Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent Hệ thống thông tin quang Coherent
LỜI CẢM ƠN Qua năm em học tập rèn luyện với chuyên ngành Điện Tử Viễn Thông Em xin cảm ơn tất Thầy Cô giảng viên từ môn học chuyên ngành Qua suốt thời gian học tập Trường Đại Học Hàng Hải, em nhận giảng dạy hướng dẫn tận tình tất Thầy Cô nhà trường Hơn nữa, với Đồ Án Tốt Nghiệp cuối khoá, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất Giảng Viên môn Và em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cô Nguyễn Thanh Vân - người trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cô giúp em định hướng có dẫn tận tình suốt trình nghiên cứu! Sinh viên Nguyễn Thị Hải Thịnh LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn nội dung đề tài “ Nghiên cứu khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng hệ thống thông tin quang Coherent” thực hoàn thành cá nhân em sựu hướng dẫn Ths Nguyễn Thanh Vân Tất vấn đề liên quan đến đề tài trung thực chưa phổ biến hình thức Ngoài ra, việc sử dụng bảng biếu với số liệu việc phân tích, đánh giá nhận xét tìm hiểu kĩ từ nhiều nguồn thông tin đáng tin cậy nêu rõ phần tài liệu tham khảo Bên cạnh đó, với đề tài em có sử dụng số khái niệm liệu số tác giả, nhà nghiên cứu khác kèm theo trích dẫn thích rõ ràng Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm toàn nội dung đề tài nghiên cứu Thầy Cô phát có gian dối MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SLA Semiconductor Laser Amplifier: khuếch đại quang không phản hồi LED Light Emitting Diode : điốt phát quang IM/DD Intensity Modulation with Direct Detection: hệ thống truyền dẫn thông tin quang điều chế cường độ, tách sóng trực tiếp PCM Pulse Code Modulation: điều chế xung mã CMI Coded Mark Inversion : Mã đảo Ngược LD laser diode: đi-ốt quang APD Avalanche photodiode : Diode quang thác O/E Optical/Electric :bộ biến đổi quang sang điện E/O Electric/Optical :bộ biến đổi điện sang quang FDM Frequency Division Multiplexing : ghép kênh theo tần số FSK Frequency shift keying : Khoá dịch tần số PSK S/N BW SDH WDM OFA SOA EDFA EDF BA Phase shift keying : khoá dịch pha Signal/Noise : tỉ số tín hiệu nhiễu Band Wide : độ rộng băng tần Synchronous Digital Hierarchy: Đồng kỹ thuật số phân cấp Wavelength Division Multiplexing : Bộ ghép sóng quang Optical Fiber Amplifier :bộ khuếch đại quang Semiconductor Amplifier Optical Khuếch đại quang bán dẫn Erbium Doped Fiber Amplifier : khuếch đại quang pha tạp Eribium Erbium-Doped Fiber: sợi pha tạp Eribium Buffer Amplifier : khuếch đại đệm LA CATV LAN Low Ampifier: khuếch đại nhỏ Cable Television: truyền hình cáp Local area network : mạng nội DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 So sánh điot PIN APD Bảng 3.1 Các loại khuếch đại quang tiêu biểu 22 Bảng 3.2 Ưu nhược điểm bước sóng bơm 32 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống quang Coherent Hình 2.1 Hình 2.2 Cấu trúc trạm lặp quang điện Mô trình hấp thụ 15 16 Hình 2.3 Hình 2.4 Mô tượng tự phát Mô tượng phát xạ nhờ kích thích 17 18 Hình 2.5 Hình 2.6 Cấu trúc chung cho khuếch đại quang Cấu trúc SOA 18 19 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Mô hình khuếch đại quang sợi Cấu trúc hệ thống EDFA Cấu trúc Laser bơm Cấu trúc sợi quang Phân mức lượng EDFA Nhiễu phách tự phát-tự phát Nhiễu tín hiệu- tự phát Qúa trình tạo nhiễu giao thoa nhiều luồng 23 24 25 26 27 33 33 34 LỜI NÓI ĐẦU Thời gian trước, thông tin quang chưa đầu tư nghiên cứu phát triển vấn đề truyền dẫn thông tin cự li xa gặp nhiều khó khăn Khi đó, người ta phải sử dụng tới trạm lặp nhằm bù lại lượng công suất suy hao đường truyền Cùng với việc khuếch đại công suất tín hiệu đủ lớn để truyền tới trạm lặp điểm đến Ngày nay, thông tin quang trở thành tuyến truyền dẫn hàng đầu sử dụng hầu hết ngành viễn thông Để đáp ứng nhu cầu đó, người ta sử dụng công nghệ khuếch đại quang trực tiếp điều đồng nghĩa với việc làm tăng khoảng cách truyền thông tin lên xa Các khuếch đại quang thiết bị bù suy hao có hiệu cho sợi quang Chúng chia thành nhiều loại khác thực khuếch đại trực tiếp mà không qua biến đổi quang- điện điện- quang như: khuếch đại laser bán dẫn SLA ( Semiconductor Laser Amplifier: khuếch đại quang không phàn hồi), khuếch đại sợi pha tạp Eribium, khuếch đại Raman sợi khuếch đại Brillouin sợi… Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm vượt trội so với thông tin cáp kim loại suy hao truyền dẫn thấp, dung lượng truyền cao, bị ảnh hưởng nhiễu điện từ hoạt động tin cậy Hệ thống thông tin quang Coherent đánh dấu bước ngoặt lớn với phương thức hoạt động khai thác coi có hiệu kỹ thuật thông tin quang vào đầu năm 80 kỷ XX CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Lịch sử phát triển Khi linh kiện bán dẫn trở nên phổ biến năm 50 kỉ XX phô-tô-đi-ốt thiết kế tinh vi nhạy bén dần chế tạo nhằm phục vụ cho thu quang Vào năm 60 kỉ đó, bùng nổ kĩ thuật Laser cho việc tạo nguồn quang với công suất lớn với thành phần phổ đơn sắc Hơn nữa, hệ thống quang đón nhận tin vui từ việc chế tạo “đi-ốt laser bán dẫn làm quang điều chế dải rộng” Tiếp sau việc nghiên cứu LED- máy phát quang phù hợp để ứng dụng thông tin quang với chi phí thấp Người ta cho ánh sáng qua sợi thuỷ tinh Mặc dù nghiên cứu cách truyền ánh sáng xa, đến đầu thập niên 70 cho lo loại sợi quang với mức suy hao 20dB/km khoảng năm sau, linh kiện thiết yếu khác phân nhánh hay mạch hồi tiếp lò nhiều khu vực khác giới Anh hay Mỹ Và việc ứng dụng truyền tin tức ánh sáng thức phát triển từ Một bước ngoặt lớn cho hệ thống thông tin quang, đặc biệt quang trọng việc truyền tin cáp quang vào năm 1979 : sản xuất loại sợi quang với mức suy hao thấp 0,25dB/km Với đường truyền cáp quang vượt biển đề xuất gây ý toàn giới + Cuối năm 1998, đường truyền cáp quang vượt biển có tên TAT-8 thi công Sau tháng, tuyến cáp Số Số thức xây dựng tuyến biển Thái Bình Dương Hai nước Mỹ Anh xây dựng vào hoạt động trao đổi thông tin qua tuyến cáp PTA-1 + Tuyến hoạt động với đôi cáp có λ= 1300nm, mang kênh thoại 64kb/s đôi cáp Chiều dài cáp ~6700km gồm có 125 trạm lặp Ước tính chi phí cho tuyền lên tới 360 triệu đô la mỹ với thời gian sử dụng 25 năm Năm 1961 tuyến cáp quang mang số hiệu TAT-9 vượt biển Đại Tây Dương vào hoạt động Phục vụ trao đổi thông tin khu vực Anh, Pháp, Mỹ, Tây Ban Nha Canada Đây tuyến cáp đôi chứa lượng thông tin lên đến 2x560Mb/s với λ=1500nm Việc trao đổi thông tin Mỹ Nhật nâng cao nước thiết lập tuyến cáp với giá thành tới 600 triệu đô la mỹ, với 12300km chiều dài làm việc λ=1300nm Vào khoảng năm 1990, tiểu bang Pacific Mỹ Mirio Nhật đưa tuyến cáp bắc Thái Bình Dương khai thác Cùng thời điểm này, tuyến cáp Nhật-Triều Tiên-Hồng Kông thiết lập Năm 1992 tuyến cáp nối liền Đài Loan-Singapore-Hồng Kông thực Giữa Úc-Hawaii-Newzeland bắt tay xây dựng tuyến Pacrim-East vào năm 1993 Năm 1995 thức đưa tuyến cáp khu vực Hồng Kông-Thái Lan-VIệt Nam vào hoạt động Năm 1996 , Pacrim-East nối thêm từ Úc sang Guam Bênh cạnh đó, có tuyến cáp sử dụng cho quân sự, truyền hình hay nước Việt Nam khai thác triệt để tuyến cáp 500 KV từ Bắc vào Nam để phục vụ nhu cầu thông tin toàn quốc 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Bao gồm: - Nguồn tín hiệu - Môi trường dẫn truyền - Bộ thu tín hiệu • Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp(IM/DD) Hình 1.1 : Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Khối ghép kênh : tiến hành ghép kênh tín hiệu sử dụng qua trình điều chế xung mã PCM Bộ mã hoá: chuyển đổi mã tín hiệu thành mã đường dây (mã mB/nB với n>m mã CMI ) cho thích ứng với môi trường truyền dẫn sợi quang Đồng thời giám sát cải thiện khả sửa lỗi khôi phục đồng hồ Khối kích thích:Nguồn quang hay sử dụng thiết bị xạ dạng ánh sáng nhìn thấy tiếp giáp vùng hồng ngoại LED LD Ưu điểm nguồn sáng mức công suất ra, tính tuyến tính, giá băng tần làm việc Với đặc điểm LED như: “LED có công suất tỉ lệ với dòng kích thích, thích hợp cho điều chế anlalog điều chế số, so với Laserdiode công suất tần số điều chế Led thấp hơn, nhược điểm độ rộng phổ lớn vào khoảng 40nm, ánh sáng xạ LED không tập trung, ánh sáng không kết hợp, góc mở phát xạ LED đến 90 0(theo phân bố Lambert) để khắc phục nhược điểm người ta chế tạo LED xạ cạnh (ELED) Laserdiode phát sáng kết hợp chùm tia xạ hẹp, góc xạ vào khoảng 50- 100, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn loại sợi có độ số bé, phổ xạ LD hẹp nhiều so với LED (∆λ= 12nm) Nhược điểm LD phụ thuộc nhiệt độ dòng ngưỡng phải có mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ để ổn định điện làm việc, giá thành 10 + Phân rã không xạ trình diễn giao động phân tử sợi quang nguồn lượng giải phóng dạng phôa Bơm mức 980nm Thực bơm mức 980nm, trường hợp này, ion Er 3+ liên tục đẩy lên từ vùng lượng thấp 4I15/2 lên mức lượng 4I11/2 cao , tiếp chúng phân xuống mức lượng 4I13/2 tồ khoảng thời gian tương đối lâu Tại mức hát xạ kích thích ánh sáng phù hợp để có bước sóng theo yêu cầu Tại bước sóng này, tồn hệ mức, mức 4I15/2 4I13/2 4I11/2 với khoảng thời gian sống khác Do tạo nên chwnh lệch lớn nồng độ lớn Tại mức 980nm tiêu tốn nặng lượng bơm mức 1480nm có số nhiễu lượng tử đạt 3dB Vì vậy, mức ta sử dụng với khuếch đại tạp âm vừa nhỏ b Bơm mức 1480nm Thực bơm trực tiếp phương pháp này, ion Er 3+ tham gia mức 4I15/2 với 4I13/2 (vì dịch chuyển tín hiệu bơm khoảng mức lượng) Các Er3+ bơm liên tiếp lên mức 4I13/2 từ mức 4I15/2 Các ion Eribium tồn tích luỹ lâu mức dẫn đến chênh lệch lớn nồng độ với vùng lại Thực bơm lên mức 1480nm có số nhiễu lượng tử đạt 4dB Công suất nguồn bơm lớn mức 980nm dấn đến công suất đầu lơn phương pháp này,nguồn bơm đặt cách xa khuếch đại đương nhiên suy hao thấp đường truyền tín hiệu Với phương pháp này, để đạt hệ số khuếch đại 20dB, cần trì nguồn bơm với công suất