ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Minh Thắng NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Minh Thắng
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội – 2006
Trang 2Lời cảm ơn,
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, động viên, giúp đỡ em hoàn thành các môn học trong chương trình học tập, nghiên cứu tại trường
Em xin trận trọng cảm ơn PGS., TS Phạm Văn Hội đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, giúp đỡ và hiệu chỉnh trong quá trình em thực hiện luận văn Xin trân trọng cảm ơn Thạc sỹ Chử Thị Thu Hà và các cán bộ Phòng Vật liệu và Ứng dụng quang sợi đã giúp hướng dẫn nghiên cứu, thu thập số liệu thực nghiệm để đối chiếu với lý thuyết, giúp tôi củng cố phần nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn Cục Quản lý chất lượng Bưu chính, Viễn thông và Công nghệ thông tin - Bộ Bưu chính, Viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tham gia chương trình đào tạo Xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp tại Phòng Chất lượng sản phẩm đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên tôi trong trong suốt quá trình học tập, thực hiện luận văn
Xin được cảm ơn người thân, bạn bè, các bạn học viên lớp cao học K10Đ1
đã động viên, giúp đỡ tôi
Trân trọng cảm ơn!
Nguyễn Minh Thắng
Trang 3MỞ ĐẦU
Với những ưu điểm về độ rộng băng tần, cự ly thông tin, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao , hệ thống truyền dẫn quang là sự hấp dẫn mạnh các nhà khai thác viễn thông, các nhà nghiên cứu khoa học Các hệ thống thông tin quang không những đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạnh nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai
Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là sự phát triển của công nghệ chế tạo các thiết bị truyền dẫn, phát, thu, lọc quang đã tạo ra những sản phẩm mới, đáp ứng việc thiết lập hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA
Bộ khuếch đại dùng sợi quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng tạo ra hiệu ứng khếch đại ở vùng bước sóng 1550mm đã được đưa vào sử dụng trong mạng thông tin và các tuyến truyền dẫn Các sợi quang thông dụng hiện nay chế tạo bằng thuỷ tinh SiO2 có
độ suy hao thấp ở bước sóng 1550mm Do phổ phát xạ của Er3+
trong dải sóng có bước sóng từ 1525 - 1650 không đồng đều, chúng có 2 đỉnh tại các bước sóng 1530 và 1560mm
đã đưa đến ý tưởng chỉ sử dụng 2 tần số nằm ở 2 vùng tần số có hệ số khuếch đại cao để thiết lập nên hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA
Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) là giải pháp tiên tiến trong thông tin sợi quang, đáp ứng nhu cầu về băng thông cũng như đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn Kỹ thuật này cho phép ghép các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau để truyền đi trên một sợi quang duy nhất và do vậy, tăng dung lượng truyền dẫn trên hệ thống mà không cần phải tăng tốc của từng kêng trên mỗi bước sóng Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tác chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia Phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang 2 hướng: một đầu phát thông tin tại nhóm bước sóng 1, thu thông tin tại nhóm bước sóng 2 Đồng thời ở đầu kia phát thông tin khác tại nhóm bước sóng 2, thu thông tin tại nhóm bước sóng
1
Trang 4Luận văn này tổng hợp các kiến thức cơ bản về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng,
bộ khuếch đại EDFA và giới thiệu những vấn đề cơ bản của hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, giải pháp để có thể tận dụng các tuyến thông tin cáp quang có sẵn đã truyền một chiều, để truyền theo chiều ngược lại trong cùng một sợi quang, lời giải cho bài toán kinh tế, kỹ thuật cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông chọn lựa khi đầu tư
Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng
- Hệ thống song công
Chương II: Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
Chương III: Hệ thống song công
Kết luận
Kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng to lớn và phong phú Việc truyền dẫn 2 chiều (song công) trong một sợi quang là ứng dụng còn rất mới ở nước ta, công việc nghiên cứu đang tiến tới phía trước với một tiền đồ rộng lớn Do khả năng và trình độ hiểu biết còn hạn chế, và thời gian nghiên cứu cũng có hạn, nên luận văn chỉ đề cập đến một phần nhỏ của lĩnh vực có một triển vọng to lớn trong ứng dụng này Đồng thời, phần trình bày luận văn chắc hẳn cũng còn nhiều thiếu sót, rất mong các thầy,
cô, các bạn đồng nghiệp chỉ bảo để bổ sung hoàn thiện hơn./
Trang 5KẾT LUẬN
1 Đánh giá kết quả
Luận văn đã đề cập đến hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng; khuếch đại quang sợi pha tạp Eribium và việc khảo sát một số tham số quan trọng của EDFA; mô hình hệ thống song công sử dụng quang sợi EDFA cùng các linh kiện liên quan; tính toán, khảo sát hệ thống thông tin quang Kết quả cụ thể của luận văn, ngoài phần tổng hợp kiến thức là:
1.1 Kết quả khảo sát một số tham số quan trọng của EDFA:
- Khảo sát phổ ASE: Kết quả khảo sát trên sợi có chiều dài 6m và 4,5m nồng độ pha tạp 2500pmm cho thấy: Với sợi 6m, phổ ASE có cực đại trong vùng bước sóng 1560nm (λpeak=1557,8nm Ppeak= -23,28dBm) khi công suất bơm là 50mA, cực đại này sẽ chuyển dần về vùng bước sóng 1530nm (λpeak=1531,6nm Ppeak= -11,29dBm) khi ta tăng công suất bơm lên 100mA Kết quả khảo sát trên sợi 4,5m cũng tương
tự Điều này rất phù hợp với lý thuyết, được giải thích là do hệ số hấp thụ và phát
xạ trong hai vùng này là khác nhau
- Khảo sát công suất nhiễu ASE và thông số tạp âm: Sợi 6m, nồng độ pha tạp 2500ppm kết quả ở bảng 2.2; Sợi 4,5m, nồng độ pha tạp 2500ppm kết quả ở bảng 2.3;
- Khảo sát hệ số khuếch đại: Với công suất của tín hiệu vào chưa được khuếch đại vào cỡ 6dBm đến 7dBm, được lấy theo giá trị trung bình của các lần đo là -6,49dBm; EDFA có sợi 6m nồng độ pha tạp 2500ppm; EDFA có sợi 4,5m nồng độ pha tạp 2500ppm được kết quả lần lượt trong bảng 2.2 và bảng 2.3 Kết quả này được biểu diễn dưới dạng đồ thị tại hình 2.19
Ta thấy hệ số khuếch đại G của bộ khuếch đại tăng theo hàm e mũ khi tăng công suất bơm Ngoài ra ta cũng thấy sự phụ thuộc của tham số này vào độ dài của sợi pha tạp: Bộ khuếch đại dùng sợi có chiều dài dài hơn thì có hệ số khuếch đại lớn hơn
Trang 6- Băng tần khuếch đại: Thấy được băng tần khuếch đại của EDFA sợi 4,5m nồng độ pha tạp 2500ppm được khảo sát nằm trong khoảng 1524-1560nm hay dải khuếch đại là 36nm rất thích hợp với cửa sổ thông tin thứ 3 (1550nm)
1.2 Đã đưa ra 03 mô hình truyền song công sử dụng EDFA với các ứng dụng khác nhau,
từ đó có thể xây dựng 04 mô hình khác truyền song công khác sử dụng EDFA
1.3 Tính toán, khảo sát hệ thống
Đã xây dựng được phần mềm tính toán bằng ngôn ngữ VisualBasic, được đóng gói dạng chương trình cài đặt để phục vụ tính toán, khảo sát Chương trình có thể thực hiện:
- Tính toán khoảng lặp cực đại theo công suất và tán sắc, lưu kết quả ra tệp để sử dụng vào các mục đích tiếp theo
- Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng cách lặp cực đại vào công suất phát
- Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng cách lặp cực đại vào độ nhạy thu
- Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng cách lặp cực đại vào hệ số suy hao quang sợi
- Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng lặp cực đại vào tốc độ truyền dẫn
- Tính toán để khảo sát sự phụ thuộc của khoảng lặp cực đại vào suy hao tại các phần
tử trên mạng
Việc thực hiện một ví dụ tính toán cụ thể đã kiểm chứng được phần tính toán với lý thuyết,
2 Đề xuất nghiên cứu
Để tăng dung lượng của truyền dẫn song công mà không cần phải tăng tốc độ truyền trên một kênh của một bước sóng, cần phải ghép nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau và truyền đi trên cả hai chiều trong cùng một sợi quang Mặt khác, khi truyền nhiều bước sóng trên cả hai chiều cần phải có các giải pháp kỹ thuật phù hợp khắc phục các tổn hao do xuyên kênh, các hiệu ứng phi tuyến gây ra Một trong hai vấn đề này cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài /
Trang 7CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Trang 8MỤC LỤC
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU
Chương I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH
THEO BƯỚC SÓNG - HỆ THỐNG SONG CÔNG
1.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng
1.1.2 Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước
sóng quang WDM
1.1.3 Khả năng ứng dụng của WDM
1.2 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM 6 1.2.1 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM
1.2.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM
1.3.1 Tham số phần phát
1.3.2 Tham số phần thu
1.3.3 Tham số sợi quang
Chương II
KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM
2.1.1 Hệ phương trình tốc độ
21.2 Hệ phương trình truyền dẫn
2.1.3 Khuếch đại bức xạ tự phát
2.2 Một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium 26 2.2.1 Công suất và bước sóng bơm trong EDFA
2.2.2 Hệ số khuếch đại
2.2.3 Phổ khuếch đại của EDFA
2.2.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại
2.3.1 Cấu trúc thiết bị EDFA trong ứng dụng thông tin quang
2.3.2 Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang
2.4 Khảo sát một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi 46 2.4.1 Kết quả khảo sát độ khuếch đại bức xạ tự phát ASE
2.4.2 Khảo sát các tham số đặc trưng của bộ khuếch đại
Chương III
HỆ THỐNG SONG CÔNG
3.1.1 Bộ phát quang
Trang 93.1.2 Bộ thu quang
3.1.3 Sợi quang
3.1.4 Các bộ ghép và tách sóng quang
3.1.5 Bộ lọc quang
3.1.6 Bộ định tuyến bước sóng
3.1.7 Bộ chia định hướng (Circulator)
3.1.8 Bộ cách ly và ghép kênh
3.1.9 Bộ cách ly
3.2.1 Truyền song công trên một sợi quang
3.2.2 Các cấu hình truyền dẫn song công sử dụng EDFA
3.3.1 Nguyên tắc thiết kế
3.3.2 Các bước thiết kế chung
3.3.3 Xây dựng công thức tính toán
3.3.4 Phầm mềm tính toán
3.3.5 Bài toán tính toán cụ thể
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 10TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Vũ Như Cương (2005), Giáo trình môn học
2 Vũ Tuấn Lâm (2005), Nghiên cứu giải pháp cân bằng hệ số khuếch đại trong các hệ
thống thông tin quang đa kênh sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sợi, Học viện Công
nghệ Bưu chính, Viễn thông Việt Nam, Hà Nội
3 Nguyễn Quang Nghĩa (2004), Nghiên cứu, xây dựng chương trình mô phỏng bộ khuếch
đại quang EDFA, phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học của Học viện, Học viện Công
nghệ Bưu chính, Viễn thông Việt Nam
4 Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang - Tập 1, Trung tâm Thông tin Bưu điện,
Hà Nội
5 Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang - Tập 2, Trung tâm Thông tin Bưu điện,
Hà Nội
6 ITU-T (2006),G.691 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical
components and subsystems - Optical interfaces for single channel STM-64 and other SDH systems with optical amplifiers, ITU-T
7 ITU-T (1998),G.692 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical
components and subsystems - Optical interfaces for multichannel systemswith optical amplifiers, ITU-T
8 ITU-T (2005),G.692 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical
components and subsystems - Optical interfaces for multichannel systemswith optical amplifiers - Amendment 1, ITU-T
9 ITU-T (2003),G.709/Y.1331 - Internet protocol aspects - Transport - Interfaces for the
Optical Transport Network (OTN), ITU-T
10 ITU-T (2001),G.872 - Digital networks – Optical transport networks - Architecture of
optical transport networks, ITU-T
11 ITU-T (2006),G.957 - Digital sections and digital line system – Digital line systems -
Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy, ITU-T
12 ITU-T (2006),G.959 - Digital sections and digital line system – Digital line systems -
Optical transport network physical layer interfaces, ITU-T
13 Shoichi Sudo (Editor) (1997), Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices, and
Applications, Artech House, Inc., London