1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: BỘ KHUẾCH ĐẠI GHÉP LAI HFA Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Anh Quỳnh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Bá Quang VINH – 2011 LỜI NÓI ĐẦU Ở thế kỉ 21 trong nước ta, với sự bùng nổ về nhu cầu của các loại hình dịch vụ viễn thông như internet, truyền hình hội thảo… đòi hỏi ngành viễn thông nói chung và các hệ thống thông tin quang nói riêng phải có những những bước phát triển về công nghệ và kĩ thuật. Đối với hệ thống thông tin quang, sau một thời dài sử dụng công nghệ SDH thì kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM và bước phát triển của nó là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM đã được đưa vào áp dụng thực tế. Với những ưu điểm nổi bật như băng thông rộng, ít nhiễu, dung lượng lớn, … nên thông tin sợi quang đã trở thành bộ phận cốt lõi trong hệ thống đường trục của quốc gia. Với việc sử dụng nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang, kỹ thuật này đã tận dụng được băng thông khổng lồ của sợi quang, cho phép xây dựng được hệ thống thông tin có dung lượng lớn (hàng trăm Gbps) và khoảng cách truyền dài (hàng trăm km) nhưng không làm thay đổi nhiều đối với hệ thống đang sử dụng. Trong những năm gần đây, để đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng gia tăng nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ mới với băng rộng khác nhau, trong hệ thống thông tin quang DWDM người ta đã tiến hành các thực nghiệm và sử dụng bộ khuếch đại ghép lai HFA là sự kết hợp giữa khuếch đại Raman phân bố và bộ khuếch đại EDFA. Từ thực tế đó, trong đồ án này sẽ trình bày lý thuyết cơ bản về hệ thống DWDM và bộ khuếch đại EDFA và khuếch đại Raman là thành phần tạo nên bộ khuếch đại HFA. Và nghiên cứu sâu về cấu trúc của bộ khuếch đại HFA và nhiễu tạp âm tác động lên tuyến thông tin quang DWDM mắc chuỗi sử dụng bộ khuếch đại HFA mà đặc biệt là nhiễu ASE, nhiễu tán xạ Rayleigh kép và hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM. Trong đồ án này nội dung gồm có bốn chương sau: 2 • Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang DWDM. • Chương 2: Bộ khuếch đại ghép lai HFA. • Chương 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống DWDM. • Chương 4: Các kết quả thử nghiệm bộ khuếch đại HFA trên Optiwave. Kết quả đạt được của đồ án: • Bổ sung thêm kiến thức lý thuyết về khái niệm, nguyên lý hoạt động, các thành phần cơ bản và những ưu điểm, nhược điểm của hệ thống DWDM. • Tích lũy thêm kiến thức của các bộ khuếch đại của tuyến truyền dẫn quang DWDM. Trong quá trình làm đồ án, đặc biệt được sự hướng dẫn nhiệt tình của Thạc Sỹ Nguyễn Anh Quỳnh cùng các thầy cô, em đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp. Tuy nhiên do thời gian ngắn, sự hiểu biết còn hạn chế, đồ án mới chỉ dừng lại ở những khái niệm cơ bản và chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý chân thành của các thầy cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn! Vinh , tháng 5 năm 2011 Sinh Viên Nguyễn Bá Quang 3 MỤC LỤC 1.1. Giới thiệu chương 11 Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM .11 Hình 1.2: Nguyên lí hoạt động của kĩ thuật ghép kênh WDM 12 Hình 1.3: Phương thức truyền dẫn đơn hướng .13 Hình 1.4: Phương thức truyền dẫn song hướng .13 1.3. Hệ thống DWDM 13 1.3.1. Khái niệm 13 Hình 1.5: Quá trình phát triển của hệ thống DWDM .14 1.3.3. Cấu trúc hệ thống DWDM .14 Hình 1.6: Cấu trúc hệ thống DWDM 14 1.3.3.1. Sợi quang .14 Hình 1.7: Cấu tạo của sợi quang .14 Hình 1.8: Cấu trúc bộ phát quang .16 Hình 1.9: Cấu trúc bên trong của PIN 17 Hình 1.10: Cấu trúc bán dẫn của APD .17 1.3.3.4. Bộ tách/ghép kênh – MUX/DEMUX 17 Hình 1.11: Sơ đồ khối bộ tách/ghép kênh 18 Hình 1.12: Ghép tầng theo từng băng sóng 18 Hình 1.13: Ghép tầng đan xen chẵn lẻ .18 Hình 1.14: Bộ coupler 2x2 19 Hình 1.15: Bộ chia 1x2 .19 Hình 1.16: Bộ OADM sử dụng lưới Bragg 20 Hình 1.17: Bộ Isolator 20 Hình 1.18: Bộ Circulator 20 1.4. Kết luận chương .22 CHƯƠNG 2 24 BỘ KHUẾCH ĐẠI GHÉP LAI HFA 24 24 2.1. Giới thiệu chương 24 Trong hệ thống thông tin quang truyền với khoảng cách lớn thì tổn hao trên đường truyền rất lớn, do vậy việc các trạm khuếch đại sử dụng các bộ khuếch đại thông qua quá trình chuyển đổi quang - điện và điện - quang không đáp ứng được yêu cầu. Vì vậy các bộ khuếch đại quang ra đời. Trong đó bộ khuếch đại EDFA và bộ khuếch đại Raman là hai bộ khuếch đại quang phổ biến nhất 24 2.2. Bộ khuếch đại EDFA .24 Hình 2.1: Cấu trúc của bộ EDFA .25 Hình 2.2: Cấu tạo của sợi EDF .25 Hình 2.3: Giản đồ mức năng lượng 26 Hình 2.4: Quá trình khuếch đại tín hiệu của EDFA .27 Hình 2.5: Phổ hệ số khuếch đại của EDFA trước và sau khi làm phẳng 31 Hình 2.6: Công suất ra bão hòa theo công suất bơm 32 Hình 2.7: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 34 2.3. Bộ khuếch đại Raman 34 Hình 2.8: Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman 35 Hình 2.9: Giản đồ chuyển năng lượng .36 Hình 2.10: Hệ số khuếch đại Raman theo chênh lệch bước sóng .37 4 Hình 2.11: Hệ số khuyếch đại của các sợi quang 39 Hình 2.12: Kiểu bơm thuận 40 Hình 2.13: Kiểu bơm ngược .41 2.4. Bộ khuếch đại ghép lai HFA .41 Hình 2.14: Bảng so sánh đặc điểm của EDFA và Raman .42 Hình 2.15: Hiệu ứng phi tuyến và nhiễu của bộ khuếch đại EDFA và Raman phân bố .42 Hình 2.16: Cấu trúc bộ khuếch đại HFA .43 Hình 2.16: Phổ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA .44 Hình 2.17: Công suất tín hiệu của mỗi phân đoạn trong hệ thông sử dụng EDFA (1), hệ thống sử dụng bộ HFA (2) và hệ thống sử dụng bộ khuếch đại Raman hai hướng .45 2.5. Kết luận chương .45 Hình 3.1: Suy hao trong sợi quang .48 Hình 3.2: Đặc tuyến suy hao cua sợi quang .48 Hình 3.3: Tán sắc trong sợi quang 49 Hình 3.4: Biên độ nhiễu ASE theo bước sóng .51 Hình 3.5: Hệ số khuếch đại khi có nhiễu ASE .52 Hình 3.6: Bộ khuếch đại HFA 52 Hình 3.7: Quá trình tán xạ Rayleigh .54 Hình 3.8: Quan hệ giữa hê số nhiễu của DRS và độ khuếch đại Raman 55 Hình 3.9: Các bước sóng mới sinh ra do hiệu ứng FWM .56 Hình 3.10: Hệ thống DWDM mắc chuỗi các bộ khuếch đại .58 Hình 4.1: Sơ đồ ứng dụng trên Optiwave của HFA khi bơm nhiều bước sóng trong hệ thống quang 8 kênh truyền .63 Bảng 4.1: Kết quả thu được khi HFA được bơm nhiều bước sóng .64 và 1 bước sóng .64 Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn hệ số phẩm chất trên các kênh truyền 64 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn tỉ số BER trên các kênh truyền .65 Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn hệ số mở mắt trên các kênh truyền .65 4.3.2.2. Các đồ thị .66 Hình 4.5: Mối quan hệ giữa công suất phát và hệ số phẩm chất Q .67 Hình 4.6: Mối quan hệ của công suất phát và tỉ số BER .67 Hình 4.7: Mối quan hệ giữa công suất thu với tỉ số BER 67 Hình 4.8: Tỉ số BER theo công suất thu với các tốc độ bit khác nhau 68 Hình 4.9: Tỉ số BER trên 8 kênh truyền của EDFA và HFA .69 Hình 4.10: Tỉ số BER trên 16 kênh truyền của EDFA và HFA 69 Hình 4.11: Tỉ số BER trước và sau khi cân bằng .70 5 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM .11 Hình 1.2: Nguyên lí hoạt động của kĩ thuật ghép kênh WDM 12 Hình 1.3: Phương thức truyền dẫn đơn hướng .13 Hình 1.4: Phương thức truyền dẫn song hướng .13 1.3. Hệ thống DWDM 13 1.3.1. Khái niệm 13 Hình 1.5: Quá trình phát triển của hệ thống DWDM .14 1.3.3. Cấu trúc hệ thống DWDM .14 Hình 1.6: Cấu trúc hệ thống DWDM 14 1.3.3.1. Sợi quang .14 Hình 1.7: Cấu tạo của sợi quang .14 Hình 1.8: Cấu trúc bộ phát quang .16 Hình 1.9: Cấu trúc bên trong của PIN 17 Hình 1.10: Cấu trúc bán dẫn của APD .17 1.3.3.4. Bộ tách/ghép kênh – MUX/DEMUX 17 Hình 1.11: Sơ đồ khối bộ tách/ghép kênh 18 Hình 1.12: Ghép tầng theo từng băng sóng 18 Hình 1.13: Ghép tầng đan xen chẵn lẻ .18 Hình 1.14: Bộ coupler 2x2 19 Hình 1.15: Bộ chia 1x2 .19 Hình 1.16: Bộ OADM sử dụng lưới Bragg 20 Hình 1.17: Bộ Isolator 20 Hình 1.18: Bộ Circulator 20 Hình 2.1: Cấu trúc của bộ EDFA .25 Hình 2.2: Cấu tạo của sợi EDF .25 Hình 2.3: Giản đồ mức năng lượng 26 Hình 2.4: Quá trình khuếch đại tín hiệu của EDFA .27 Hình 2.5: Phổ hệ số khuếch đại của EDFA trước và sau khi làm phẳng 31 Hình 2.6: Công suất ra bão hòa theo công suất bơm 32 Hình 2.7: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 34 Hình 2.8: Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman 35 Hình 2.9: Giản đồ chuyển năng lượng .36 Hình 2.10: Hệ số khuếch đại Raman theo chênh lệch bước sóng .37 Hình 2.11: Hệ số khuyếch đại của các sợi quang 39 Hình 2.12: Kiểu bơm thuận 40 Hình 2.13: Kiểu bơm ngược .41 Hình 2.14: Bảng so sánh đặc điểm của EDFA và Raman .42 Hình 2.15: Hiệu ứng phi tuyến và nhiễu của bộ khuếch đại EDFA và Raman phân bố .42 Hình 2.16: Cấu trúc bộ khuếch đại HFA .43 Hình 2.16: Phổ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA .44 Hình 2.17: Công suất tín hiệu của mỗi phân đoạn trong hệ thông sử dụng EDFA (1), hệ thống sử dụng bộ HFA (2) và hệ thống sử dụng bộ khuếch đại Raman hai hướng .45 Hình 3.1: Suy hao trong sợi quang .48 Hình 3.2: Đặc tuyến suy hao cua sợi quang .48 Hình 3.3: Tán sắc trong sợi quang 49 Hình 3.4: Biên độ nhiễu ASE theo bước sóng .51 6 Hình 3.5: Hệ số khuếch đại khi có nhiễu ASE .52 Hình 3.6: Bộ khuếch đại HFA 52 Hình 3.7: Quá trình tán xạ Rayleigh .54 Hình 3.8: Quan hệ giữa hê số nhiễu của DRS và độ khuếch đại Raman 55 Hình 3.9: Các bước sóng mới sinh ra do hiệu ứng FWM .56 Hình 3.10: Hệ thống DWDM mắc chuỗi các bộ khuếch đại .58 Hình 4.1: Sơ đồ ứng dụng trên Optiwave của HFA khi bơm nhiều bước sóng trong hệ thống quang 8 kênh truyền .63 Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn hệ số phẩm chất trên các kênh truyền 64 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn tỉ số BER trên các kênh truyền .65 Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn hệ số mở mắt trên các kênh truyền .65 Hình 4.5: Mối quan hệ giữa công suất phát và hệ số phẩm chất Q .67 Hình 4.6: Mối quan hệ của công suất phát và tỉ số BER .67 Hình 4.7: Mối quan hệ giữa công suất thu với tỉ số BER 67 Hình 4.8: Tỉ số BER theo công suất thu với các tốc độ bit khác nhau 68 Hình 4.9: Tỉ số BER trên 8 kênh truyền của EDFA và HFA .69 Hình 4.10: Tỉ số BER trên 16 kênh truyền của EDFA và HFA 69 Hình 4.11: Tỉ số BER trước và sau khi cân bằng .70 7 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Kết quả thu được khi HFA được bơm nhiều bước sóng .64 và 1 bước sóng .64 4.3.2.2. Các đồ thị .66 8 CÁC TỪ VIẾT TẮT WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng DWDM Densen Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh quang phân chia theo thời gian EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium HFA Hybrid Fiber Amplifier Bộ khuếch đại ghép lai giữa EDFA và Raman ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu phát xạ tự phát FWM Four wave mixing Nhiễu trộn bốn bước sóng DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha DRS Double Rayleigh Scattering Tán xạ Rayleigh kép OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang DBR Distributed Bragg Reflector Laser phản xạ Bragg phân tán DFB Distributed Feedback Laser hồi tiếp phân tán NZDSF Non-Zero Dispersion Shift Fiber Sợi quang có độ dịch tán sắc khác không 9 MUX Multiplexer bộ ghép kênh quang DEMUX DemultiPlexer bộ tách kênh quang APD Avalanche photodiode Photodiode thác lũ TFF Thin Film Filter Bộ lọc khoang màng mỏng điện môi VOA Variable Optical Attenuator Bộ suy hao điều chỉnh được GFF Gain Flat Filter Bộ lọc làm phẳng hệ số khuếch đại EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang pha tạp Erbium SE Spotaneous Emission Hiện tượng phát xạ tự phát BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit 10 . 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: BỘ KHUẾCH ĐẠI GHÉP LAI HFA Giáo viên hướng dẫn : ThS thống DWDM và bộ khuếch đại EDFA và khuếch đại Raman là thành phần tạo nên bộ khuếch đại HFA. Và nghiên cứu sâu về cấu trúc của bộ khuếch đại HFA và nhiễu