nguồn phát quang trong thông tin sợi quang

Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hảo sợ quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) cách nhau khoảng 6080Km. Chúng được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp thương mại năm 1990. Nhờ việc cung cấp các bộ khuếch đại quang mà việc truyền dẫn cáp biển với lục địa trở nên dễ dàng. Tuy nhiên khi cự ly truyền dẫn dài thì đến mức nào đó suy hao sẽ vượt quá mức công suất dự phòng, không thỏa mãn ở phía thu nên cần phải sử dụng các trạm lặp. Trạm lặp để khuếch đại quang trên đường truyền. Trong hệ thống thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà không phải qua biến đổi quangđiện hay điệnquang. Tốc độ và khoảng cách truyền dẫn được tăng lên. Ngoài ra khuêch đại tín hiệu quang, EDFA còn tạo ra các tạp âm ảnh hưởng khả năng hoạt động của hệ thống. Đồ án này dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Vũ Anh Quang, em trình bày bộ khuếch đại quang EDFA cùng với việc khảo sát nó trên phần mềm Optisystem. Kiến thức em có hạn nên việc trình bày còn nhiều thiếu sót rất mong Thầy cô bổ sung và giúp đỡ. Em xin chân thành cảm ơn

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT – HÀN

KHOA: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

MÔN : THÔNG TIN SỢ QUANG

ĐỀ TÀI: nguồn phát quang trong thông tin sợi quang

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

SVTH: Bùi Qúy Tâm

Lớp: CCVT07A

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2016

Lời mở đầu

Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hảo sợ quang được bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) cách nhau khoảng 60-80Km Chúng được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp thương mại năm 1990 Nhờ việc cung cấp các bộ khuếch đại quang mà việc truyền dẫn cáp biển với lục địa trở nên dễ dàng Tuy nhiên khi cự ly truyền dẫn dài thì đến mức nào đó suy hao sẽ vượt quá mức công suất dự phòng, không thỏa mãn ở phía thu nên cần phải sử dụng các trạm lặp Trạm lặp để khuếch đại quang trên đường truyền

Trong hệ thống thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà không phải qua biến đổi quang-điện hay quang-điện-quang Tốc độ và khoảng cách truyền dẫn được tăng lên Ngoài ra khuêch đại tín hiệu quang, EDFA còn tạo ra các tạp âm ảnh hưởng khả năng hoạt động của hệ thống

Đồ án này dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Vũ Anh Quang, em trình bày bộ khuếch đại quang EDFA cùng với việc khảo sát nó trên phần mềm Optisystem

Kiến thức em có hạn nên việc trình bày còn nhiều thiếu sót rất mong Thầy

cô bổ sung và giúp đỡ Em xin chân thành cảm ơn !!!

Mục Lục

Lời mở đầu

Mục lục

Lời mở đầu 3

Chương 1: Tổng quan khuếch đại quang EDFA 4

2.Khái niệm chung về khuếch đại quang 4

Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 6

Chương 3: Khảo sát các thông số khuếch đại quang EDFA 10

Tài liệu tham khảo 17

Chương 1: Tổng quan khuếch đại quang EDFA

1 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

1.1 Sơ đồ khối thông tin quang

Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát quang, một bộ thu quang và kênh thông tin truyền dẫn là ba phần tử cơ bản nhất của hệ thống thông tin

1.2 Vai trò

a) Kênh thông tin truyền dẫn-sợ quang

Để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu tránh làm méo dạng tín hiệu Hầu hết hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang như kênh thông tin truyền dẫn

b) Bộ phát quang

Chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn Bộ phát quang gồm có một nguồn quang, một bộ điều chế, một bộ ghép nối với sợi quang

c) Bộ thu quang

Chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ra của tuyến sợi quang thành tín hiệu điện Gồm có bộ ghép nối, tách sóng quang và bộ giải điều chế

2 Khái niệm chung về khuếch đại quang

Khoảng cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin sợi quang bị giới hạn bởi tổn hao trong sợi Điều này làm giảm khả năng truyền dẫn và làm giới hạn kích

cỡ của mạng quang Để khắc phục ta đặt trạm lặp để khuếch đại trung gian Bộ lặp có nhiệm vụ thu tín hiệu quang, biến đổi quang - điện (O/E), sửa lại xung điện, khuyếch đại tín hiệu và biến đổi điện - quang (E/O) trở lại

Bộ phát

quang

Kênh truyền dẫn

Bộ thu quang

Tín hiệu

vào

Tín hiệu ra

Bộ chuyển đổi Bộ khuếch đại điện Bộ chuyển đổi quang điện quang điện

Hình 1: sơ đồ khối của một trạm lặp quang điện

Trong bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong môi trường được gọi là vùng tích cực Các tín hiệu quang đươc khuếch đại trong vùng đó và có độ lợi khác nhau tùy thuộc vào năng lượng cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi là nguồn bơm

Khuếch đại quang sợi là một đoạn sợi quang có độ khuếch đại môi trường dương Để đạt được điều đó thì cần phải pha tạp các ion như Erbium, Er3+ Khi bơm quang bên ngoài hoạt động, nó sẽ truyền năng lượng và tác động đến các ion pha tạp lên trạng thái kích thích, sau đó dưới tác dụng của ánh sáng truyền qua bộ khuếch đại thì cái ion chuyển từ trạng thái kích thích sang trạng thái nền tạo ra các proton và được khuếch đại

Sử dụng sợi quang pha tạp Erbium là phổ biến nhất vì khuếch đại ánh sáng ở bước sóng 1550nm, phù hợp thông tin truyền dẫn đường dài

3 Ưu điểm của khuếch đại quang

+ Băng thông khuếch đại rộng vài ngàn Ghz nên sử dụng rộng rãi trong mạng thông tin

+ Có thể khuếch đại đa kênh quang nên được sử dụng phổ biến trong hệ thống thông tin sợ quang ghép kênh phân chia theo bước sóng

+ Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

+Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương thức điều chế tín hiệu

Đ

E-O

Chương 2: Bộ khuếch đại quang sợi EDFA

1 Tổng quan về bộ khuếch đại quang sợi

Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò quang trọng trong mạng viễn thông quang học vì có khả năng bù lại suy hao tín hiệu trong quá trình lan truyền trên sợi quang do các bộ kết nối và mối hàn tại các nút mạng gây nên

Có 2 loại khuếch đại quang sợi là khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm và khuếch đại quang sợi Raman

Tùy theo loại đất hiếm được pha trộn trong lõi sợi quang mà sẽ có bước song bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA ( Optical Fiber Amplifier) thay đổi Gồm các loại như YDFA ( pha tạp Ytterbium), PDFA (pha tạp Praseodymium), TDFA (pha tạp Thulium) và EDFA (pha tạp Erbium)

Trong các loại trên, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có ánh sáng khuếch đại 1530nm-1565nm thích hợp với dải tần làm việc của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM ( Dense Wavelenghth Division Multiplexing)

2 Cấu tạo cơ bản của EDFA

Hình 2: Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Erbium

EDFA có thành phần chính gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1 % Erbium Erbium là nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực EDF ( Erbium – doper Fiber) là đoạn sợi quang pha tạp và laser bơm cung cấp năng lượng cho EDF

Cấu trúc tiêu biểu:

Sợi quang pha tạp

Erbium

Laser bơm là các laser diode bán dẫn phát xạ ở bước song 980nm và 1480nm Công suất phát xạ cao lên đến 165mW

Laser bơm bao gồm: một laser diode (LD) phát ra ánh sáng bơm, một backfaced photodiode (PD) để giám sát hiệu suất của LD và trermoelectric cooler (TEC) với thermistor để điều khiển ổn định của laser

Cách tăng công suất bơm:

- Tăng công suất laser diode bơm đơn lên 250nm

- Bơm 1 EDFA với laser riêng biệt theo trạng thái phân cực phát xạ của laser

- Sử dụng các laser bơm riêng rẽ với các bước sóng khác nhau

Bộ cách li ghép Bộ

Bộ ghép

Bơm laser

Bơm laser

Bộ cách li

3 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại quang được biểu diễn như sau:

Đoạn sợi quang pha tạp Nguồn bơm ngoài

nguồn bơm bên ngoài để bơm năng lượng quang vào sợi Nguồn bơm là một laser diode hoạt động ở bước sóng 980nm hoặc 1480nm Sự dịch chuyển điện tử

ở các mức năng lượng khác nhau, mức từ cao xuống cơ bản sẽ tạo ra proton, các proton sẽ bức xạ kích thích cùng hướng với proton tới đồng thời sẽ gây ra nhiễu bức xa tự phát trong khuếch đại (ASE) Quá trình đó đã tạo ra khuếch đại quang EDFA

Quá trình bơm tại 2 bước sóng

Hình 3: Qúa trình bơm tại 2 bước sóng

Bơm tại bước sóng 1450nm

Mật độ cao

Bơm tại bước sóng 1530nm Mật độ thấp

Mật độ thấp Mật độ cao

Do hiệu ứng stark, ở trại thái bền và siêu bền tồn tại nhiều mức năng lượng Ở trạng thái cân bằng nhiệt, mật độ hạt mang điện cao nằm ở dải thấp Đồng thời nó còn tỉ lệ với tốc độ bơm và bức xạ kích thích nên bơm xảy ra ở dải thấp của trạng thái bền và cao ở trạng thái siêu bền ứng vớ bước song 1450nm

và ngược lại với bức xạ ở bước sóng 1530nm

Chương 3: Khảo sát các thông số khuếch đại quang EDFA

1 Mô phỏng bằng phần mềm optisystem

Optisystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm có khả năng thiết kế, đo kiểm tra, thực hiện tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin quang trước khi ứng dụng vào trong thực tế

Phần mềm có giao diện thân thiên, hiển thị trực quang và dễ sử dụng

2 Xây dựng bộ EDFA trên phần mềm optisystem

2.1 Cấu trúc bộ EDFA

Cấu trúc bộ EDFA trên optisystem gồm có:

- Laser bơm với bước sóng 980nm

- WDM coupler: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang

- Bộ cách ly quang: ngăn không cho tín hiệu quang phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc trên đường truyền EDFA

2.2 Phần phát

Gồm có các thành phần:

- Phần tử tạo bit ( bit rate)

- Phần tử tạo xung (NRZ)

- Điều chế ngoài

- Điều chế Mach-Zehnder

- Đường truyền sợi quang

2.3 Phần thu

Phần thu gồm có:

- Thu Photodiode PIN

- Bộ lọc thông thấp Bessel

3 Khảo sát dải bơm EDFA

Các tham số của hệ thống:

- Khoảng cách truyền dẫn 150km

- Tốc độ truyền 2,5Gbps

- Bước sóng bơm 980nm

- Công suất phát từ -5 đến 2dbm

- Bước sóng 1550nm

Bảng thông số khi thay đổi công suất phát PT với tốc độ 2.5Gbps:

PT Q PR Log(BER)

Nhận xét:

Công suất phát tăng mỗi lần 0.5dbm thì hệ số phẩm chất Q cũng tăng theo Công suất phát càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi bit (BER) càng lớn và ngược lại

Vì vậy, muốn tăng hệ số phẩm chất có nghĩa là giảm tỷ lệ lỗi bit Ber ta có thể tăng công suất phát, bên cạnh đó ứng với một công suất phát hệ thống có tốc

dộ bit càng cao thì hệ số phẩm chất càng nhỏ tức tỷ lệ lỗi bit Ber tăng

4 Một số hình ảnh giản đồ

Hình ảnh giản đồ với công suất phát 0.5dbm

Hình ảnh giản đồ với công suất phát 2dbm

Hình ảnh giản đồ với công suất phát -4dbm

Hình ảnh giản đồ với công suất phát

Hình ảnh giản đồ với công suất phát -3dbm

Tài liệu tham khảo

1 Vũ Văn San, Trần Hoàng Diệu, Phương pháp tính toán thiết kế cấu hình

tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, Tuyển tập công

trình, Hội nghị Khoa học, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hà Nội, 2001

2 J.A Chiddix, H.Loar, D.M Pangrac, L.D William, R.W Wolfe, AM video

on fiber CATV systems: Need and Implementation, IEEE Journal on Selected

Areas in Communications, p.1229-1239, Vol.8, No.7, Sep 1990