiều bước sóng,nếu không có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng côngsuất tín hiệu người ta phải tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng,sau đó hoặc là khuếch đại riêng rẽ từng bước sóng rồi ghép chúngtrở lại, hoặc là phải thực hiện các bước chuyển đổi quang-điện-

quang trên từng bước sóng rối mới ghép, và như vậy thì tốn kém

và làm cho hệ thống trở nên kém tin cậy

1.1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh họa như ở hình1.1 Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở cácbước sóng khác nhau λ1 , λ2 , λ3 ,…., λ n Các tín hiệu quang được phát ra

ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang Các tín hiệu

có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh quang; bộghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ Tín hiệu quang sau khi được ghép

sẽ được truyền đồng thời dọc theo sợi để tới phía thu Các bộ phận tách sóng khácnhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ nàysau khi chúng qua bộ giải ghép kênh bước sóng

Hình 1.1 : Mô tả quá trình ghép và giải ghép WDM

Về nguyên lý, bất kỳ 1 bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng làm

bộ giải ghép bước sóng, Như vậy, hiểu đơn giản, từ “bộ ghép – Multiplexer” trongtrường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ ghép

và bộ giải ghép, loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc haichức năng Vì vậy rõ ràng rằng, khi các luồng tín hiệu quang được giải ghép ở phíathu thì bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại

Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại : Bộ ghép(MUX), bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn hợp(MUX/DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyềndẫn theo hai hướng trên 1 sợi Hình 1.2 mô tả cấu trúc thiết bị ghép và giải ghéphỗn hợp Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi

đối với các phần tử của ma trận là A ij (x) Các phần tử này là các hệ số phụ thuộcvào bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa vào thứ i và ra cửa ra thứ

j Cách tiếp cận phân tích này khá phức tạp khi áp dụng để thiết kế và xây dựng các

 ITU-T G.694.1 grid with channel spacing ≤ 200 GHz or ≤ 1.6 nm

 10s or 100s of channels in C- and L-bands (1530-1625nm)

 Truyền dẫn đường dài, các bước sóng được ghép sát nhau

 Ghép 32, 64, 128 bước sóng trên sợi cáp

 Yêu cầu lasers/bộ lọc có độ chính xác, ổn định cao

 DWDM cung cấp nhiều kênh có khuếch đại nhưng đòi hỏi máy phát ổn định

và bộ lọc chất lượng cao (dải cắt dốc, tần số trung tâm chính xác)

*CWDM

 ITU-T G.694.2/695 grid with 2500 GHz or 20 nm channel spacing

 18 channels spanning O-, E-, S-, C- and L-bands (1260-1625 nm)

 CWDM đơn giản hóa thiết kế mạch lọc và máy phát (rẻ) nhưng chỉ cung cấp

ít kênh và không cho phép khuếch đại

1.1.3 Các tham số cơ bản của thành phần thiết bị WDM

Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép –giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh

Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một hướng (gồmcác bộ ghép kênh và giải ghép kênh như đã mô tả ở hình 1.1) vàthiết bị hai hướng (bộ ghép – giải ghép hỗn hợp như ở hình 1.2).Các ký hiệu I( λ i¿ và O( λ k¿ tương ứng là các tín hiệu đã đượcghép đang có mặt ở đường chung Ký hiệu I k(λ k) là tín hiệu đầuvào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồnphát quang thứ k Ký hiệu O i(λ i) là tín hiệu có bước sóng λ i đãđược giải ghép và đi ra cửa thứ i Bây giờ ta xem xét ba tham số

cơ bản là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh như sau

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh

ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bịghép bước sóng quang WDM Suy hao này bao gồm suy hao docác điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thâncác thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyếnphải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được diễn giải tương

tự như suy hao đối với các bộ ghép (coupler) chung, nhưng cầnlưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trung:

Xuyên kênh nhằm để mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này

bị rò rỉ sang kênh khác Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dảirất rộng tùy thuộc vào trường hợp áp dụng Nhưng nhìn chung,phải đảm bảo nhỏ hơn (-30dB) trong mọi trường hợp Trong một

bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự rò công suất tín hiệu

từ kênh thứ I có bước sóng λ i sang các kênh khác có bước sóngkhác với λ i Nhưng trong thực tế, luôn luôn tồn tại một mứcxuyên kênh nào đó, và điều đó làm giảm chất lượng truyền dẫncủa hệ thống Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễngiải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau:

D i(λ k)=−10 log ⁡[U i(λ k)

I (λ k) ] (1-3)

Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ giải ghép kênh ở hình 1.3a thì

U i(λ k) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λ k do có

sự rò rỉ tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà lẽ ra thì chỉ có tín hiệu ở bướcsóng λ i Trong thiết bị ghép – giải ghép hỗn hợp như ở hình 1.3b,việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như một bộgiải ghép Trong trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyênkênh “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vàođường truyền gây ra, ví dụ như I( λ k) sinh ra U i(λ k) “Xuyênkênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó đượcghép ở bên trong thiết bị, như U i(λ j) Khi tạo ra các sản phẩm,các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từngkênh của thiết bị

Hình 1.3: Xuyên kênh a) ở bộ giải ghép kênh và b) ở bộ

ghép – giải ghép hỗn hợp

Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: dođặc tính của bộ lọc tạo ra thiết bị ghép không hoàn thiện, do phổcủa các nguồn phát chồng lấn sang nhau, do các hiệu ứng phituyến nhất là đối với trường hợp công suất các kênh bước sónglớn

Độ rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó

định ra cho từng nguồn phát quang riêng Nếu nguồn phát quang

là các diode laser thì các độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảngvài chục nanômét để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sựbất ổn định của các nguồn phát gây ra, ví dụ như khi nhiệt độ làmviệc bị thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh hoạt động Đối vớinguồn phát quang diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênhphải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phátnày rộng hơn Như vậy, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn đểtránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó được xác định tùy theo từngloại nguồn phát

1.1.4 Đặc điểm thiết kế hệ thống WDM

Thiết kế các hệ thống thông tin quang WDM đòi hỏi cần phảixem xét kỹ lưỡng các đặc tính của bộ phát và bộ thu quang Mộtvấn đề quan trọng có liên quan đến tính ổn định của tần số mang(hay bước sóng) gắn liền với từng kênh Tần số của ánh sáng phát

ra từ các nguồn laser bán dẫn DFB và DBR có thể thay đổi đáng

kể do sự thay đổi về nhiệt độ hoạt động (khoảng 10GHz/ ° C).Những sự thay đổi tương tự cũng có thể xảy ra đối với các nguồnphát có sự già hóa Những sự thay đổi tần số như vậy nói chungkhông có liên quan đối với các hệ thống truyền dẫn đơn kênhquang Nhưng trong trường hợp của các hệ thống WDM, điều quantrọng là tần số mang của mỗi kênh cần duy trì không đổi, ít nhất

là tương đối, sao cho khoảng cách kênh không biến động theo thờigian

Hiện tại có một số công nghệ được sử dụng cho việc ổn địnhtần số Kỹ thuật thông thường là sử dụng sự hồi tiếp điện tử đượcthực hiện bằng một bộ phân biệt (chọn lọc) tần số có sử dụngcộng hưởng nguyên tử hoặc phân tử để ngăn tần số laser tới tần

số cộng hưởng Ví dụ có thể sử dụng amonia, krypton hoặcaxetylene cho các nguồn laser bán dẫn hoạt động ở vùng bướcsóng 1,55 μ m vì cả ba cộng hưởng gần bước sóng đó Việc ổnđịnh tần số trong vòng 1MHz có thể thực hiện bằng kỹ thuật này.Một kỹ thuật khác là sử dụng hiệu ứng quang điện để ngăn tần sốlaser với sự cộng hưởng nguyên tử hoặc phân tử Vòng khóa phacũng có thể được sử dụng để ổn định tần số Trong một kỹ thuậtnữa, giao thoa kế Michelson, được chia độ bằng cách sử dụngnguồn Laser DFB ổn định tần số, được dùng để tạo ra một tập cáctần số chuẩn cách đều nhau

Vấn đề quan trọng trong thiết kế các hệ thống WDM là sựliên quan đến suy hao của công suất tín hiệu do suy hao xen, suyhao phân bố và suy hao truyền dẫn xảy ra liên tục Các bộ khuếchđại quang sợi đưa ra một giải pháp đơn giản là khuếch đại côngsuất tín hiệu theo chu kỳ, mặc dù chỉ do suy giảm tỷ số SNR thôngqua sự phát xạ tự phát Nhiều kênh có thể được khuếch đại một

cách đồng thời do các bộ khuếch đại quang sợi có băng thôngtương đối lớn Tuy nhiên, không phải tất cả các kênh đều đượckhuếch đại theo cùng một hệ số bởi vì phổ khuếch đại khôngđồng đều Kết quả là các công suất kênh có thể chênh lệch mộtlượng lớn (tới khoảng 10dB hoặc hơn) khi tín hiệu truyền quanhiều bộ khuếch đại đường truyền trước khi được tách ra Có một

số kỹ thuật cân bằng khuếch đại có thể sử dụng để làm bằngphẳng phổ khuếch đại của các bộ khuếch đại quang sợi và làmgiảm tính không đồng đều không mong muốn của công suất kênh.Trong các kỹ thuật đó, có một giải pháp có thể điều khiển suy haocủa các kênh riêng rẽ (qua suy hao chọn lọc) tại mỗi nút trongmột mạng WDM để taho ra công suất kênh gần như nhau Vấn đềquản lý công suất trong các mạng WDM là một chủ đề rất phứctạp và đòi hỏi có sự lưu ý tới nhiều khía cạnh Sự tích lũy củanhiễu bộ khuếch đại quang có thể cũng trở thành một yếu tố giớihạn đặc tính hệ thống khi tín hiệu WDM đi qua một số lượng lớncác bộ khuếch đại quang

1.2 Tổng quan về FSO

1.2.1 Đặc điểm của FSO

Hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO gồm những đặcđiểm nổi bật sau:

 Hệ thống thông tin quang vô tuyến Free Space Optics (FSO)

ra đời là sự thay thế sóng điện từ ElectroMagnetic (EM) bằngsóng ánh sáng Với bước sóng trong khoảng từ 780 – 1580

nm tương ứng với tần số khoảng từ 200-300THz

 Băng thông cực rộng có khả năng mang một lượng tin lớn làmột ưu điểm nổi trội của hệ thống thông tin quang vô tuyến

 Làm việc ở tần số ánh sáng nên vượt ra ngoài phạm vi củaquản lý tần số chính vậy không cần đăng ký và phân chiavùng tần số.

 Một đặc điểm không mong muốn là tín hiệu quang vô tuyến

bị suy hao nhiều trong môi trường truyền, đặc biệt là môitrường có mưa, sương mù, khói bụi…

1.2.2 Ứng dụng của FSO

*Tổ chức mạng Last mile:

 Cung cấp các kết nối linh hoạt

 Khả năng sẵn sàng sử dụng mạng và độ tin cậy cao

 Dung lượng trên 1 người dùng cao

 Giảm chi phí thiết kế thi công hệ thống

 Giảm được việc đào đường chôn cáp, giảm được việc treocáp trên cột điện

*Tổ chức mạng LAN thành phố, LAN to LAN trong các công

ty, doanh nghiệp

Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề rất lớn vềquá tải lưu lượng tại các kết nối giữa các tòa nhà Với các doanhnghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa trên tiêu chuẩn GigabitEthernet , các kết nối 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s giữa các tòa nhà

sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối

FSO có thể cung cấp 1 giao diện Ethernet trong môi trườngLAN to LAN Điều này làm giảm bớt vấn đề kinh tế trong việc thiếtlập các kết nối, giao diện giữa các khu vực, và việc hỗ trợ đơngiản

*Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho các hoạt động dưới nước

Phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìmkiếm cứu nạn… Là một nhu cầu công việc rất thiết thực phục vụtốt cho những hoạt động trên biển kể cả quân sự và dân sự.

*Tổ chức mạng băng rộng cho các vệ tinh vũ trụ

Tổ chức mạng thông tin cho các vệ tinh vũ trụ liên lạc vớinhau, liên lạc với máy bay và liên lạc với các trạm mặt đất là hoàntoàn có thể Càng cao thì không khí lại càng có ít thành phần làmcản trở hoặc phản xạ sóng hơn, so với tầng không khí gần dướimặt đất nên cùng 1 công suất phát thì cự ly liên lạc sẽ xa hơn

1.2.3 Ưu nhược điểm của FSO so với các mạng thông tin

vô tuyến khác

*Hệ thống thông tin hữu tuyến dùng cáp đồng trục

 Băng thông hẹp, suy hao tín hiệu lớn

*Những hệ thống thông tin vô tuyến

Mỗi hệ thống thông tin vô tuyến đều có ưu, nhược điểmriêng Mỗi hệ thống phục vụ một vị trí , một nhiệm vụ khác nhaunhưng có chung một nhược điểm là băng thông không được rộngbằng thông tin quang vô tuyến, chính vì vậy khả năng mang tínhiệu kém Hệ thống thông tin quang vô tuyến ra đời bổ sung thêm

ưu điểm cho hệ thống thông tin vô tuyến làm hoàn thiện thêm hệthống.

*Hệ thống thông tin cáp quang

 Cáp quang là phương tiện trội hơn vì cung cấp dung lượngthông tin lớn, độ suy hao tín hiệu nhỏ, chất lượng tín hiệucao

 Nhưng triển khai hệ thống với giá thành cao và không phùhợp với những nơi có địa hình phức tạp

*Hệ thống thông tin quang vô tuyến

 Là hệ thống thông tin vô tuyến có băng thông rất rộng, cókhả năng đáp ứng với mạng thông tin băng thông rộng

 Giá thành thấp, linh hoạt trong triển khai hệ thống

 Mang lại thẩm mỹ cho thành phố

 Suy hao tín hiệu lớn trong môi trường truyền

*Xác định chất lượng của hệ thống quang vô tuyến

Phép đo chủ yếu giá trị của hệ thống quang vô tuyến là nó

có thể truyền dữ liệu băng rộng hiệu quả, với tỉ lệ lỗi Bit (BER) cóthể chấp nhận được thường là bằng hoặc tốt hơn Công suất phátcho phép ở dải bước sóng từu 750 – 1550 nm

1.3 Giới thiệu chung về mạng WDM-FSO

Nhờ khả năng về tốc độ truyền dữ liệu cao, hệ thống thông tin liên lạc quanghọc trong không gian tự do (FSO) đang được nghiên cứu rất nhiều Với những tiến

bộ trong công nghệ, tốc độ truyền dữ liệu và khả năng bảo mật dữ liệu luôn lànhững quan tâm hàng đầu trong bất cứ hệ thống thông tin liên lạc nào FSO có khảnăng cung cấp tốc độ dữ liệu cao với mức sử dụng năng lượng thấp, băng thônglớn, miễn phí hoặc chi phí rất thấp dịch vụ tầm xa, bảo vệ cao, tỷ lệ lỗi bit thấp hơn(BER) và chi phí triển khai thấp Vì vậy, so với truyền thống, truyền thông cápquang FSO dễ dàng ghi điểm trong điều kiện không yêu cầu cấp phép và truyền dữliệu với độ rộng băng tần không giới hạn bên cạnh những ưu điểm đã biết như tốc

độ , chi phí lắp đặt cũng như tính di động Khi so sánh với liên lạc tần số vô tuyến,FSO cung cấp dải phổ an toàn và cao hơn nhiều, năng lượng đầu ra cao hơn, tránhhiện tượng nhiều đường dẫn sai lạc tín hiệu thu một cách bất thường (fading)nhưng lại đạt điểm thấp về khả năng hoạt động trong điều kiện khí quyển thay đổi.

Đây được gọi là công nghệ truyền thông không dây sử dụng tín hiệu quang

để truyền thông tin từ điểm này sang điểm khác Hệ thống quang học trong khônggian tự do bao gồm các phần sau : máy phát, máy thu và phần không gian tự do để

sử dụng sóng ánh sáng từ điểm này sang điểm khác Vì thế hệ của tín hiệu sóngmang ánh sáng, bộ phận máy phát liên quan đến nguồn quang ví dụ như đèn LEDhay Laser làm nguồn theo sau là tín hiệu thông tin được điều chế Thiết bị dò diotquang như diot PIN hoặc diot quang Avalanche(ADP) thường được sử dụng ởphần thu với nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang (đầu vào) đã nhận thành một tínhiệu tương tự để xử lý tín hiệu dữ liệu tiếp theo Thông qua nguồn laser hồngngoại, phạm vi của bước sóng cho hệ thống FSO là từ 750nm đến 1550nm Nhưnghầu hết tín hiệu 1550 nm được ưu tiên để an toàn cho mắt cũng như giảm bức xạmặt trời và cải thiện hiệu suất về mặt khoảng cách lan truyền hay giảm thiểu BER(Bit Error Rate)

Để cải thiện khả năng của hệ thống, ghép kênh phân chia theo bước sóng(WDM) được sử dụng dọc theo hệ thống FSO Bằng cách sử dụng các tín hiệu đầuvào có bước sóng khác nhau của WDM được ghép kênh để truyền đồng thời quamột kênh duy nhất Cũng tại phần đầu thu, bộ phân kênh WDM sẽ tách ánh sángriêng lẻ tín hiệu từ chùm đơn ghép kênh nhận được Sử dụng các WDM dày đặcbằng cách thay đổi số lượng kênh cho thấy hệ thống 30 kênh hoạt động tốt hơn hệthống 40, 50 và 60 kênh Hơn nữa, đối với thiết lập 30 kênh, phần bù sau kỹ thuậtcho liên kết NRZ cho giá trị BER ít nhất, theo sau là các mô hình bù trước, bù đốixứng và không bù Bên cạnh những ưu điểm của hệ thống WDM-FSO, nó cũng dễ

bị suy giảm bởi khí quyển do các hiệu ứng khí hậu gây bất lợi khác nhau Điềukiện thời tiết bất lợi như ánh sáng chói, khói mù, sương mù, mưa ảnh hưởngnghiêm trọng đến tín hiệu ánh sáng truyền dẫn tạo ra suy hao quang trong tín hiệu

Chùm tín hiệu ánh sáng truyền đi thông qua các điều kiện khí quyển khác nhau trảinghiệm hiệu ứng như hấp thụ, phân tán, tán xạ, v.v Sự tán xạ và hấp thụ khôngchọn lọc qua các hạt lớn trong không khí hoặc những giọt mưa gây ra sự suy giảmlớn trong tín hiệu ánh sáng Để nâng cao hiệu suất tổng thể và bù đắp phần hiệuứng khí hậu trong không gian tự do, bộ khuếch đại quang học thường được thựchành trong hệ thống Có nhiều loại bộ khuếch đại quang học có sẵn như: bộ khuếchđại RAMAN, bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA), Erbium, bộ khuếch đại sợi phatạp (EDFA) vv Dựa trên sự kết hợp của khoảng cách tần số giữa các kênh WDM

và điều chế tự pha, EDFA được coi là tạo ra hệ số Q và BER tốt hơn so với SOA

và bộ khuếch đại Raman

1.4 Phân tích hệ thống WDM-FSO

Hệ thống FSO (Quang học không gian tự do) sử dụng cấu hình ghép kênhphân chia theo bước sóng (WDM) cho phép gửi nhiều tín hiệu thông qua cùng mộtkênh đến một khoảng cách xa bằng cách kết hợp các bước sóng Ví dụ về hệ thốngWDM-FSO được mô tả trong Hình 1 Sơ đồ khối được đưa ra dưới đây bao gồmmột phần máy phát với nhiều nguồn sáng làm đầu vào và một phía máy thu cónhiều cảm biến quang ở đầu ra Nhiều đầu vào của người dùng được kết hợp trêncùng một kênh thông qua bộ ghép kênh WDM Tương tự, ở phía máy thu, bộ phânkênh WDM được bao gồm để tách các tín hiệu khác nhau khỏi tín hiệu ghép kênh

đã nhận Nó cũng hiển thị một kênh quang không gian trống dễ bị nhiễu do các vấn

đề khí hậu khác nhau Môi trường không gian tự do bị suy giảm do các điều kiệnkhí hậu như ánh sáng chói, sương mù, khói mù và mưa

Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống WDM:FSO Phân tích sự suy giảm tín hiệu quang do các điều kiện khí quyển:

1.4.1 Hiệu ứng nhiễu do khói mù

Khói mù là điều kiện khí quyển trong đó khói, bụi và một số hạt kích thướcnhỏ gây che khuất tầm nhìn và gây ra sự suy giảm Những hạt này tồn tại lâu hơnmưa trong khí quyển Chúng làm giảm khả năng hiển thị của tín hiệu ánh sáng tới

và liên tục chú ý đến nó Sự suy giảm của tín hiệu quang do các hạt khói mù cũng

sẽ được xác định bởi mức độ chiếu sáng trong khí quyển Có nhiều mô hình toánhọc có sẵn trong tài liệu để tính toán độ suy giảm sương mù Mô hình Kim vàKruse được sử dụng trong bài viết này để tính toán sự suy giảm do các hạt sương

- k đại diện cho bước sóng tính bằng nm, đại diện cho khoảng cách hiển thị tối đađược đo bằng Kilomét (km) và

- q đại diện cho đường kính của các hạt tán xạ

q=

{

Do sự đa dạng, sự suy giảm do sương mù là rất linh động

Trong một bầu không khí mơ hồ, sự suy giảm phụ thuộc vào đặc điểm vàthành phần của các hạt, ví dụ cho dù chúng có tính hút ẩm, và chiết suất của chúng.Nhưng khói mù gây nhiễu đối với bức xạ RF và nói chung, làm suy giảm tín hiệuánh sáng tức là bức xạ nhìn thấy chứ không phải bức xạ IR do kích thước nhỏ củacác hạt bụi mù Trong các nghiên cứu về sự suy giảm của bức xạ tín hiệu ánh sáng

do khói mù, chỉ có hiện tượng tán xạ thường được xem xét

1.4.2 Hiệu ứng nhiễu do mưa

Mưa được coi là một nguyên nhân đáng kế gây ra suy giảm đường truyềnquang trong không gian tự do Hiệu suất và độ ổn định của kết nối vô tuyến hoặcliên kết quang học bị ảnh hưởng phần lớn do trời mưa Mưa làm suy giảm tín hiệuđiện từ bằng cả tán xạ và hấp thụ, các đại lượng tỷ lệ thay đổi thông qua tỷ số giữabán kính kích thước hạt mưa và bước sóng Sự suy giảm tín hiệu ánh sáng phụthuộc vào kích thước hạt mưa rơi Kích thước giọt mưa lớn hơn sẽ làm phân tánchùm tia quang học Nếu kích thước hạt rơi lớn hơn bước sóng của tín hiệu quangthì sẽ xảy ra hiện tượng tán sắc hoặc tán xạ không chọn lọc Dạng tán xạ nàykhông phụ thuộc vào bước sóng Tính toán suy hao quang học do hạt mưa gây ra làthực hiện bởi công thức :

α = r R p ( dB km¿ (1-5)Trong đó R là đại diện cho tần suất hạt mưa rơi được tính bằng mm/h p và rđại diện cho hằng số mưa Phương trình được sử dụng để tính toán độ suy giảm cụthể với hạt mưa rơi là :

α specific = 1.076 R0.67 ( dB km¿ (1-6)Phương trình trên được sử dụng để đo giá trị cụ thể của suy hao quang họcbằng cách chỉ đặt giá trị R (mm / Hr), giá trị này có thể thay đổi đối với mưa nhỏ,trung bình và mưa lớn Sự suy giảm liên quan đến mưa phụ thuộc vào nồng độ vàmức độ nghiêm trọng của lượng mưa, hoặc tỷ lệ mưa Dữ liệu tốc độ mưa (R) đượccung cấp theo đơn vị mm/h Theo các giá trị tính toán của hệ số bức xạ điện từmưa, bất kỳ trận mưa lớn hoặc lượng mưa nào cao hơn khoảng 10 mm / giờ, sẽ làm

cho các cảm biến của máy dò quang thực tế trở nên vô giá trị trên quãng đường 1,8

km vì chỉ có khoảng 6,7% bức xạ điện từ đi qua chúng So với cường độ và tầnsuất mưa, sự suy giảm lượng mưa là một vấn đề xảy ra làm tăng mất đường dẫn,hạn chế phạm vi mạng và do đó làm giảm hiệu quả tổng thể của liên kết thông tinliên lạc

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG

2.1 Giới thiệu chung về bộ khuếch đại quang

Trên các tuyến thông tin quang truyền thống, ta đã biết rằng khi cự ly truyềndẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thỏa mãn, suy hao tuyến vượt quá giá trịcho phép thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền

Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổiquang-điện và điện-quang Điều này có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thểtruyền xa tiếp được nữa sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện

và rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền Các trạm lặpnày đã được ứng dụng khá rộng rãi và được lắp đặt ở hầu hết các tuyến thông tinquang trong thời gian vừa qua

Thời gian gần đây, với sự phát triển của khoa học và công nghệ thông tinquang, người ta đã thực hiện quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng màkhông cần phải qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kỹ thuật khuếch đạiquang Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế củatrạm lặp như về bang tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấpnguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện, v.v… Việc áp dụng các bộ khuếch đại quangvào các hệ thống thông tin quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho quá trình pháttriển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới pháttriển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới pháttriển các mạng quang hóa hoàn toàn

Các bộ khuếch đại quang là các thiết bị bù suy hao có hiệu quả nhất cho sợiquang Chúng thường được chia thành vài loại Các thiết bị này có thể khuếch đạitrực tiếp tín hiệu quang mà không thông qua sự biển đổi quang-điện và điện-quangnào Để xác định một cách chính xác thì bộ khuếch đại quang là một phần tử biếnđổi biên độ của tín hiệu đến nhưng không thể hiện việc hồi phục thời gian hoặcngưỡng quyết định Nhiều tín hiệu quang có thể diễn ra một cách đồng thời Nó cóthể trao đổi thông tin với các thiết bị điều hành hệ thống bằng việc sử dụng 1 kênhtín hiệu số, dạng tín hiệu này có thể là quang hoặc điện Bộ khuếch đại quang cónhiều điểm tương đồng so với bộ khuếch đại điện

Hình 2.1 : Mô hình khái quát bộ khuếch đại

Các điểm tương đồng của bộ khuếch đại quang với bộ khuếch đại điện:

- Khuếch đại tín hiệu

- Đưa thêm tạp âm vào tín hiệu khuếch đại

- Mức tăng ích và mức tạp âm đều có thể đo và tính được

Các điểm khác biệt :

- Băng thông khác nhau : 3THz

–

2GHz

–

2.2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA

2.2.1 Cấu tạo

*Cấu tạo cơ bản

Hình 2.2: Mặt cắt của một loại sợi quang pha ion Erbium

EDFA có thành phần chính gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạpkhoảng 0,1% Erbium Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tíchcực Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium – Doper Fiber)thường có chiều dài khoảng 10 - 20m Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm đểcung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bướcsóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách

để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống

* Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA

Hình 2.3 : Cấu trúc cơ bản của 1 EDFA

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium-EDFA: bộ khuếch đại này có con số tạp

âm thấp khoảng 5dB và băng thông khuếch đại rộng EDFA được bơm ở 980nmhoặc 1480nm

Biểu đồ mức năng lượng của ion Erbium được mô tả như hình vẽ 2.4 Er3+ ởtrạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích thích, ở mức năng lượng thấpnhất, khi bơm quang hạt Erbium hấp thụ năng lượng rồi chuyển tiếp lên mức nănglượng cao hơn Quang bơm vào có bước sóng khác nhau, các mức năng lượng cao

có hạt chuyển lên mức năng lượng cao hơn Sự dịch chuyển điện tử từ mức nănglượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra photon, photon này bức xạ cóthể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự phân hủy tự nhiên của các ion mà không cóbất cứ một động tác nào chen vào) hay kích thích (do sự có mặt của các photon cóchứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo raphoton tỷ lệ với số photon của chùm sáng) Trong quá trình bức xạ kích thích, nótạo ra số photon cùng pha cùng hướng với photon tới, như vậy là đã tạo ra đượcquá trình khuếch đại trong EDFA

Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều nàygây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE).Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ

để đảm bảo thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ionErbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích

Hình 2.4: Giản đồ năng lượng Erbium

2.2.3 Các tham số của bộ khuếch đại EDFA

a, Độ lợi:

Là tỷ số giữa công suất ánh sáng ra và ánh sáng vào

G[dB] = 10log P2

P1 (2-1)

Độ lợi của EDFA hiện đại ngày nay có giá trị trong khoảng 20dB đến 40dB, dựavào chức năng của nó, người ta có thể thiết kế chúng như bộ khuếch đại công suất,khuếch đại đường dây hay bộ tiền khuếch đại.

b, Sự bão hòa độ lợi

Độ lợi có phụ thuộc vào công suất của tín hiệu vào, dựa vàođiều sau: một tín hiệu công suất cao nghĩa là có một số lượng lớncác photon trên một đơn vị thời gian sẽ đi vào sợi quang trộnErbium Các photon này sẽ kích thích một số lượng vô cùng lớncác photon chuyển dịch từ mức trung gian (mức 2) xuống mứcthấp (mức 1) Điều này có ý nghĩa mức năng lượng trung gian sẽnhanh chóng mất đi các photon Hay nói cách khác thì công suấtánh sáng vào càng lớn thì mật độ tại mức trung gian càng thấp.Nhưng theo nguyên lý của hiện tượng phát xạ kích thích, độ lợi làtương ứng với sự khác nhau về mật độ ở mức 2 và mức 1 Từ đó,làm nghèo mức 2 có nghĩa là làm giảm độ lợi Hiện tượng nàyđược gọi là sự bão hòa độ lợi

Sự bão hòa độ lợi là một đặc tính quan trong của EDFA, đặcbiệt trong khuếch đại công suất, nơi mà tín hiệu vào hầu như đếntrực tiếp từ bộ phát quang do đó rất lớn Sự bão hòa độ lợi xácđịnh công suất ra một cách lớn nhất, thường được gọi là công suất

ra bão hòa mà EDFA có thể đạt được

c, Công suất bơm

Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kíchthích để trao đổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làmcho hệ số khuếch đại tăng lên Tuy nhiên, hệ số khuếch đại khôngthể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium đượccấy vào sợi dây là có giới hạn Ngoài ra, khi công suất bơm tănglên thì hệ số nhiễu sẽ giảm

Chúng ta cũng cần phải tính toán rằng một bộ khuếch đạiEDFA khuếch đại bao nhiêu kênh đồng thời và công suất bơmđược chia cho tất cả các bước sóng khuếch đại Nhiều bước sóngđược ghép cho tuyến truyền dẫn thì nhiều công suất bơm đượcyêu cầu để thỏa mãn hoạt động của EDFA

d, Nhiễu của EDFA