Bộ khuếch đại quang lai ghép mạng WDM LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự đời của các dịch vụ dữ liệu băng rộng và sự phát triễn của các mạng truy cập mới ADSL, FTTx, nhu cầu về dung lượng mạng tăng lên nhanh chóng đặt biệt là các dịch vụ liên quan đến dữ liệu Ngoài ra, để vừa đảm bảo chất lượng dịch vụ, bảo vệ dữ liệu, tình trạng sử dụng được mạng cần tạo khả cung ứng càng cao càng tốt so với nhu cầu thông tin Các hệ thống thông tin thực tế sử dụng công nghệ WDM kết hợp khuếch đại EDFA đã phần nào đáp ứng được nhu cầu này với tốc độ bit phổ biến hiện của mỗi kênh truyền dẫn là 10 Gb/s và sắp đến sẽ là 40 Gb/s Hầu hết các hệ thống thông tin đường trục đều đã khai thác tối đa dụng lượng băng tần C Tuy nhiên dung lượng tăng cao nữa thì các hệ thống này sẽ gặp khó khăn vì mật độ kênh băng C lúc này là quá cao, đồng thời công suất tín hiệu đưa vào sợi quang tăng quá lớn làm cho hiệu ứng phi tuyến FWM, SPM, XPM ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu truyền dẫn Để giải quyết được vấn đề này, một giải pháp được đưa là sử dụng bộ khuếch đại lai ghép kết hợp giữa khuếch đại Raman phân bố và EDFA, gọi tắt là HFA Các bước ban đầu đã khẳng định được các ưu điểm nổi trội của HFA là khả tăng dung lượng thông tin nhờ mở rộng băng thông truyền dẫn và nâng cao được tỉ số tín hiệu nhiễu (OSNR) tại cuối tuyến Tuỳ thuộc vào cự ly thông tin, dung lượng truyền dẫn và tốc độ dữ liệu mà ta có thể chọn mô hình HFA phù hợp để hệ thống hoạt động hiệu quả nhất Vì vậy, chúng em chọn đề tài nghiên cứu về “ bộ khuếch đại lai ghép mạng WDM” Do thời gian hạn hẹp và nhiều yếu tố tác động nên bài báo cáo không thể tránh khỏi sai sót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy và các bạn để tiếp tục nghiên cứu sau này NHÓM BÁO CÁO Nhóm 12 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 1.1 Cấu tạo EDFA là loại sợi pha tạp Erbium Có vùng ánh sáng khuếch đại từ 1530nm đến 1565nm thích hợp với dải tần làm việc của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWMD (Dense Wavelength Division Multiplexing) Ion Erbium (Er 3+) là một nguyên tố đất hiếm có tính quang tích cực làm tác nhân cho sự phát xạ cưỡng bức Sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) để kéo dài cự ly và tăng tốc độ bit truyền dẫn được xem là một những giải pháp tốt nhất để xây dựng các hệ thống thông tin quang sợi Hình Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA Bộ khuếch đại EDFA gồm sợi pha tạp Erbium, bơm laser LD , bộ ghép bước sóng quang WDM để cung cấp lượng cho đoạn EDF và bộ cách li quang để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống Sợi pha tạp Erbium: là nơi xảy quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA Được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m, có lõi được pha tạp các ion Er3+ với nồng độ ít 0,1% Erbium Hình 2: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium Laser bơm: cung cấp lượng ánh sáng để tạo trạng thái nghịch đạo nồng độ vùng tích cực Laser bơm phát ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm Bộ ghép nối WDM: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ bơm laser vào sợi quang Loại ghép nối được sử dụng là bộ ghép nối WDM, cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm Bộ cách li quang: ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang đường truyền phản xạ ngược về EDFA  Giản đồ lượng của khuếch đại EDFA Hình 1.2 Giản đồ phân bố lượng ion Er3+ sợi silica - Vùng 4I15/2 có mức lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền (ground-state band) - Vùng 4I13/2 được gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+ có thời gian sống (lifetime) tại vùng này lâu (khoảng 10ms) trước chuyển xuống vùng nền Thời gian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha lõi của EDF - Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 là các vùng lượng cao, được gọi là vùng kích thích hay vùng bơm (pumping band) Thời gian các ion Er 3+ có trạng thái lượng các vùng này rất ngắn (khoảng μs) Sự chuyển đổi lượng của các ion Er3+ có thể xảy các trường hợp sau: - Khi các ion Er3+ ở vùng nền nhận một mức lượng độ chênh lệch lượng giữa vùng nền và vùng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyển lên vùng có mức lượng cao (sự hấp thụ lượng) - Khi các ion Er3+ chuyển từ các vùng lượng cao xuống vùng lượng thấp sẽ xảy hai trường hợp sau: + Phân rã không bức xạ (nonradiative decay): lượng được giải phóng dưới dạng photon tạo sự dao động phân tử sợi quang + Phát xạ ánh sáng (radiation): lượng được giải phóng dưới dạng photon 1.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA Hình 3: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA với hai bước sóng 980nm va 1480nm Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa hiện tượng phát xạ kích thích Quá trình khuếch đại tín hiệu quang EDFA có thể được thực hiện theo các bước sau : Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion ở vùng nền sẽ hấp thụ lượng từ các photon (có lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái lượng cao ở vùng bơm (pumping band) Tại vùng bơm, các ion phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và chuyển xuống vùng giả bền Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion ở vùng nền sẽ hấp thụ lượng từ các photon (có lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái lượng cao ở đỉnh của vùng giả bền Các ion vùng giả bền có khuynh hướng chuyển xuống vùng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) • Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon có lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion sẽ chuyển sang trạng thái lượng thấp ở vùng nền và phát xạ photon (phát xạ tự phát) Khi cho tín hiệu ánh sáng vào EDFA, sẽ xảy đồng thời hai hiện tượng sau: - Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er 3+ 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 Khi đó, các ion Er 3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng thái lượng từ mức lượng cao ở vùng giả bền xuống mức 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 (khuếch đại) xảy khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây là vùng bước sóng hoạt động của EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn 1565 nm và dB tại bước sóng 1616 nm 1.3 Đặc điểm của khuếc đại EDFA 1.3.1 Ưu điểm - Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao - Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống - Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA cùng một trạm, dễ vận chuyển và thay thế - Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển - Không có nhiễu xuyên kênh khuếch đại các tín hiệu WDM bộ khuếch đại quang bán dẫn - Hầu không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu 1.3.2 Nhược điểm - Phổ độ lợi của EDFA không phẳng - Băng tần hiên bị giới hạn băng C và băng L - Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn Bộ khuếch đại quang RAMAN 2.1 Cấu trúc của khuếch đại Raman Hình 4: Cấu trúc khuếch đại Raman Sợi quang là nơi xảy quá trình khuếch đại Sợi quang này là sợi quang truyền tín hiệu sợi SMF, DSF Bộ ghép dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm Laser bơm dùng để cung cấp lượng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo sự nghịch đảo nồng độ Có thể dùng cách bơm cùng hướng tức là bơm cùng chiều với chiều tín hiệu Cũng có thể bơm ngược hướng tức là bơm ngược với hướng truyền tín hiệu Bộ cách điện (Isolator): đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại Đồng thời nó giúp loại trừ nhiễu ASE theo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào 2.2 Nguyên lí hoạt động của bộ khuếch đại Raman Khuếch đại Raman dựa hiện tượng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering) Tán xạ Raman kích thích là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ lượng của một photon, sau đó tạo một photon có lượng khác Vì vậy, tán xạ Raman kích thích được định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh kích thích từ nguồn bên ngoài Để có khuếch đại Raman thì phải tạo sự nghịch đảo nồng độ Điều này đạt được cách cung cấp lượng cho các nguyên tử của sợi quang từ một laser bơm có bước sóng thấp bước sóng của tín hiệu Khi đó, các nguyên tử của sợi quang sẽ hấp thụ lượng bơm có lượng cao(bước sóng ngắn) và chuyển lên mức cao Khi có tín hiệu đến, nó sẽ kích thích các nguyên tử ở mức lượng cao chuyển sang trạng thái lượng thấp và giải phóng một lượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bước sóng (dài bước sóng bơm) và cùng pha với tín hiệu đến Do đó, tín hiệu đã được khuếch đại hiệu ứng tán xạ Raman kích thích Dựa giản đồ lượng trên, tần số ánh sáng bơm f bơm và tần số ánh sáng được khuếch đại fkhuếch đại được tính sau fbơm= E3-E1 (3.22) fkhuếch đại= (E2-E1)/h (3.23) Trong đó: h là số Plank; E 1, E2, E3 là lượng của các trạng thái lượng cao(transition state), trạng thái lượng trung gian (vibrationstate) và trạng thái lượng thấp (groundstate) của các nguyên tử sợi quang Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang được khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang silic bình thường Hì nh 5: Sơ đồ chuyển lượng khuếch đại Raman 2.3 Đặc điểm của khuếch đại Raman 2.3.1 Ưu điểm • Tạp âm nhiễu thấp • Cấu trúc đơn giản, không cần sợi đặc biệt • Dễ chọn băng tần • Có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm 2.3.2 Nhược điểm Xuyên âm giữa các kênh tín hiệu hiện tượng tán xạ Raman kích thích SRS Đây là một các hiệu hứng phi tuyến của sợi quang có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM Hệ số khuếch đại thấp Hiệu suất khuếch đại thấp so với EDFA: khuếch đại Raman cần một công suất bơm lớn để đạt cùng một giá trị độ lợi 1.3 So sánh số tính của khuếch đại EDFA và Raman Đặc điểm EDFA Raman Dải khuếch Phụ thuộc vào chất pha tạp đại Phụ thuộc công suất và số bươcsóng bơm Dải thông >20 nm, (rộng đối với đa >48 nm, (rộng đối với sợi đa khuếch đại chất pha tạp) chất pha tạp) >20 dB, phụ thuộc vào sự tập Độ khuếch (4~11) dB, tỉ lệ với cường độ bơm và trung ion, chiều dài sợi và cấu đại chiều dài sợi hiệu dụng hình bơm Bước sóng 980 nm hay 1480 nm bơm Thấp bước sóng tín hiệu tại độ lợi đỉnh khoảng 100 nm, giá trị tối ưu là 13,2 THz Khuếch đại ghép lai HFA 1.4.1 Cấu trúc của khuếch đại HFA EDFA Sợi truyền dẫn Bơm Raman Hình 6: Cấu trúc bản HFA sử dụng EDFA Cấu trúc bản của bộ khuếch đại HFA sử dụng EDFA được biểu diễn hình Gồm bộ khuếch đại Raman phân bố và bộ khuếch đại EDFA 10 Sợi DCF Vào Ra EDFA EDFA Hình7: Cấu trúc bản HFA sử dụng EDFA Cấu hình HFA được trình bày hình Gồm bộ EDFA và một bộ khuếch đại Raman Trong đó Raman đóng vai trò tiền khuếch đại cho bộ khuếch đại EDFA1 nên độ khuếch đại của EDFA1 sẽ nhỏ, độ khuếch đại của EDFA2 giữ nguyên Khuếch đại Raman phân bố gồm bộ bơm Raman và sợi quang làm môi trường khuếch đại.Có thể sử dụng nhiều bơm Raman HFA dùng nhiều bơm Raman thường được dùng để khuếch đại đồng thời nhiều kênh hệ thống WDM để tăng băng thông khuếch đại Hướng bơm có thể bơm xuôi, bơm ngược hoặc cả hai hướng Cấu trúc chi tiết của bộ khuếch đại lai ghép thực tế bao gồm: C: bộ điều khiển C-GB: khuếch đại băng C (1530-1562 nm) L-GB: khuếch đại băng L (1571-1605 nm) C/L: Bộ ghép kênh WDM: băng L và C DCM: modul bù phân tán FC: nối sợi GFF: bộ lọc ( Gain Flattening Filter) 11 LD: bơm lazer điot PBC: bộ kết hợp chùm phân cực PWC: Bộ kết hợp bơm WDM PSWC: bộ ghép tín hiệu vào và tín hiệu bơm PD: photo điot PCM: modul kẹp nguồn RPM: Modul bơm Raman Tap: bộ ghép tap VCA: suy hao điều khiển điện áp VOA: suy hao quang thay đổi Hình 8: Cấu hình bộ khuếch đại quang lai ghép 1.4.2 Sơ đồ tuyến truyền dẫn sử dụng HFA Hình 9: Mô hình tính toán tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại ghép lai HFA 12 Hình biểu diễn mô hình tính toán tuyến truyền dẫn HFA Trong đó: LS1, LS2, LDCF : lần lượt là chiều dài của sợi truyền dẫn và của sợi bù tán sắc L S1 đồng thời là sợi khuếch đại Raman GR, G1, G2: độ khuếch đại của Raman, EDFA1 và EDFA2 α1 , α2 là hệ số tổn hao của sợi truyền dẫn NZDSF và của sợi bù DCF P S là công suất tín hiệu đưa vào sợi Tỉ số tín hiệu nhiễu của tuyến thông tin quang đơn kênh có các HFA mắc chuỗi: OSNR = PSig PASEΣ + PDRSΣ (1) PSig PASEΣ PDRSΣ : công suất tín hiệu ở cuối tuyến , : công suất nhiễu phát xạ tự phát (ASE) và công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép (DRS) tạo tại cuối tuyến PSig được khuếch đại bởi các khuếch đại Raman, EDFA 1, EDFA2, đồng thời bị suy giảm qua các tuyến truyền dẫn LS1, LS2, LDCF nên được tính sau: PSig = G R G1 G e −α1 ( LS + LS ) e −α LDCF PS (2) PASEΣ : công suất nhiễu phát xạ tự phát HFA tạo tại đầu vào máy thu, được biểu diễn: PASEΣ = PASE _ R G1 G2 e −α1LS e −α LDCF + PASE _ E1 G2 e −α1LS e −α LDCF + PASE _ E e −α1LS (3) PASE _ R Trong đó: và được tính sau: PASE _ E1 là công suất nhiễu ASE khuếch đại Raman HFA tạo PASE− R = mt hν s N ASE B0 (4) PASE _ E và là công suất nhiễu ASE tại đầu của EDFA và EDFA2 , được xác định theo biểu thức: PASE _ E1 = mt n SP hν ( G1 − 1) B0 PASE _ E = mt nSP hν ( G2 − 1) B0 (5) 13 mt , h,ν , nSP , B0 Với : lần lượt là hệ số phân cực ánh sáng, số Planck, tần số tín hiệu, hệ số nhiễu ASE của EDFA và băng thông bộ lọc quang của máy thu PDRSΣ : công suất nhiễu DRS tại đầu vào máy thu được tính sau: L PDRSΣ = GR G1 G2 e −α1 ( LS + LS ) e −α LDCF PDRS Trong đó PDRS PDRS ( L ) = ∫ r ⋅ PRS ( y ) ⋅ G R ( y, L ) dy với khuếch đại Raman HFA tạo ra, (6) r là hệ số tán xạ Rayleigh 3.2 Đặc điểm của khuếch đại HFA 3.2.1 Ưu điểm khuếch đại HFA • Tăng được dung lượng thông tin • Độ khuếch đại lớn.(nhờ EDFA) • Khoảng cách giữa các bộ khuếch đại lớn • Khoảng cách kênh nhỏ.(nhờ Raman) • Băng thông khuếch đại rộng 3.2.2 Nhược điểm khuếch đại HFA Tạo nhiều loại nhiễu rất phức tạp : • Nhiễu ASE EDFA tạo nên • Nhiễu ASE Raman tạo nên • Nhiễu tán xạ Rayleigh kép (DRS) Kết luận Như vậy hệ thống sử dụng kĩ thuật khuếch đại HFA sẽ có được ưu điểm của cả hai bệ khuếch đại EDFA và Raman độ khuếch đại lớn ( nhờ EDFA), khoảng cách giữa các bộ khuếch đại lớn, khoảng cách kênh nhỏ ( nhờ Raman), băng thông khuếch đại rộng Ngoài ra, việc nâng cấp hệ thống EDFA theo phương án HFA được tiến hành đơn giản vì có thế giữ nguyên cấu hình cũ, cần thêm các bộ khuếch đại Raman phân bố dọc tuyến với công suất bơm hợp lí Với những tính vượt trội này việc ứng dụng kĩ thuật HFA vào các hệ thống thực tế sẽ đáp ứng được những nhu cầu về dung lượng ngày càng tăng tương lai 14 15