đề tài xây dựng hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch đại quang edfa

Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM Chức năng của các khối: • Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là Laser với các yêu cầu như là có độ rộng phổ hẹp, bước

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Kỹ Thuật Thông Tin Quang Nâng C ao

Đề Tài: Xây dựng hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch

đại quang EDFA.

Giảng viên hướng dẫn: Lê Thanh Thủy

Sinh viên thực hiện: Nhóm 2 – L10CQ VT03 B

Danh sách sinh viên nhóm 2:

1 Nguyễn Anh Sơn

I Tổng quan hệ thống WDM

1 Định nghĩa

 Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng được ghép lại và truyền chung trên một đường truyền quang được gọi là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght

Division Multiplexing)

2 Các dải băng tần hoạt động trong WDM

O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm  nm

E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm  1460 nm

S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm  1530 nm C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm  1565 nm

L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm  1625 nm

- Chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang.

- Khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng

- Số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng

- Thiết kế hệ thống song hướng khó hơn.

- Các hệ thống khuếch đại trong hệ thống song hướng có cấu trúc phức tạp hơn so với hệ thống đơn hướng nhưng có công suất quang đầu ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng

- Chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang

- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần

- Nếu hệ thộng sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn 4 bước sóng khá gay gắt

5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

Chức năng của các khối:

• Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là Laser với các yêu cầu như là có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm trong giới hạn cho phép

• Ghép / tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền qua sợi

quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các

bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot

• Thu tín hiệu: Sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường : PIN, APD

- Bộ khuếch đại quang (OA)

- Bộ xen rẽ bước sóng (OADM)…

6 Các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống WDM

 Khoảng cách giữa các kênh: Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu

chuẩn giữa các kênh gần nhau Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần

và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau Một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này:

• Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

• Quỹ công suất quang

• Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

• Độ rộng phổ của nguồn phát

• Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM

 Suy hao quỹ công suất của hệ thống WDM

Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một

mức BER cho phép

Để máy thu thu được thông tin thì công suất tín hiệu đến máy thu phải nằm trong dải công suất của máy thu

Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ

Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max

Như vậy để đảm bảo được thông tin thì công suất phát phải càng lớn khi

cự ly truyền dẫn càng lớn Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi

công suất của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó Đối với các

hệ thống WDM thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM chủ yếu gồm: Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại:

- Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR

- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và FWM

II Bộ khuếch đại quang EDFA

1 Cấu trúc bộ khuếch đại quang EDFA

silica d=1,25µm Er3+

d=250µ m

Ge d=3-6µm Δn=0,01- 0,05 quang

- EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium

- Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng 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 tổng quát bộ khuếch đại EDFA - Mặt cắt ngang của một loại

sợi quang pha ion Erbium

2 EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng

 Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch đại quang sự dụng trong hệ thống WDM cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa

ra cao Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng vì đây là yêu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn WDM đối với EDFA

- Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

- EDFA phải có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh

3 Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang

• Trường hợp BA (đặt ngay sau máy

phát): Cho tỷ số SNR lớn hơn trong

trường hợp khoảng cách truyền dẫn

ngắn, dễ giám sát và điều khiển Tuy

nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi quang Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát

• Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thể cho công suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của

EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào máy thu do ít bị suy giảm Điều này giới hạn

tỷ số SNR

• Trường hợp PA (đặt giữa đường

truyền): Ở trường hợp này, ta có thể tăng công suất phát và hệ số khuếch đại

EDFA một cách hợp lý để đạt được công suất tín hiệu và SNR thích hợp

4 Các ưu điểm của EDFA

- EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi nên mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn

- EDFA có cấu trúc nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, do đó có thể làm cho hệ thống linh hoạt hơn

- Có thể hạ thấp được giá thành của hệ thống do có cấu trúc đơn giản của EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ nâng cao được khoảng cách lặp

và dung lượng truyền dẫn

- Đối với bộ khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm

1480nm cho hiệu quả tốt hơn đối với bước sóng tín hiệu đang được dùng phổ biến hiện nay là 1550nm

- Các hệ thống thông tin sợi quang đường dài có thể sử dụng chuỗi EDFA trong truyền dẫn Cự ly truyền dẫn có thể đạt được xa hơn nhờ sử dụng các EDFA, có nhiễu thấp và độ khuếch đại cao

III Sợi quang đơn mode chuẩn G.652

1 Cấu tạo sợi quang

 Sợi quang sử dụng là loại đơn mode Lõi của sợi quang làm bằng SiO2 và các chất phụ gia khác, đảm bảo có chỉ số chiếc suất của lõi sợi quang lớn hơn chỉ số chiếc suất của lớp vỏ phản xạ Lớp vỏ phản xạ của sợi quang làm bằng SiO2 Lớp bảo vệ sơ cấp làm bằng vật liệu chống được tia cực tím, đảm bảo sợi quang không bị suy hao do uốn cong và trầy xước

2 Các yếu tố ảnh hưởng

 Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ

thống thông tin quang, bao gồm : Tán sắc, suy hao, hiệu ứng phi tuyến Đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau:

+ Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao

+ Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc

+ Đối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài hai yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến

 Sợi quang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong các hệ thống là sợi đơn mode SMF-28, G.652 Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang này theo chuẩn của sợi quang đơn mode chuẩn Các đường cong mô tả tán sắc và suy hao của sợi đơn mode cho thấy rằng suy hao của sợi đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng bước sóng 1550 nm nhưng tán sắc có giá trị thấp nhất lại ở bước song

1300 nm

3 Thông số kĩ thuật

3 Đường kính trường mode tại bước sóng

8 Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1310nm ≤ 0.36 dB/km

9 Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1550nm ≤ 0.22 dB/km

10 Hệ số tán sắc tại bước sóng 1550nm ≤ 18 ps/nm.km

12 Hệ số tán sắc mode phân cực PMD ≤ 0.2 ps/km 1/2

IV Thiết kế hệ thống WDM bằng Optisystem

1 Bài toán: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có

sử dụng khuếch đại quang EDFA với các yêu cầu thiết kế như sau:

Tốc độ bit: 10 Gbit/s

- Chiều dài chuỗi: 128 bits

- Số mẫu trong 1 bit: 64

- Cự ly truyền dẫn: 300 km

Số lượng kênh bước sóng: 4 kênh

Sử dụng:

- Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn(G.652)

- Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser

- Phương thức điều chế: điều chế ngoài

- Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel

Sử dụng các thiết bị đo cơ bản:

- Thiết bị đo công suất quang

- Thiết bị phân tích phổ quang

- Thiết bị đo BER

2 Thiết kế hệ thống

Phía phát

- Nguồn phát quang lazer CW lazer array

- Bộ phát xung RZ pulse genarator

- Bộ phát bít điện User Defined Bit

- Điều chế Mach-zehnder Modulator

Do hệ thống WDM ghép 4 kênh tín hiệu nên phía đầu phát sẽ bao gồm có 4 bộ phát Thiết bị được sắp xếp như trên được goi là phương pháp điều chế ngoài

Do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1

 Phía thu

- Bộ tách kênh Demux 1x4

- PIN kết hợp bộ lọc thông thấp Bessel

- Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có thiết bị đo Ber, genarator 3R được đặt ở vị trí thích hợp

 Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc được thực hiện bằng sợi bù tán sắc DCF Như vậy việc bù tán sắc là cần thiết để đạt chất lượng tín hiệu đầu ra cao, và BER có giá trị nhỏ.

- Thông số sợi bù tán sắc DCF:

Biết D1(hệ số tán sắc G.652)=16.75 ps/nm/km, 1(hệ số suy hao G.652)=0.2 dB/km, S1(độ dốc tán sắc G.652)=0.075ps/nm2/km

D2(hệ số tán sắc DCF)= -85 ps/nm/km, 2(hệ số suy hao DCF)=0.5, dB/km

Mà: S2 = - S1*(L1/L2) = - S1*(D2/D1)

=> S2= -0.075ps/nm2/km (-85 ps/nm/km : 16.75 ps/nm/km)= 0.38ps/nm2/km

=> L2= | -(L1*D1)/D2 | Chọn L1=50 km => L2=9.8 km Để đáp ứng yêu cầu đề bài với cự ly truyền dẫn là 300 km thì phải chọn L2= 10 km

=> Số vòng Loop cần dùng là: 300/(50+10) = 5

- Vòng lặp (hạn chế sự cồng kềnh cho hệ thống mà vẫn đảm bảo cự ly

truyền dẫn)

 Do tín hiệu được truyền trên sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây

ra suy hao sợi quang, và làm suy giảm công suất phát tín hiệu Để khắc phục hiện tượng suy giảm công suất và suy hao tín hiện nên khi thiết kế hệ thống WDM sử dụng thêm bộ khuếch đại EDFA Với hệ số khuếch đại G đúng bằng lượng suy hao trên tuyến

+ Gọi G1 là hệ số khuếch đại của EDFA1

G2 là hệ số khuếch đại của EDFA 2

Công thức: G2 = |G1 – α1 × L1 – L2 × α2|

=> Chọn G1= 10 dB thì G2 = |10 – 0.2 ×50 - 0.5 × 10 |= 5 dB

 Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh

 Các tham số toàn cục bao gồm có:

-Tốc độ bit (Bit rate)= 10Gbit/s

-Chiều dài chuỗi bit (Bit Sequence length)=

128 bit

-Số lượng mẫu trên mỗi bit (Number of

samples per bit)= 64

 Các tham số trên được sử dụng để tính toán:

- Cửa sổ thời gian (Time Window)= chiều dài chuỗi bit * 1/ tốc độ bit

- Cửa sổ thời gian = 128*1/ 10000000000= 1.28* 10^-8(s)

- Số lượng mẫu (Number of samples)=

chiều dài chuỗi bít* số mẫu trên một bit

 Thay đổi thông số để đạt Ber bằng 10^-12 theo yêu cầu.

- Có rất nhiều cách thay đổi chỉ số BER của hệ thống:

+ Thay đổi tốc độ bit

+ Thay đổi công suất phát

+ Thay đổi hệ số khuếch đại

+ Thay đổi cự ly truyền dẫn

- Trong phần mô phỏng theo yêu cầu đề bài, để chuyển Ber = 10-12 ta chọn phương pháp thay đổi công suất nguồn phát

- Đối tượng chủ yếu cần thay đổi thông số trong mạch đó công suất phát quang laser

- Do hệ thống WDM thực hiện tốc độ 10Gbit/s có dải tần 100Ghz Nên

khoảng cách của các băng tần này là 0.8nm (Băng C)

 Giả sử chọn frequency của CW lazer = 1552.52nm thì các kênh tiếp theo

có giá trị hơn kém nhau là 0.8nm

Tương đương dải tần của laser ở đơn vị THz cho 4 laser đầu vào lần lượt là:

+ Kênh 1 chọn tần số 193,1 THz

+ Kênh 2 chọn tần số 193,2 THz

+ Kênh 3 chọn tần số 193,3 THz

+ Kênh 4 chọn tần số 193,4 THz

Thiết lập tham số quét: Mục đích của việc này là tìm ra mức công suất phát phù hợp để đo được chỉ số BER hợp lý trên đường truyền Với 14 lần quét các mức công suất khác nhau sẽ thu được các giá trị BER khác nhau và từ đó tìm

ra mối liên hệ giữa công suất phát và BER

- Chọn dải quét từ 0 -10

 Sau khi chạy xong ta vào phần REPORT để xem,chọn thông số Ber và công suất phù hợp

- Vào CW Laser array>Parameter>Power kéo thả vào trục X của đồ thị

- Vào BER Analyzer>Result> Min log of BER Kéo thả vào trục Y của đồ thị, ta được kết quả :

- Ta chọn được thông số công suất phát là :-7.89dBm thì sẽ cho ra Ber theo yêu cầu của bài toán là :10^-12

 Chúng ta lấy công suất phát là :-7.89 dBm và chạy lại chương trình 1 lần nữa

- Ber sau quá trình chạy của kênh 1 là :

- Tiến hành tương tự cho các kênh còn lại

 Xem các thông số qua các thiết bị đo:

- Đo công suất đầu ra máy phát

- Đo công suất đầu vào máy thu

- Phổ tín hiệu vào

- Phổ tín hiệu ra

 Thông số của các kênh ( CH1,CH2,CH3,CH4).

Kết Luận

 Do nhu cầu ngày càng gia tăng về dung lượng truyền dẫn, hệ thống WDM

sẽ đáp ứng được nhu cầu hiện nay Tuy nhiên, nếu sử dụng các bộ khuếch đại EDFA thông thường vào hệ thống WDM thì số lượng kênh của WDM lại bị hạn chế.Trong hệ thống thông tin quang WDM cự ly dài cần phải có bộ

khuếch đại chuyển tiếp đối với tín hiệu quang Yêu cầu quan trọng đối với bộ khuếch đại trong hệ thống WDM là bộ khuếch đại quang phải sử dụng công nghệ tăng ích bằng phẳng Hiện nay người ta thường sử dụng bộ khuếch đại quang pha trộn Erbium (EDFA) vì nó có cùng một tăng ích như nhau đối với tín hiệu quang có bước sóng khác nhau.Bộ khuếch đại EDFA khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp…thể hiện rõ tính ưu việt của kỹ thuật dẫn trên cáp sợi quang

 Trong quá trình làm báo cáo, nhóm em đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những sai sót rất mong nhận được sự góp ý, từ cô giáo cũng như của các bạn để bài báo cáo của chúng em được tốt hơn