Anh huong cua ASE tich luy trong DWDM

Trong hệ thống viễn thông quang đường trục ghép kênh theo bước sóng WDM, các bộ khuếch đại quang sợi các bộ EDFA có vai trò đặc biệt quan trọng. Trong đó nhiễu là một thông số quan trọng của EDFA. Vì vậy phải tính toán chính xác ảnh hưởng của nhiễu. Khoá luận này nghiên cứu các vấn đề sau: 1. Tổng quan về công nghệ DWDM: Nguyên lý, các hiệu ứng phi tuyến và một số tính năng của DWDM. 2. Dựa trên cơ sở bức xạ quang, hiện tượng phát xạ kích thích, phát xạ tự phát, sự đảo lộn mật độ đưa ra cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các bộ khuếch đại quang pha Erbium và một số cấu hình bơm. 3. Xuất phát từ nguyên lý bất định Heisenberg, khoá luận nêu lên các khái niệm, các tính chất cơ bản của nhiễu ASE, SNR, chỉ số nhiễu quang và sự phụ thuộc của các nhiễu vào các tham số như công suất bơm, bước sóng bơm, chiều dài sợi quang, bước sóng tín hiệu, công suất tín hiệu, độ pha tạp Er.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Phương Hòa

ẢNH HƯỞNG CỦA ASE TÍCH LŨY TRONG HỆ

THỐNG THÔNG TIN QUANG DWDM

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI-2005

Nguyễn Thị Phương Hòa

ẢNH HƯỞNG CỦA ASE TÍCH LŨY TRONG HỆ

THỐNG THÔNG TIN QUANG DWDM

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Vũ Như Cương

HÀ NỘI-2005

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS – TS Vũ Như Cương, người đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành khoá luận này

Em cũng xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo thuộc trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN đã dạy bảo, tạo điều kiện tốt cho em học tập trong những năm học vừa qua

Cuối cùng, em xin cảm ơn tới bạn bè, người thân đã động viên và giúp đỡ

em trong suốt quá trình học tập

Hà Nội tháng 06 năm 2005 Sinh viên

Nguyễn Thị Phương Hoà

Tóm tắt nội dung

Trong hệ thống viễn thông quang đường trục ghép kênh theo bước sóng WDM, các bộ khuếch đại quang sợi các bộ EDFA có vai trò đặc biệt quan trọng Trong đó nhiễu là một thông số quan trọng của EDFA Vì vậy phải tính toán chính xác ảnh hưởng của nhiễu Khoá luận này nghiên cứu các vấn đề sau:

1 Tổng quan về công nghệ DWDM: Nguyên lý, các hiệu ứng phi tuyến và một số tính năng của DWDM

2 Dựa trên cơ sở bức xạ quang, hiện tượng phát xạ kích thích, phát xạ tự phát, sự đảo lộn mật độ đưa ra cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các bộ khuếch đại quang pha Erbium và một số cấu hình bơm

3 Xuất phát từ nguyên lý bất định Heisenberg, khoá luận nêu lên các khái niệm, các tính chất cơ bản của nhiễu ASE, SNR, chỉ số nhiễu quang và sự phụ thuộc của các nhiễu vào các tham số như công suất bơm, bước sóng bơm, chiều dài sợi quang, bước sóng tín hiệu, công suất tín hiệu, độ pha tạp Er

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DWDM 3

1.1 Nguyên lý cơ bản 3

1.1.1 Ghép thưa 3

1.1.2 Ghép mật độ cao DWDM 3

1.2 Các hiệu ứng phi tuyến 5

1.2.1 Tán xạ kích thích Raman 6

1.2.2 Tán xạ cưỡng bức Brilloin 6

1.2.3 Hiệu ứng trộn 4 sóng 6

1.2.4 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 7

1.3 Tính năng của WDM 8

1.3.1 Tính năng lỗi bít 8

1.3.2 Tính năng rung 9

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP NGUYÊN TỐ ERBIUM 11

2.1 Sợi quang pha Erbium 11

2.1.1 Giới thiệu chung 11

2.1.1.1 Cấu tạo sợi quang .11

2.1.1.2 Các thông số của sợi quang .12

2.1.2 Sợi quang pha tạp Erbium 13

2.1.2.1 Cấu trúc lõi sợi pha Erbium 13

2.1.2.2 Nồng độ pha tạp của ion Er+3 .13

2.1.2.3 Một số cấu hình bơm của bộ khuếch đại quang sợi pha Erbium .14

2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 16

2.2.1 Nguyên lý bức xạ cưỡng bức của Einstein 16

2.2.1.1 Chuyển dời hấp thụ .16

2.2.1.3 Chuyển dời phát xạ kích thích 17

2.2.2 Sự đảo lộn mật độ 19

2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA 20

2.2.3.1 Cấu tạo của EDFA 20

2.2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA .20

2.2.4 Đặc tính của EDFA 21

2.2.4.1 Hệ số khuếch đại của EDFA .21

2.2.4.2 Tạp nhiễu trong EDFA .23

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ASE VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NÓ TRONG HỆ THÔNG DWDM 24

3.1 Ảnh hưởng của ASE đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng DWDM 24

3.1.1 Nguyên lý bất định Heisenberg 24

3.1.2 Công suất nhiễu cực tiểu và nhiệt độ hiệu dụng của bộ khuếch đại 25

3.1.2.1 Công suất nhiễu cực tiểu .25

3.1.2.2 Nhiệt độ hiệu dụng của bộ khuếch đại: Ta .28

3.1.3 Lý thuyết tuyến tính về nhiễu ASE 29

3.1.4 SNR quang và hệ số nhiễu 34

3.1.5 Hế số nhiễu của bộ khuếch đại trong một số trường hợp 43

3.1.5.1 Bộ khuếch đại theo liên kết khối .43

3.1.5.2 Các bộ khuếch đại phân bố 45

3.2 Một số tính chất của nhiễu ASE trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng 52

3.2.1 Công suất ASE 52

3.2.1.1 Công suất bơm Pp .52

3.2.1.2 Bước sóng bơm λp .53

3.2.1.3 Bước sóng tín hiệu 54

3.2.2 Hệ số nhiễu F0 55

LỜI NÓI ĐẦU

Việc biến đổi thông tin từ dạng tín hiệu quang thành dạng điện thường tạo ra tắc nghẽn trong thông tin sợi quang và điều này làm hạn chế cả độ rộng băng tần lẫn chất lượng tiếng nói được truyền đi Vì vậy người ta phải chế tạo ra các thiết bị cho phép truyền thẳng tín hiệu quang đi mà không phải biến chúng thành tín hiệu điện các thiết bị như vậy sẽ làm giảm tắc nghẽn, giảm giá thành, và giúp cho việc điều chế tín hiệu quang được thuận lợi hơn

Với yêu cầu đặt ra như trên, cáp sợi quang đã được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông Mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại

Trong những năm qua cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử- viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành không ngừng giảm xuống tạo điều kiện cho việc sử dụng ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin

Loài người đang tiến vào thời kì bùng nổ thông tin, trong đó ba sự kiện có ảnh hưởng lớn nhất là: sự phát triển chóng mặt của mạng Internet do phổ cập của máy tính

cá nhân; cuộc cách mạng thông tin từ dịch vụ thông tin di động số đến thông tin cá nhân; sự xuất hiện của dịch vụ thông tin đa phương tiện

Sự bùng nổ của thông tin kích thích sự tăng trưởng như vũ bão của dịch vụ thông tin toàn cầu, mà ảnh hưởng trực tiếp là xuất hiện hiện tượng “cạn kiệt sợi quang” Mặt khác tiền vốn xây dựng, đầu tư ban đầu của hệ thống thông tin sợi quang

là rất lớn nguyên nhân chính là chi phí lắp đặt đường dây cáp quang rất cao vậy làm thế nào lợi dụng được hệ thống cáp quang hiện có để mở rộng dung lượng tới giới hạn lớn nhất để thoả mãn yêu cầu và tính linh hoạt về sự thay đổi của mạng đã xuất hiện các công nghệ ghép kênh

Dùng phương thức thông tin số ghép kênh theo thời gian này nâng cao hiệu quả truyền dẫn, là biện pháp hữu hiệu để hạ giá thành truyền dẫn nhưng theo sự tăng lên nhanh chóng yêu cầu dung lượng truyền dẫn của mạng vô tuyến hiện đại, phương thức TDM đã ngày càng tiến dần đến giới hạn cho nên người ta chuyển từ ghép kênh theo thời gian điện sang ghép kênh quang tức dùng phương pháp ghép kênh theo bước

sóng Ưu điểm nổi bật của nó là có thể truyền dẫn một số tín hiệu thậm chí hàng trăm tín hiệu sóng mang quang có bước sóng khác nhau trên một sợi quang, không những tăng thêm dung lượng của hệ thống mà còn có thể nâng cao lợi ích kinh tế của hệ thống Xét trên phạm vi thế giới, hệ thống thông tin sợi quang thương mại đã hoặc sẽ xây dựng, về cơ bản là hệ thống thông tin sợi quang WDM, hệ thống thông tin sợi quang hiện có cũng sẽ lần lượt được cải tạo thành hệ thống WDM

Đặc điểm chính của công nghệ WDM

1 Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu

3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

4 Nhiều ứng dụng

5 Tiết kiệm đầu tư cho đường dây

6 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện

7 Kênh truyền dẫn IP

8 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng

Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn đối với việc thiết lập mạng thông tin nhưng hiện nay vẫn còn một số vấn đề công nghệ

Khi tín hiệu truyền trên sợi quang với khoảng cách xa sẽ bị suy giảm dần, do

đó khi truyền tín hiệu với khoảng cách xa chắc chắn phải sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang Các bộ khuếch đại quang chỉ hoạt động trong lĩnh vực quang mà không cần sự biến đổi từ photon ra các electron Vì vậy thay cho việc sử dụng các bộ lặp, người ta

có thể đặt các bộ khuếch đại quang ở những khoảng cách nhất định dọc theo đường truyền sợi quang Trong hệ thống DWDM hiện nay các bộ khuếch đại quang thường được sử dụng là các bộ khuếch đại sợi quang pha đất hiếm EDFA Trong đó hệ số khuếch đại và ồn là 2 thông số quan trọng nhất Chính vì vậy, khoá luận này đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của ASE trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng, một trong những thông số đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu phân tích hệ thống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DWDM 1.1 Nguyên lý cơ bản.[3],[4],[5]

Môi trường truyền dẫn sợi quang có băng tần rất rộng Tuy nhiên với những hệ thống đơn kênh mới chỉ khai thác một phần nhỏ băng tần này, bên cạnh đó việc tăng dung lượng (tốc độ) trên một kênh sử dụng kỹ thuật TDM sẽ rất khó khăn do những hạn chế về mặt tốc độ hoạt động của các linh kiện điện tử Kỹ thuật WDM ra đời để tận dụng băng tần của sợi quang, tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống nhờ truyền nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang

1.1.1 Ghép thưa WDM

WDM: Ghép kênh phân chia theo bước sóng, là công nghệ ghép nhiều bước sóng vào cùng một sợi quang do đó độ rộng dải của sợi tăng tới tổng tốc độ bít của mỗi bước sóng Trong hệ thống này các bước sóng cách nhau rất xa, thường là thuộc các cửa sổ truyền dẫn quang khác nhau Cách ghép này thường dùng cho các ứng dụng tốc độ thấp

1.1.2 Ghép mật độ cao DWDM

Là công nghệ với số bước sóng đước ghép trong một sợi quang lớn hơn nhiều trong WDM Mỗi kênh được gắn với một bước sóng Thường mỗi kênh quang này có thể có độ rộng 1nm, và tín hiệu truyền đi phải nằm trong kênh quang này Thường mỗi kênh quang này có độ rộng lớn hơn độ rộng của tín hiệu Độ rộng kênh này phụ thuộc vào nhiều vấn đề như: độ rộng phổ của nguồn quang được điều chế, độ ổn định của nó

và dung sai của các phần tử trong hệ thống

: :

quan trọng khi ghép các kênh lại với nhau và hơn nửa là giảm thiểu các ảnh hưởng khác như tán sắc

Tại đầu phát, bộ ghép kênh thực hiện ghép các tín hiệu phát có bước sóng khác nhau vào một sợi quang duy nhất

Tại đầu thu, bộ tách kênh thực hiện tách tín hiệu đã ghép thành các bước sóng khác nhau Các bộ ghép tách kênh này thường được xây dựng dựa trên các bộ lọc quang, các bộ coupler, FBG, AWG… Trong đó bộ lọc quang là thành phần cơ bản của các bộ ghép kênh và tách kênh

Các bộ khuếch đại quang đã đem lại nhiều lợi ích cho các mạng quang có cự

ly truyền dẫn xa cũng như mạng quang nội vùng

Khuếch đại quang sử dụng nguyên tắc phát xạ kích thích, hai dạng cơ bản của khuếch đại quang là các bộ khuếch đại quang bán dẫn và các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA Trong đó bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn DWDM Chúng có thể chia thành

3 loại như sau:

• Bộ khuếch đại công suất BA: Bộ này thường đựoc đặt ngay sau nguồn phát quang, có chức năng khuếch đại công suất quang lên một mức cao Trong hệ thống DWDM, BA thường được dùng để khuếch đại tín hiệu sau bộ ghép kênh trước khi truyền trên sợi

• Bộ tiền khuếch đại PA: Bộ này thường được đặt trước máy thu Nó được thiết kế

để có chức năng khuếch đại với hệ số cao và mức nhiễu thấp

• Bộ khuếch đại đường truyền LA: Bộ này thường được sử dụng trên tuyến có chức năng khuếch đại các tín hiệu đã bị suy giảm trên đường truyền Nó thường được thiết kế trên cơ sở các bộ BA và LA

Sợi quang được sử dụng nhiều nhất hiện nay là sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652 Sợi quang mới NZ-DSF có mức tán sắc thấp ở bước sóng 1550nm, loại sợi này rất phù hợp cho các hệ thống DWDM có cự ly dài

Tại đầu thu, các máy thu sử dụng tách sóng trực tiếp, photodetector chuyển dòng photon tới thành dòng điện Tiếp theo dòng điện sẽ được khuếch đại lên và cho qua thiết bị xác định ngưỡng, xác định là bít 0 hay bít 1 tuỳ thuộc vào dòng điện trên hay dưới mức ngưỡng Nói một cách khác, quyết định sẽ dựa trên việc có hay không

có ánh sáng trong khoảng bít

Thiết bị tách sóng cơ bản sử dụng trong hệ thống WDM là các photodiode PIN

và APD Trong dạng đơn giản nhất, photodiode cơ bản dựa trên lớp p-n phân cực ngược Thông qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng tới lớp tiếp giáp sẽ tạo ra các đôi điện tử và lỗ trống trong cả hai miền p và n của photodiode Các điện tử được giải phóng trong miền p sẽ chạy sang miền n, và các lỗ trống trong miền n sẽ chạy sang miền p, kết quả là ta có dòng điện Một trong những thông số quan trọng của photodiode là độ nhạy thu, nó thể hiện khả năng tách được mức năng lượng ánh sáng nhỏ nhất, tham số này quyết định độ dài đường truyền của hệ thống theo giới hạn về quỹ công suất

1.2 Các hiệu ứng phi tuyến.[7],[8],[9]

Khi công suất trong sợi quang nhỏ thì sợi quang có thể xem là môi trường tuyến tính, có nghĩa là suy hao và chiết suất của sợi không phụ thuộc vào công suất của tín hiệu Tuy nhiên khi công suất tín hiệu quang đạt đến mức cao, chúng ta cần phải xem xét đến các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến Thực tế cả suy hao và chiết suất đều phụ thuộc vào công suất quang trong sợi quang.Các loại hiệu ứng phi tuyến là:

Hiệu ứng phi tuyến xuất hiện do hiệu ứng tán xạ trong môi trường sợi quang do tác động của sóng ánh sáng với các phonon trong môi trường Silica

• Hiệu ứng tự điều chế pha SPM

• Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM

Trừ hiệu ứng SPM và XPM, các hiệu ứng còn lại đều chuyển một phần năng lượng từ kênh này sang kênh kia Tương tác phi tuyến phụ thuộc độ dài truyền dẫn và diện tích mặt cắt ngang của sợi Độ dài truyền dẫn càng dài, tương tác càng nhiều và hiệu ứng phi tuyến càng tăng lên

1.2.1 Tán xạ kích thích Raman

Giả sử có hai nguồn sáng, một nguồn có bước sóng ngắn và một nguồn có bước sóng dài hơn cùng truyền trong một môi trường Nguồn có bước sóng ngắn kích thích các ngưyên tử lên mức năng lượng cao hơn Do hiệu ứng phi tuyến của môi trường, các nguyên tử được kích thích bị kích hoạt bởi các photon khác sẽ chuyển dời xuống mức năng lượng trung gian thấp hơn và phát xạ ra ánh sáng có bước sóng dài hơn Bước sóng dài được phát ra là phụ thuộc vào môi trường Nếu một nguồn bước sóng dài khác có bước sóng bằng với bước sóng của ánh sáng vừa được tạo ra thì năng lượng của cả hai ánh sáng sẽ trộn lẫn với nhau Cuối cùng là, tất cả cảc nguyên tử ở mức năng lượng trung gian sẽ trở về mức năng lượng thấp cơ bản và phát xạ ra năng lượng Hiện tượng này gọi là tán xạ kích thích Raman Tán xạ Raman chiếm ưu thế khi nguồn có dải rộng và có thể xảy ra theo cả hai chiều trong sợi quang

Thông thường, tần số của photon được xác định bởi quan hệ:

υ=|Ehigh-Elow|/h Trong các hệ thống truyền dẫn quang ghép nhiều bước sóng trong một sợi quang, SRS là không mong muốn do nó gây ra hiệu ứng xuyên kênh và nó hạn chế công suất quang của mỗi kênh trong sợi

1.2.2 Tán xạ cưỡng bức Brilloin

Một tín hiệu gây lên sự phát xạ cưỡng bức và truyền theo hướng ngược lại với hướng truyền của tín hiệu nếu nó đạt đến mức năng lượng ngưỡng Trong trường hợp này ánh sáng phát xạ có bước sóng ngắn hơn Tuy nhiên một phần truyền cùng chiều khi tín hiệu nguồn bị tán xạ giống như các phonon âm học, một phần truyền ngược chiều dọc theo sợi quang Nếu một tín hiệu quang khác truyền với bước sóng bằng bước sóng bị dịch và ngược chiều với bước sóng nguồn sẽ gây ra sự trộn năng lượng

do đó làm tăng hiện tượng xuyên âm

1.2.3 Hiệu ứng trộn 4 sóng

Giả sử có 3 tần số sóng ánh sáng, f1,f2,f3 cách nhau một khoảng Sau đó, do sự tương tác giữa 3 tần số sẽ làm xuất hiện tần số sóng ánh sáng thứ 4, fFWM = f1±f2±f3 Hiện tượng này gọi là hiện tượng trộn 4 bước sóng (FWM hoặc trộn 4 photon)

• Khoảng cách giữa các kênh

• Cường độ công suất của các tần số

• Tán sắc màu trong sợi quang

• Chiết suất

• Chiều dài sợi quang

• Tính phân cực cao của vật liệu (hệ số phi tuyến Kerr)

FWM cũng có thể xảy ra với hai tín hiệu với các bước sóng khác nhau nếu cường độ và các bước sóng của chúng Sự điều chế pha trong trường hợp này tạo ra 2 dải biên tại các tần số cho bởi sự khác nhau này Cường độ của chúng yếu đi giống như cường độ trong trường hợp trộn 3 bước sóng

Ảnh hưởng của FWM trong truyền dẫn quang là hiệu ứng xuyên kênh và làm giảm tỷ số SNR Khi công suất của tín hiệu đầu vào của f1, f2, f3 tăng hoặc khi khoảng cách giữa các kênh giảm, đầu ra của FWM tăng

1.2.4 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Các tính chất động của xung sáng truyền trong sợi quang dẫn đến sự tự điều chế pha do hiệu ứng Kerr và dẫn đến sự mở rộng phổ

Cường độ

T0

t

T0+∆T

Hình 1.3: Đặc tính động của xung ánh sáng truyền trong sợi quang

Nếu xung sáng có bước sóng dưới điểm ngưỡng tán sắc zero thì sự mở rộng phổ của nó sẽ dẫn đến sự mở rộng xung khi xung đó được truyền đi Ngược lại khi bước sóng ở trên bước sóng tán sắc zero thì hiện tượng tự điều chế pha và hiện tượng tán sắc

sẽ bù cho nhau do đó giảm được sự mở rộng phổ theo thời gian

1.3 Tính năng của WDM.[7]

Hiện nay, hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang dung lượng lớn đều dựa trên hệ thống nhiều bước sóng SDH, do đó tính năng của mạng phải thoả mãn toàn bộ chỉ tiêu, tiêu chuẩn quy định, chủ yếu là chỉ tiêu lỗi bít, rung động và xê dịch tần số

1.3.1 Tính năng lỗi bít

Tính năng truyền dẫn trong mạng SDH mang trong hệ thống WDM vẫn có thể thoả mãn yêu cầu của tính năng lỗi bít tương ứng trong SDH Tính năng lỗi bít ở đoạn ghép kênh quang của hệ thống WDM không được xấu hơn so với chỉ tiêu trong bảng sau:

1.3.2 Tính năng rung

Trong hệ thống WDM ta phải ghép các tín hiệu có các bước sóng khác nhau vào trong một sợi quang, tại đầu thu ta phải tách các tín hiệu này ra, nhưng ta không thể tách ra tín hiệu hoàn toàn như ban đầu nên có một khoảng tấn số dao động, hay ta nói tồn tại một khoảng rung cho phép

Rung lớn nhất cho phép ở giao diện đầu ra của mạng SDH gánh tải trong hệ thống WDM

Rung lớn nhất cho phép ở giao diện mạng SDH không được vượt quá trị số quy định trong bảng sau đây:

Giao diện Bộ lọc đo lường Trị số đỉnh-đỉnh (UI)

65KHz ~ 1,3MHz

1,50(0,75) 0,15 STM – 16(quang) 5000Hz ~20MHz

1MHZ ~20MHz

1,50(0,75) 0,15

Giới hạn cho phép rung và trôi ở giao diện đầu vào mạng SDH do hệ thống WDM gánh tải

Rung và trôi đỉnh đỉnh (số đôi) (UI)

CHƯƠNG 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP NGUYÊN TỐ

ERBIUM

2.1 Sợi quang [1],[2]

2.1.1 Giới thiệu chung

Các hệ thống thông tin cáp, do những ưu điểm của nó đã đang được nghiên cứu phát triển là một yếu tố vô cùng quan trọng trong ngành viễn thông, hình thành nên nhiều loại hình dịch vụ phong phú, góp phần nâng cao chất lượng thông tin, nhanh chóng đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao của đời sống xã hội trong thời kỳ mới Một trong những thành công được áp dụng trong mạng quang đó là việc phát minh và đưa vào ứng dụng những bộ khuếch đại quang Việc sử dụng sợi quang có pha tạp đất hiếm có

ý nghĩa rất lớn trong việc tăng tốc độ và cự ly của các tuyến truyền dẫn hiện đại

Các ưu điểm của hệ thống thông tin quang so với hệ thống cáp kim loại:

• Cáp quang có suy hao thấp nên cự ly trạm lặp lớn hơn cáp kim loại

• Cáp quang có độ rộng băng tần lớn nên truyền được mọi loại dịch vụ và nâng cấp tốc độ bít dễ dàng

• Cáp quang có kích thước nhỏ, trọng lượng nhỏ nên dễ vận chuyển và thi công, chi phi vật liệu chế tạo ít

• Cáp sợi quang phi kim loại, không dẫn điện, không bị ảnh hưởng của trường điện từ nên có thể đi gần đường dây điện lực

• Dung lượng kênh cao

Hơn nữa, các linh kiện phát và thu quang cũng có những ưu điểm nổi bật như:

có khả năng điều chế tốc độ cao, hiệu suất biến đổi quang điện cao, máy thu có độ nhạy cao nên cho phép suy hao giữa phát và thu lớn

Ngày nay, kết hợp với các kỹ thuật ghép kênh dung lượng lớn làm cho các dịch

vụ khi sử dụng hệ thống có giá thành giảm đáng kể Chính vì vậy, trong tương lai, hệ thống viễn thông sẽ được quang hóa hoàn toàn

2.1.1.1 Cấu tạo sợi quang

Sợi quang có cấu trúc dạng hình trụ, trong suốt, là môi trường truyền dẫn ánh sáng lý tưởng

Cấu trúc cơ bản của sợi gồm: một lõi (core) có bán kính a, được làm bằng vật liệu thuỷ tinh có chiết suất n1 và lớp bọc bao quanh lõi có chiết suất n2 (n2<n1) Sự lan truyền ánh sáng trong lõi sợi dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần ở mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp bọc

Để tránh trầy xước và tăng độ bền cơ học, sợi quang còn được bọc thêm một số lớp khác:

• Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất (Primary Coating)

• Lớp bảo vệ thứ hai (Second Coating)

Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi chống sự xâm nhập của hơi nước, tác động của môi trường, chống được hiệu ứng vi uốn cong gây mất mát năng lượng Lớp bảo vệ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi trước các tác động cơ học và sự thay đổi nhiệt độ

2.1.1.2 Các thông số của sợi quang

Độ lệch chiết suất tương đối:

n2=n1(1-∆) → ∆ = (n1-n2)/n1

Khẩu độ số NA (Numerical Aperture): đặc trưng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laser với sợi quang

NA = sinθmax = (n12 – n22)1/2Khi độ lệch chiết suất không quá lớn, ta có công thức gần đúng:

2.1.2 Sợi quang pha tạp Erbium.[6],[3]

2.1.2.1 Cấu trúc lõi sợi pha Erbium

Hình 2.2: Cấu trúc lõi sợi pha tạp Erbium

Các ion Er+3 được pha tạp ở vùng lõi trung tâm của sợi, ký hiệu EDF

Vùng lõi trung tâm (đường kính ≈5µm) của EDF là nơi cường độ tín hiệu và cường độ bơm cao nhất

Cấu trúc của EDFA cũng tương tự như sợi đơn mode nhưng việc pha tạp các ion Er+3 trong vùng lõi trung tâm tạo nên sự phủ tối đa của năng lượng bơm và những năng lượng tín hiệu tới những ion Er+3 Kết quả là cho phép khuếch đại tốt hơn

2.1.2.2 Nồng độ pha tạp của ion Er +3

Độ hoà tan của những ion Er+3 là thấp Với những nồng độ lớn hơn 1000ppm (part per millon) những ion Er+3 sẽ kết đám làm giảm tính năng của sợi Những ion kết đám làm tăng cơ chế hấp thụ hai photon do đó làm tăng nhiệt độ tạp âm nhiệt Vì vậy phải pha tạp ion với nồng độ phù hợp

Sự tập trung ion Er+3 và việc lựa chọn các chất thêm vào lõi sợi là rất quan trọng Nếu ion Er+3 tập trung với nồng độ cao thì hệ số khuếch đại quang pha tạp Er+3

càng lớn ứng với một đơn vị độ dài Do đó, độ dài đoạn sợi trong bộ khuếch đại cần sử dụng càng ngắn

Để tăng nồng độ Er+3 trong lõi sợi cần phải sử dụng thêm những chất đồng pha tạp Thông thường người ta sử dụng Alumina (Al203) làm chất đồng pha tạp

2.1.2.3 Một số cấu hình bơm của bộ khuếch đại quang sợi pha Erbium

Cấu hình bơm đồng hướng

Bộ lọc thông dải

Bộ chia

quang Bộ cách quang Bộ cách quang

Sợi pha Erbium

Nguồn ánh sáng bơm (laser diode)

Hình 2.3: Cấu hình bơm đồng hướng

o Ưu điểm: Nhiễu thấp

Do bước sóng bơm và bước sóng khuếch đại rất gần nhau nên cần thiết phải sử dụng bộ cách ly quang

o Nhược điểm: khó đạt trạng thái bão hoà trên toàn sợi, hệ số khuếch đại thấp

• Cấu hình bơm ngược hướng

Bộ chia quang

Bộ cách ly quang

ào Tín hiệu v

Laser diode

Hình2.4: Cấu hình bơm ngược hướng

o Ưu điểm: hệ số khuếch đại cao, dễ đạt trạng thái hấp thụ bão hoà trên toàn sợi

o Nhược điểm: Nhiễu lớn, ổn định tương đối thấp

• Cấu hình bơm song công

Sợi quang pha Er3+

Hình 2.5 : Cấu hình bơm song công

o Ưu điểm: độ ổn định của bộ khuếch đại rất cao, dễ dàng đạt trạng thái bão hoà trên toàn sợi theo thời gian

o Nhược điểm: giá thành cao

2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA [5][7]

Năm 1987 sợi quang pha đất hiếm được đề xuất để làm bộ khuyếch đại ánh sáng Hoạt động của bộ khuếch đại này dựa trên cơ sơ của nguyên lý bức xạ cưỡng bức của Einstein

2.2.1 Nguyên lý bức xạ cưỡng bức của Einstein

Theo quan điểm lượng tử, khi một môi trường vật chất tương tác với một chùm sóng điện từ thì năng lượng hấp thụ và năng lượng bức xạ có đặc trưng gián đoạn dưới dạng photon có năng lượng

E=hυ

h: hằng số Plank

υ: tần số của photon

Xét một hệ thống gồm các nguyên tử cùng loại, không tương tác với nhau, hệ

có hai trạng thái năng lượng E1 và E2 Với E1 là trạng thái năng lượng thấp, E2 là trạng thái năng lượng cao Mật độ hạt của hai trạng thái này lần lượt là N1 và N2 Hệ được đặt trong trường bức xạ điện từ với mật độ phổ năng lượng là ρ(v) Mật độ phổ năng lượng là năng lượng bức xạ qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian có tần

số trong một đơn vị tần số

Theo Einstein nếu hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động với môi trường xung quanh thì có thể gây ra 3 loại chuyển dời giữa các mức năng lượng: chuyển dời hấp thụ, chuyển dời phát xạ tự phát, chuyển dời bức xạ cưỡng bức (hay phát xạ kích thích)

giảm và số nguyên tử bị giảm là:

N12 = B12* N1*ρ(υ) Với B12 là hệ số xác xuất chuyển dời hấp thụ

E2

E2

2.2.1.2 Chuyển dời phát xạ tự phát

Là quá trình mà nguyên tử ở trạng thái kích thích E2 chuyển dời một cách ngẫu nhiên xuống trạng thái cơ bản E1 và phát ra một photon có năng lượng hυ12 Các chuyển dời phát xạ tự phát xảy ra ngẫu nhiên và độc lập với nhau nên các photon phát

xạ tuy có cùng tần số nhưng có pha, hướng và phân cực khác nhau Quá trình phát xạ

tự phát không phụ thuộc vào mật độ phổ năng lượng của bức xạ mà chỉ phụ thuộc vào

số nguyên tử ở trạng thái kích thích Số các chuyển dời phát xạ tự phát được Einstein phát biểu qua công thức:

xạ cưỡng bức phụ thuộc vào số nguyên tử N2 ở mức năng lượng cao E2 và số photon

có năng lượng hυ21 trong trường bức xạ tức là phụ thuộc vào mật độ phổ năng lượng ρ(υ) của trường bức xạ:

N21 = B21*ρ(υ)*N2

B21: hệ số xác xuất chuyển dời bức xạ cưỡng bức

E1

E2

E2

E1

Hình 2.8: Chuyển dời bức xạ cưỡng bức

Nguyên lý của bộ khuếch đại quang dựa trên chuyển dời bức xạ cưỡng bức Giả

sử có một photon có năng lượng hiệu hai mức năng lượng

E2 - E1 = hυ21

đi vào môi trường hoạt tính thì nó sẽ gây ra chuyển dời bức xạ cưỡng bức một nguyên tử xuống mức năng lượng thấp E1 (với điều kiện ban đầu các nguyên tử nằm ở trạng thái kích thích có mức năng lượng E2) và phát ra một photon Sau đó photon này lại gây ra sự chuyển dời phát xạ kích thích và quá trình cứ tiếp tục như vậy sẽ tao thành một chùm photon có cùng pha cùng tần số, cùng hướng và phân cực với photon ban đầu

Như vậy, từ một photon kích thích với tần số thích hợp, sau khi qua môi trường hoạt tính đã tạo ra một chùm photon và tạo nên hiệu ứng khuếch đại Để duy trì được hiệu ứng trên thì cần có một nguồn bơm từ bên ngoài để tạo ra sự chuyển dời hấp thụ photon từ mức năng lượng thấp E1 lên mức năng lượng cao hơn E2

Trong điều kiện cân bằng nhiệt động, các nguyên tử phân bố trên các mức năng lượng theo định luật phân bố thông kê của Bolzman

N1, N2: số nguyên tử phân bố ở mức 1 và 2

2.2.2 Sự đảo lộn mật độ.[1],[2]

Trạng thái đảo lộn mật độ của môi trường là điều kiện cần thiết trong khuếch đại quang: là trạng thái mà số lượng nguyên tử ở trạng thái kích thích phải lớn hơn số lượng nguyên tử ở trạng thái cơ bản Quá trình tạo ra sự đảo lộn mật độ được gọi là quá trình bơm Phương pháp này sử dụng cho sơ đồ ba hay bốn mức năng lượng Đối với hệ thống laser ba mức thì điều kiện để có sự đảo lộn mật độ là:

Nếu thời gian sống ở mức E3 đủ lớn để nguyên tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra đảo lộn mật độ Đây là điều kiện để có nồng độ hạt tải ở trạng thái siêu bền E3 lớn hơn nồng độ hạt tải ở mức E1 (đối với cơ chế ba mức) và nồng độ hạt

tải ở mức siêu bền E4 lớn hơn nồng độ hạt tải ở mức cơ bản E1 (đối với cơ chế bốn mức)

Nếu một photon của trường bức xạ ngoài có năng lượng phù hợp đi vào vùng hoạt chất giữa E1 và E3 hay E1 và E4 thì sẽ gây ra bức xạ cưỡng bức hay phát xạ kích thích

Hệ sơ đồ bốn mức có nhiều ưu điểm hơn sơ đồ ba mức Nó cho phép tạo sự đảo lộn mật độ lớn hơn, tần số bơm thấp hơn

2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA.[5]

2.2.3.1 Cấu tạo của EDFA

EDFA bao gồm:

• Nguồn bơm với bước sóng bơm là 800nm, 980nm hoặc 1480nm

• Công suất bơm quang là 20mw÷150mw

2.2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

EDFA hoạt động dựa trên hiên tượng bức xạ cảm ứng EDFA có hiệu ứng khuếch đại giống như hệ thống ba mức năng lượng trong đó mức cơ bản 4I15/2, mức siêu bền 4I13/2 và mức kích thích 4I11/2 được mô tả như sau:

4I11/2

4I13/2

Tín hiệu ra đã được khuếch đại

4I15/2

Hình 2.10: Sơ đồ ba mức năng lượng của Erbium trong EDFA

Hấp thụ photon của ánh sáng bơm, những ion Er+3 được được kích thích từ trạng thái cơ bản 4I15/2 lên các trạng thái có mức năng lượng cao hơn 4I11/2 Từ trạng thái kích thích 4I11/2 có thời gian sống nhỏ nên các ion nhanh chóng dịch chuyển xuống mức siêu bền 4I13/2 có thời gian sống lớn và dẫn đến sự đảo lộn mật độ

Tín hiệu quang bước sóng 1550nm đi vào vùng hoạt chất sẽ tương tác với các ion Er+3 ở trạng thái 4I11/2 và được khuếch đại bằng bức xạ cảm ứng 4I13/2→4I15/2 Sự dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử từ mức năng lượng 4I13/2 xuống mức năng lượng 4I15/2 sẽ phát ra một photon ánh sáng có cùng tính chất với tín hiệu quang đầu vào

2.2.4 Đặc tính của EDFA.[2],[5],[8]

2.2.4.1 Hệ số khuếch đại của EDFA

Hệ số khuếch đại là tỷ số giữa công suất tín hiệu ra và công suất tín hiệu vào

Hệ số khuếch đại được tính bởi công thức:

G =

in

A out P

P

P − SE

(*) Trong đó:

Pout: Công suất tín hiệu ra

PASE: Công suất bức xạ tự phát

Pin: Công suất tín hiệu đầu vào

Từ công thức trên ta thấy, EDFA phụ thuộc vào các yếu tố:

• Công suất tín hiệu đầu vào

• Công suất bơm tại trạng thái hấp thụ bão hoà

• Mật độ ion Er pha tạp

• Công suất ồn

Công suất tín hiệu đầu vào

Theo công thức (*) nếu Pout – PASE là hằng số và công suất tín hiệu lối vào tăng thì hệ số khuếch đại giảm Thật vậy, vì công suất tín hiệu đầu vào phụ thuộc vào công suất ồn đầu vào, nó sẽ quyết định việc xác định sự đảo lộn mật độ ở mức N2 N2 thay đổi sẽ làm cho hệ số khuếch đại G thay đổi

Hình 2.11: Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất tín hiệu đầu vào

Công suất bơm tại trạng thái hấp thụ bão hoà

Trạng thái bão hoà là trạng thái mà ở đó quá trình bơm vẫn tiếp tục nhưng mức năng lượng kích thích không thể nhận thêm nguyên tử nữa, tức là mật độ hạt N2 là hằng số Như vậy trạng thái này lớn sẽ dẫn đến hệ số khuếch đại lớn

Hình 2.12:Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào công suất bơm

Công suất bơm bão hoà tại một bước sóng xác định là công suất cần thiết để duy trì trạng thái đảo lộn mật độ Công suất bão hoà được tính như sau:

Psat =

s core

A

Γ + 21 21

( σ σ τ

Mật độ ion Er+3 pha tạp trong sợi

Mật độ ion Er+3 pha tạp trong sợi càng lớn thì hệ số khuếch đại càng lớn ứng với mỗi đơn vị chiều dài

Công suất ồn

Theo công thức (*) nếu công suất tín hiệu lối ra và công suất tín hiệu lối là hằng

số thì hệ số khuếch đại lớn khi công suất ồn nhỏ và ngược lại Nhưng với những giá trị công suất tín hiệu vào cao hơn thì hệ số khuếch đại sẽ đồng đều theo bước sóng Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế những hệ thống mạng nhiều bước sóng ở hai cửa

sổ 1530nm và 1550nm mà vẫn nhận biết được sự khác nhau về hệ số khuếch đại tại hai bước sóng này

2.2.4.2 Tạp nhiễu trong EDFA

EDFA là khá hoàn hảo tuy nhiên vẫn mắc phải nhược điểm là tạo nên những tạp âm nhỏ thông qua quá trình bức xạ tự phát được khuếch đại Nói chung, các ion tạp chất được kích thích bằng nguồn laser bên ngoài và đợi tại trạng thái siêu bền để khi

có tín hiệu ánh sáng tới thì sẽ giải phóng năng lượng của chúng, góp phần vào khuếch đại tín hiệu

Tuy nhiên, không phải tất cả các ion đều như vậy Một số ion không đợi ở mức siêu bền mà chúng bức xạ tự phát tại bước sóng 1550nm Các bức xạ tự phát đó đi dọc theo sợi và được khuếch hoặc được khuếch đại tại bộ khuếch đại tiếp theo Ồn này là

ồn chủ yếu của EDFA

Giống như hệ số khuếch đại, ồn được khuếch đại cũng là một thông số quan trọng Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại quang là sự kết hợp của tín hiệu được khuếch đại và bức xạ tự phát được khuếch đại

Nếu tín hiệu lối vào là kết hợp thì tạp âm đầu vào là tạp âm lượng tử thông thường có liên quan đến mức tín hiệu được khuếch đại Tạp âm lượng tử cũng liên quan đến ASE Bình thường, trong bộ khuếch đại luôn tồn tại ồn do chính bản thân cấu trúc của nó gây ra gọi là ồn tự phát

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA ASE TÍCH LUỸ TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN QUANG DWDM 3.1 Ảnh hưởng của ASE đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng DWDM 3.1.1 Nguyên lý bất định Heisenberg.[2],[6]

Theo nguyên lý bất định Heisenberg, có một giới hạn cơ bản của sự chính xác của phép đo đồng thời hai đại lượng: xung lượng p và toạ độ x độ bất định giữa ∆p và

∆x được liên hệ với nhau thông qua bất đẳng thức:

∆p*∆x ≥ h/2 (3.1) Bất đẳng thức này cho thấy: Nếu ∆p=0 thì ∆x=∞ hoặc ∆p=0 thì ∆x=∞ hay nói cách khác: độ chính xác của giá trị xung lượng p hay toạ độ x có liên hệ với độ bất định tuyệt đối của giá trị liên quan

Xét các photon chuyển động dọc theo trục của nó Xung lượng của photon là:

P = h.k = h.ω/c = E/c

k: số sóng của trường điện từ

E: năng lượng photon

c: vận tốc ánh sáng

Thay giá trị của p vào biểu thức (3.1) với thời gian đến của photon là ∆t=∆x/c (khoảng thời gian photon đi hết một đoạn đường là ∆x) Ta tìm được mối liên hệ tương ứng giữa năng lượng và thời gian là:

∆E.∆t ≥ h/2 (3.2) Nếu độ bất định của năng lượng dẫn tới độ bất định của số photon thì:

∆E = hυ∆n Như vậy độ bất định về pha và độ bất định về thời gian có mối liên hệ:

∆ϕ = 2πυ∆t Biểu thức (3.2) thành:

∆n.∆ϕ ≥ ½ (3,3)

Biểu thức (3.3) thể hiện mối liên hệ giữa số photon và pha của ánh sáng lan truyền, tức khi biết giá trị này ta sẽ tìm được giá trị kia và ngược lại Hay sự chính xác

về pha làm giảm sự chính xác về số photon

Xét một bộ khuếch đại quang tuyến tính lý tưởng tức là một bộ khuếch đại không có nhiễu Tại lối vào, đưa một dòng photon n0±∆n0 vào thì ở lối ra của bộ khuếch đại số photon là n+∆n=G(n0±∆n0) Điều này có nghĩa là tín hiệu lối vào được khuếch đại tuyến tính theo hệ số khuếch đại G mà không có sự ảnh hưởng của nhiễu Pha của tín hiệu lối vào là ϕ0±∆ϕ0 tại lối ra là ϕ0±∆ϕ0+θ

θ: là độ dịch pha trong quá trình truyền ánh sáng qua bộ khuếch đại và các hiệu ứng vật lý khác trên đường truyền vất lý Như vậy, độ bất định về pha không thay đổi

∆ϕ=∆ϕ0 Trong khi đó độ bất định về số photon lối ra tăng ∆n=G∆n0

Giả sử rằng chúng ta có một bộ tách quang lý tưởng là thiết bị nhạy với số photon và pha, có hiệu ứng lượng tử đơn vị Điều đó có nghĩa là tất cả các photon đi đến bộ tách đều phát xạ quang điện từ và bộ tách có độ bất định nhỏ nhất là:

∆n.∆ϕ

2

1

= Đây là độ bất định sau khi khuếch đại tương ứng với độ bất định lối vào là:

Ý nghĩa vật lý: các bộ khuếch đại quang không thể được sử dụng để cải thiện

độ nhạy của bộ tách vượt qua giới han cho phép của nguyên lý bất định Heisenberg

3.1.2 Công suất nhiễu cực tiểu và nhiệt độ hiệu dụng của bộ khuếch đại.[2],[6] 3.1.2.1 Công suất nhiễu cực tiểu

Từ những lập luận ở trên ta rút ra nhận xét: trong bất kỳ bộ khuếch đại nào luôn luôn tồn tại nhiễu dù rất nhỏ Vậy công suất nhiẽu cức tiểu của một bộ khuếch đại bằng bao nhiêu để thoả mãn nguyên lý bất định Heisenberg

H.Herfier đã tính toán và đưa ra công thức sau:

PN=hυB(G-1) (3.5) B: dải thông của bộ khuếch đại

Bây giờ ta sẽ đưa ra các giả thiết và lập luận để đưa ra công thức trên

Giả sử có một bộ khuếch đại tuyến tính có tạp nhiễu và bộ tách lý tưởng như ở trên

Gọi ∆na2,∆ϕa2: độ bất định liên quan đến bộ khuếch đại

Từ (3.6) và (3.7) ta có:

∆n02.∆ϕ02 12

G

= [∆n2.∆ϕ2] Hay

a a