Bài tập lớn môn thông tin quang WDM (kèm source + slide thuyết trình)

Đáp ứng những nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hiệu quả băng thông cực lớn của sợi quang, nâng cao được dung lượng tr

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang sống trong một nền kinh tế hết sức năng động và sáng tạo, đòi hỏi con người phải luôn luôn tìm tòi học hỏi và phát huy hết khả năng của mình Chính

vì vậy nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng lớn, với chất lượng dịch vụ ngày càng cao Nhu cầu con người ngày càng tăng cao, đòi hỏi phải có một công nghệ mạng viễn thông tiến tiến Yêu cầu tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa phương tiện, đáp ứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin của con người

Đáp ứng những nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hiệu quả băng thông cực lớn của sợi quang, nâng cao được dung lượng truyền dẫn và làm giảm giá thành sản phẩm Sự phát triển này sẽ mang lại những ưu điểm vượt trội về chất lượng truyền dẫn cao, đặc biệt là băng thông rộng

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.

AOTF Acousto Optic Turnable Filter Bộ lọc thanh quang có điều chỉnh

AWGM Arrayed - Wavelength

DCA Distinct Channel Assignment Gán kênh riêng biệt

DLE Dynamic Lightpath Establishment Thiết lập luồng quang

GMPLS Erbium doped fiber amplifer

GW Frequency Division Multiplexing

IP First Fit Wavelength First

ISDN Generalized Multiple Protocol

LAN Label Swithching

LCP Internet Protocol

LCG Integrated service digital network

LEC Logical Connection

LL Least Congested Path

LSP Logical Connection Graph

ADM Largest First

AG Least Converter First

AOTF Label Swithched Path

APD Add/drop multiplexer

AWGM Auxiliary Graph

DCA Arrayed - Wavelength

DEMUX Grating Multiplexer

MỤC LỤC

.3

MỤC LỤC 4

PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 5

1.Định nghĩa 5

2.Các dải băng tần hoạt động trong WDM 5

3.Sơ đồ khối và chức năng của các khối 5

4.Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM 8

5.Ưu nhược điểm của hệ thống WDM 10

PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) 11

1.Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA 11

a.Cấu trúc 11

b.Nguyên lý hoạt động của EDFA 11

2.Tính toán các thông số về bộ khuếch đại EDFA 13

a)Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi 13

b)Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng một EDFA 14

c)Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng k bộ EDFA: 15

d)Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA giống nhau: 16

e)Bài toán mô phỏng 17

f)Ưu khuyết điểm của EDFA 21

PHẦN III: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652 22

1.Cấu tạo 22

2.Các yếu tố ảnh hưởng 23

a)Suy hao 23

b)Tán sắc 23

PHẦN IV: GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM 25

1.Giới thiệu chung về phần mềm OPTISYSTEM 25

a)Các ứng dụng của phần mềm Optisystem 25

b)Yêu cầu về phần cứng và phần mềm 25

c)Cài đặt 26

d)Các đặc điểm chính của phần mềm Optisystem 26

2.Tóm tắt hướng dẫn sử dụng một số chức năng cơ bản của OPTISYSTEM 30

a)Mở một dự án có sẵn: 30

b)Tạo một dự án mới 30

c)Thiết lập các tham số toàn cục (global parameters) của dự án 31

d) Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án 32

e)Chạy mô phỏng 33

f)Hiển thị kết quả mô phỏng 34

g)Thực hiện quét tham số (Parameter Sweep) 35

h)Đưa kết quả mô phỏng vào báo cáo 39

Phần V: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG THỰC TẾ 40

1.Đề bài 40

2.Mô phỏng theo phương án thiết kế 40

3.Sơ đồ thiết kế 48

4.Cách chọn thông số ber phù hợp với đề bài 49

PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG WDM

1 Định nghĩa

Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng được ghép lại và truyền chung trên nột đường truyền quang được gọi là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing)

Trong điều kiện các dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng nhanh đặc biệt là Internet, truyền hình số, vệ tinh… và khi mà IP nổi lên như là nền tảng cho các dịch vụ ứng dụng trong tương lai, các nhà quản lý cung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc này sẽ phải suy nghĩ lại về hệ thống truyền dẫn truyền thống TDM (time division multiplexing), hệ thống vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong sử dụng băng thông

2. Các dải băng tần hoạt động trong WDM

− O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm ÷ 1360 nm

− E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm ÷ 1460 nm

− S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm ÷ 1530 nm

− C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm ÷ 1565 nm

− L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm ÷ 1625 nm

− U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm ÷ 1675 nm

3 Sơ đồ khối và chức năng của các khối

a Sơ đồ khối tổng quát

b Chức năng các khối

 Phát tín hiệu:

Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

 Ghép/tách tín hiệu:

Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

 Truyền dẫn tín hiệu:

Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

 Khuếch đại tín hiệu:

Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường

(Erbium-và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

 Thu tín hiệu:

Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

c Phân loại hệ thống WDM

 Gồm 2 loại: đơn hướng và song hướng

− Về dung lượng: WDM song hướng < WDM đơn hướng, tuy vậy thì WDM đơn hướng lại đòi hỏi số lượng sợi quang gấp đôi so với WDM song hướng

− Về Thiết kế: rõ ràng hệ thống WDM song hướng đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều với những vấn đề như sự chống xuyên nhiễu(do có nhiều bước sóng trên 1 sợi quang), đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợi quang không dùng chung 1 bước sóng (bước sóng chẵn lẽ, bước sóng theo băng…)

− Về việc giải quyết vấn đề khi có sự cố xảy ra ở hệ thống: với WDM song hướng thì khi có bất kì sự cố gì xảy ra trên hệ thống, nó không cần đến cơ chế APS

(automatic protection switching) để chuyển mạch bảo vệ mà nó có thể tự hiểu đồng thời ở cả 2 đầu hệ thống

− Bộ khuếch đại quang EDFA ở hệ thống song hướng đơn giản hơn so với hệ thống đơn hướng, nhưng do số bước sóng ở WDM song hướng =1/2 WDM đơn hướng nên công suất khuếch đại ở đầu ra của hệ thống song hướng sẽ cao hơn

hệ thống đơn hướng

 Tính về độ tối ưu thì WDM song hướng hơn hẳn WDM đơn hướng Tuy nhiên trong 1 số trường hợp ta vẫn chỉ có thể áp dụng hệ thống đơn hương vì 1 số đặc điểm tối ưu trong điều kiện hiện tại Ví dụ: Trong điều kiện khả năng xuyên nhiễu giữa các bước sóng là rất cao, mà hệ thống đòi hỏi phải có dung lượng truyền dẫn lớn Lúc này ta chỉ có thể dùng WDM đơn hướng

4 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM

a Bộ phát

Phần phát quan trọng nhất là laser diode Yêu cầu nguồn quang trong hệ thống WDM là phải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số Tuy nhiên laser diode có khoang cộng hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED nhưng chưa thật sự là các nguồn đơn mode Vẫn còn các mode khác ngoài mode cơ bản trong nguồn này Trong

hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có những laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, còn lại các mode bên cần được loại bỏ Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình là laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản

xạ Bragg phân tán (DBR)

b Bộ thu

Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tương tự như bộ thu quang ở hệ thống đơn kênh Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu về tốc độ lớn, độ nhạy thu cao và bước sóng hoạt động thích hợp Hai loại photodiode được sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode PIN và photodiode thác APD

c Sợi quang

Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang Sợi quang

có đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn Sợi quang đơn mode chuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITU-T chuẩn hoá

d Trạm lặp

Trạm lặp là bộ chuyển đổi tần số quang điện cơ bản bao gồm một bộ thu quang và

bộ phát quang Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện và được khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại Tín hiệu này sau đó được chuyển thành tín hiệu quang nhờ laser phát

e Bù tán sắc

Bên cạnh suy hao của sợi là một hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảng cách các trạm lặp trong tuyến thông tin quang Trễ nhóm là một hiệu ứng chính gây ra bởi tán sắc Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độ rộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự

f Khuếch đại quang OA (EDFA)

Khuếch đại quang sợi pha Erbium là chìa khoá xây dựng nên hệ thống WDM Hệ thống này có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rộng, tạp âm thấp Đặc tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt với tốc độ số và khuôn dạng Đây là các đặc tính rất có lợi trong thông tin quang nói chung và WDM nói riêng Tăng ích được tính toán như là tỷ số công suất ra trên công suất vào bộ khuếch đại Giá trị này xác định trực tiếp suy hao tối đa cho phép giữa hai bộ EDFA liên tiếp Nó phụ thuộc vào

số kênh và độ dài của tuyến Trong các tuyến thực tế giá trị này biến đổi từ dưới 20 dB đến 30dB Công suất đầu ra của bộ khuếch đại khi đầu vào công suất cao Hiện nay đã được thương mại hóa các bộ khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu

ra công suất tới 30 dBm

g Bộ lọc quang

Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại bộ lọc quang được sử dụng, nhưng phổ biến nhất là bộ lọc màng mỏng điện môi (TFF) TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua Bộ lọc này thuộc loại bộ lọc bước sóng cố định Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được chiết suất thấp (MgF2 có n = 1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) xen kẽ nhau Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với bộ lọc bậc 0) hoặc ne = 3λ0/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với λ0 là bước sóng trung tâm

h Bộ xen rẽ quang OADM

Thiết bị ODAM thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi

i Bộ nối chéo quang OXC

OXC có hai chức năng chính :

• Chức năng nối chéo của kênh quang

• Chức năng ghép tách đường tại chỗ

j Chuyển mạch không gian

Các ma trận chuyển mạch không gian được sử dụng trong các thiết bị OADM và OXC Các thiết bị này dựa vào hoạt động cơ học bao gồm motor, điện tử tĩnh hoặc áp điện làm lệch các vi gương cho chuyển mạch các tín hiệu quang Do yêu cầu chuyển động cơ học của phần tử chuyển mạch thời gian đạt được dải khá rộng từ 30ms đến 500ms Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng của nhiệt năng hoặc hiệu ứng quang- điện là có thời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm các đặc tính của các ma trận chuyển mạch khác nhau

5 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

a Ưu điểm:

− Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM

− Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang)

− WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang

PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA

− Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái

− nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng980nm hoặc 1480nm

− WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào

− trong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

− Bộ cách ly quang (Optical isolator): 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

b Nguyên lý hoạt động của EDFA

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

Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bước như hình dưới đây

Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng tử từ các photon (có năng lượng Ephoton = 1.27eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)

- Tại vùng bơm các Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1micro s) và chuyển xuống vùng giả bền (2)

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480 nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton = 0.841 eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)

- Các ion Er trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)

- Sau khoảng thời gian sống (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 ở vùng nền (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao

- Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ 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 giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích 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

2 Tính toán các thông số về bộ khuếch đại EDFA

Khi sử dụng EDFA để thay thế bộ lặp trong hệ thống thông tin sợi quang, vấn

đề quan tâm nhất là ảnh hưởng của các nhiễu giao thoa tại đầu ra của bộ khuếch đại

đến đầu vào của máy thu Nếu thiết kế tuyến truyền dẫn có độ dài lớn thì cần phải sử

dụng nhiều EDFA, nhiễu tạo bởi các EDFA này sẽ hợp thành nhiễu tích lũy có giá trị

lớn Nhiễu tích lũy có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR và đặc tính

BER của tín hiệu tại đầu vào máy thu

a) Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi

Về mặt lý thuyết, thì cự ly truyền dẫn rất dài có thể thực hiện được bằng cách

xen nhiều bộ khuếch đại quang theo phương pháp LA Tuy nhiên, khi có nhiều bộ

khuếch đại được mắc chuỗi trên tuyến, đặc tính hệ thống sẽ bị giảm do có sự xuất hiện

nhiễu tích lũy từ các EDFA và các hiệu ứng phi tuyến

Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi

Khuếch đại tổng G và suy hao tổng L của hệ thống được xác định như sau:

Ở đây Gi và Li là bộ khuếch đại EDFA thứ i và suy hao quang của phân đoạn thứ i Do

có tích lũy nhiễu, công suất phát xạ tự phát tổng được xác định như sau:

Với Pspi như ta đã biết là công suất phát xạ tự phát của EDFA thứ i nó được tính

k i

i j

k i