tai lieu HFA docx

Chương 1: Tổng Quan Về Khuếch Đại Ghép Lai HFA1.1 Sơ lược về khuếch đại quang EDFA 1.1.1 Cấu tạo khuếch đại quang sợi EDFA a Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA: Hình 1.1 Cấ

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Trong những năm gần đây, cùng với sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu băng rộng và sự phát triễn của các mạng truy cập mới như ADSL, FTTx, nhu cầu về dung lượng mạng tăng lên nhanh chóng, đặt biệt là các dịch vụ liên quan đến dữ liệu Để thoả mãn nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng gia tăng và đa dạng về các loại dịch vụ băng rộng, các mạng đường trục cần tăng nhanh dung lượng truyền tải Ngoài ra để vừa đảm bảo chất lượng dịch vụ, bảo vệ dữ liệu, tình trạng sử dụng được mạng (nhất là trong giờ cao điểm về thông tin) cần tạo ra khả năng cung ứng càng cao càng tốt so với nhu cầu thông tin Các hệ thống thông tin trong thực tế sử dụng công nghệ WDM kết hợp khuếch đại EDFA đã phần nào đáp ứng được nhu cầu này với tốc độ bit phổ biến hiện nay của mỗi kênh truyền dẫn là 10 Gb/s và sắp đến sẽ là 40 Gb/s Tuy nhiên, khi dung lượng tăng cao hơn nữa thì các hệ thống này sẽ gặp khó khăn vì mật độ kênh trong băng C lúc này là quá cao, đồng thời công suất tín hiệu đưa 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 giải quyết vấn đề này, một giải pháp được đưa

ra là sử dụng EDFA kết hợp với khuếch đại Raman phân bố tạo thành bộ khuếch đại ghép lai EDFA-Raman gọi tắt là bộ khuếch đại ghép lai HFA

2 Ý nghĩa thực tiễn:

Với bộ khuếch đại ghép lại HFA này, nó tăng được dung lượng thông tin nhờ có thể làm việc trong các dải băng tần E, S, C và L Ngoài ra, bộ khuếch đại Raman phân bố đặt trước EDFA có vai trò như một bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp, khuếch đại Raman không yêu cầu mức tín hiệu vào cao do đó giảm được các hiệu ứng phi tuyến đồng thời tín hiệu không giảm xuống ở mức quá thấp khi có sử dụng khuếch đại Raman, hay nói cách khác, khuếch đại Raman nâng mức công suất tín hiệu vào của EDFA vì vậy tỉ số tín hiệu trên nhiễu được duy trì ở mức cao Kết quả là khoảng cách giữa các bộ khuếch đại tăng lên hay tốc độ bít cao hơn Bên cạnh đó, khoảng cách giữa các kênh gần hơn nhờ giảm được các hiệu ứng phi tuyến Nhiều thí nghiệm được thực hiện đã chứng minh những ưu điểm trên của khuếch đại Raman Người ta dùng kĩ thuật khuếch đại Raman phân bố cho cả hai băng C và L trong các hệ thống truyền dẫn WDM khoảng cách dài

Như vậy, hệ thống sử dụng kĩ thuật khuếch đại HFA sẽ có được các ưu điểm của cả hai bộ khuếch đại EDFA và Raman như độ khuếch đại lớn (nhờ EDFA), khoảng cách giữa các bộ khuếch đại lớn, khoảng cách kênh nhỏ (nhờ Raman), băng thông khuếch đại rộng hơn Ngoài ra, việc nâng cấp hệ thống EDFA theo phương án HFA cũng được tiến hành đơn giản vì có thể giữ nguyên cấu hình cũ, chỉ cần thêm các bộ khuếch đại Raman phân bố dọc tuyến với công suất bơm hợp lí Với những ưu điểm này, việc ứng dụng kĩ thuật HFA vào các hệ thống thực tế sẽ đáp ứng được những nhu cầu về dung lượng đang ngày càng tăng nhanh trong tương lai.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

1.Lý do chọn đề tài: 1

2.Ý nghĩa thực tiễn: 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG BÀI 6

Chương 1: Tổng Quan Về Khuếch Đại Ghép Lai HFA 8

1.1 Sơ lược về khuếch đại quang EDFA 8

1.1.1 Cấu tạo khuếch đại quang sợi EDFA 8

1.1.2 Giản đồ phân bố năng luợng của EDFA 10

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA 11

1.1.4 Đặc điểm của EDFA 12

1.2 Sơ lược về khuếch đại Raman 12

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại Raman: 12

1.2.2 Giản đồ năng lượng của bộ khuếch đại Raman 13

1.2.3 Nguyên lí hoạt động của Raman 14

1.2.4 Đặc điểm của khuếch đại Raman 14

1.3 So sánh một số tính năng của bộ khuếch đại EDFA và Raman 15

1.4 Khuếch đại ghép lai HFA 15

1.4.1 Cấu trúc của bộ khuếch đại HFA: 15

1.4.2 Nguyên lí hoạt động: 16

1.4.3 Ưu điểm của bộ khuếch đại HFA: 16

1.4.4Nhược điểm của bộ khuếch đại HFA: 16

Chương 2 Khảo sát hệ thống có sử dụng HFA 17

2.1 Thiết kế tuyến truyền dẫn có sử dụng HFA 17

2.1.1 Các thành phần trong tuyến truyền dẫn khuếch đại HFA 17

2.1.2 Đặc điểm cấu trúc của tuyến truyền dẫn khuếch đại HFA 17

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng trong thiết kế tuyến truyền dẫn khuếch đại HFA18 Chương 3: Khảo sát đánh giá tuyến bằng phần mềm Optisytem 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA 8

Hình 1.2 Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha tạp ion Erbium 9

Hình 1.3 Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ 10

Hình 1.4 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với 2 bước sóng bơm 980nm và 1480nm 11

Hình 1.5 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman 12

Hình 1.6 Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman 13

Hình 1.8 Cấu trúc cơ bản của HFA sử dụng 1 EDFA 15

Hình 1.9 Sơ đồ tuyến truyền dẫn sử dụng 2EDFA 16

Hình 2.1 Sơ đồ tuyến truyền dẫn sử dụng 2 EDFA 17

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng tuyến truyền dẫn HFA sử dụng 2EDFA và 1Raman trên phần mềm otisytems 19

Hình 3.2 Dạng sóng của tín hiệu thu được tại máy Ber Analyzer trong 2 lần thay đổi Gain 20

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn Gain, Q và BER 21

Hình 3.4 Đồ thị hệ số Q và công suất phát 22

Hình 3.5 Đồ thị công suất phát và tỷ lệ lỗi bít (BER) 22

Hình 3.6 Tỉ số BER trên 8 kênh truyền của Raman và HFA 23

Kế hoạch thực hiện

được

Nhận xét của GV

(27/3-2/4)

- Sưu tầm tài liệu

- Viết Đề cương sơ bộ

• Đặc điểm cơ bản về EDFA :

• Cấu tạo của khuếch đại EDFA

• Giảng đồ năng lượng của EDFA

• Nguyên lý hoạt động của EDFA

Sơ lược về khuếch đại Raman

• Cấu tạo của khuếch đại Raman

• Giảng đồ năng lượng của Raman

• Nguyên lí hoạt động của Raman

So sánh bộ khuếch đại EDFA và

Raman

- Hoàn thành các đặc điểm

4 Tuần 4

(17/4–23/4)

- Nghiên cứu : Chương 2: Khảo sát hệ thống có sử dụng

kế và tìm hiểu các đặc điểm cấu trúc trong tuyến khuếch đại HFA

(Optisystem 7.0)

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG BÀI

ASE Amplifier Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại

EDFA Erbium Dopped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tap

Erbium

Raman/EDFA

OSNR Otical Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang

sóng

Chương 1: Tổng Quan Về Khuếch Đại Ghép Lai HFA

1.1 Sơ lược về khuếch đại quang EDFA

1.1.1 Cấu tạo khuếch đại quang sợi EDFA

a) Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA:

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA EDFA là loại sợi pha tạp Erbium.Có vùng ánh sáng khuếch đại từ 1530nm đến

1565nm thích hợp với dải tần làm việc của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWMD (Dense Wavelength Division Multiplexing).Ion Erbium (Er3+) là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực làm tác nhân cho sự phát xạ cưỡng bức

- Các bộ cách ly ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược

về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA

Do đó, các bộ cách ly tăng đặc tính khuếch đại và giảm nhiễu

- Bộ ghép bước sóng WDM thực hiện ghép ánh sáng tín hiệu và ghép ánh sáng

bơm vào sợi pha tạp Erbium Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

- Sợi pha tạp Erbium (EDF-Erbium Dopped Fiber) là nơi xảy ra quá trình

khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA, thường có độ dài lớn hơn hoặc bằng 10m, có lõi

được pha tạp các ion Er 3+ với nồng độ ít hơn 0,1% Erbium

- Laser bơm : dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang

chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ

Hình 1.2 Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha tạp ion Erbium

 Vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha tạp ion là

nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn

 Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi

 Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng

cộng là 250 μm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ bất

kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang

- Để thu được bộ khuếch đại thì phải cung cấp năng lượng quang gọi là năng

lượng bơm cho sợi pha tạp Erbium Các diode laser LD được dùng làm nguồn bơm

cung cấp năng lượng này với công suất bơm 10mW và bước sóng bơm 980nm hoặc 1480nm, để tạo ra trạng thái nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực

Các nguyên tử Erbium hóa trị 3 Er 3+ trong sợi EDF là các phần tử tích cực trong bộ khuếch đại quang có chức năng khuếch đại ánh sáng EDFA hoạt động dựa

trên sự hấp thụ và bức xạ của ion Er 3+ trong sợi EDF

1.1.2 Giản đồ phân bố năng luợng của EDFA

Hình 1.3 Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+

Các ion Er 3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được ký hiệu:

- Vùng 4 I 11/2 , 4 I 9/2 , 4 F 9/2 , 4 S 9/2 , 2 H 11/2 là các vùng năng lượng cao, được gọi là vùng kích thích hay vùng bơm (pumping band) Thời gian các ion Er 3+ có trạng thái năng lượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1 μs)

Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er 3+ có thể xảy ra trong các trường hợp sau:

̠ Khi các ion Er 3+ ở vùng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng)

̠ Khi các ion Er 3+ chuyển từ các vùng năng lượng cao xuống vùng năng lượng thấp hơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau:

 Phân rã không bức xạ (nonradiative decay): năng lượng được giải phóng

dưới dạng photon tạo ra sự dao động phân tử trong sợi quang

 Phát xạ ánh sáng (radiation): năng lượng được giải phóng dưới dạng

photon

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA

Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích

Hình 1.4 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với 2 bước sóng bơm 980nm và

1480nm

• Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái

năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)

• Tại vùng bơm, các ion Er 3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và

chuyển xuống vùng siêu bền (2)

• Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái

năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng siêu bền (3)

• Các ion Er 3+ trong vùng siêu bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)

• Sau khoảng thời gian (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng

thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) (5)

• Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

 Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er 3+ ở vùng nền (6) Tín hiệu ánh

sáng bị suy hao

 Các photon tín hiệu kích thích các ion Er 3+ ở vùng siêu bền (7) Hiện tượng

phát xạ kích thích xảy ra Khi đó, các ion Er 3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng siêu bền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền

và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

Độ rộng giữa vùng siêu bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy ra trong khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây cũng là vùng bước sóng hoạt động của EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn

1565 nm và bằng 0 dB tại bước sóng 1616 nm

1.1.4 Đặc điểm của EDFA

a) Ưu điểm

- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao

- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống

- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển và thay thế

- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển

- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quang bán dẫn

- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu

b) Nhược điểm

- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng

- Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L

- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn

1.2 Sơ lược về khuếch đại Raman

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại Raman:

Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman được minh họa ở hình dưới đây:

Hình 1.5 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman

Không giống như nguyên lý khuếch đại của EDFA, khuếch đại Raman không cần một sợi quang riêng và đặc biệt (pha trộn ion Er3+) Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang silic bình

thường Gồm các thành phần sau:

Laser bơm (Pump laser): để truyền năng lượng vào sợi truyền dẫn thông qua bộ

ghép quang hay là dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ

Sợi truyền dẫn là sợi quang thông thường được sử dụng đồng thời như một sợi

khuếch đại Trong khuếch đại quang này không cần sử dụng sợi quang đặc biệt (pha ion Erbium) như bộ khuếch đại EDFA

Bộ ghép (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm.

Bộ cách ly (Isolator): đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín

hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào

1.2.2 Giản đồ năng lượng của bộ khuếch đại Raman.

Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated

Raman Scattering) Tán xạ Raman kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ

năng lượng của một photon, sau đó tạo ra một photon có năng lượng khác Vì vậy, tán

xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên ngoài

Hình 1.6 Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman

Để có khuếch đại Raman thì phải tạo ra sự nghịch đảo nồng độ Điều này đạt được bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử của sợi quang từ một laser

mức năng lượng cao hơn Khi có tín hiệu đến, nó sẽ kích thích các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn và giải phóng ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bước sóng (dài hơn bước sóng bơm)

và cùng pha với tín hiệu đến Do đó, tín hiệu đã được khuếch đại (Hình 1.6).

1.2.3 Nguyên lí hoạt động của Raman

Khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman kích thích Theo cơ chế lượng tử thì đây là quá trình trong đó một photon bơm tần số vp kích thích một phân tử môi trường từ mức năng lượng g lên mức năng lượng ảo.Phân lử này nhanh chóng nhảy xuống mức năng lượng g’ thấp hơn và phát ra một photon bơm tần số vs.Sự sai lệch về năng lượng của photon bơm so với photon ánh sáng vừa được tạo ra là do năng lượng bơm bị các phân tử của môi trường hấp thụ dưới dạng dao động phân tử Để photon vừa được phát xạ ra có cùng bước với bước sóng tín hiệu thì bước sóng của ánh sáng bơm phải nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu khoảng 100m

1.2.4 Đặc điểm của khuếch đại Raman

• Hệ số khuếch đại thấp

g'g

Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động của khuếch đại Raman

P

V

ν