TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG XUYÊN BIỂN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) SOLUTION FOR ENHANCING SIGNAL QUALITY IN WDM FIBER OPTIC COMMUNICATION SYSTEMS UNDERSEA Nguyễn Văn Tuấn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Hoàng Thị Phương Anh Công ty Thông tin di động khu vực III TÓM TẮT Bài báo đề nghị giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang xuyên biển ghép kênh theo bước sóng (WDM) cách chia hệ thống thành nhiều phân đoạn, phân đoạn gồm khuếch đại EDFA đặt thêm khuếch đại Raman ngõ vào EDFA thứ nhất, tạo thành khuếch đại ghép lai HFA Trên sở đó, xây dựng lưu đồ thuật toán, ứng dụng vào việc tính toán tuyến WDM cụ thể Đó phân đoạn 9, từ Sesimbra đến Penmarch, thuộc hệ thống cáp quang biển SEA-ME-WE3 thông tin liên lạc với 39 nước mà Việt nam tham gia vào trạm cập bờ Hoà Hải Đà Nẵng Sau đó, xây dựng bảng kết tính toán tối ưu thông số công suất tín hiệu quang kênh đưa vào tuyến, công suất bơm Raman, độ khuếch đại EDFA OSNR tương ứng với số lượng kênh khác Kết sử dụng hiệu công tác thiết kế tuyến nhằm nâng cao dung lượng mà đảm bảo chất lượng tín hiệu truyền dẫn ABSTRACT In this paper, we propose the solution for enhancing signal quality in WDM Fiber Optic Communication Systems undersea by dividing them into many segments where there two EDFAs in each segment and one Raman Amplifier located at the input of first EDFA Then, algorithm chart is built and applied to calculate and simulate one concreate WDM segment That is 9th one, from Sesimbra to Penmarch belonged to undersea SEA-ME-WE3 system which connect Vietnam communication Center at Hoa hai station, Danang city After that, we create tables of optimized parameters including signal power per channel launched to fiber, pump power of Raman Amplifier and Gain of EDFAs in order to achieve the maximum of OSNR at Optic Receiver’s input corresponding to the different channels The results can be applied effectively in designing fiber optic communication links to improve their capacity and signal quality Đặt vấn đề Hệ thống cáp quang xuyên biển sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng có khuếch đại quang sợi EDFA mắc chuỗi Trong tương lai gần, nhu cầu thông tin liên lạc tăng cao số kênh ngày tăng, dung lượng ngày lớn cho tỉ số tín hiệu quang nhiễu (OSNR) giảm xuống, chất lượng tín hiệu không đạt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 yêu cầu Giải pháp hiệu cho vấn đề đặt thêm khuếch đại Raman, tạo thành khuếch đại ghép lai HFA đường truyền Lý bỏ lắp đặt thêm EDFA mà cần đặt thêm Raman vào vị trí thích hợp trạm lặp có sẵn Bộ khuếch đại Raman đặt trước khuếch đại EDFA, đóng vai trò tiền khuếch đại nhiễu thấp Nó không yêu cầu mức tín hiệu vào cao nên giảm hiệu ứng phi tuyến Đồng thời tín hiệu vào EDFA không giảm xuống mức thấp có khuếch đại Raman nâng mức công suất tín hiệu vào EDFA, làm cho OSNR cuối tuyến cải thiện[1], [2] Tuy nhiên, kếp hợp Raman EDFA tạo nhiều loại nhiễu phức tạp Do đó, để đạt ưu điểm khuếch đại HFA cần phải nghiên cứu xem xét đầy đủ yếu tố ảnh hưởng đến Bài toán đặt cần phải xác định thông số khuếch phát huy ưu điểm HFA nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn hệ thống Cấu hình tuyến tỉ số tín hiệu nhiễu OSNR đầu vào máy thu Cấu hình HFA trình bày hình 1, gồm EDFA khuếch đại Raman (RA) Trong RA đóng vai trò tiền khuếch đại cho EDFA1 nên độ khuếch đại EDFA1 nhỏ, độ khuếch đại EDFA2 giữ nguyên Xét tuyến truyền dẫn có chiều dài tổng cộng L (km), số trạm lặp tuyến N (số EDFA N) Tuyến chia thành M = N+1 phân đoạn, có chiều trung bình phân đoạn La N phân đoạn EDFA1 WDM Tx EDFA2 Sợi truyền dẫn Sợi truyền dẫn WDM Rx Bơm Raman Bộ HFA Hình Sơ đồ tuyến truyền dẫn sử dụng HFA mắc chuỗi Tỉ số OSNR kênh thông tin thứ i hệ thống WDM xác định theo biểu thức: (1) + : Công suất tín hiệu hữu ích đầu vào máy thu quang (2) + : công suất nhiễu tổng nhiễu phát xạ tự phát, tán xạ Raman kép trộn bốn bước sóng đầu vào máy thu quang, tương ứng với kênh i + : Công suất nhiễu ASE EDFA gây (3) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 + : Công suất nhiễu ASE khuếch đại Raman tạo Trong (4) , , , , , số mode truyền trình phân cực, tần số tín hiệu, số planck, hệ số phát xạ tự phát EDFA, RA băng thông lọc quang + Công suất ASE HFA gây ra: (5) Đặt + Công suất ASE HFA thứ i (iN) gây ngõ vào WDM: (6) + Công suất ASE tổng ngõ vào WDM: (7) + Công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS Raman gây ra: (8) Trong :hệ số tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào tần số : công suất tín hiệu vị trí La không tính đến tán xạ Rayleigh , công suất DRS HFA gây (9) Công suất DRS HFA thứ i (i N) gây ngõ vào WDM: (10) Công suất DRS tổng ngõ vào WDM: (11) + Biểu thức tính hiệu ứng FWM Giả sử công suất quang không bị mát suy hao phi tuyến sợi, công suất sóng FWM tổng cộng tần số fm tính sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 (12) Với: công suất FWM tần số fm (13) Các tham số định nghĩa trong[4] Bắt đầu Trong khuếch đại ghép lai, EDFA2 khuếch đại nhiễu khuếch đại Raman EDFA gây Nếu độ khuếch đại EDFA2 lớn làm tăng công suất nhiễu tích lũy HFA Do đó, việc tính toán tối ưu OSNR thực trước tiên cách giảm độ khuếch đại EDFA2 Phương pháp giảm độ khuếch đại EDFA2 cách tăng độ khuếch đại EDFA1 đảm bảo bù đủ suy hao HFA Gọi x tỉ lệ phần trăm độ khuếch đại EDFA1 tăng lên theo độ khuếch đại EDFA2 Quan hệ độ khuếch đại hai EDFA xác định biểu thức sau: Nhập thông số sợi quang Nhập thông số hệ thống: M, L,K,Ptx Gán OSNRmax=20,tính Psig (Ptx) -25 < Psig (Ptx) < -10 Sai Đúng For Ppzo = 21.0,21.2, 26.0 Tính GR(Ppzo), Ge1(Ppzo, x), Ge2(Ppzo, x) Tính OSNRmin(Ppzo,Ptx) Sai OSNRmin(Ppzo,Ptx)>OSNRmax Đúng OSNRmax = OSNRmin(Ppzo,Ptx) Trong đó: Gtot độ khuếch đại tổng HFA; GE2, GR độ khuếch đại EDFA2 khuếch đại Raman chưa hiệu chỉnh; GE1(x), Công suất bơm Ppz0 Độ khuếch đại: GR, Ge1, Ge2 Tỉ số OSNR tối ưu:OSNRmax Kết thúc Hình Lưu đồ thuật toán tối ưu OSNR TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 GE2(x) độ khuếch đại EDFA1 EDFA2 hiệu chỉnh; La chiều dài trung bình phân đoạn Sau tìm phụ thuộc GE1, GE2 theo x ta thay đổi độ khuếch đại khuếch đại thành phần để tìm OSNR tối ưu Lưu đồ thuật toán hình Xây dựng lưu đồ thuật toán tối ưu OSNR; kết tính toán thảo luận NZDSF Sesimbra 60 Penmarch 7*98 1*90 7*98 DSF DSF DSF 60 Hình Cấu hình tuyến Segment SEA-ME-WE3 [3] Sesimbra Penmarch DSF DSF DSF HFA Hình Cấu hình tuyến Segment sử dụng khuếch đại HFA dùng cho tính toán Cấu hình tuyến thể hình [3] Tuyến có tổng chiều dài 1590 km, gồm 16 trạm lặp, trạm lặp chứa khuếch đại quang EDFA Tuyến sử dụng hai loại sợi, DSF dùng làm sợi truyền dẫn (D=-1,885ps/nm.km) NDSF SMF dùng làm sợi bù tán sắc với độ dịch tán sắc 18,886ps/nm.km Từ đặc điểm tuyến, ta thấy phân đoạn tuyến có chiều dài (98km) Ngoại trừ phân đoạn phân đoạn cuối 60km Do đó, để nâng cấp tuyến ta lắp thêm Raman tạo thành HFA đường truyền Với số EDFA ban đầu 16 cần số HFA_2E Cấu hình tuyến sử dụng HFA dùng cho tính toán thể hình Giả sử thời gian tới, hệ thống nâng cấp từ kênh lên kênh 16 kênh Các kênh đặt cách 1nm kênh đặt bước sóng 1500nm, công suất phát tín hiệu kênh 1mW Số lượng bơm Raman cần thêm vào tuyến Tỉ số OSNR thấp (kênh 5) kênh 21,9dB Hình 5(a) hình 5(b) Khi độ khuếch đại EDFA2 giảm công suất nhiễu ASE giảm, công suất nhiễu DRS không thay đổi công suất FWM lại tăng Do công suất nhiễu tổng cuối đường truyền giảm mạnh x nằm khoảng 1% đến 20%, sau tổng nhiễu lại tăng nhiễu FWM tăng Để xác định giá trị x thích hợp báo tính toán vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ OSNR theo x tương ứng với kênh khác hình Vị trí đạt tối ưu tỉ số OSNR theo x kênh khác khác nhìn chung x=14% tỉ số OSNR kênh gần xấp xỉ tỉ số OSNR tối ưu kênh Do ta sử dụng kết để tiếp tục tính toán tối ưu bước TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 để đạt hiệu cao a) b) Hình Sự thay đổi độ khuếch đại theo x(a) công suất nhiễu theo x(b) Hình Sự thay đổi tỉ số OSNR cuối đường truyền theo x Hình hình biểu diễn quan hệ công suất nhiễu OSNR kênh (có OSNR thấp kênh) theo công suất bơm Raman Khi công suất bơm Raman tăng từ 21dBm đến 26dBm tương ứng với độ khuếch đại Raman tăng từ 10dB đến 30dB, độ khuếch đại EDFA1 EDFA2 giảm cho độ khuếch đại tổng không đổi công suất ASE FWM giảm đồng thời công suất nhiễu DRS tăng Vì ban đầu tỉ số OSNR tăng lên theo công suất bơm Raman, đến đạt giá trị đỉnh giảm nhanh (hình 8) Hình Quan hệ công suất nhiễu theo công suất bơm Raman Hình Quan hệ tỉ số OSNR theo công suất bơm Raman Sau thực tối ưu HFA thu kết sau: công suất bơm Raman tối ưu 23,8 dBm, độ khuếch đại EDFA1 tối ưu 11dB, độ khuếch đại TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 EDFA2 10,8dB, tỉ số OSNR thấp kênh 24,4dB Tiến hành bước tương tự với công suất phát tín hiệu thay đổi, ta xác định thông số tối ưu lập thành bảng bảng để tiện việc tra cứu Bảng Tỉ số OSNR tối ưu hệ thống thông tin sợi quang WDM kênh Công suất phát Công suất bơm Độ khuếch đạ Độ khuếch đại tín hiệu (dBm) Raman tối ưu (dBm) EDFA1 tối ưu (dBEDFA2 tối ưu (dB) Tỉ số OSNR tối ưu (dB) -5 24,4 15 4,28 20,5 -4 24,4 15 4,28 21,4 -3 24,2 14 6,17 22,3 -2 23,1 14 7,85 23,1 -1 24 12 9,03 23,8 23,8 11 10,8 24,4 Bảng Tỉ số OSNR tối ưu hệ thống thông tin sợi quang WDM 16 kênh Độ khuếch đại Độ khuếch đại EDFA1 tối ưu (dB)EDFA2 tối ưu (dB) Tỉ số OSNR tối ưu (dB) Công suất phát tín hiệu (dBm) Công suất bơm Raman tối ưu (dBm) -5 20,3 10,7 8,54 20,3 -4 24,2 11,6 8,53 21,3 -3 24,2 11,6 8,7 22,2 -2 23 12,5 8,5 23 -1 24 12,5 8,5 23,7 23,8 13,8 8,53 24,1 Từ bảng ta kết luận giá trị OSNR tối ưu tỉ lệ nghịch với số kênh thông tin hệ thống truyền dẫn Số kênh thông tin hệ thống truyền dẫn nhiều OSNR tối ưu giảm Ngược lại, OSNR tối ưu tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu vào, công suất tín hiệu vào tăng lên, OSNR tối ưu tăng theo Tuy nhiên, nói công suất tín hiệu vào tăng OSNR tăng theo cách tuyến tính mà bị giới hạn điều kiện công suất tín hiệu đầu vào máy thu Kết luận Bài báo đưa cấu hình khuếch đại ghép lai HFA phù hợp áp dụng vào tuyến thông tin sợi quang WDM xuyên biển thực tế Đồng thời báo xây dựng thuật toán, tính toán tối ưu hóa khuếch đại HFA, nâng cao chất lượng tín hiệu thu cuối đường truyền TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Carena, V Curri, P Poggiolini, “On the Optimization of Hybrid Raman/Erbium-Doped Fiber Amplifiers”, IEEE photonics Technology Letters, Vol.13, No.11, November 2001, pp 1170-1172 [2] Chisato Fukai et al , “A study of the Optimum Fiber Design for a Distributed Raman Amplification Transmission System”, IEEE photonics Technology Letters, Vol.15, No.11, November 2003, pp 1642-1644 [3] “OALW 16, General presentation of the overall SMW-3 system”, Book 10, Section 3, Alcatel, 1997 [4] W Zeiler, F D Pasquale, P Bayel, Member, IEEE, J.Midwinter, Fellow IEEE, “Modeling of four-wave mixing and gain peaking in amplified WDM optical communication systems and networks”, Journal of Lightwave Technology, Vol 14, No 9, pp 1933-1942, September 1996 ... tuyến thông tin sợi quang WDM xuyên biển thực tế Đồng thời báo xây dựng thuật toán, tính toán tối ưu hóa khuếch đại HFA, nâng cao chất lượng tín hiệu thu cuối đường truyền TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ... nghịch với số kênh thông tin hệ thống truyền dẫn Số kênh thông tin hệ thống truyền dẫn nhiều OSNR tối ưu giảm Ngược lại, OSNR tối ưu tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu vào, công suất tín hiệu vào... nâng cấp từ kênh lên kênh 16 kênh Các kênh đặt cách 1nm kênh đặt bước sóng 1500nm, công suất phát tín hiệu kênh 1mW Số lượng bơm Raman cần thêm vào tuyến Tỉ số OSNR thấp (kênh 5) kênh 21,9dB