1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI ppsx

9 997 6
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 9
Dung lượng 315,97 KB

Các công cụ chuyển đổi và chỉnh sửa cho tài liệu này

Nội dung

GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ThS.. Bên cạnh vấn đề kỹ thuật cần giải

Trang 1

GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG

VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN SỢI QUANG

ThS CHU CÔNG CẨN

Bộ môn Kỹ thuật thông tin Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Thông tin quang đã dần trở thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên mạng

viễn thông của các quốc gia và xuyên quốc gia Ngày nay, các hệ thống thông tin sợi quang đã truyền tải trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra

Mục tiêu nâng cao năng lực của thông tin quang đã thúc đẩy việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công nghệ và kỹ thuật mới Trong các công nghệ đó thì công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng và công nghệ khuếch đại quang sợi được quan tâm nhất Tuy nhiên khi kết hợp hai công nghệ này vào hệ thống thông tin sợi quang đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn

đề kỹ thuật để đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông sợi quang

Bên cạnh vấn đề kỹ thuật cần giải quyết về sự khuếch đại không đồng đều giữa các kênh quang và mở rộng phổ của EDFA thì các giải pháp làm giảm nhỏ ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến là hết sức quan trọng khi áp dụng đồng thời hai công nghệ trên vào các hệ thống thông tin quang

ĐT

Summary: The optical communication has become a major transmitting means in the

national and international telecommunication network Nowadays, the optical communication systems have transmitted over 85% of the total information capacity created by Man

The target of improving capacity of optical communication system has pushed up the research and application of new technologies and techniques, of which the technology for combining the optical wave-length division multiplexing and Erbium Doped Fiber Amplifier draws most attraction However, it is essential to solve some technical issues to satisfy the requirements of the system when combining two technologies into optical communication system

Besides, the technical issues involving solution to the uneven amplification between the optical channels, measures to reduce the influence of nonlinear effects are significant when applying both technologies to the optical communication system

I GIỚI THIỆU

Dựa trên đặc tính truyền dẫn của công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing – WDM) và khuếch đại quang sợi Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier –EDFA) ta thấy khi kết hợp sử dụng hai công nghệ này là nhằm nâng cao năng

Trang 2

lực truyền dẫn của các hệ thống thông tin quang điều chế cường độ và tách trực tiếp (IM-DD)

Về mặt kỹ thuật, khi ứng dụng kết hợp hai công nghệ ngày tất yếu nảy sinh các vấn đề kỹ thuật

cần khắc phục Các vấn đề đó là:

- San bằng phổ tăng ích của EDFA nhằm đạt tới sự khuếch đại đồng đều giữa các kênh

- Mở rộng băng tần của EDFA để đáp ứng nhu cầu về số lượng kênh quang ngày càng gia

tăng

- Giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tăng dẫn tới giảm xuyên nhiễu giữa các

kênh…

Việc tìm kiếm các giải pháp để tối ưu cho các vấn đề trên cũng tức là tìm các giải pháp để

nâng cao năng lực của hệ thống

Với hệ thống thông tin quang kết hợp ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và khuếch

đại quang sợi Erbium (EDFA), ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tăng là do kết hợp ảnh

hưởng của hai công nghệ khi áp dụng trên cùng một hệ thống Hiệu ứng phi tuyến tăng không

chỉ là do công suất tổng của hệ thống WDM lớn mà còn do hệ thống luôn có sự bù công suất tổn

hao làm cho công suất trong sợi luôn luôn ở mức cao Mặt khác dải tần tăng ích của EDFA

không đồng đều làm cho có kênh quang thì công suất đỉnh rất lớn, có kênh quang thì công suất

đỉnh lại nhỏ Các vấn đề này dẫn tới ảnh hưởng phi tuyến không những tăng lên mà còn có

chiều hướng phức tạp và khó kiểm soát hơn Các ảnh hưởng phi tuyến này trong hệ thống có sử

dụng nhiều bộ EDFA luôn được tích lũy và lại gây ra xuyên nhiễu lớn hơn Bởi vậy đòi hỏi cần

có các biện pháp để tối ưu các tham số: Công suất phát, khoảng cách giữa các kênh, số bộ khếch

đại EDFA… để cho các ảnh hưởng phi tuyến này là nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được yêu cầu

tăng năng lực của hệ thống thông tin quang

ĐT

Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống kết hợp WDM và EDFA có ảnh hưởng rất lớn đến

chất lượng của hệ thống, đặc biệt là hệ thống ghép kênh quang với mật độ cao Cho nên, để tạo

ra được các hệ thống kết hợp WDM và EDFA có năng lực lớn thì vấn đề tối ưu các ảnh hưởng

này là rất cần thiết Các hiệu ứng đó bao gồm: các hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích

(Stimulated Brillouin Scattering – SBS), tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman

Scattering- SRS), hiệu ứng trộn bốn bước sóng (Four Wave Mixing -FWM) và các hiệu ứng liên

quan đến hiệu ứng Kerr như hiệu ứng tự điều chế pha (Self-Phase Modulation – SPM), điều chế

pha chéo (Cross-Phase Modulation - XPM)

Trong đó, với các hiệu ứng tán xạ thì hiệu ứng SBS chỉ ảnh hưởng lớn khi ta sử dụng các

bộ nguồn laser có độ rộng phổ rất hẹp (hiện tại các laser này chưa được dùng nhiều đối với cả

các hệ thống có tốc độ rất cao) Nói cách khác chưa cần phải xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng

SBS tới chất lượng hệ thống

Với các hiệu ứng phi tuyến liên quan đến hiệu ứng Kerr trong các hệ thống WDM có N

kênh, nếu các kênh có các công suất phát như nhau thì hiệu ứng XPM có ảnh hưởng lớn gấp N

lần hiệu ứng SPM cho nên có thể bỏ qua việc phân tích SPM mà tập trung vào phân tích ảnh

hưởng của hiệu ứng XPM

Trang 3

II GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG XPM

Hiệu ứng XPM không chỉ gây ra các ảnh hưởng tới tán sắc của hệ thống mà còn gây ra sự giãn rộng phổ của kênh quang Với sự ảnh hưởng tới tán sắc thì hiệu ứng này tạo ra các tán sắc

âm, tức là làm co hẹp độ rộng các xung, điều này không gây ảnh hưởng gì lớn đến chất lượng hệ thống Nhưng với ảnh hưởng làm giãn rộng phổ của kênh không những làm méo cường độ của kênh mà còn có thể ảnh hưởng tới các kênh lân cận nếu khoảng cách giữa các kênh không được đảm bảo

Để giải quyết vấn đề ảnh hưởng giãn rộng phổ của hiệu ứng XPM tới các kênh lân cận thì cách tốt nhất là đảm bảo khoảng các kênh an toàn Đảm bảo khoảng cách kênh an toàn cũng có nghĩa là giảm độ rộng phổ của các nguồn phát quang trong hệ thống WDM, tức là sử dụng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp hơn Hiện nay sử dụng các chuẩn theo khuyến nghị của ITU-T với công suất nhỏ hơn 5 mW trên một kênh thì ảnh hưởng của của xuyên nhiễu của các kênh lân cận do XPM là không đáng kể Tuy nhiên, nếu công suất phát càng lớn thì sự mở rộng phổ của tín hiệu do hiệu ứng XPM càng lớn vì thế việc phân tích phổ ảnh hưởng của XPM gặp khó khăn Vấn đề tính khoảng cách kênh cho các hệ thống WDM có nhiều kênh sẽ không thiết thực vì thế phải tính toán mức công suất ảnh hưởng của hiệu ứng XPM để bù cho nó

Bằng việc phân tích phổ lan truyền của tín hiệu biểu diễn dưới dạng phương trình Schoedinger phi tuyến và áp dụng phương pháp hàm chuyển đổi chuỗi Voltera biến đổi Bo Xu

đã đưa ra kết quả như sau:

ĐT

Méo cường độ của một kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k là :

( )

( ) ( ) (A , L A , L) )

L 2 exp(

P

) L exp(

P ) L 2 exp(

P

L , A exp ) L 2 exp(

P ) L , ( P

' k , X k

, X 0

0 2

0 k k , X 0

k , X

ω + ω α

α

⎟⎟

⎜⎜

α

ω α

= ω

Trong đó: Trường lan truyền của kênh thứ k tại độ dài L là:

2 2

0 k

2 k

, X

2

j k

j

P 0 , P D 2

j exp L 2

exp j 2 L , A

ω β

− ω ω Δ β + α

ω

⎛− ω

⎛ α− γ

Méo cường độ của kênh bất kỳ do hiệu ứng XPM của kênh thứ k là :

(3)

Trong đó M là số bộ khuếch đại của một tuyến, N là số kênh của tuyến

β + α

ω ω

α

− γ

≈ ω Δ

k j

2 / D sin 0 , P L exp P 4 L , P

2

2 k

0 k

, X

(4)

(N 1) P ( , L)dz M

P

L

0

k , X

= Δ

Trang 4

ng sử dụng WDM

và EDFA đã có sự bù tán sắc như sau :

Hình 1 Mô hình của tuyến thông tin quang sử dụng WDM và EDFA

rong mô hình trên, tuyến truyền dẫn có sử dụng M bộ khuếch đại EDFA, L là khoảng

sợi c

sợi dịch chuyển tán sắc DSF là có FWM lớn đến mức có thể gây ra suy giảm công suất của các kênh do nó tạo ra điều kiện kết hợp

pha

mới nằm trong băng tần của của các kênh trong hệ thống Công suất bị ảnh hưởng là :

ỨNG X

Để thuận tiện cho việc phân tích ta sử dụng mô hình tuyến thông tin qua

T

Hiệu ứng FWM có khả năng gây ra suy giảm công suất của tín hiệu quang và gây ra xuyên

nhiễu cho các kênh của hệ thống WDM Thực tế thì chỉ có

Các sợi có tán sắc thường có ảnh hưởng của FWM nhỏ Khi tổn hao công suất kênh do

hiệu ứng FWM cho các kênh là không đáng kể thì hiệu ứng FWM có thể được coi như chỉ có

ảnh hưởng xuyên nhiễu tới các kênh của hệ thống

dụng WDM và EDFA vì nó có thể tạo ra các bước sóng

ijk

1 e

k j i 2 ijk 2 2 4

2 6

2 2 1

e A

A

0 ( ) 0 ( P ) 0 ( P d c n

1024

η λ

χ

2 e

) P

Trong đó:

, P , P : là các công suất ánh sáng đầu vào với các tần số f , f , f

c sóng

i tuyến bậc ba

ệu dụng tương ứng của sợ

c : vận tốc ánh sáng

2

1, A

η

EDFA

Bộ lọc EDFA

L2

L

Trang 5

) 2 ( ijk 2

L ) j L

) j ( L ) j (

1 e

1− −α1−Δβ(ijk1) 1 − α − Δ β(1) ( 2−

) 1 ( ijk ijk

j

e e

j

2 ) 2 ( ijk 1

ijk 1

β Δ

− α

− +

β Δ

= η

β Δ α

(6)

(7)

m = 1 hoặc 2

FWM tạ

1

α

[f f ) f f )]

d

dD c 2 D ) f f )(

f f c

0 j ) m ( 0 i

) m ( 2 ) m ( k j k i

2 )

m (

⎜⎜

λ

λ +

πλ

= β Δ

ệ thống N kênh bước sóng có khoảng cách kênh đồng đều thì tổng côn

o ra tại bước sóng fn là :

− +

= i j k

n f f f f

ijk ijk 0

n

Đây cũng chính là mứ trung

α α

− ( 1 L 1 2 L 2 ) η 2 3

các kênh với Laser là cỡ ~ 0.1 nm) do đó FWM cũng tạo ra chùm các bước sóng ảnh hưởng

nhiễu ASE là:

= P

Với các hệ thống kết hợp WDM và EDFA nhiễu ASE là thành phần cố hữu vì thế cách tốt nhất là phải bù công suất cho nó Như vậy, công suất phát yêu cầu để đảm bảo tỉ số tín hiệu trên

ĐT

).

L L /(

L ) 1 e

( B hvn SNR 2

0 sp 0

n ) L L ( 0 FWM P e /P

Từ các phương trình (8) và (10) ta có :

=

FWM

SNR

2 2

2

− +

=

α + α

α + α

k j i n

2 2 1 1

1 1

f f f f

ijk ijk L

L ( 3 0 2

) L L ( 0

e P bM

e P

Trong đó M là số bộ khuếch đại EDFA

2

1 L L

L M

+

− +

=

α

=

k j i n

2 2 1

f f f f

2 ijk ijk 2

2 )

L L 0 sp 0

FWM

d b

M M ) 1 e

( B hvn SNR 2

1

Trang 6

tuyến và số bộ khuếch đại sao cho phù hợp (tức là điều chỉnh M và khoảng cách giữa các bộ

chiều dài

FWM

i L1+ L2

2 / 1 2 / 1 2 ijk ijk N , , 2 , 1 n FWM L

L 0 sp

0hvn B (e 1) (SNR b SNR

= α

α

2 1

d min

η

(13)

khoảng cách cần khuếch đại tín hiệu (

max

L L

điều ch

2

1 L

Từ các phương trình (12), (13) ta thấy có thể tìm được số kênh, khoảng cách tuyến và

khoả

nghiên cứu ảnh hưởng của tán xạ SRS và nhiễu ASE trong hệ thống sử dụng WDM và

EDFA ta cũng sử dụng mô hình tuyến như hình 1 ở phần trên

ất của kênh thứ n tại cuối đoạn thứ 1 với c

ng cách kênh tốt nhất với mức yêu cầu về SRN nhất định cho ảnh hưởng của hiệu ứng

FWM

IV GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA SRS VÀ NHIỄU ASE

Để

Theo phân tích của [D.N.Christodoulides] thì công su

ông suất phát như nhau ở mỗi kênh là:

⎟⎟

⎜⎜

⎛ Δ

⎛ Δ

1 e

1 e 0 2 ' 1

1 e 0

' 1

A 4

L P fN g sinh

L fNP g sinh

Δ

1 e

1 e 0

' 1 L

0 1

n

A 4 1

N n A

4

L fNP g exp e

NP ) L

(

(2n N 1)

exp

=

Trong đó:

: tương ứng là suy hao của các sợ : tương ứng là vùng hiệu dụng của các sợ

i L1, L2

1

iL1, L2

df

dg1

= ,

' '

2

1

1

g

df

dg2

=

'

2

: là khoảng cách kênh của hệ thống

Từ phương trình trên (14) ta thấy công suất vào của đoạn thứ 2 (sợi bù tán sắc) là khác

1

L / e

1

(

f

Δ

Trang 7

ĐT

nhau do đó theo [D.N.Christodoulides] ta có công suất tại đầu vào bộ khuếch đại EDFA là:

= +

' 2 N

2 e 0

1 n 2 1 n

L ) 1 m ( fJ g exp ) L ( P

A 2 exp

e J ) L ( P ) L L (

=

α

2 e

1 1 m m

2 e 0

' 2 L

A 2

L ) 1 n ( fJ g

2 2

Trong đó:

: là độ dài ảnh hưởng (độ dài hiệu dụng) của sợi bù tán sắc

v (15) cho thấy ảnh hưởng của tán xạ Ram

và xuyên kênh gây ra cho các kênh khác

Khi tín hiệu các kê

n

Tiếp tục áp dụng công thức (15) cho tới khi tới bên nhận ta sẽ có được công suất của các kênh

=

= N

1 m

1

m(L )

=

1 m

0 exp(2m N 1) aP

0

J

2

L 2

e (1 e )/

L = − − α 2 2 α

nh được khuếch đại tại EDFA thì công suất của đầu ra là

khi chịu ảnh hưởng của tán xạ Raman trong cả tuyến Khi đó ảnh hưởng của xuyên kênh

ạ R

2 1 )

L L ( 0

2 1 m ) L L ( 0

L L

L e

P

) L L ( P e

P XT

1 1 1 1

2 2 1 1

+

+

phát, số bộ khuếch đại EDFA của tuyến và khoảng cách giữa các bộ khuếch đại

cho nhiễu A

(18) , tuy n công thức này rất phức tạp

Để đơn giản ta có thể sử dụng sợi thay thế cho hai sợi trên với các tham số tương ứng được định

) L L (

).

L L /(

L ) 1 e

( B hvn SNR 2

0 sp 0

0 = α1 1+ α2 2 − +

nghĩa:

=

⎟⎟

⎜⎜

1

1 2 1

1 1

L L

L

) L z ( 2

L 0 ' 2 L

0

z 1 0 ' 1 eff

'

A

e P g dz e A

P g A

L g

Trang 8

Do đó:

eff

'

A

L g

⎟⎟

⎜⎜

2

L L

2

' 2 1

L 1

'

1

1 1 e

e A

g e

1 A

g

α

− +

α

2

1

2

L L

1

1 1 1

e e

1

α

− +

α

eff

Từ phương trình (14) ta có công suất tại đầu vào bộ khuếch đại EDFA là:

ĐT

⎟⎟

⎜⎜

⎛ Δ

=

eff

0

eff

' 0 )

L L ( 0 2

1

n

A 4

sinh

A 4 sinh n

A L g 4

fNP exp e

NP )

L

L

(

(22) Với xuyên kênh SRS tối đa cho một kênh là:

(23)

ễu theo công suất phát (đã bù cho nhiễu

công suấ phát số kênh khoảng cách giữa các kênh và số bộ khuếch đại trên tuyến

Đồng thời ta cũng có công thức tối ưu cho khoảng các đường truyền theo độ dài khuế đại

và công suất phát (đã được bù cho nhiễu ASE) như sau :

⎛ΔfNP ⎛g ' L⎞

' 0 2

eff

L g P fN 1

N

2 1 eff

' 0 2

eff

' 0

eff

' 0

L L L A

L g 4

P fN sinh

A L g 4

fNP sinh

A L g 4

) 1 N ( N fP exp

N 1

TX

+

⎟⎟

⎜⎜

⎛ Δ

⎟⎟

⎜⎜

⎛ Δ

⎟⎟

⎜⎜

− Δ

=

Như vậy từ phương trình này ta có thể tối ưu nhi

t ASE) số bộ khuếch đại Để có được TX như mong muốn ta phải dàn xếp các tham số

ch

⎟⎟

− Δ

⎜⎜

⎛ Δ

+

=

' 0 '

2 1 max

A

g 4

fNP sinh

TX ) L L ( L

eff

0

A 4

nh

L L

g ) 1 N ( N fP

Tương tự như trên, để có được khoảng cách tuyến truyền dẫn là lớn nhất ta phải dàn

các tham số : công suất phát, số bộ khuếch đại trên tuyến, và mức nhiễu tốt nhất có thể

Trong trường hợp có xuyên nhiễu giữa các kênh nhỏ thì

(24)

' 2

eff eff

0

L g P fN si

A 4

exp N 1

xếp

eff

' 0

A

L g f

⎜⎜

thức xuyên âm tối đa trở thành:

Trang 9

2 1 eff

'

L A

L g f P ) 1 N ( N 4

1 TX

+

⎟⎟

⎜⎜

⎛ Δ

Lúc này ta có công thức tối ưu cho khoảng cách của đường truyền là:

2 / 1

ĐT

eff

A ⎟⎟ ⎥⎥⎦

⎜⎜

' L

L 0

sp 0

2 1 max

L g 1 e

f ) 1 N ( N B hvn SNR

) TX 1 ( 2

2 2 1 1

− Δ

α α

hoảng cách tuyến và

V KẾT LUẬN

Các hệ thống thông tin quang sử dụng kết hợp WDM và EDFA xu hướng ngày càng được

sử dụ

ng của các hiệu ứng phi tuyến Tùy theo số lượng bước sóng được sử dụng, cự ly thông tin và các điều

ể khác mà có các giải pháp, tính toán chi tiết nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật

và hi

ong hệ thống thông tin sợi quang Tạp chí khoa học GTVT – Trường Đại học Giao thông Vận tải 11/2005

[2] C u Công Cẩn Mở rộng phổ tăng ích của EDFA khi kết hợp ghép kênh quang theo bước sóng và khuếch đại quang sợi trong hệ thống thông tin sợi quang Tạp chí khoa học –Trường Đại học Giao thông

Lowell L Scheiner Fiber-Optic Communications Technology Prentice Hall ,

djevic Optimization of channel spacing in WDM Transmission systems with dispertion

ks in the presence of fiber nonlinearities may 2001, Journal of Lightwave Technology

dy of fiber nonlinear effects on fiber optic commnication system –Bo Xu♦

) L L (

Từ các phương trình (25), (26) ta thấy có thể tìm được số kênh, k

ng cách kênh tối ưu nhất với mức yêu cầu về SNR nhất định cho hiệu

ng mạnh mẽ trên mạng lưới Để các hệ thống nói trên hoạt động một cách có hiệu quả về năng lực và chất lượng thì phải giải quyết đồng bộ các vấn đề kỹ thuật như san bằng phổ, mở rộng phổ tăng ích của các bộ EDFA đồng thời phải đánh giá và hạn chế các ảnh hưở

kiện, yêu cầu cụ th

ệu quả kinh tế

Tài liệu tham khảo

[1] Chu Công Cẩn San bằng phổ tăng ích của EDFA khi kết hợp ghép kênh quang theo bước sóng và

khuếch đại quang sợi tr

h Vận tải 6/2008

[3] Rajiv Ramaswami, Kumar N Sivarajan Optical Networks: A Practical Perspective Academic Press

2002

[4] Djafa K Mybaev,

2001

[5] Ivan B Djor

compensated lin

[6] Stu

Ngày đăng: 10/07/2014, 18:21

HÌNH ẢNH LIÊN QUAN

Hình 1. Mô hình của tuyến thông tin quang sử dụng WDM và EDFA. - GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI ppsx
Hình 1. Mô hình của tuyến thông tin quang sử dụng WDM và EDFA (Trang 4)

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

🧩 Sản phẩm bạn có thể quan tâm

w