ứng dụng khuếch đại raman trong mạng viễn thông việt nam

45 503 0
ứng dụng khuếch đại raman trong mạng viễn thông việt nam

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI 3 1.1. Tổng Quan Về Khuếch Đại Quang 3 1.2. Nguyên Lý Bộ Khuếch Đại Quang 5 1.3. Phân Loại Khuếch Đại Quang 6 1.4. Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang 7 1.4.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại 7 1.4.2. Băng thông độ lợi 9 1.4.3 Công suất ngõ ra bão hoà 10 1.4.4. Hệ số nhiễu 12 1.5. Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang 13 Kết Luận Chương I: 14 CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 15 2.1. Tán Xạ Raman 15 2.1.1. Tán Xạ raman Tự Phát 15 2.1.2. Tán Xạ Raman Cưỡng Bức (SRS) 17 2.2. Cấu Trúc Bộ Khuếch Đại Raman 18 Nhóm 12- L11CQVT07-B 1 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ 2.3. Nguyên Lý Hoạt Động Khuếch Đại Raman 21 2.4. Phân Loại Khuếch Đại Raman 26 2.4.1.Khuyếch đại Raman phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) 26 2.4.2.Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 29 2.4.3. Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/EDFA 31 2.4. Ưu, Nhược điểm khuếch đại Raman 32 Kết Luận Chương II: 33 3.1. Ứng dụng bộ khuếch đại quang Raman trong hệ thống WDM 34 LỜI MỞ ĐẦU Khuếch đại Raman đang được triển khai ở hầu hết các hệ thống thông tin quang mới ở những cự ly dài và rất dài trong truyền dẫn quang. Làm cho chúng trở thành một trong những tuyến quang phi tuyến đầu tiên được thương mại hóa. Khuếch đại Raman nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu và giảm hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống. Cho phép khuếch đại ở những khoảng cách xa, tốc độ bit cao và hoạt động gần bước sóng có độ tán sắc không. Khuếch đại Raman được dùng chủ yếu để nâng cao dung lượng hệ thống, mở rộng nhiều cửa sổ bước sóng mới của ghép kênh phân chia theo bước sóng như 1300nm, 1400nm hoặc những bước sóng ngắn trong băng S. Khuếch đại raman cung cấp đơn giản nhưng rất cần thiết và là nền tảng cho khuếch Nhóm 12- L11CQVT07-B 2 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ đại trên những khoảng cách dài và cực dài. Do đó, nên mở rộng phạm vi của nó và phát triển trong những năm tiếp theo. Ứng dụng khuếch đại Raman trong mạng viễn thông Việt Nam để cải thiện cự ly truyền dẫn, nâng cao dung lượng, giảm chi phí hệ thống; kỹ thuật chuyển mạch nhóm bước sóng (WBS) vào các mạng ghép kênh theo bước sóng để giải quyết vấn đề giá thành thiết bị chuyển mạch quang cũng như độ phức tạp trong điều khiển mạng toàn quang; Xu hướng mạng truyền tải quang dung lượng Terabit tạo kỷ lục thế giới mới về dung lượng truyền dẫn; Tiềm năng FTTN trong việc cung cấp các ứng dụng truy nhập đạt chuẩn quốc tế. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI 1.1. Tổng Quan Về Khuếch Đại Quang Đối với tín hiệu quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn, sự suy giảm tín hiệu là không thể tránh khỏi. Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang. Giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater). Trong các trạm lặp quang điện này, quá trình khuếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước. Đầu tiên tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (optical receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay PAD. Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại. Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang (optical transmitter) và được truyền đi trong sợi quang. Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện. Nhóm 12- L11CQVT07-B 3 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ Hình 1.1. Cấu trúc của một trạm lặp quang điện Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH. Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn đa bước song như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuyếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, người ta thực hiện được quá trình khuyếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuyếch đại quang (Optical Amplifier). Kỹ thuật khuyếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp. So với các trạm lặp, các bộ khuyếch đại quang có các ưu điểm sau: - Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (các bộ biến đổi E/O hoặc O/E). Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn. - Không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế tín hiệu nên nâng cấp hệ thống đơn giản hơn. - Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang. Nhóm 12- L11CQVT07-B 4 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ Việc nghiên cứu khuyếch đại quang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi. Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, và trong thời gian qua các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính: - Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier) - Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên, do yêu cầu nâng cấp mạng thông tin quang DWDM lên hàng trăm kênh, việc nghiên cứu phát triển các loại khuếch đại quang khác đã được đẩy mạnh, trong đó khuếch đại quang trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức được đặc biệt quan tâm trên thế giới. 1.2. Nguyên Lý Bộ Khuếch Đại Quang Nguyên lý khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và không có cộng hưởng trong khuếch đại. Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tượng này được minh hoạ trong hình: Hình 1.2. Các hiện tượng biến đổi quang điện Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lượng E v =hf 12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm E g =E 2 -E 1 bằng nhau E v =E g ). Khi đó, điện tử sẽ nhận năng lượng và được nhẩy lên mức năng lượng cao hơn. Đây chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lượng cao E2 chuyển xuống mức năng lượng thấp E1, đồng thời phát ra một photon có mức năng lượng E g = E2-E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này sảy ra một cách tự Nhóm 12- L11CQVT07-B 5 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng ền vững ). Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác nhau, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát. Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại (nhiễu ASE) gọi là nhiễu phát xạ tự phát. Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12 bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg=E2-E1).Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với của photon kích thích ban đầu. Như vậy từ một photon ban đầu sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới tạo ra ) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số. Hay nói cách khác quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện. Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser. 1.3. Phân Loại Khuếch Đại Quang Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện trong vùng tích cực. Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lớn hay nhỏ thì phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp từ nguồn bơm bên ngoài. Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính là: Khuếch đại quang bán dẫn SOA và khuếch đại quang sợi OFA. Trong khuếch đại quang bán dẫn SOA vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn. Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu là dòng điện. Trong khuếch đại sợi quang OFA (Optical Fiber Amplifier) vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm. Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại. Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi. Một số loại OFA tiêu biểu: EDFA, PDFA, TDFA, NDFA. Trong số loại OFA này EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì nó có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống DWDM. Nhóm 12- L11CQVT07-B 6 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ Cả hai loại khuếch đại quang SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên phát xạ kích thích còn khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích. Ngoài ra còn có một loại khuếch đại được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman. Khuếch đại Raman cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng. 1.4. Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang 1.4.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại quang thực hiện bơm quang, hay bơm điện . Nhìn chung khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn phụ thuộc vào cường độ bơm, mật độ hạt có trong vật liệu. Chúng ta coi vật liệu là đồng nhất, ta có được phương trình sau: (1.1) Trong đó g 0 là giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω 0 là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại P s là công suất bão hoà . Công suất bão hoà P s phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại. Hệ số T 2 trong phương trình 1.1 được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps. Phương trình 1.1 có thể dùng mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại như là băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà. Nhóm 12- L11CQVT07-B 7 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ Ở chế dộ chưa bão hoà, coi P/P s <<1, khi đó phương trình 1.1 trở thành: (1.2) Từ phương trình này có thể nhận thấy, hệ số độ lợi lớn nhất khi tần số khuếch đại ω=ω 0 tần số trung tâm. Nếu gọi P in , P out lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Vậy thì hệ số khuếch đại là : G= (1.3) Hệ số khuếch đại là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại. Nó đặc trưng cho khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hoà khuếch đại. Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại. Mặt khác ta lại có công thức sau (1.4) Suy ra: P(z) = P in exp(gz) (1.5) Với P(z) là công suất tín hiệu tại vị trí z so với đầu vào. Giả sử khoảng rộng của bộ khuếch đại là L, khi đó P out =P(L). Suy ra hệ số khuếch đại của tín hiệu quang có độ dài L là: G(ω)= = = (1.6) Nhóm 12- L11CQVT07-B 8 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ Dễ dàng nhận thấy rằng, g(ω) đạt giá trị lớn nhất tại ω=ω 0 nên G(ω) cũng đạt giá trị lớn nhất tại ω 0 . Và giá trị hai hệ số này cũng đều giảm khi (ω-ω 0 ) tăng, ta có biểu đồ sau: Hình 1.3 . Mối tương quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi 1.4.2. Băng thông độ lợi Băng thông độ lợi được định nghĩa là =2/T 2 hay là: (1.7) Như vậy, nếu với bộ khuếch đại quang bán dẫn có T 2 =60fs. Bộ khuếch đại băng rộng thích hợp với các hệ thống viễn thông thông tin quang, vì độ lợi của cả băng tần gần như là hằng số, thậm chí cả khi đó là tín hiệu đa kênh. Băng tần khuếch đại được định nghĩa là một FWHM (full width at half maximum-độ rộng xung tại nửa giá trị cực đại) và liên quan với theo công thức sau: Nhóm 12- L11CQVT07-B 9 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts. Hoàng Văn Võ (1.8) Với G 0 = exp(g 0 L). Dễ dàng nhận thấy băng tần khuếch đại nhỏ hơn băng tần độ lợi và sự khác biệt này còn tuỳ thuộc vào độ lợi khuếch đại. 1.4.3 Công suất ngõ ra bão hoà - Độ lợi bão hoà Độ bão hoà của độ lợi phụ thuộc vào giá trị g(ω) trong phương trình 1.1. Dễ dàng nhận thấy rằng, khi P tiến tới P s thì giá trị g giảm dần, đồng thời hệ số khuếch đại G cũng giảm theo độ tăng của công suất tín hiệu. Chúng ta coi giá trị đỉnh xảy ra khi ω=ω 0 . Theo 1.1 và 1.4, chúng ta có: (1.9) Xét phương trình với chiều dài bộ khuếch đại là L, và coi P 0 =P in và P(L)=GP in =P out , từ đó ta có phương trình: G=G 0 exp ( ) (1.10) Dễ dàng nhận thấy G bắt đầu giảm dần từ giá trị đỉnh G 0 khi giá trị P out đạt gần tới giá trị công suất bão hoà P s mô tả trong hình 1.4. Nhóm 12- L11CQVT07-B 10 [...]... loại khuếch đại Raman và một số những ưu điểm, nhược điểm của bộ khuếch đại Raman Từ đó làm nền tảng cho chương 3 sẽ tập trung nghiên cứu, tìm hiểu về ứng dụng của khuếch đại Raman trong thông tin quang Nhóm 12- L11CQVT07-B 33 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts Hoàng Văn Võ CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI RAMAN TRONG THÔNG TIN QUANG 3.1 Ứng dụng bộ khuếch đại quang Raman trong hệ thống WDM Khuếch đại. .. dẫn, khuếch đại quang sợi pha Thilium nhưng chỉ có khuếch đại Raman là giải pháp tối ưu cho vấn đề này 2.4.3 Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/ EDFA Hình 2.14 Khuếch đại quang lai ghép EDFA /Raman Như trên đã trình bày, khuếch đại quang Raman phân bố DRA có thể được sử dụng kết hợp với các bộ khuếch đại tập trung khác điển hình trong số đó là kết hợp với bộ khuyếch đại EDFA hình thành bộ khuếch đại quang... lượng tử Nhóm 12- L11CQVT07-B 12 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts Hoàng Văn Võ 1.5 Ứng Dụng Của Khuyếch Đại Quang Hình 1.5 Các ứng dụng khuếch đại a) Khuếch đại trên tuyến (In-line amplifỉer) b) Khuếch đại công suất (Booster Amplifier) c) Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier) Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang... Hoàng Văn Võ 2.4.2 .Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) Hình 2.12 Khuếch đại Raman tập trung Bộ khuếch đại Raman tập trung LRA là một khối đơn Trong bộ khuếch đại Raman tập trung tất cả công suất ánh sáng bơm được tập trung trong một khối Trong sơ đồ trên ánh sáng bơm được giữ trong bộ khuyếch đại bằng các bộ cách ly xung quanh bộ khuyếch đại với chiều dài sợi tăng ích Raman khoảng vài... hiệu ứng quang phi tuyến, cho nên tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang vẫn bị hạn chế về khoảng cách do các hiệu ứng nêu trên tạo ra Sử dụng khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM có ý nghĩa công nghệ quan trọngkhuếch đại quang có thể khuếch đại tất cả các bước sóng tới trong băng tần khuếch đại Kết Luận Chương I: Chương này đã giới thiệu tổng quan về khuếch đại. .. lý hoạt động của bộ khuếch đại quang Một số thông số của bộ khuếch đại quang Ứng dụng của bộ khuếch đại quang Chương tiếp theo sẽ đi tìm hiểu cụ thể về bộ khuếch đại Raman Nhóm 12- L11CQVT07-B 14 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts Hoàng Văn Võ CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN 2.1 Tán Xạ Raman Hiện tượng tán xạ Raman được nhà khoa học Raman chỉ ra bằng thực nghiệm vào năm 1928 Tán xạ Raman được phân chia... quang lai ghép Raman/ EDFA Loại khuếch đại quang này có thể thay thế bộ khuyếch đại EDFA trong đó khuếch đại Raman phân bố đóng vai trò của một bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (tiền khuếch đại) Nhóm 12- L11CQVT07-B 31 Chuyên đề thông tin quang GV: Ts Hoàng Văn Võ 2.4 Ưu, Nhược điểm khuếch đại Raman * Ưu điểm:  Tạp âm nhiễu thấp  Thiết kế đơn giản như sự khuếch đại tín hiệu trực tiếp đã thành công trong cáp quang... bù tán sắc trong bộ khuếch đại tập trung để nâng cao hiệu năng của hệ thống Trở ngại lớn nhất cho việc sử dụng khuyếch đại Raman trong mạng viễn thông đó là hiệu quả thấp so với EDFA Tuy nhiên, khi tốc độ bit và tổng số kênh tăng lên, khuếch đại Raman càng trở nên hấp dẫn hơn Tăng ích của khuếch đại Raman lớn hơn khi công suất bơm lớn, điều này được đáp ứng bởi các hệ thống trong tương lai Trong các... quang Raman mang lại một nền tảng đơn giản nhất cho các yêu cầu của các bộ khuếch đại quang trong mạng thông tin quang cự ly dài và cực dài Khuếch đại quang Raman có thể hoạt động với băng tần rộng và tại các tần số mà các bộ khuếch đại quang khác không thể hoạt động Ví dụ băng tần tăng ích 100 nm có thể sử dụng trong bất kỳ dải nào trong khoảng từ 1300-1650 nm Thêm vào đó các bộ khuếch đại Raman băng... (bằng với băng thông độ lợi ), khi đó dải tần lớn của các tín hiệu có thể đạt được khuếch đại hiệu quả (như hình 2.9a) Tuy nhiên, do đặc tính khuếch đại của khuếch đại Raman và do khoảng của các bước sóng bơm băng thông độ lợi tổng cộng có dạng gợn sóng như hình 2.9b Với ưu điểm băng thông độ lợi lớn, khuếch đại Raman được quan tâm đến trong các ứng dụng Nhóm 12- L11CQVT07-B 24 Chuyên đề thông tin quang . 26 2.4.2 .Khuếch đại Raman tập trung LRA (Lumped Raman Amplifier) 29 2.4.3. Bộ khuếch đại quang lai ghép Raman/ EDFA 31 2.4. Ưu, Nhược điểm khuếch đại Raman 32 Kết Luận Chương II: 33 3.1. Ứng dụng bộ khuếch. cực dài. Do đó, nên mở rộng phạm vi của nó và phát triển trong những năm tiếp theo. Ứng dụng khuếch đại Raman trong mạng viễn thông Việt Nam để cải thiện cự ly truyền dẫn, nâng cao dung lượng,. sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng. 1.4. Các Thông Số Kĩ Thuật Chính Của Khuếch Đại Quang 1.4.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại Khuếch đại đạt được khi bộ khuếch đại

Ngày đăng: 18/06/2014, 09:25

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI

  • CHƯƠNG II: BỘ KHUẾCH ĐẠI RAMAN

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan