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

Nguyễn Minh ThắngNGHIÊN 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... Nguyễn M

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

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

Ngành:

Chuyên

Mã số:

ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS PHẠM VĂN HỘI

Hà Nội - 2006

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

1.2.1 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM

1.2.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM

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

2.2.1 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

2.4.1 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

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

2 BA Booster Amplifier

Với những ưu điểm về độ rộng băng tần, cự ly thông tin, không bị ảnh hưởngcủa nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao , hệ thống truyền dẫnquang là sự hấp dẫn mạnh các nhà khai thác viễn thông, các nhà nghiên cứu khoahọc Các hệ thống thông tin quang không những đặc biệt phù hợp với các tuyếnthông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trongviệc thực hiện các chức năng của mạnh nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng mọiloại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.

Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử viễn thông, công nghệ quang sợi vàthông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là sự phát triển của côngnghệ chế tạo các thiết bị truyền dẫn, phát, thu, lọc quang đã tạo ra những sản phẩmmới, đáp ứng việc thiết lập hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụngkhuếch đại quang sợ EDFA

Bộ khuếch đại dùng sợi quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng tạo rahiệu ứng khếch đại ở vùng bước sóng 1550mm đã được đưa vào sử dụng trongmạng thông tin và các tuyến truyền dẫn Các sợi quang thông dụng hiện nay chế tạobằng 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 đỉnhtại 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 quangsong công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA

Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) là giải pháptiên tiến trong thông tin sợi quang, đáp ứng nhu cầu về băng thông cũng như đảmbảo được những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn Kỹ thuật này cho phép ghép cáctín 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 củatừng kêng trên mỗi bước sóng Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theomột hướng là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và

thông tin khác tại nhóm bước sóng 2, thu thông tin tại nhóm bước sóng 1.

Luận văn này tổng hợp các kiến thức cơ bản về kỹ thuật ghép kênh theo bướcsóng, bộ khuếch đại EDFA và giới thiệu những vấn đề cơ bản của hệ thống thôngtin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, giải pháp để cóthể tận dụng các tuyến thông tin cáp quang có sẵn đã truyền một chiều, để truyềntheo chiều ngược lại trong cùng một sợi quang, lời giải cho bài toán kinh tế, kỹthuật 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 vàphong phú Việc truyền dẫn 2 chiều (song công) trong một sợi quang là ứng dụngcòn rất mới ở nước ta, công việc nghiên cứu đang tiến tới phía trước với một tiền đồrộng lớn Do khả năng và trình độ hiểu biết còn hạn chế, và thời gian nghiên cứucũng có hạn, nên luận văn chỉ đề cập đến một phần nhỏ của lĩnh vực có một triểnvọng to lớn trong ứng dụng này Đồng thời, phần trình bày luận văn chắc hẳn cũngcòn nhiều thiếu sót, rất mong các thầy, cô, các bạn đồng nghiệp chỉ bảo để bổ sunghoàn thiện hơn./

Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO

BƯỚC SÓNG - HỆ THỐNG SONG CÔNG

1.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM).

1.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Theo các báo cáo khoa học, dung lượng của hệ thống thông tin quang có thểvượt 10 Tbps, nhưng trên thực tế chỉ có thể đạt khoảng 10 - 40 Gbps do giới hạncủa hiệu ứng tán sắc, phi tuyến và tốc độ của các thành phần điện Vì vậy, ghépkênh để truyền nhiều kênh quang trên cùng một sợi là phương thức đơn giản để mởrộng dung lượng của hệ thống lên hàng Tbps

Ghép kênh có thể thực hiện theo thời gian (ghép kênh theo thời gian TDM)hoặc theo tần số (ghép kênh theo tần số FDM) Nhìn chung, có hai kỹ thuật ghépkênh quang cơ bản là ghép kênh quang theo thời gian (OTDM) và ghép kênh quangtheo bước sóng (WDM)

Trong thông tin quang điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quang sẽ có mộtnguồn phát quang ở phía phát và bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phátquang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vàosợi dẫn quang, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy,muốn tăng dung lượng hệ thống thông tin quang thì cần phải sử dụng thêm sợiquang Kỹ thuật WDM cho phép truyền đồng thời các luồng ánh sáng có các bướcsóng khác nhau trên cùng một sợi, bởi vậy cho phép tăng dung lượng hệ thốngthông tin quang mà không cần phải tăng tốc độ bit đường truyền và cũng khôngphải sử dụng thêm sợi dẫn quang

Người ta có thể thực hiện được WDM là nhờ có băng thông rộng của sợiquang, còn mỗi nguồn phát lại có độ rộng phổ khá hẹp Vì vậy, lý tưởng ra conngười có thể truyền tải được một lượng khổng lồ các kênh từ nhiều nguồn phát khácnhau hoạt động ở các bước sóng phù hợp trên cùng một sợi quang Ở đầu thu có thể

thực hiện việc thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các tín hiệu dựa

vào bước sóng của chúng Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM được thể hiện ở

Hình 1.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh bước sóng

Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2, λ

-3, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau sẽ cùng ghép vào sợi quang

ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), tín hiệu ghép này sẽ được truyền qua sợi

quang để sang đầu thu Tại đầu thu, bộ tách kênh (DEMUX) sẽ cho ra các luồng tín hiệu

riêng rẽ căn cứ theo bước sóng

Các nghiên cứu cho thấy các tín hiệu quang không phát một lượng công suất

đáng kể nào ở ngoài dải rộng phổ đã xác định trước của chúng, cho nên vấn đề

xuyên kênh không đáng lưu ý ở đầu phát Vấn đề ta cần quan tâm chính là bộ ghép

kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị

suy hao Đối với bộ tách kênh, vì bộ tách sóng thường rất nhạy cảm trên một vùng

rộng các bước sóng nên có thể thu được toàn bộ các bước sóng phát đi Như vậy, để

ngăn chặn một cách hiệu quả các tín hiệu không mong muốn cần phải có biện pháp

cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện điều này cần thiết kế các bộ tách kênh thật

chuẩn xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định với bước sóng cắt chính xác

1.1.2 Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước

sóng quang WDM

Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang

WDM như hình vẽ 1.2 Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một

hướng như ở hình 1.2.a là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tạimột đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia.Phương án truyền dẫn WDM hai hướng như ở hình 1.2.b thì không quy định phát ởmột đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo mộthướng tại bước sóng 1 và đồng thời cũng phát thông tin khác theo hướng ngược lạitại bước sóng 2 Đồng thời tại hai đầu thu, sử dụng các thiết bị chia định hướng đểtách 2 đường thu: Thu theo 1 tại đầu phát 2 và thu theo 2 tại đầu phát 1.

làm bộ giải ghép bước sóng Như vậy, hiểu đơn giản, từ “Bộ ghép – Multiplexer”trong trường hoẹp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộghép và bộ giải ghép; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặchai chức năng Vì vậy, khi các luồng tín hiệu quang được giải ghéo ở phía đầu thuthì bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại.

Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành 3 loại: Các bộ ghép(MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và giải ghép hỗn hợp (MUX – DEMUX) Các

bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng,còn loại thứ 3 (MUX – DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền theo haihướng Hình 1.3 là sơ đồ miêu tả thiết bị ghép và giải ghép Việc mô tả phân tíchchính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi đối với các phần tử của matrận Aij(x) Các phần tử này là hệ số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị các tínhiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa thứ j Thiết bị này được sử dụng khi cần tăngthêm cho chiều đi và chiều về mỗi chiều lớn hơn một tần số.

Các tín hiệu được giải ghép

Hình 1.3 Mô tả thiết bị giải ghép hỗ hợp 1.1.3 Khả năng ứng dụng của WDM

Các hệ thống WDM có khả năng ứng dụng với nhiều loại mạng và trên tất cảcác lớp mạng như thể hiện ở hình 1.3 Ứng dụng cơ bản nhất của các hệ thốngWDM là sử dụng trong mạng đường trục để bao trùm một vùng rộng lớn hoặc liênkết giữa các châu lục Mặt khác, các hệ thống WDM cũng được ứng dụng rộng rãitrong các vùng trung tâm hoặc phát triển các mạng có kích cỡ nhỏ hơn gồm một sốnút với các loại lưu lượng khác nhau (TDM, SONET/SDH, ATM, IP) để truyền tảitới mạng mức cao hơn, trong đó có một nút là trạm tập trung để liên kết với cácmạng khác

IP/LAN STM ATM STM IP/LAN

Truy nhập tới tận nhà (Tốc độ từ DS0 tới OC-3)

Mạng khu vực trung tâm(Tốc độ DS0 - OC-3)

Mạng đường trục (Tốc độ trên OC-12)

Đường truyền điệnĐường truyền quang

Hình 1.3 Khả năng ứng dụng của WDM

Mặc dù công nghệ WDM vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển và chuẩnhóa nhưng các hệ thống đã hoạt động với vài chục bước sóng trên một sợi quang, vàtrong tương lai gần sẽ là hàng trăm bước sóng Trong thực nghiệm, công nghệWDM đã hoạt động với trên 200 bước sóng trên một sợi quang, hoạt động ở tốc độ

40 Gbps trên một bước sóng, và như vậy dải rộng băng của mỗi sợi quang có thể đạttới 8 Tbps

1.2 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM.

1.2.1 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM

Cấu trúc mạng thực tế gồm nhiều hệ thống WDM cùng liên kết hoạt động đểtạo ra mạng truyền dẫn cung cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối - đến - đầu cuối (gọitắt là mạng WDM hay mạng quang) Để đảm bảo khả năng kết nối, phối hợp, người

ta phải đưa ra các khái niệm, nguyên tắc và chỉ tiêu cụ thể cho từng hoạt động củacác phần tử mạng, và tập hợp các vấn đề này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống Tiêuchuẩn hóa của các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm “liên kếtmạng”, mà mục đích của nó nhằm đảm bảo khả năng chuyển giao thông tin người

sử dụng vào trao đổi thông tin quản lý giữa các phần tử mạng

Ý nghĩa của liên kết mạng là các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhaunhất định phải có khả năng trộn lẫn trongmột phân đoạn mạng hay nói cách khác là phảiđảm bảo “tính tương hợp ngang” trong mạng

ITU-T G.692 là tiêu chuẩn cho các hệ thống WDM điểm - điểm cự ly lớn;tốc độ của từng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 và/hoặc STM-64; số kênh bướcsóng là 4, 8, 16 hoặc 32 kênh; loại sợi G.652, G653 hoặc G655; khoảng cách cựcđại của tuyến khi không sử dụng khuếch đại quang là 160 km, có sử dụng khuếchđại quang là 640 km

S1Tx1

f1 RM1Tx2 S2 RM2

Txn

Hình 1.4 Cấu hình chuẩn định nghĩa giao diện quang của hệ thống đa kênh

Cấu hình chuẩn của hệ thống WDM được xây dựng trên cấu hình hệ thốngSDH đa kênh điểm - điểm Sự thăng giáng của tín hiệu xuất hiện ở lớp SDH do bộghép xen rẽ kênh quang (OADM) hoặc OXC trong lớp chủ (lớp WDM) gây nên gầngiống như các bộ khuếch đại quang đường truyền Các thiết bị này có thể xem nhưmột bộ khuếch đại quang đường truyền hai tầng, tại đầu vào là một bộ tiền khuếchđại nhiễu thấp và đầu ra sử dụng bộ khuếch đại công suất Quá trình xử lý tín hiệutrung gian sẽ tạo nên một lượng xuyên kênh tuyến tính do đặc tính không lý tưởngcủa các bộ lọc Các tín hiệu xen vào và tách ra chịu tác động của hiệu ứng trộn 4sóng do sự khác biệt rất nhỏ về tần số tín hiệu xen và tách.

Trường hợp Tx là nguồn phát chỉ thỏa mãn khuyến nghị G.957 người ta phảidùng bộ chuyển đổi để đảm bảo giao diện tại Tx thỏa mãn khuyến nghị G.962 trướckhi thực hiện ghép bước sóng

1.2.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM.

a ITU-T G.872 “Kiến trúc của mạng truyền tải quang”

Khuyến nghị này quy định các chức năng của mạng quang truyền tải tín hiệu

số, bao gồm:

- Kiến trúc chức năng truyền tải của mạng quang,

b ITU-T G.709 “Giao diện cho mạng truyền tải quang (OTN)”

Khuyến nghị này đề cập đến các nội dung:

- Chức năng của mào đầu trong việc hỗ trợ mạng thông tin đa bước sóng,

- Phương pháp sắp xếp các tín hiệu client

c ITU-T G.959 “Giao diện lớp vật lý của mạng truyền tải quang”

Khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu đối với giao diện kết nối mạng cho các mạng quang sử dụng công nghệ WDM

d ITU-T G.692 “Giao diện quang cho hệ thống đa kênh quang sử dụng khuếch đại quang”

Khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu giao diện quang cho các ứng dụng trên các bảng:

e ITU G.957 “Giao diện quang cho thiết bị và hệ thống SDH”

f ITU-T G.691 “Giao diện quang cho hệ thống đơn kênh quang tốc độ STM-64, STM-256 và các hệ thống SDH khác sử dụng khuếch đại quang”

Công suất phát phụ thuộc vào loại nguồn phát Laser DFB có công suất phátkhoảng 1 mW (0 dBm) đến 10 mW (1 dBm) Người ta cũng có thể sử dụng một bộkhuếch đại công suất kết hợp với nguồn phát để có được công suất ra khoảng 50

mW (17 dBm) hoặc thậm chí lớn hơn mức 20 dBm Giới hạn trên của giá trị côngsuất này thường là do tính phi tuyến của sợi quang, dải động của bộ thu và các điềukiện an toàn quy định

1.3.1.3 Tỷ số phân biệt

Tỷ số phân biệt được định nghĩa là tử số giữa công suất phát P1 khi bít “1”được phát và công suất phát P0 khi bít “0” được phát đi Việc giảm tỷ số phân biệt

sẽ làm cho độ khác biệt giữa mức 0 và 1 tại bộ thu giảm và do đó sẽ tạo ra Penalty

Độ thiệt thòi về công suất do tỷ số phân biệt không lý tưởng gây ra trong hệ thống

bị giới hạn bởi loại nhiễu không phụ thuộc vào tín hiệu

1.3.1.4 Kiểu điều chế.

Nguồn laser tại phía phát có thể là nguồn điều chế trực tiếp hoặc nguồn điềuchế ngoài Loại nguồn điều chế trực tiếp rẻ hơn nhưng phổ bị dãn rộng hơn do hiệntượng chirp (hình 1.5) Điều này sẽ gây nên độ thiệt thòi về công suất do tán sắc.Phổ cũng gây nên độ thiệt thòi về công suất khi tín hiệu đi qua các bộ lọc quang, ví

dụ như các phần tử MUX/DEMUX

1.3.1.5 Độ ổn định bước sóng.

Một trong các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến thông tin quangWDM là độ ổn định của bước sóng của các phần tử trên tuyến Tuy nhiên độ dịchbước sóng do sự thay đổi nhiệt độ của các phần tử trên tuyến WDM là tương đốinhỏ Ví dụ như một bộ MUX/DEMUX làm từ Silicon có hệ số nhiệt độ khoảng0,001 nm/0C Một số phần tử khác thậm chí có hệ số nhiệt độ còn thấp hơn

Tần số chirp (GHz)

131211

Hình 1.5 Hiện tượng chirp trong các nguồn phát điều chế trực tiếp

Thông thường, hầu hết các hệ thống WDM đều sử dụng nguồn laser DFB, vàđây là phần tử chính cần ổn định nhiệt độ Trong thực tế, các laser thường được kèmtheo phần tử ổn nhiệt (thermistor và thermo-electric cooler) đảm bảo cho nhiệt độcủa laser không thay đổi quá ± 0,1 0C Tuy nhiên, bước sóng của laser cũng có thểthay đổi do ảnh hưởng của các hiệu ứng hóa già trong suốt một thời gian dài Cácnhà sản xuất laser thường đưa ra giá trị của tham số này, điển hình là khoảng ± 0,1

nm và trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng một vòng lặp bên ngoài để ổn địnhbước sóng của laser

Ngoài ra, một yếu tố khác cũng cần xem xét là sự phụ thuộc của bước sónglaser vào dòng điều khiển, điển hình là từ 100 MHz/mA đến 1 GHz/mA Một laser

thường làm việc ở 1 trong 2 chế độ sau: công suất đầu ra không đổi hoặc dòng điềukhiển không đổi Ở chế độ dòng không đổi sẽ tránh được hiện tượng này Tuynhiên, khi laser bị hóa già mà muốn giữ công suất phát laser không đổi thì cần phảităng thêm dòng điều khiển và sẽ gây nên một sự dịch chuyển nhỏ đối với bước sóngphát ra của laser Với khoảng cách kênh là khoảng 100 GHz thì đây không là vấn

đề, nhưng đối với khoảng cách kênh hẹp hơn thì cần phải để laser làm việc ở chế độdòng điều khiển không đổi và phải chịu thiệt thòi về công suất so sự suy giảm côngsuất phát của laser

1.3.2 Tham số phần thu.

Trong các hệ thống thông tin quang WDM có 2 loại bộ thu hay được sử dụng

là PIN và APD Bộ thu APD có độ nhạy thu cao hơn, nhưng mức nhiễu cao hơn.Thông thường thì người ta hay sử dụng các bộ thu PIN FET kết hợp với tiền khuếchđại quang để tăng độ nhạy của bộ thu Các tham số chính liên quan đến bộ thu baogồm độ nhạy thu và công suất thu quá tải, thời gian lên/xuống và nhiễu

1.3.2.1 Độ nhạy thu và công suất thu quá tải.

Độ nhạy thu là một trong các tham số ảnh hưởng đến quỹ công suất của tuyếnthông tin quang WDM Độ nhạy thu là công suất quang trung bình tối thiểu yêu cầutại bộ thu để đạt được một giá trị BER nhất định tại một tốc độ bit nhất định Đốivới các hệ thống WDM thì giá trị này thường được đo với BER=10-12 sử dụng chuỗibit giả ngẫu nhiên Vì vậy, trong một nhóm các bộ thu, bộ thu được nói là có độnhạy tốt hơn nếu như nó có thể đạt được cùng một chất lượng như các bộ thu khácnhưng với công suất quang đến ít hơn

Chỉ tiêu chất lượng của bộ thu quy định bởi tỷ lệ lỗi bit (BER), được địnhnghĩa như là xác suất nhận dạng bit bị sai trong mạch quyết định của bộ thu Giá trịBER phụ thuộc vào giá trị của dòng ngưỡng trong mạch quyết định Các bộ thu thực

tế thường có dòng ngưỡng được chọn tối ưu sao cho BER nhỏ nhất

Tham số thu quá tải là công suất tại đầu vào bộ thu cực đại mà bộ thu có thể chấpnhận để đạt giá trị BER theo yêu cầu (thường là 10-12 với các hệ thống WDM).

1.3.2.2 Nhiễu trong bộ thu.

Nhiễu là vấn đề quan trọng cần được xem xét đối với bộ thu Nhiễu trong bộthu là hiện tượng dao động của dòng điện trong bộ thu Trong bộ thu có 2 loại nhiễuchính là nhiễu shot (nhiễu bắn hoặc nhiễu lượng tử) và nhiễu nhiệt

- Nhiễu shot: nhiễu hình thành do tốc độ chuyển động ngẫu nhiên của các điện

tử có tính ngẫu nhiên, hiện tượng này dẫn đến sự dao động về cường độ trong các mạchđiện tử Nhiễu shot có thể biểu diễn bằng hàm Gauss

- Nhiễu nhiệt: quá trình tự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử do ảnhhưởng của nhiệt độ được gọi là nhiễu nhiệt Nhiễu này tồn tại ngay cả khi không có điện

áp đặt vào bộ thu Cũng giống như nhiễu shot, nhiễu nhiệt có thể được biểu diễn xấp xỉbằng quá trình Gauss

Với photodiode có độ nhạy thu là R, thì dòng điện tạo ra I(t) được tính theocông thức:

I(t) = RPinput + IS(t) + Ithermal(t)Trong đó, RPinput = Ipd là giá trị trung bình của dòng điện tại photodiode, IS(t)

là dòng nhiễu shot, Ithermal(t) là dòng nhiễu nhiệt

1.3.3 Tham số sợi quang.

Tham số sợi quang ảnh hưởng đến quá trình lan truyền tín hiệu trong sợiquang bao gồm suy hao, tán sắc, tán sắc mode phân cực, và tính phi tuyến của sợiquang

1.3.3.1 Suy hao.

Suy hao trong sợi quang là một trong những nguyên nhân cơ bản làm giới hạnkhoảng cách truyền dẫn Các nguyên nhân chính gây suy hao trong sợi quang gồm:

- Do hấp thụ: Hấp thụ do các khiếm khuyết về nguyên tử thành phần của sợithủy tinh; Hấp thụ do các nguyên tử tạp chất trong vật liệu thủy tinh, mà chủ yếu là docác ion kim loại chuyển tiếp như sắt, Crom, Coban, đồng, ion OH-; hấp thụ do cácnguyên tử cơ bản cấu tạo nên vật liệu làm sợi.

- Do tán xạ (chủ yếu là tán xạ Rayleigh)

LR   0,75  4,5  4

Trong thông tin quang, suy hao được biểu diễn bằng dB/km và được tính theo công thức:

dB 

10log

Trong đó: PTx là công suất phát tại điểm S (dBm) (ITU-T

G.957), PRx là độ nhạy thu tại điểm R (dBm) (ITU-T G.957), M là suy hao dự phòng (dB),

PC là suy hao do hàn nối và connector giữa điểm S và R (dB), PP là độ thiệt thòi luồng quang giữa điểm S và R (dB),

α là hệ số suy hao của sợi quang (dB/km)

1.3.3.2 Tán sắc.

Tán sắc (chromatic dispersion) trong sợi quang đơn mode D bao gồm tán sắcvật liệu DM (material dispersion) và tán sắc ống dẫn sóng DW (waveguidedispersion) D được tính theo công thức sau:

D   2c   D  D

Trong đó: β2 là tham số tán sắc vận tốc nhóm (GVD) được xác định qua hằng

số truyền lan β của sợi theo công thức 2  d2

d2Ngoài ra còn có tham số tán sắc bậc cao (hiệu ứng tán sắc bậc 3), gọi là độ dốctán sắc, của tham số truyền dẫn dọc theo hướng z được tính theo công thức:

L4B D 

1

Trong đó Δλ là độ rộng phổ RMS do hiện tượng chirping

Như vậy, nếu sử dụng nguồn điều chế trực tiếp có Δλ ≈ 0,15 nm thì với tốc độ2,5 Gbit/s, cự ly truyền dẫn sẽ bị giới hạn ở L ≈ 42 km Tuy nhiên cũng có thể sửdụng nguồn điều chế ngoài để giảm ảnh hưởng của tán sắc vì điều chế ngoài có thể

giảm được sự dãn phổ do chirping Khi đó giới hạn cự ly truyền dẫn do tán sắcđược xác định theo công thức sau:

x, y là chỉ số mode phân cực trực giao,

Δβ1 là độ ghép cặp phân cực (độ lệch hằng số truyền hai mode phân cực),

Do sự ghép cặp mode một cách ngẫu nhiên giữa hai mode nên đại lượng Δt/L

ở trên không thể đánh giá trực tiếp PMD của sợi quang Quá trình ghép cặp có xuhướng cân bằng thời gian truyền đối với hai thành phần phân cực, nên thực tế PMD đượcđặc trưng bởi giá trị căn trung bình bình phương của Δt:

t   t    1 h  1 exp   

Khi h << L (có sự ghép cặp mạng giữa hai mode phân cực trực giao) thì:

t  1 hL  D p L

Dp là hệ số tán sắc mode phân cực

Sự dãn xung do PMD là tương đối nhỏ so với ảnh hưởng của GVD do sự phụthuộc vào L Tuy nhiên nó rất quan trọng đối với các hệ thống khoảng cách lớn, tốc

độ truyền dẫn cao, hoạt động gần λ0 (bước sóng có tán sắc 0)

Mức độ dãn xung do PMD có thể được đánh giá từ độ trễ thời gian Δt giữa haithành phần phân cực trong quá trình lan truyền xung Δt có phân bố Maxwell và đốivới một sợi quang có độ dài L, Δt được xác định theo công thức sau:

t  PMD fiber L

MPDfiber là hệ số tán sắc mode phân cực, ps/ km

Ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực có thể xử lý bằng các bộ bù tán sắc

1.3.3.4 Các hiệu ứng phi tuyến

Đáp ứng của bất kỳ vật liệu điện môi nào đối với ánh sáng đều trở nên phituyến khi cường độ của trường điện từ lớn, sợi quang cũng không ngoại lệ Vectorphân cực P được tạo ra từ các ngẫu cực điện tử không còn là tuyến tính trong điệntrường, mà tuân theo hệ tổng quát sau:

P  0 (1).E  (2) : EE  (3) EEE  

Trong đó 0 là hằng số điện môi chân không; (j) là độ thụ cảm bậc j(j=1,2,3 )

Trong biểu thức trên, (1) đóng góp phần chủ yếu vào P Các ảnh hưởng của

nó tạo ra thông qua hệ số chiết suất n và hệ số suy hao α (2) gây ra các hiệu ứngphi tuyến như tạo hài bậc 2, tạo tần số tổng Tuy nhiên, ở sợi quang thì (2) = 0 nênthông thường trong sợi quang không có các hiệu ứng phi tuyến bậc 2

Các hiệu ứng quang phi tuyến trong sợi quang có thể chia làm 2 loại như sau:

- Các hiệu ứng tán xạ kích thích (Raman và Brillouin)

- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr, bao gồm các hiệu ứng SPM (selfphase modulation), SPM (cross phase modulation) và FWM (four wave mixing) Đây làcác hiệu ứng liên quan đến sự phụ thuộc của chiết suất sợi quang vào cường độ ánh sánglan truyền trong sợi quang do ảnh hưởng của (3) (còn gọi là hiệu ứng Kerr), tức là hệ sốchiết suất của sợi được tính theo biểu thức sau:

2

0

n2 là hệ số chiết suất phi tuyến; E là

Hai loại hiệu ứng này có các điểm khác biệt chính như sau:

- Trong các hiệu ứng liên quan đến Kerr, không có sự trao đổi năng lượng giữatrường điện từ và môi trường điện môi Còn trong các hiệu ứng tán xạ kích thích, trườngquang chuyển một phần năng lượng của mình cho môi trường phi tuyến

- Các hiệu ứng tán xạ kích thích gây nên suy hao hoặc khuếch đại tín hiệu phụthuộc vào cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi Còn các hiệu ứng liên quan đến hiệuứng Kerr thì gây nên sự dịch pha phụ thuộc vào cường độ của tín hiệu

- Với hiệu ứng tán xạ kích thích sẽ có công suất ngưỡng mà tại đó các hiệuứng phi tuyến sẽ xảy ra, tức là ngưỡng tại đó có sự chuyển đổi lớn của năng lượng sóngbơm thành năng lượng Stokes Còn đối với hiệu ứng Kerr thì không có ngưỡng đó

Các hiệu ứng Kerr gồm: Hiệu ứng tự điều chế pha - SPM (Self PhaseModulation); Hiệu ứng điều chế chéo pha - XPM (Cross Phase Modulation); Hiệuứng trộn 4 sóng - FWM (Four Wave Modulation)

Hiệu ứng tán xạ kích thích có hai hiệu ứng quan trọng là hiệu ứng tán xạ kíchthích Brillouin - SBS (Stimulated Brillouin Scattering) và hiệu ứng tán xạ kích thíchRaman - SRS (Stimulated Raman Scattering) Điểm khác biệt chính giữa hai hiệuứng này là các phonon quang tham gia vào hiệu ứng SRS, còn các phonon âm thamgia vào hiệu ứng SBS.

Chương II

KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM

Trong truyền dẫn nói chung, truyền dẫn quang nói riêng, khi cự ly truyền dẫndài tới mức phân bổ suy hao không thảo mãn, suy hao tuyến vượt quá giá trị chophép thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền Các trạmlặp trong hệ thống thông tin quang truyền thống đóng vai trò khuếch đại tín hiệuthông qua các quá trình biến đổi quang - điện và điện - quang Điều này có nghĩa làtín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa tiếp được nữa sẽ được các trạm lặp thulại và biến đổi thành tín hiệu điện; sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian,tái tạo lại dạng tín hiệu điện và rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để phát vàođường truyền Mô hình trạm lặp kiểu này đã được ứng dụng khá rộng rãi và đượclắp đặt ở hầu hết các tuyến thông tin quang trong thời gian trước đây

Thời gian gần đây người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếptín hiệu ánh sáng mà không cần phải qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kỹthuật khuếch đại quang Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiềuhạn chế của các trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vàodạng tín hiệu, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện vv việc áp dụng các bộkhuếch đại quang vào các hệ thống thông tin quang còn đưa ra một ý tưởng lớn choquá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đótiến tới phát triển các mạng quang hoá hoàn toàn

2.1 Cơ sở của khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er 3+

Nguyên lý của khuyếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er3+ là khuyếch đạiánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức trong môi trường đảo độ mật có cơ chế vật lýgiống như laser, tuy nhiên không yêu cầu có phản hồi quang bằng gương phản xạtrong buồng cộng hưởng giống như laser Vì vậy, để tạo được trạng thái đảo mật độtrong môi trường hoạt tính bằng phương pháp bơm quang học, chúng ta cần phải xétđến mô hình khuyếch đại quang sử dụng 3 mức hoặc 4 mức năng lượng Các bộkhuyếch đại EDFA tuân theo sơ đồ 3 mức

Hình 2.1 Sơ đồ hệ mức năng lượng

Xét hệ ba mức năng lượng như hình 2.1: Mức 1 là mức cơ bản (mức nền) có

độ tích luỹ là N1 tương ứng với trạng thái 4I15/2 trong cấu trúc năng lượng của Er3+

Mức 2 là mức kích thích (mức siêu bền) có độ tích luỹ là N2, tương ứng với trạng

thái 4I13/2 Thời gian sống tại mức này là rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với các trạng

thái trên Mức 3 là mức bơm (mức trung gian) có độ tích luỹ là N3 tương ứng với

trạng thái 4I11/2 đây là mức trung gian để tạo nghịch đảo phân bố mật độ giữa mức

2 và mức 1

Khi các nguyên tử nhận năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài có tần số bơm

thích hợp, chúng sẽ bị kích thích lên mức 3 Do thời gian sống tại mức 3 rất ngắn

nên chúng sẽ dịch chuyển rất nhanh xuống mức 2 thông qua dịch chuyển photon

Thời gian sống của các nguyên tử tại mức 2 rất dài, cỡ ms nên chúng có thể tồn tại

khá lâu tại mức này và vì vậy chúng có thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy so với mức

1 Khi một nguyên từ tại mức kích thích 2 này tương tác với một photon tín hiệu tới,

nó sẽ nhảy xuống mức 1 và bức xạ ra một photon có tần số và pha giống hệt như photon

tới (bức xạ kích thích) Đây chính là nguyên lý để chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi

pha tạp đất hiếm Er3+

Ta có hệ phương trình tốc độ cho hệ ba mức năng lượng trên như sau:

p là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1

lên mức 3 (số photon trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích), tương

ứng với bơm

s là thông lượng của chùm sáng tới có tần số ứng với dịch chuyển từ mức 1

lên mức 2, tương ứng với tín hiệu

32 là xác suất dịch chuyển không phát xạ từ mức 3 xuống mức 2 (coi dịch

Do tốc độ phân rã mức 3 xuống mức 2 rất nhanh, nhanh hơn rất nhiều tốc độtác động của nguồn bơm, nên độ tích luỹ ở mức 3 gần như là bằng 0 vì vậy ta sẽ coitoàn bộ độ tích luỹ chỉ gồm có mức 1 và 2.

Thay (2.7) vào (2.2) ta được:

Trong trường hợp cường độ bức xạ rất nhỏ và tốc độ phân rã

nhiều so với tốc độ bơm pσp, ta có phân số đảo mật độ là:

(2.10)

Γ32 lớn hơn

Vì vậy, điều kiện để có ngưỡng bơm thấp sẽ là:

 Thời gian sống tại mức kích thích lớn (một điểm hết sức thuận lợi củasợi quang pha tạp Er3+ là chúng có thời gian sống tại mức kích thích 4I13/2 rất lớn, cỡ10ms)

2.1.2 Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại

Sử dụng sơ đồ 3 mức năng lượng như ở phần trên, mật độ tích luỹ (số lượngion trong một đơn vị thể tích), tại các mức 1, 2 và 3 lần lượt là N1, N2 và N3, ta sẽxét sóng tín hiệu và sóng bơm truyền theo cùng một hướng dọc theo trục z của sợiquang lần lượt có cường độ là Is và Ip

và kích thích thêm nhiều photon mới bức xạ ra từ các ion ở trạng thái kích thích.Các photon mới này sẽ cùng một mode giống hệt như photon bức xạ tự phát banđầu Nó sẽ lấy đi các photon mà đáng ra chúng phải tham gia vào quá trình bức xạkích thích cùng với photon tín hiệu Quá trình này có thể xuất hiện bất cứ tần số nàotrong phổ huỳnh quang của chuyển dời khuyếch đại và rõ ràng chúng sẽ làm giảmkhả năng khuyếch đại tín hiệu.

Để tính công suất ASE tại đầu của sợi quang, đầu tiên ta cần tính được côngsuất bức xạ tự nhiên phát tại một điểm cho trước trong sợi quang

Với sợi đơn mode mà bức xạ tự nhiên phát xảy ra ở cả hai mode phân cựcđộc lập tại tần số v, ta có công suất của một photon được sinh ra do bức xạ tự nhiêntrong dải hẹp  là:

Công suất ASE tổng cộng tại một điểm z trên sợi sẽ bằng tổng công suất

ASE từ các phần trước và công suất nhiễu riêng P0ASE Công suất nhiễu riêng này

kích thích bức xạ của các ion Er3+ từ trạng thái kích thích và tỷ lệ với tích e()N2

trong đó e() là tiết diện bức xạ tại tần số , N2 là mật độ tích luỹ tại mức kích

Với a()là tiết diện hấp thụ tại tần số 

Công suất ASE (mW)

Vị trí theo chiều dài sợi (m)

Hình 2.2 Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ASE (đồng hướng và ngược

hướng) theo vị trí trên sợi quang dài 14m được bơm bằng bước sóng 980nm

với công suất 20mW.

Trên thực tế, quá trình ASE có thể truyền theo cả 2 hướng dọc theo sợi, cùng

hướng hoặc ngược hướng với ánh sáng bơm Hình 2.2 cho thấy công suất ASE tổng

cộng đồng hướng và ngược hướng theo độ dài sợi quang pha tạp Er3+ là khác nhau

Công suất ASE ra đồng hướng tại z = L nhỏ hơn công suất ASE ra ngược hướng tại

z=0 vì tại đầu sợi độ tích luỹ cao hơn tại cuối sợi do công suất bơm tại đầu sợi mạnh

hơn

2.2 Một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium

2.2.1 Công suất và bước sóng bơm trong bộ khuếch đại quang sợi pha

tạp Erbium

Trong quá trình hoạt động của EDFA, có một vài vùng bước sóng bơm cho

phép kích thích các ion Erbium Đặc tính khuếch đại của sợi Erbium EDF được

bơm ở mỗi vùng bơm được so sánh dưới dạng hệ số khuếch đại, tỷ lệ phần tiết diện

bức xạ kích thích bơm và tiết diện hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất và các

Công suất bơm (mW)

Hình 2.3 Sự phụ thuộc độ khuếch đại tín hiệu vào công suất bơm EDFA.

Hình 2.3 mô tả quan hệ tiêu biểu giữa khuếch đại tín hiệu và công suất bơm

Nhìn chung, độ khuếch đại lúc đầu tăng mạnh theo hàm mũ với sự tăng của công

suất bơm, và rồi ngả dần xuống khi giá trị công suất bơm vượt quá một giá trị nào

đó Chế độ sau cùng của khuếch đại tín hiệu tương ứng với trường hợp ở nơi mà hầu

tiếp tuyến với đường cong khuếch đại đi qua gốc tọa độ như được chỉ ra ở đườngnét đứt trong hình Hình này cũng chỉ ra sự phụ thuộc của độ khuếch đại tín hiệuvào độ dài sợi Độ dài sợi mà tăng sẽ dẫn tới độ khuếch đại tăng Hệ số khuếch đạikhông chỉ phụ thuộc vào độ dài sợi EDF mà còn phụ thuộc vào công suất tín hiệuđầu vào EDFA Giá trị của nó thường được xác định trong điều kiện tín hiệu là nhỏvới độ dài sợi tối ưu để thu được giá trị lớn nhất Hiện nay, hệ số khuếch đại có thểthu được là 11,0 db/mw khi bơm tại bước sóng 980 nm.

Hiệu suất biến đổi công suất PCE (Power Conversion Eficiency) là một tham

số thông dụng thường để áp dụng chủ yếu cho EDFA khuếch đại công suất BA(Booster Amplifier) vì nó có liên quan đến các đặc tính bão hòa của EDFA Tham

số này thường được sử dụng trong thiết kế modul để xác định công suất tín hiệu đầu

ra thu được từ modul EDFA với công suất bơm sẵn có trong modul, và được viếtnhư sau:

Vì vậy, hiệu suất biến đổi công suất lớn nhất PCE sẽ tăng khi bước sóng bơm

tiến tới bước sóng tín hiệu Giá trị cao nhất của E PCmax là 95,5% tại bước sóng bơmvùng 1480nm

2.2.2 Hệ số khuếch đại