Đồ án Khuếch đại quang sợi EDFA và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang

i biến đổi thành phần chế tạo EDFA, công suất quang nối vào, suy hao giữa các bộ khuếch đại và bước sóng bơm cũng như chiều dài sợi EDFA. Để thực hiện có hiệu quả nhất cần phải làm trùng ba bước sóng: Bước sóng tín hiệu, bước sóng có hệ số tán sắc tối ưu, bước sóng tự lọc. Có một phương pháp khác có thể cải thiện tỉ số S/N ở phía thu là phương pháp sử lỗi trước FEC (Forward error correcting). Thực ra đây là phương pháp sửa lỗi bít BER trong truyền số liệu. Mỗi quan hệ giữa tỉ số lỗi bít BER và S/N như sau: Trong đó hàm số: Erfc(x)= Với x=0,354(S/N) Như vậy theo công thức trên ta có thể thấy rằng khi BER được cải thiện nhờ phương pháp EFC thì tỉ số S/N được tăng lên bao nhiêu dB. Ví dụ, khi sử dụng mã Reed Solomon trong phương pháp EFC thì: Phía phát được chèn thêm các bít bổ sung được mã hóa vào luồng số liệu để kiểm tra tính chẵn lẻ. Phía thu: Giải mã và sửa lỗi các bit. Như vậy nếu tốc độ truyền của tuyến là 622Mbps hoặc 2,5 Gbps thì tốc độ đường truyến sau khi chèn thêm là 710 Mbps hoặc 2,7 Gbps. Những tính toán cho thấy quỹ công suất của hệ thống cải thiện thêm từ 4-5 dB như hình: Hình 1.22 Quan hệ giữa BER và mức thu tín hiệu. Trên cơ sở đã biết tỉ số S/N, ta có thể tính được độ nhạy thu được cải thiện trong trường hợp dùng EFC theo công thức dưới đây: Với giả thiết ta chỉ tính nhiễu nhiệt của bộ thu quang: p = (1/p) {4.K.T.Df(S/N)/R1}1/2 Trong đó: K là hằng số Bozman T là nhiệt độ Kenvin p là độ nhạy thu A/W P là công suất quang thu được W Df là giải thông Rt là giải điện trở tải Điều chỉnh tán sắc Kĩ thuật tín hiệu quang cho phép kéo dài khoảng lặp, phục hồi tín hiệu suy hao có hiệu quả. Tuy nhiên vấn đề tán sắc đường truyền đã hạn chế khả năng ứng dụng của OFA trên mạng lưới viễn thông. Chúng ta sẽ nghiên cứu một số giải pháp khắc phục tán sắc một cách có hiệu quả + Sử dụng cáp quang có độ tán sắc dịch chuyển theo khuyến nghị G.653 của CCITT, trong đó hệ số tán sắc là 3ps/nm/km tại bước sóng l=1550nm + Sử dụng cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của CCITT, có hệ số tán sắc là 20 ps/nm/km tại bước sóng l=1550nm nhưng cần phải lưu ý tới một số điều kiện về giao diện quang theo khuyến nghị G.957 của ITU-T, chẳng hạn độ rộng phổ nguồn Laser phải nhỏ hơn 1nm. Đây là giải pháp có tính khả thi và hiệu quả kinh tế cao vì có thể khai thác tuyến cáp quang đã lắp đặt sẵn dùng sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 đang rất phổ biến trên thị trường và có gía thành thấp hơn hẳn loại cáp quang theo khuyến nghị G.653 + Sử dụng thiết bị tán sắc thụ động (Passive Dispersion compensator PDC). Đây là thiết bị có tính chất quyết định hệ số tán sắc trong dải bước sóng lựa chọn. Các hệ thống truyền dẫn SDH có tốc độ 165 Mbps có sử dụng thiết bị PDC và EDFA cho phép nâng cao khoảng cách đầu cuối lên 120 km so với thông thường là 40 km. Có một giải pháp khắc phục tối ưu tuy vẫn đang còn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đó là sử dụng hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang để bù tán sắc của sợi được gọi là truyền dẫn siliton. Phương pháp này cho phép các xung ánh sáng truyền đi không thay đổi dạng xung ban đầu bằng kĩ thuật nén xung. Những tính toán thử nghiệm cho thấy có thể thiết kế tuyến đường trục dài hơn 12000 km mà chỉ cần các thiết bị EDFA trên đường truyền (khoảng cách các EDFA từ 25 – 40 km) mà không cần bất cứ một trạm lắp nào. Hình 1.23: Sơ đồ bù tán sắc cho hệ thống không có khuếch đại đường truyền Nói tóm lại để phát huy một cách có hiệu quả trong việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các nhà nghiên cứu cần giải quyết các vấn đề sau đây: Nhiều tích lũy do các bộ khuếch đại gây ra Điều chỉnh tán sắc Các hiệu ứng phi tuyến và các hiệu ứng phân cực Trên cơ sở đó mà phân bố khoảng cách giữa các EDFA và hệ số khuếch đại của chúng một cách hợp lí nhất. Đối với các hệ thông cáp quang biển đường dài sử dụng các trạm lặp, ITU phân loại như sau: + Đối với tuyến dài trên 5000 km khoảng cách giữa các bộ OFA vào khoảng 45 km (hạn chế do hiệu ứng phi tuyến phân cực chiếm ưu thế). + Đối với các tuyến dài dưới 3000 km khoảng cách giữa các bộ OFA vào khoảng 90 km ( hạn chế do hiệu ứng nhiễu tích lũy và khả năng công suất bơm laser chiếm ưu thế) Hệ số khuếch đại của các bộ OFA trên từng tuyến cũng phụ thuộc vào chiều dài tuyến lắp đặt. Ví dụ như: G ằ 12 dB đối với khoảng cách tuyến 9000 km G ằ 14dB đối với khoảng cách tuyến 6500 km G ằ 21 dB đối với khoảng cách tuyến 2000 km Chương 2 Phân tích các đặc tính kỹ thuật tính toán các tham số của bộ khuếch đại quang sợi EDFA 2.1 Phương trình cơ bản Hoạt động của sợi quang có thể chia thành các đoạn nhỏ dz thì công suất bơm sẽ giảm dần dọc theo chiều dài sợi quang theo công thức sau: (2.1) Công suất vào sẽ tăng dần theo chiều dài sợi quang được khuếch đại khi đi qua mỗi đoạn dz (2.2) Hệ số với = a đối với hấp thụ và = e cho phát xạ sẽ nhận giá trị khác 0 khi nằm trong băng tần từ 1400 đến 1650 nm. Công suất Ps(0, ns) là công suất tín hiệu được đưa vào đầu sợi. PP (0,nP) là công suất bơm ở đầu sợi quang. 2.2 Tính toán hệ số tạp âm (noise figure NF ) Định nghĩa: NF = () NF là sự suy giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu do truyền tín hiệu qua bộ khuếch đại quang sợi, được tính bằng dB. Các tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu được xem xét tại đầu ra ( SNROUT) của bộ tách sóng quang lí tưởng mà nó có khả năng biến đổi từng phôton của ánh sáng tới thành dòng điện ( Hiệu suất lượng tử h = 1 ) . Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu vào SNRin được xác định là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ nguồn nhiễu lượng tử. Ta có : s sig-shot2 = 2q(Pin.G.R) .B s sp-shot2 = 2q(Pase.R) .B s sig-sp2 = 4q.Pin.G.R.Nsp .(G – 1).B s sp-sp2 = 2q.R.Nsp .(G – 1). Pase.B Nếu coi thành phần nhiễu lượng tử do tín hiệu và nhiễu phách tín hiệu tự phát là chủ yếu thì ta có : SNROUT = Từ đó ta tính được hệ số tạp âm NF NF = (3.3) Trong trường hợp hệ số khuếch đại cao thì có thể coi gần đúng NF = 2Nsp Trong đó ( R.Pin)2 là bình phương của dòng quang trung bình R = q/(h.u) là độ nhạy của bộ tách lí tưởng. q là điện tích electron Df là dải tần của bộ tách NF bé nhất của mỗi bộ khuếch đại quang sợi là 3dB 2.3 Các phương trình khuếch đại Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang được xác định như sau: G = ( 3.5) Trong đó : Pout là công suất đầu ra của bộ khuếch đại Psp là công suất nhiễu được phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang. Pin là công suất của tín hiệu ở đầu vào của bộ khuếch đại . Để xác định được bộ khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi chính xác khá phức tạp do bản chất phân bố hai hướng của nó. Để thu được khuếch đại thực của bô khuếch đại cần phải xác định được tiết diện bức xạ kích thước se và tiêt diện hấp thụ sa. Các phần của tiết diện có thể được xác định bằng thực nghiệm từ việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn ngắn sợi. Các tiết diện hấp thụ và bực xạ là các thông số cơ bản quan trọng của sợi EDF. Chúng là các thông số đặc tính phụ thuộc vào bước sóng. Độ khuếch đại phụ thuộc vào các yếu tố khác như : chiều dài, công suất tín hiệu vào , nồng độ pha tạp Erbium, kết cấu của bộ khuếch đại ( bơm cùng chiều, một chiều, hai chiều . . . ) (như phân tích ở chương 1), đặc biệt phổ khuếch đại là không bằng phẳng ở của sổ bước sóng 1550 nm. tính toán độ khuếch đại theo phương pháp số: Nếu coi EDFA như một chuỗi của nhiều bộ khuếch đại quang nhỏ ghép liền với nhau có độ dài tăng dần. Như vặy độ khuếch đại thực G được cấu thành từ toàn bộ các phần tử g(z) dọc theo trục z của EDFA và được viết như sau : G = exp (3.6) ở đây L là độ dài của EDF với g(z) tính thông qua phổ khuếch đại được đo g*(z) và phổ suy hao a(l): g*(l) = se(l)G(l).Nt ( 3.7) a (l) = sa(l)G(l).Nt ( 3.8) ở đây se(l) là tiết diện bức xạ, sa(l) là tiết diện hấp thụ G(l) = 1 – exp( -b2/a2) là hệ số hạn chế giữa trường mode quang và tích luỹ ion erbium a là bán kính lõi sợi b là bán kính phủ er3+ Nt là mật đọ ion erbium. Khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu truyền theo cùng một hướng dọc theo sợi, và bức xạ tự phát được khuếch đại là không đáng kể, công suất tín hiệu Ps được thay đổi sau khi đi qua EDF được viết là : (3.9) ở đây as là hệ số suy hao tín hiệu của sợi. Hệ số khuếch đại g(z) là sự khác nhau giữa các mức tích lũy ion ở mức trên và mức dưới và được biểu diễn như sau : (3.10) N2 là mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền ( hoặc tích luỹ mức trên 4I13/2 ) N1 là mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái nền( mức cơ bản 4I15/2) Nt là mật độ ion er3+Nt = N1 + N2. Với mô hình hai mức. 2.4 Công suất bơm ngưỡng : Là mức công suất bơm cần thiết bé nhất để tạo nên khuếch đại. Công thức tính : Pth = h up A / (sa lpG(lp)t) (3.11) Trong đó t là thời gian tồn tại tự phát của ion ở trạng thái bền vững tạm thời. 2.5 Công suất bão hòa tín hiệu Đặc tính khuếch đại bão hòa là một tham số quan trọng. Sự bão hòa độ khuếch đại được xem như là sự khuếch đại trong lúc tín hiệu tăng. Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang có thể được viết dưới dạng ẩn như một hàm số của tỷ số công suất quang đầu ra Pout với công suất bão hoà Psat như sau : G = ] ( 3.12) Psat là công suất bão hoà. Tại bước sóng xác định Psat là công suất được yêu cầu để nghịch đảo một lớp sợi pha tạp erbium là đủ cho độ khuếch đại bằng 0dB. Nó được xác định như là công suất ở nơi mà độ khuếch đại quang giảm đi 3dB so với giá trị không bão hoà : (3.13) 2.6 Các tham số của sợi EDF thông dụng ( ví dụ ) Tham số Kí hiệu Giá trị Loại sợi pha tạp erbium - Thuỷ tinh Ge/er Bán kính kích cỡ tín hiệu ws 2mm Bán kính kích cỡ bơm 980nm wp(980) 1,6mm Bán kính kích cỡ bơm 1480nm wp(1480) 2mm Bán kính lõi pha tạp erbium B 1,2mm Suy hao của sợi as 0,3dB/m Bước sóng bơm 1 lp-1 980nm Bước sóng bơm 2 lp-2 1480nm Bước sóng tín hiệu ls 1536nm Mật độ ion Er Nt 4,5.1018ions/cm3 Mặt cắt bức xạ tín hiệu se(ls) 7,9.10-25m2 Mặt cắt hấp thụ tín hiệu sa(ls) 5,8.10-25m2 Mặt cắt bức xạ bơm 980nm se(lp-1) 0,1.10-25m2 Mặt cắt hấp thụ bơm 980nm sa(lp-1) 3,1.10-25m2 Mặt cắt bức xạ bơm 1480nm se(lp-2) 0,2.10-25m2 Mặt cắt hấp thụ bơm 1480nm sa(lp-2) 2,8.10-25m2 Mức công suất bơm đầu vào Ps -35dBm tsp 10ms Dải thông bức xạ 30nm 2.7 Tính toán công suất bơm ngưỡng, công suất tới hạn, công suất bão hoà, hệ số khuếch đại của EDFA Dựa vào các tham số bảng trên, ta có thể tính công suất bơm ngưỡng ở bước sóng bơm 980nm là : Pth=hupA/(sa(lp)G(lp)t) = Công suất bơm ngưỡng ở bước sóng bơm 1480nm là : Pth=hupA/(sa(lp)G(lp)t) = Công suất bão hoà Psat Tính khi trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn ( khi tốc độ bơm lớn hơn tín hiệu vào ) N2 ~Nt và N1 ~ 0 thì theo (2.10) ta có : g(z) = ( g*( l) Theo (2.17) g*(l) = se(l)G(l).Nt g* = 7,9.10-25.( 1 – exp(-1,22/22)).4,5.1024 =10,7.10-1 Độ khuếch đại tính theo chiều dài L = 10m theo (3.6) G = exp (3.6) G = exp(10,7.10-1.10) = 44355.8 Û 40dB Trường hợp khi N2 = N1 = Nt/2 g(z) = ( g*( l) Theo (2.7) g*(l) = se(l)G(l).Nt = g* = 7,9.10-25.( 1 – exp(-1,22/22)).4,5.1024 =10,7.10-1 Theo (3.8) a (l) = sa(l)G(l).Nt = 5,8.10-25.( 1 – exp(-1,22/22)).4,5.1024 =7,85.10-1 Như vậy : g(z) = (10,7 – 7,85).10-1.1/2 = 1,425.10-1 Độ khuếch đại tính theo chiều dài L = 10m theo (3.6) G = exp = exp(1,425.10-1.10) = 4,16 Û 7Db Chương 3 các ứng dụng pa, ba, la của edfa 3.1 Các ứng dụng pa, ba, la 3.1.1 Tiền khuếch đại (PA) Hình 3.1 Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại Trong đó : Ptx là công suất phát Ps là công suất đầu vào pin Pin là công suất quang đầu vào bộ khuếch đại Pout là công suất quang đầu ra L là khoảng cách cho như hình vẽ atot là hệ số suy hao trung bình của sợi quang ( lần ) Tính tổng các loại tạp âm (3.1) (3.2) Với trường hợp PA : Is = p.G. a.Ptx Isp = p.Psp Do đó (3.3) Tiền khuếch đại là thiết bị khuếch đại quang sợi có nhiễu rất thấp được sử dụng trực tiếp trước bộ thu quang để nâng cao độ nhạy thu, thường làm việc ở trạng thái tín hiệu nhỏ. Hệ số khuếch đại của PA hoạt động trong chế độ tuyến tính với công suất lối vào tại mức công suất bơm và bước sóng tín hiệu cho trước. Các chức năng OAM cho các bộ PA có thể được điều hành cung chung với bộ thu quang. Điều kiện mức nhiễu ASE thấp có thể được thực hiện thông qua các bộ lọc quang băng hẹp. Ngoài ra, để lựa chọn PA khi thiết kế hệ thống phải tính đến các tham số chỉ tiêu : Dải công suất quang vào. Dải công suất phát ra. Dải bước sóng công tác. Mức nhiễu NF : Đặc trưng cho sự suy giảm tín hiệu trên nhiễu ( S/N) tại lối ra của bộ khuếch đại. Sự suy giảm được tính theo dB. Mức công suất nhiễu : Mức công suất quang tại bước sóng xác định do tự phát được khuếch đại ( ASE ) được phát ra ở PA tại điều kiện họat động danh định. Thông số này đặc biệt quan trọng, nó phụ thuộc vào bộ lọc sử dụng. Suy hao phản xạ lối vào : Là tỷ số giữa công suất quang tới và công suất phản xạ tại cửa vào của bộ PA tại điều kiện hoạt động danh định. 3.1.2 Khuếch đại công suất BA Hình 3.2: Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại Tính tổng nhiễu Với trường hợp BA : Is = p.G. a.Ptx Isp = p. a.Psp Do đó (3.4) Khuếch đại công suất là thiết bị khuếch đại quang sợi có công suất bão hòa cao được sử dụng trực tiếp ngay sau bộ phát quang để làm tăng cường mức độ công suất tín hiệu. Thiết bị BA không cần yêu cầu nghiêm ngặt về nhiễu và lọc quang. Các chức năng OMA cho BA có thể được điều hành chung với bộ phát quang. BA có công suất lối ra tương đối cao nên nhiễu ASE suất hiện tất yếu do quá trình bức xạ tự phát các phôton trong OFA. Các thành phần nhiễu ngoài băng tín hiệu có thể được bỏ qua nhờ bộ lọc quang. Tuy nhiên việc ứng dụng nhiều bộ BA có thể gây lên các tính chất phi tuyến trong các sợi dẫn quang. Các chỉ tiêu cần lựa chọn khi đánh giá và thiết kế hệ thống là : Dải công suất phát vào bộ BA Dải công suất phát ra từ bộ BA. Dải bước sóng công tác. Mức nhiễu NF(tính theo dB). Hệ số khuếch đại Suy hao phản xạ lối vào. Việc sử dụng kết hợp giữa bộ khuếch đại công suất và tiền khuếch đại là rất hấp dẫn cho các nhà khai thác, đặc biệt là trong trường hợp mà trong đó các vị trí trung gian với các thiết bị tích cực là không thể hoặc không nên lắp đặt, chẳng hạn như hệ thống cáp quang biển. Trong bất cứ trường hợp nào thì càng ít trạm trung gian trên đường truyền thì càng dễ dàng bảo dưỡng cho các nhà khai thác và nâng cao độ tin cây của các tuyến tryền dẫn lên rất nhiều. 3.1.3 Khuếch đại đường truyền (LA) Hình 3.3 Sơ đồ tuyến sủ dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền Trong đó: Ptx là công suất phát. Ps là công suất đầu vào PIN. PIN công suất quang đầu vào bộ khuếch đại. Pout công suất quang đầu ra. Khoảng cách cho như hình vẽ. atot là hệ số suy hao trung bình của sợi quang(lần) Tính tổng các loại tạp âm: Với trường hợp LA: Is = p.G.a1. a2.Ptx Is = p.a2.Psp Do đó (3.5) Trong các biểu thức trên: a được tính là lần. ; Khuếch đại đường truyền là thiết bị khuếch đại quang sợi có tạp âm thấp được sử dụng như thiết bị thụ động trên đường truyền để tăng khoảng cách giữa hai trạm lắp. Trong mạng thuê bao quang theo cấu hình điểm - đa điểm, khuếch đại đường truyền được sử dụng để bù suy hao giữa các điểm nhánh. Khuếch đại đường truyền có thể thay thế một vài hoặc tất các trạm lặp thông thường trên các tuyến đường trục. Nó có ưu điểm làm giảm thiết bị trên các tuyến truyền dẫn, nó chỉ đóng vai trò bù suy hao tín hiệu( còn các trạm lắp thì còn có khả năng sửa méo tín hiệu). Trên các hệ thống truyền dẫn có sử dụng nhiều bộ LA cần phải có các kênh thông tin riêng biệt để cảnh báo và giám sát các bộ điều khiển, các bộ khuếch đại đường truyền xa. Về mặt lí thuyết thì có thể kéo dài khoảng cách tuyến truyền dẫn lên hàng nghìn km bằng cách lắp đặt đều đặn các bộ LA với khoảng cách tính toán trước. Tuy nhiên có quá nhiều bộ LA dẫn đến chất lượng hệ thống sẽ bị suy giảm do hiệu ứng tích lũy, hiệu ứng phân cực tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến khác. Các chỉ tiêu để đánh giá, thiết kế LA: Dải công suất phát vào bộ LA. Dải công suất phát ra bộ LA Công suất quang bão hòa: Công suất quang phát ra của tín hiệu của LA với hệ số khuếch đại bị giảm đi 3dB so với hệ số khuếch đại tuyến tính tại bước sóng tín hiệu. Dải bước sóng công tác. Mức nhiễu NF. Mức công suất nhiễu. Suy hao phản xạ lối vào. Hệ số khuếch đại tuyến tính: Hệ số khuếch đại của LA hoạt động trong chế độ tuyến tính, trong đó công suất phát ra phụ thuộc tuyến tính vào công suất lối vào, tại mức công suất bơm và bước sóng tính hiệu cho trước. Chú ý rằng tính chất này được nghiên cứu với từng sóng riêng biệt, hhay nói các khác là hàm số của bước sóng. Tán sắc mode phân cực: Độ trễ nhóm cực đại giữa các trạng thái phân cực bất kì lan truyền qua bộ LA. 3.1.4. Tính số tín hiệu trên tạp âm a. Trường hợp PA: b. Trường hợp BA: c. c. Trường hợp LA 3.1.5. Tính công suất bù trong từng trường hợp BA, LA, PA để đạt được một tỷ số lỗi bit cho trước Công suất bù DPBER là giá trị công suất cần thiết để nâng giá trị lỗi bit BER từ một giá trị ban đầu nào đó nên giá trị mới nhằm đảm bảo cho hệ thống có độ tin cậy cao hơn, ví dụ BER = 10-9 lên 10-10. Ta thấy các công thức trên eSNR của PA, BA, LA đều có dạng: giả sử ứng với eSNR Bây giờ ta muốn tỷ số tăng lên đến một tỷ số eSNR cao hơn Như vậy sẽ tính được tỷ số Đặt thì công suất bù BER được định nghĩa là: DPBER[dB]=PtxN[dB] - Ptx[dB] = 10 logk Û Giải phương trình này với điều kiện K>0 ta được: Trường hợp BA: 3.2 Các sơ đồ ứng dụng của EDFA Theo sự phân loại thiết bị quang sợi OFA như đã trình bày ở phần trên (gồm BA, LA, PA) cùng với sơ đồ tham chiếu về việc lắp đặt EDFA trên đường truyền, ta có cấu hình ứng dụng OFA theo khuyến nghị G.611 của CCITT theo các sơ đồ ứng dụng như sau: Tx + BA + Rx Tx + PA + Rx Tx + LA + Rx Tx + BA + PA + Rx Tx + BA + LA + Rx Tx + LA + PA + Rx Tx + BA + LA + PA + Rx (*) Trong đó: Tx là bộ phát quang Rx là bộ thu quang LA có thể là một hay nhiều bộ khuếch đại đường dây BA là bộ khuếch đại công suet PA là bộ tiền khuếch đại 3.3 Các tham số thiết kế hệ thống làm việc ở bước sóng 1550nm Để lựa chọn các hệ thống thông tin quang làm việc ở bước sóng 1550nm thì các tham số cần chú ý đầu tiên là tốc độ đường truyền và cự li truyền dẫn. Cho tới nay người ta thấy rằng đối với các laser loại FP-LD có bước sóng 1550 nm thì sẽ truyền được tốc độ không quá 50Mb/s với cự li truyền dẫn trên 100 Km là đạt được với các loại dẫn quang đơn mode thông thường (SMF). Đối với các hệ thống làm việc ở bước sóng 1550 nm cũng có giải pháp kết hợp giữa thiết bị đầu cuối và sợi dẫn quang cho tổng yêu cầu của tuyến. Với hệ thống IM-DD: + Với tốc độ truyền dẫn nhỏ và vừa: Dùng Laser DFB kết hợp với sợi đơn mode thông thường SMF Dùng Laser FB kết hợp với sợi DSF hoặc NZ-DSF. + Với tốc độ truyền dẫn dung lượng lớn: Dùng Laser DFB kết hợp với sợi tán sắc dịch chuyển DSF. Dùng Laser DFB kết hợp với sợi tán sắc phẳng DSF, hoặc NZ-DSF + Với tốc độ truyền dẫn dung lượng rất lớn: Dùng Laser DFB điều chế ngoàI (DFB-LD + EXT-MOD) kết hợp với sợi đơn mode thông thường, ở cự li xa thì cần có biện pháp bù tán sắc thích hợp. Dùng Laser DFB điều chế ngoàI (DFB-LD + EXT-MOD) kết hợp với DSF. a.Tốc độ tín hiệu: Tốc độ tín hiệu được tính bằng b/s, Mb/s, Gb/s. Hay kí hiệu trong truyền dẫn đồng bộ SDH bằng các luồng: STM-1 = 155,52 Mb/s STM-4 = 622,080 Mb/s STM-16 = 2,44832 Gb/s STM-64 = 10Gb/s b.Kiểu tín hiệu: Tuyến thông tin quang có thể sử dụng nhiều loại mã tín hiệu khác nhau. Trong đó, hai loại tín hiệu đơn cực tính: NRZ (Non return to zero) RZ (Return to zero) c.Suy hao nối: (Connector Loss) Đây là suy hao công suất quang khi hai sợi quang được nối với nhau bởi một bộ nối đo bằng dB. Thường có giá trị khoảng 0,5 dB/connector. d.Suy hao ghép: (Coupling Loss) Đây là suy hao công suet quang khi nguồn quang được ghép vào sợi đo bằng dB. e.Nhiệt độ hệ thống: Khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi, hoặc chính do sự hoạt động của các phần tử trong thiết bị làm ảnh hưởng đến các tham số của thiết bị thu như: Thay đổi nhiễu nhiệt trong các phần tử, thay đổi thời gian đáp ứng, tăng ích của bội quang, … Mặt khác nhiệt độ có thể gây sự lệch các thành phần trong băng tần xác định, do đó tăng méo tín hiệu, giao thoa giữa các kí hiệu hoặc độ rộng băng nhiễu. Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến độ ghép vật lí sợi thiết bị, nhưng thường bỏ qua ảnh hưởng này. Giả thiết hệ thống làm việc ở nhiệt độ phòng 293K f. Suy hao hàn (αEga) Suy hao do hàn nối giữa hai sợi quang với nhau được đo bằng đơn vị dB g.Dự trữ hệ thống: Sau một thời gian sử dụng, bộ tách quang sẽ giảm đáp ứng quang thu do sự già hoá của Điốt cũng như các phần tử khác trong mạch khuếch đại. Do vậy khi thiết kế hệ thống người ta thường coi đáp ứng quang của Điốt giảm 5% mỗi năm. Và thường dùng 1.5-2 dB dự trữ công suất cho sự hoá già của bộ tách quang. Dự trữ hệ thống là công suet quang dự phòng cho việc sửa chữa thay thê, nâng cấp trong tương lai và sự già hoá của linh kiện. h.Tỷ số lỗi bít (BER): Các tuyến thông tin quang hiện nay yêu cầu tỷ lệ lỗi bít BER khoảng 10-10 đến 10-12 , đặc biệt mạng LAN cần có BER là 10-14. i.Độ nhạy thu: Đây là công suất quang yêu cầu tối thiểu của bộ thu quang để đảm bảo tỷ số BER cho trước. Tham số của sợi quang Các thông số kĩ thuật của một số sợi quang đơn mode Hai tham số được quan tâm ở sợi quang chính là hệ số suy hao và hệ số tán sắc. Sự lựa chọn sợi quang tuyến truyền dẫn SDH đơn bước sóng Như ta đã biết hiện nay nhu cầu về tăng dung lượng truyền dẫn cho hệ thống mạng viễn thông ngày càng cấp thiết. Với hệ thống SDH đã lắp đặt một số lượng lớn sợi quang đơn mode G652 với ưu điểm làm việc ở khu vực tổn hao thấp ở cửa sổ thứ nhất (1310 nm) có hệ số tán sắc rất thấp, nhưng hạn chế về tán sắc (20ps/nm.km) khi làm việc ở cửa sổ thứ hai (1550 nm). Như vậy để vẫn sử dụng G652 ta phải kết hợp với việc bù tán sắc, giá sẽ tương đối cao. Có thể sử dụng sợi quang G653 (DSF), là sợi quang đơn mode có tính năng tốt nhất ở bước sóng 1550nm, còn gọi là sợi quang thay đổi vị trí tán sắc. Thay đổi sự phân bố khúc xạ làm cho điểm tán sắc bằng không dịch từ 1310 nm – 1550 nm. Ngoài ra với tuyến đơn kênh quang truyền dẫn ở bước sóng 1550nm thì đều có thể sử dụng sợi quang G654 và NZ-DSF. Tuy nhiên hạn chế của nó là giá thành cao, và công nghệ chế tạo khá phức tạp. Lựa chọn sợi quang cho tuyến WDM Dùng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM luôn là vấn đề nghiên cứu của các nhà khoa học. Do tính chất ưu việt của sợi G653(DSF) ở 1550 nm mà nó trở thành sợi quang số 1 được mọi người quan tâm tới. Nhưng khi nghiên cứu thêm phát hiện rằng tuy thông tin bước sóng cự li dài DSF có tính ưu việt rất lớn nhưng khi dùng trong hệ thống WDM thì ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng không sẽ xuất hiện vấn đề phi tuyến tính nghiêm trọng, hạn chế việc ứng dụng của WDM, trở thành khuyết điểm chủ yếu của DSF (G653), từ đó dẫn ra một loạt sợi quang mới – sợi quang biến đổi tán sắc bằng không (NZ – DSF). Dưới đây giới thiệu sự hạn chế của DSF và nguyên lí ứng dụng của NZ – DSF. Sự xuất hiện hiệu ứng phi tuyến tính khi dùng DSF và EDFA Khi sử dụng EDFA trong đường dây DSF để kéo dài cự li truyền dẫn, vì mật độ công suất quang truyền dẫn trong sợi quang tăng lên rất nhiều, dẫn tới hiệu ứng phi tuyến tính sẽ làm giảm tính năng chất lượng của hệ thống, nhất là khi ứng dụng trong hệ thống WDM sẽ xuất hiện hiệu ứng FWM (trộn tần 4 sóng) thì ảnh hưởng rất lớn tới hệ thống: làm suy giảm công suất quang trong kênh tín hiệu, mà còn gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Đối với DSF, bước sóng có tán sắc bằng không là 1550 nm, EDFA cũng thích nghi tới bước sóng đó, công tác tại bước sóng này thì tán sắc bằng không. Nhưng đối với WDM, các sóng quang tác dụng lẫn nhau truyền cùng pha sẽ làm cho trộn tần bốn sóng càng thêm nghiêm trọng, thường bước sóng nó sinh ra giống như bước sóng truyền dẫn nào đó, làm giảm đáng kể chất lượng truyền dẫn của hệ thống WDM. Nguyên lí làm việc của NZ – DSF Để ngăn cản tốt FWM, cho phép đưa ra công suất tương đối lớn và nhiều kênh bước sóng trên sợi quang, ra đời sợi quang biến đổi vị trí tán sắc khác không (NZ – DSF). Đặc điểm của sợi quang này là di chuyển điểm tán sắc bằng không của DSF, làm cho trị số tán sắc ở phạm vi 1548 – 1565 tương đối nhỏ duy trì ở 1 – 4ps/nm.km, tránh khỏi khu tán sắc bằng không, nhưng lại có trị số tán sắc tương đối nhỏ. Có thể đạt tán sắc bằng không trong phạm vi tương đối nhỏ trên hoặc dưới 1550 nm (như 1520 hoặc 1570 nm). Điểm nổi bật khi dùng NZ –DSF là có ưu điểm của hai sợi quang G652 và DSF, đồng thời giải quyết nhược điểm cố hữu của sợi quang G652 là bị hạn chế bởi tán sắc. So sánh NZ-DSF và DSF thì ngoài sự dịch chuyển của điểm tán sắc bằng không, các đặc tính khác đều giống nhau ở chỗ bước sóng 1550nm có tổn hao và tán sắc nhỏ nhất. Tuy nhiên hệ số tán sắc của nó khác không, nhưng so với sợi quang G652 đã giảm rất nhiều, mở rộng cự li bị hạn chế bởi tán sắc chủ yếu là khai thác thuận lợi hệ thống WDM nhiều bước sóng trong giai đoạn có tán sắc tổn hao thấp, mà không bị ảnh hưởng của FWM. Phân tích lý thuyết chỉ rõ, tốc độ truyền dẫn của một sợi quang NZ-DSF có thể đạt ít nhất là 80Gb/s, sau này khi nâng cấp cũng tương đối linh hoạt, tức có thể xây dựng hệ thống WDM trước không cần bù là cách lựa chọn lí tưởng ở tốc độ cao và cự li dài. ứng dụng NZ – DSF Để sử dụng rộng rãi trong hệ thống EDFA/WDM khi thiết kế và chế tạo NZ-DSF cần chú ý những điểm sau: Trong khu vực bước sóng 1540 – 1565 nm cần điều chỉnh tán sắc ở 1-4ps/nm.km. Tăng cường đường kính trường mode của sợi quang (MFD) để giảm mật độ công suất giảm hiệu ứng phi tuyến. Trong khu bước sóng công tác vẫn phải duy trì tổn hao thấp xấp xỉ 0,2 dB/Km Tán sắc của phân cực phải nhỏ hơn 0,5ps/ - Phân bố hiệu suất khúc xạ trong lõi sợi quang theo hình tam giác hoặc hình thang. - Tăng MFD và dịch chuyển điểm tán sắc bằng không của bước sóng sẽ làm tăng tổn hao uốn cong cho nên phải cần thiết kế tối ưu. Hiện nay công tác nghiên cứu NZ – DSF đã được sự quan tâm nhiều của các công ty viễn thông trên thế giới. Theo dự đoán, đối với hệ thống sợi quang trên đất liền với cự li truyền dẫn 1000 km dùng cửa sổ truyền dẫn tán sắc dương và ở dưới cửa sổ tán sắc bằng không sẽ có lợi cho bù tán sắc. Nhưng đối với cự li truyền dẫn dài (như cáp quang dưới biển 9000 km) thì dùng cửa sổ truyền dẫn tán sắc âm và ở trên cửa sổ tán sắc bằng không để ổn định điều chế. 3.4 Thiết kế hệ thống 3.4.1 Phân tích quỹ thời gian lên cho hệ thống Thiết lập quỹ thời gian là quá trình kiểm tra giới hạn băng thông của hệ thống : tsys=()1/2 là căn bậc 2 của tổng bình phương của từng thành phần. tsystem= ()1/2 tls, tF , tPD lần lượt là thời gian lên của nguồn quang, thiết bị thu quang, và hệ thống. Nhìn chung sự suy giảm thời gian dịch chuyển của tổng truyền dẫn số không nên vượt quá 70% một chu kỳ bit với NRZ hoặc 35% của một chu kỳ đối với RZ. ở đây một chu kỳ bit được xác định như là một hàm thuận nghịch của tốc độ số. Thông số tán sắc cực đại [ps/nm] được đưa ra để xác định giới hạn khoảng cách của tuyến theo quỹ thời gian, tức là : Với là độ rộng phổ của tín hiệu. Khi đó L<= 3.4.2 Thiết lập tính toán cho quỹ công suất của tuyến Công suất dự phòng: Pdp(Pmagin) dùng trong trường hợp dự phòng cho tuổi thọ các thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và suy hao tăng lên ở các thành phần. Dự phòng cho tuyến thường từ 6-8dB. Chính vì vậy mà quỹ công suất của tuyến (power buget) có thể xem như là suy hao công suất tổng Pt nằm giữa nguồn phát quang và bộ tách sóng quang. Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi , suy hao bộ nối quang , suy hao mối hàn , và dự phòng cho hệ thống Ta sử dụng bộ nối quang ở hai đầu của tuyến, mà không dùng ở giữa tuyến còn suy hao hàn sợi được ghép vào trong suy hao sợi để đơn giản phép tính. Thiết lập tính toán cho quỹ công suất của tuyến : Các thành phần tổn hao bao gồm các loại suy hao và dự trữ công suất : Suy hao đường truyền (tổn hao loại này là chủ yếu) DAtt=.L[dB] [dB/Km] L [Km] Cộng với tổn hao tại các mối hàn và tổn hao tại các mối ghép quang A=.L+([L/l] – 1). + [L/l] là thành phần phần nguyên của thương 1/l với l là độ dài của cuộn cáp. Để đơn giản cho việc tính toán ta tính gộp suy hao mối hàn và suy hao sợi quang tính theo đơn vị [dB/Km] Dự phòng hệ thống PMagin Công suất suy hao đường truyền Ppenalty Công suất bù BER : PBER là phần công suất đảm bảo cho tuyến truyền thoả mãn chỉ tiêu về độ tin cậy theo tỷ số lỗi bit Để đảm bảo thực hiện truyền dẫn thì tổng các thành phần tổn hao phải nhỏ hợn quỹ công suất cho phép và lớn hơn mức công suất ngưỡng để đảm bảo công suất vào bộ thu không vượt quá công suất quá tải cho phép, đối với mỗi bộ thu xác định. Mối quan hệ các tham số quang Quỹ công suất của hệ thống: Pt là công suất phát Ps là độ nhạy thu (công suất thu nhỏ nhất có thể vẫn thỏa mãn đảm bảo tỷ số lỗi bit xác định theo yêu cầu hệ thống) Tính SNR khi biết BER theo công thức sau: Đặt x=0.354. SNR Suy ra: BER = 1/2 erfc(x) Khi đã biết BER ta thực hiện bước lặp với bước nhảy x sao cho giá trị tại bước nhảy có hàm tính theo vế trái có giá trị xấp xỉ bằng nó thì dừng lại và ta thu được giá trị của x tính theo lần. Suy ra giá trị của SNR và đổi nó sang đơn vị dB. Tính SNR: Trường hợp tuyến thông tin không sử dụng khuếch đại: Trường hợp PA: Trường hợp BA: Trường hợp LA: Tính công suất bù để đảm bảo tỷ số lỗi bit Trường hợp tuyến thông tin không sử dụng khuếch đại: Trường hợp sử dụng EDFA làm PA, LA, BA: Trường hợp BA: Trường hợp PA: Trường hợp LA: Trường hợp sử dụng EDFA làm PA thì độ nhạy thu được cải thiện theo công thức: Với suy hao giữa bộ khuếch đại EDFA và bộ thu PIN là L (tính theo lần) thì công thức tính độ nhạy thu theo lý thuyết: Psp là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại được tính theo công thức: Quan hệ eSNR(dB)=10log(Q2) hin và hout là hệ số ghép đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang. G, Bo, Psp tương ứng là độ khuếch đại, băng tần quang và công suất bão hòa phát xạ tự phát của bộ khuếch đại quang. Be, RL là băng tần điện và điện trở tải của bộ thu quang PIN. h là hằng số plăng = 6.625.10-34Js e = 1.602.10-19C k = 1.38.10-23(J/K) là hằng số Boltzman T = 273 K là nhiệt độ phòng Kenvin Giả thiết tín hiệu ở dạng mã NRZ Chương 4 áp dụng khuếch đại quang sợi EDFA vào hệ thống thông tin quang 4.1 Tính kinh tế của khuếch đại quang sợi Việc ứng dụng khuếch đại quang sợi có hiệu quả to lớn, cho phép nâng cao hiệu suất nhu cầu khai thác dịch vụ hiện đại và là nền tảng cơ sở nâng cấp mạng cho tương lai mà đảm bảo giữ nguyên cấu hình mạng hiện có. Một số đặc điểm kinh tế của kỹ thuật khuếch đại quang sợi: Giảm giá thành thiết kế hệ thống khi nâng cấp hoặc thay đổi. Độ tin cậy cao. Do cấu trúc của OFA đơn giản, xử lý tín hiệu trực tiếp dưới dạng ánh sáng (thay vì dụng trạm lặp: biến đổi O/E, sửa xung dịch thời, khuếch đại, biến đổi E/O). Rất thỏa mãn cho lĩnh vực thông tin cáp quang biển: Đáp ứng yêu cầu 3 lần sửa chữa trong thời gian khai thác là 25 năm. Và có thể sử dụng giải pháp bơm Laser từ xa ( trong phạm vi 500 Km). Hạ giá kênh truyền dẫn. Do EDFA có phổ khuếch đại phẳng trên dải rộng tần số. Cho phép khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi nên áp dụng rất linh hoạt trong hệ thống WDM. Vì vậy, có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên tới 10- 20 Gbit/s. Nó thay thế cho nhiều trạm lặp đồng thời (mỗi trạm lặp thông thường chỉ khuếch đại 1 bước sóng tại 1 kênh). Linh hoạt trong thiết kế. Thi công dễ dàng: Do cấu trúc và kích thước gần giống sợi quang thông thường. Suy hao mối hàn giữa sợi quang và sợi khuếch đại khoảng 0,1 dB. Đáp ứng nhu cầu thông tin hiện tại và tương lai: EDFA làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm là bước sóng tối ưu trong viễn thông hiện tại và tương lai có khả năng đáp ứng với các tuyến truyền dẫn bước sóng 1310 nm đang sử dụng bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi có vị trí đặc biệt quan trọng và thích ứng với hệ thống PDH hiện tại và SDH tương lai. Và đặc biệt rất thích ứng với hệ thống WDM, và bù suy hao trước các nút trong mạng toàn quang. Rút ngắn thời gian chuyển giao công nghệ: Thông thường thời gian cho các kỹ thuật mới được phát triển trong phòng thí nghiệm đem vào ứng dụng khai thác mất 7 đến 8 năm. Với kỹ thuật khuếch đại quang thời gian này rút ngắn xuống chỉ còn 3 đến 4 năm. 4.2. ứng dụng khuếch đại quang trong hệ thống truyền dẫn 1 kênh quang BA, PA, LA có thể ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn 1 kênh theo sơ đồ khối hình (5.1 , 5.2). Trong trường hợp này, tạp âm tích lũy có thể suy giảm bằng cách sử dụng OFA có tạp âm thấp kết hợp với bộ lọc quang. Vấn đề tán sắc có thể hạn chế bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chỉnh tán sắc thích hợp. Nhờ sử dụng khuếch đại quang sợi mà có thể nâng cấp hệ thống truyền dẫn cả về khoảng cách và tốc độ so với hệ thống SDH thông thường theo khuyến nghị ITU – TG 957. - Về tốc độ đường truyền có thể nâng lên STM – 64 (10Gbps). - Về khoảng cách có thể nâng lên 120 (Very long haul) đến 160 km (Ultra long haul). Hình 4.1 Hệ thống truyền dẫn 2,5 Gbps sử dụng EDFA: 4.3. ứng dụng trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng 4.3.1. Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM WDM là công nghệ trong sợi quang đồng thời truyền nhiều bước sóng tín hiệu quang. Nguyên lý cơ bản là tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) và phối ghép trên cùng một sợi quang của đường dây cáp quang để truyền dẫn, ở đầu thu tín hiệu có bước sóng tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh) và xử lý thêm một bước, khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau. Hiện nay do một số linh kiện quang và công nghệ quang chưa được hoàn thiện, vì vậy muốn thực hiện ghép quang dày đặc trên kênh tín hiệu quang tương đối khó khăn. Trong tình hình đó, người ta gọi ghép kênh bước sóng ở trong cùng một số cửa sổ khoảng cách trên các kênh tương đối nhỏ là ghép kênh bước sóng dày đặc (DWDM: Dense wavelength division multiplexing). Hệ thống này tại bước sóng 1550 nm, đồng thời dùng 8, 16 hoặc nhiều bước sóng hơn tạo thành hệ thống thông tin quang trên một đôi sợi quang (cũng có thể dùng một sợi), trong đó khoảng cách giữa mỗi sợi một bước sóng là 1,6 nm hoặc 0,8 nm hoặc thấp hơn tương ứng với khoảng cách 200 Ghz, 100 Ghz hoặc dải hẹp hơn. Trong đó 1525 – 1565 nm được gọi là băng tần C, đây là băng tần mà các hệ thống hiện nay sử dụng, băng sóng hiện đang nghiên cứu và phát triển là băng sóng L (1570 –1620 nm) và băng sóng S (1400 nm). Hình 4.3 Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM Hiện nay các hệ thống nói chung thường sử dụng bước sóng của kênh tín hiệu cùng khoảng cách tức k. 0,8 nm (k là số nguyên dương). Có 2 hình thức chính cấu thành hệ thống WDM: Truyền dẫn 1 chiều 2 sợi và truyền dẫn 2 chiều một sợi. 4.3.2. EDFA dùng trong hệ thống WDM Yêu cầu EDFA sử dụng trong hệ thống WDM cần có băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao. Đặc biệt cần băng tần rộng hơn so với dùng hệ thống một kênh. Băng tần tăng ích trên 2 cửa sổ (1310nm và 1550nm) tiêu hao thấp của sợi quang thạch anh đều có thể ghép kênh theo bước sóng còn bộ khuếch đại quang sợi EDFA chỉ thích ứng với đoạn sóng 1550nm, dùng trong phạm vi phổ tấn số 1530- 1565nm, băng tần tăng ích 20- 40nm có thể thoả mãn hệ thống ghép kênh 4-32 kênh tín hiệu. Tăng ích bằng phẳng : yêu cầu đặc biệt của EDFA là tăng ích bằng phẳng (gain flatting). Nói chung EDFA tăng ích trong băng tần làm việc có lên xuống nhất định. - Độ bằng phẳng của tăng ích trong băng EDFFA (GF) là hiệu số của tăng ích ở điểm tăng ích bước lớn nhất và điểm tăng ích bước sóng nhỏ nhất (D GF) trong toàn bộ băng thông tăng ích có thể sử dụng. GF càng nhỏ càng tốt. Nếu sử dụng EDFA có nhiều tầng sai số tăng ích này sẽ tích lũy tuyến tính đến mức khi tới đầu thu kênh bước sóng tăng ích cao có thể làm cho đầu và máy thu quá tải , mà kênh bước sóng tăng ích nhỏ thì tỷ lệ S/N không đạt yêu cầu, nên toàn bộ hệ thống không làm việc bình thường. Do đó GF của mỗi bộ khuếch đại cần được hạn chế trong 1dB. Khắc phục : Chọn lựa khu vực tăng ích bằng phẳng của EDFA: Chọn 16 bước sóng công tác ở đoạn sóng 1548-1560nm. Công nghệ cân bằng tăng ích: - Dùng đặc tính tổn hao của bộ cân bằng và đặc tính tăng ích bước sóng của bộ khuếch đại ngược nhau để loại bỏ sự không bằng phẳng của tăng ích. Điểm then chốt của công nghệ này là cần phải ăn khớp chặt chẽ với nhau giữa đường cong tăng ích của bộ khuếch đại và đặc tính tổn hao của bộ cân bằng làm cho đặc tính tổng hợp bằng phẳng. Bộ cân bằng hiện nay chủ yếu có bộ lọc quang tiêu chuẩn, bộ lọc màng mỏng nhiều lớp, lưới sợi quang và đường dẫn sóng mặt phẳng( PLC). Phương pháp này có thể thực hiện EDFA băng rộng có tăng ích bằng phẳng với sai lệch tăng ích dưới 5%. Nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại quang sợi có tăng ích bằng phẳng: EDFA trộn A1 hoặc photpho nhôm. Bộ khuếch đại sợi quang hai lõi. Bộ khuếch đại sợi quang trộn chất cơ bản là Flo và sợi quang trộn chất erbium. Hệ số tạp âm và công suất ra bão hòa: Về bản chất của hệ thống truyền dẫn sợi quang WDM + EDFA là hệ thống truyền dẫn tương tự. Chất lượng truyền dẫn phụ thuộc vào hệ số tạp âm của bản thân EDFA. Hệ số này phụ thuộc vào ASE, tổn hao nội bộ của các linh kiện, hiệu suất phối ghép, công suất bơm… Về nguyên tắc hệ số tạp âm của EDFA càng nhỏ công suất bão hòa càng lớn thì cự ly truyền dẫn càng dài. Tuy nhiên trong hệ thống WDM cần phải kể đến hiệu ứng phi tuyến như trộn bốn bước sóng. Nên cần hạn chế công suất lớn nhất truy nhập vào đường dây sợi quang để đảm bảo thấp hơn ngưỡng phát sinh hiệu ứng phi tuyến. Biện pháp an toàn khi sử dụng EDFA: Khi cáp quang đứt hoặc chưa đấu vào bộ kết nối… có thể gây ra tràn tín hiệu đối với hệ thống WDM có sử dụng EDFA. Mặt khác hệ thống bộ khuếch đại quang khi ở mức công suất cao có thể đã làm việc trong mép an toàn của công suất sợi quang. ITU – T khuyến nghị: Mức công suất quang tối đa của một hoặc nhiều đường đưa vào sợi quang là 17dBm. Sự xác định này dựa trên 3 tiêu chí: An toàn của bộ kích quang; tính phi tuyến của sợi quang và an toàn cho mắt người. Hệ thống cần có chức năng tự động cắt công suất và khởi động lại để phòng ngừa tổn hại đến hệ thống và mắt người. Khi hệ thống thăm dò mất tín hiệu LOS trên đường kết nối, có thể khóa mạch của một bộ khuếch đại phía trước và tất cả các bộ khuếch đại trong đoạn tái sinh phía sau. Khi khôi phục tín hiệu thì khôi phục lại bộ khuếch đại. Như vậy có thể làm đảm bảo được mức điện ở trong phạm vi yêu cầu an toàn trong trường hợp khóa mạch. Đối với hệ thống WDM, chỉ khi tất cả tín hiệu quang trên kênh chính đều bị mất thì máy khởi động. 4.4 Khuyến nghị sử dụng kỹ thuật khuếch đại vào các tuyến thông tin quang tại Việt Nam. 4.4.1. ứng dụng trong mạng nội hạt (mạng truy nhập quang) Thiết bị khuếch đại quang sợi có thể được sử dụng trong mạng thuê bao quang để tăng cường quỹ công suất quang, hoặc cho phép tỉ lệ rẽ quang (Splitting radio) cao hơn trong cấu hình mạng đa điểm. Bởi vậy có thể nói rằng khuếch đại công suất và khuếch đại đường truyền có thể được sử dụng trong các mạng này. Việc sử dụng thiết bị OFA trong mạng vòng (Ring network) ngay trước các thiết bị rẽ luồng ( Branching device) để bù lại suy hao rẽ luồng. Đó là ưu điểm chính của OFA trong mạng thuê bao quang. Một trong những ứng dụng lí thú của OFA trong mạng thuê bao quang là việc phân bổ tín hiệu Video. Hiện nay tín hiệu này chủ yếu là tương tự nhưng sẽ biến đổi thành tín hiệu số. Trong trường hợp hệ thống Video tương tự thì cần có một số yêu cầu khắt khe hơn để đảm bảo tăng tần sóng mang và tránh hiện tượng méo tín hiệu. Với Laser đầu tiên thì yêu cầu với OFA là phổ khuếch đại phải phẳng, công suất bão hòa cao, mức xuyên âm thấp. Còn sử dụng Laser sóng chạy (continuous wave) kết hợp với các luồng cộng hưởng ngoài để khắc phục các hạn chế trên. Và một điểm cần lưu ý nữa là cần phải duy trì công suất phát của OFA ở mức cho phép để tránh hiện tượng do phi tuyến gây nên. Hình 4.4 Sơ đồ ứng dụng OFA trong hệ thống phân bổ tín hiệu Video Từ sơ đồ ứng dụng OFA trong hệ thống phân bổ tín hiệu Video, chẳng hạn như cáp truyền hình. OFA không chỉ tăng khoảng cách truyền dẫn từ 10 km lên tới 80 km mà có khả năng tăng các bộ chia quang. Tỷ lệ sóng mang trên nhiễu (Carrier to noise ratio – CNR) trong hệ thống AM và FM có sử dụng OFA như là bộ khuếch đại công suất và bộ khuếch đại đã được đánh giá. Khi chúng sử dụng như là khuếch đại công suất sự suy giảm CNR là rất thấp, chỉ là 1 dB với hệ thống AM và 0,3 dB với hệ thống FM. Khi chúng sử dụng như là tiền khuếch đại thì độ nhạy thu được cải thiện rõ rệt. Khi CNR là 52 dB, thì độ độ nhạy thu được cải thiện là 2 dB (đối với AM). Tại CNR là 17 dB trong trường hợp FM, độ cải thiện là 5 dB. Méo hài bậc hai và ba là rất thấp. Như vậy nếu suy hao truyền dẫn là 8 dB trên khoảng cách 20 km được thoả mãn thì có hơn 2000 thuê bao cùng kết nối từ một thiết bị quang chung (DFB – LD analog). Khi mạng viễn thông số chuyển sang mạng đa dịch vụ thì OFA là công cụ có hiệu quả để tăng cường độ mềm dẻo của mạng nội hạt. 4.4.2. ứng dụng trong cáp quang biển Nước ta có bờ biển dài, các trung tâm chuyển mạch lớn đều nằm dọc bờ biển, bởi vậy giải pháp truyền thông tin bằng cáp quang biển là giải pháp tất yếu, phù hợp với điều kiện cụ thể trong nước và xu hướng phát triển thông tin quang trên thế giới. Đặc thù của cáp quang biển so với cáp trên đất liền là đòi hỏi phải có độ tin cậy cao (khoảng 3 lần sửa chữa trong 25 năm) và các điểm rẽ nhánh cần phải được lựa chọn, cân nhắc thật kỹ càng sao cho đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thông tin và yêu cầu kinh tế. Cáp quang biển có sử dụng khuếch đại quang đảm bảo khắc phục được hạn chế nêu trên. Hệ thống cáp quang biển có sử dụng khuếch đại quang có thể có 2 giải pháp sau: Hệ thống cáp quang biển có trạm lặp. Hệ thống cáp quang biển không có trạm lặp: Trên cơ sở đó có thể lựa chọn các phương án sau khi thiết kế cáp quang biển có sử dụng khuếch đại quang: Nối trực tiếp từ Hà Nội (Hải Phòng) đi thành phố Hồ Chí Minh (Vũng Tàu) theo cấu hình điểm - điểm (point to point) Nối trực tiếp Hà Nội (Hải Phòng) đi thành phố Hồ Chí Minh (Vũng Tàu) có điểm rẽ luồng đi quốc tế theo cấu hình rẽ nhánh (Branching). Nối giữa các trung tâm chuyển mạch lớn (Hà Nội - Đà Nẵng – Thành phố Hồ Chí Minh) theo cấu hình rẽ nhánh (Branching). Nối tất cả trung tâm chuyển mạch quan trọng theo dọc bờ biển (Hải Phòng - Vinh – Quảng Trị – Quảng Ngãi – Qui Nhơn) theo cấu hình hoa cung (Feston). Nối tất cả các trung tâm chuyển mạch có lựa chọn trước (Hải Phòng – Vinh – Huế - Đà Nẵng – Nha Trang – Vũng tàu) theo cấu hình hoa cung. Như vậy, với thiết bị khuếch đại quang sợi cho phép chúng ta rất linh hoạt trong việc thiết kế tuyến cáp quang biển vừa thoả mãn nhu cầu sử dụng khai thác vừa đảm bảo nhu cầu về độ tin cậy cao của hệ thống. Ba phương án đầu tiên là hệ thống cáp quang biển có trạm lặp. Hai phương án sau là hệ thống cáp quang biển hình họa cung không có trạm lặp dưới biển. Phương án cáp quang biển hình họa cũng có ưu điểm là tất cả các phần tử tích cực (thiết bị đầu cuối, khối cấp nguồn, phần tử điện tử khác) đều nằm trên đất liền nên dễ dàng khai thác, bảo dưỡng giám sát, số lượng sợi trong cáp không bị hạn chế. Đặc biệt hãng Acatel còn đưa một số kỹ thuật mới là bơm từ xa cho phép tất cả các thiết bị Laser bơm trong các thiết bị OFA dưới biển đều nằm trên đất liền và khoảng cách hai trạm đầu và cuối lên đến 53 km, công suất phát của Laser bơm từ xa lên tới 440 mW. Tóm lại kỹ thuật này hoàn toàn phù hợp để ứng dụng vào các tuyến cáp quang biển ở Việt Nam. Phụ lục A Bảng 1 Phân loại giao diện quang theo lĩnh vực áp dụng Bảng 2 Chỉ tiêu về giao diện quang đối với Hệ thống STM-4 sử dụng khuếch đại quang Bảng 3 Chỉ tiêu về giao diện quang đối với hệ thống STM-16 sử dụng khuếch đại quang Phụ lục B Tham khảo thông số của nhà sản xuấthPpuj ries Kết luận Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp dưới sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè đạc biệt là GS.TS Trần Đức Hân và Th.s Trần Quốc Dũng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình và đạt được một số kết quả sau: Nghiên cứu xu hướng phát triển kỹ thuật thông tin quang áp dụng vào mạng Viễn thông hiện nay và trong tương lai điển hình là khuếch đại quang sợi pha Erbium -EDFA. Nó là nền tảng để tiến tới một mạng viễn thông quang hóa hoàn toàn. Tìm hiểu về đặc tính kỹ thuật và các thông số của bộ khuếch đại quang sợi EDFA từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật để phát triển. Khuếch đại tín hiệu quang bằng cách sử dụng các sợi quang pha đất hiếm có nhiều ưu điểm nổi bật như: hệ số khuếch đại cao, tạp âm thấp, phổ hệ số tăng ích khá bằng phẳng…rất phù hợp cho các mạng truyền dẫn tốc độ cao và mạng ghép kênh theo bước sóng WDM. Bên cạnh bộ khuếch đại quang sợi pha đất hiếm – EDFA còn có một số bộ khuếch đại cơ bản đang được triển khai như: Bộ khuếch đại pha tạp ( như pha tạp Praseodymium – PDFA, pha tạp Thulium – TDFA….) Các bộ khuếch đại Raman. Các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA)…. Do thời gian làm đồ án hạn chế nên em chỉ tập trung vào bộ khuếch đại EDFA. Mặc dù đã cố gắng nhưng đồ án của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo nhiệt tình của thấy cô để đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo 1. Agrawal, Govind P. Fiber-Optic Communication Systems, Second Edition. New York: Wiley Interseience, 1997. 2. Keiser,G. Optical Fiber Communication, Third Edition, MeGraw-Hill, 2000. 3. Trần Đức Hân (chủ biên)-Nguyễn Minh Hiền, Cơ sở kỹ thuật Laze, NXB Giáo dục, Năm XB 2005. 4. . GS.TS Trần Đức Hân. Bài tập thông tin cáp sợi quang 5. GS.TS Trần Đức Hân. Tính toán thiết kế hệ thống thông tin cáp sợi quang. 6. Vũ Văn San. Nâng cao trình độ nhạy thu quang để gải phóng băng tần trong các hệ thống thông tin quang. Luận án tiến sĩ kỹ thuật. 7. Nhóm Webmaker-Trung tâm mang BK Net thực hiện, Tạp chí điện tử rẻ, Số 1 ra tháng 5/2000. 8. http:/www.nuphoton. product. Phụ lục PpppphPpuj ries Các chữ viết tắt ASE Amplified Spontanous Emision Bức xạ tự phát có khuếch đại ADM Add-Dop Multiplexer Bộ ghép tách kênh APS Automaic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động APD Avalanche Photodioe Đi ốt tách sóng thác BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit ITU International Telecommunication Union Hiệp hội Viễn thông quốc tế EDF Erbium Doped fiber Sợi quang pha tạp Erbium EDFA Erbium Doped fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium FTTB Fiber to the Bulding Sợi quang tới tòa nhà FTTF Fiber to the Floor Sợi quang tới tầng nhà FTTH Fiber to the Home Sợi quang tới tận nhà FTTO Fiber to the Ofice Sợi quang tới công sở FTTR Fiber to the Rual Sợi quang tới nông thôn FWM Four Wave Mixing Bộ trộn bốn bớc sóng MCVD Modified Chemical Vapor Deposition Ngng đọng hơi hoá chất biến đổi OFA Optical Fiber amplifier Khuếch đại quang OAM Operations, Administration and Maintain Khai thác, quản lý và bảo dỡng GI Graded Index Chỉ số gradien GF Gain Flatting Tăng ích phẳng IM Indensity Modulation Điều chế cờng độ IM-DD Indensity Modulation - Direct Detection Điều chế cờng độ - Tách sóng trực tiếp LD Laser Diode Điốt laser LED Light Emiting Diode Đi ốt phát quang NA Numerical Aperture Khẩu độ số NF Noise Figure Hệ số tạp âm NRZ Non Return to Zero Không trở về 0 ONI Optical Network Interface Giao diện mạng quang ONU Optical network Unit Thiết bị mạng quang PIN Positive Instrinsic Negative Cờu trúc PIN RZ Return to Zero Trở về mức 0 SDH Synchronous Digital Hiarachi Phân cấp đồng bộ SMF Single Mode Fiber Sợi dẫn quang đơn mode SNR Single Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu TWA Traveling Wave Amplifier Bộ khuếch đại sóng chạy TX Transnit Phát WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bớc sóng Mục lục Các chữ viết tắt Lời mở đầu 1 Chơng 1: Khuếch đại quang sợi 3 1.1 Khuếch đại quang sợi, u điểm và các phơng hớng phát triển 3 1.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 4 1.3 Tạp âm trong bộ khuếch đại EDFA 6 1.3.1 Tạp âm quan trong bộ khuếch đại EDFA 6 1.3.2 Tạp âm cờng độ trong bộ khuếch đại EDFA 8 1.4 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA 10 1.4.1 Đặc tính tăng ích 10 1.4.2 Đặc tính công suất ra 13 1.4.3 Đặc tính tạp âm 14 1.5 Kết cấu cơ bản và kết cấu tối u của EDFA 15 1.5.1 Kết cấu cơ bản của EDFA 15 1.5.2 So sánh tính năng của ba phơng thức bơm 16 1.5.3 Kết cấu EDFA tối u 17 1.5.4 EDFA hai chiều 19 1.6 Khuếch đại quang băng rộng 19 1.6.1 Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Praseodymium PDFA 20 1.6.2 EDFA pha tạp nhôm 20 1.6.3 EDFA pha tạp Flo 20 1.6.4 EDFA băng rộng pha tạp tellurium 21 1.6.5 Bộ khuếch đại quang sợi Raman 22 1.6.6 Bộ khuếch đại quang sợi bán dẫn SOA 22 1.6.7 EDFA mắc song song 24 1.7 Các giải pháp kỹ thuật cho các tuyến truyền dẫn có sử dụng khuếch đại quang sợi 25 1.7.1 Tạp âm tích lũy 26 1.7.2 Điều chỉnh tán sắc 28 Chơng 2: Phân tích các đặc tính kỹ thuật, tính toán các tham số của bộ khuếch đại quang sợi EDFA 31 2.1 Các phơng trình cơ bản 31 2.2 Tính toán hệ số tạp âm 31 2.3 Các phơng trình khuếch đại 32 2.4 Công suất ngỡng 34 2.5 Công suất bão hòa tín hiệu 34 2.6 Các tham số của sợi EDF thông dụng 35 2.7 Tính toán công suất bơm ngỡng, công suất tới hạn, công suất bão hòa, hệ số khuếch đại của EDFA 36 Chơng 3: Các ứng dụng PA, BA, LA của EDFA 38 3.1 Các ứng dụng của BA, LA, PA 38 3.1.1 Tiền khuếch đại (PA) 38 3.1.2 Khuếch đại công suất (BA) 39 3.1.3 Khuếch đại đờng truyền (LA) 41 3.1.4 Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm 43 3.1.5 Tính công suất bù trong từng trờng hợp BA, LA, PA để đạt đợc một tỷ số lỗi bit cho trớc 43 3.2 Các sơ đồ ứng dụng của EDFA 44 3.3 Các tham số thiết kế hệ thống 45 3.4 Thiết kế hệ thống 51 Chơng 4: áp dụng khuếch đại quang sợi EDFA vào hệ thống thông tin quang 57 4.1 Tính kinh tế của khuếch đại quang sợi 57 4.2 ứng dụng khuếch đại quang trong hệ thống truyền dẫn một kênh quang 58 4.3 ứng dụng trong hệ thống ghép kênh theo bớc sóng 59 4.4 Khuyến nghị sử dụng kỹ thuật khuếch đại vào các tuyến thông tin quang ở Việt Nam 62 Phụ lụcA 66 Phụ lục B 68 Kết luận 72