ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Minh Thắng NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2006 Lời cảm ơn, Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, cô giáo Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình giảng dạy, hướng dẫn, động viên, giúp đỡ em hồn thành mơn học chương trình học tập, nghiên cứu trường Em xin trận trọng cảm ơn PGS., TS Phạm Văn Hội tận tình giảng dạy, hướng dẫn, giúp đỡ hiệu chỉnh trình em thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn Thạc sỹ Chử Thị Thu Hà cán Phòng Vật liệu Ứng dụng quang sợi giúp hướng dẫn nghiên cứu, thu thập số liệu thực nghiệm để đối chiếu với lý thuyết, giúp củng cố phần nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn Cục Quản lý chất lượng Bưu chính, Viễn thông Công nghệ thông tin - Bộ Bưu chính, Viễn thơng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi tham gia chương trình đào tạo Xin trân trọng cảm ơn đồng nghiệp Phòng Chất lượng sản phẩm tạo điều kiện giúp đỡ, động viên trong suốt trình học tập, thực luận văn Xin cảm ơn người thân, bạn bè, bạn học viên lớp cao học K10Đ1 động viên, giúp đỡ Trân trọng cảm ơn! Nguyễn Minh Thắng MỞ ĐẦU Với ưu điểm độ rộng băng tần, cự ly thông tin, không bị ảnh hưởng nhiễu sóng điện từ khả bảo mật thơng tin cao , hệ thống truyền dẫn quang hấp dẫn mạnh nhà khai thác viễn thông, nhà nghiên cứu khoa học Các hệ thống thông tin quang đặc biệt phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục trung kế mà có tiềm to lớn việc thực chức mạnh nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử viễn thông, công nghệ quang sợi thơng tin quang có tiến vượt bậc, đặc biệt phát triển công nghệ chế tạo thiết bị truyền dẫn, phát, thu, lọc quang tạo sản phẩm mới, đáp ứng việc thiết lập hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA Bộ khuếch đại dùng sợi quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả tạo hiệu ứng khếch đại vùng bước sóng 1550mm đưa vào sử dụng mạng thông tin tuyến truyền dẫn Các sợi quang thông dụng chế tạo thuỷ tinh SiO có độ suy hao thấp bước sóng 1550mm Do phổ phát xạ Er3+ dải sóng có bước sóng từ 1525 - 1650 khơng đồng đều, chúng có đỉnh bước sóng 1530 1560mm đưa đến ý tưởng sử dụng tần số nằm vùng tần số có hệ số khuếch đại cao để thiết lập nên hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) giải pháp tiên tiến thông tin sợi quang, đáp ứng nhu cầu băng thông đảm bảo yêu cầu chất lượng truyền dẫn Kỹ thuật cho phép ghép tín hiệu quang có bước sóng khác để truyền sợi quang vậy, tăng dung lượng truyền dẫn hệ thống mà không cần phải tăng tốc kêng bước sóng Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hướng kết hợp tín hiệu có bước sóng khác vào sợi đầu thực tác chúng để chuyển tới tách sóng quang đầu Phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang hướng: đầu phát thơng tin nhóm bước sóng 1, thu thơng tin nhóm bước sóng Đồng thời đầu phát thơng tin khác nhóm bước sóng 2, thu thơng tin nhóm bước sóng Luận văn tổng hợp kiến thức kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng, khuếch đại EDFA giới thiệu vấn đề hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, giải pháp để tận dụng tuyến thơng tin cáp quang có sẵn truyền chiều, để truyền theo chiều ngược lại sợi quang, lời giải cho toán kinh tế, kỹ thuật cho nhà cung cấp dịch vụ viễn thông chọn lựa đầu tư Nội dung luận văn chia làm chương: Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng - Hệ thống song cơng Chương II: Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium Chương III: Hệ thống song công Kết luận Kỹ thuật cơng nghệ thơng tin quang có tiềm vơ to lớn phong phú Việc truyền dẫn chiều (song công) sợi quang ứng dụng nước ta, cơng việc nghiên cứu tiến tới phía trước với tiền đồ rộng lớn Do khả trình độ hiểu biết hạn chế, thời gian nghiên cứu có hạn, nên luận văn đề cập đến phần nhỏ lĩnh vực có triển vọng to lớn ứng dụng Đồng thời, phần trình bày luận văn hẳn nhiều thiếu sót, mong thầy, cô, bạn đồng nghiệp bảo để bổ sung hoàn thiện hơn./ KẾT LUẬN Đánh giá kết Luận văn đề cập đến hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng; khuếch đại quang sợi pha tạp Eribium việc khảo sát số tham số quan trọng EDFA; mơ hình hệ thống song công sử dụng quang sợi EDFA linh kiện liên quan; tính tốn, khảo sát hệ thống thơng tin quang Kết cụ thể luận văn, phần tổng hợp kiến thức là: 1.1 Kết khảo sát số tham số quan trọng EDFA: - Khảo sát phổ ASE: Kết khảo sát sợi có chiều dài 6m 4,5m nồng độ pha tạp 2500pmm cho thấy: Với sợi 6m, phổ ASE có cực đại vùng bước sóng 1560nm (λpeak=1557,8nm Ppeak= -23,28dBm) công suất bơm 50mA, cực đại chuyển dần vùng bước sóng 1530nm (λpeak=1531,6nm Ppeak= -11,29dBm) ta tăng công suất bơm lên 100mA Kết khảo sát sợi 4,5m tương tự Điều phù hợp với lý thuyết, giải thích hệ số hấp thụ phát xạ hai vùng khác - Khảo sát công suất nhiễu ASE thông số tạp âm: Sợi 6m, nồng độ pha tạp 2500ppm kết bảng 2.2; Sợi 4,5m, nồng độ pha tạp 2500ppm kết bảng 2.3; - Khảo sát hệ số khuếch đại: Với công suất tín hiệu vào chưa khuếch đại vào cỡ -6dBm đến -7dBm, lấy theo giá trị trung bình lần đo 6,49dBm; EDFA có sợi 6m nồng độ pha tạp 2500ppm; EDFA có sợi 4,5m nồng độ pha tạp 2500ppm kết bảng 2.2 bảng 2.3 Kết biểu diễn dạng đồ thị hình 2.19 Ta thấy hệ số khuếch đại G khuếch đại tăng theo hàm e mũ tăng cơng suất bơm Ngồi ta thấy phụ thuộc tham số vào độ dài sợi pha tạp: Bộ khuếch đại dùng sợi có chiều dài dài có hệ số khuếch đại lớn - Băng tần khuếch đại: Thấy băng tần khuếch đại EDFA sợi 4,5m nồng độ pha tạp 2500ppm khảo sát nằm khoảng 1524-1560nm hay dải khuếch đại 36nm thích hợp với cửa sổ thơng tin thứ (1550nm) 1.2 Đã đưa 03 mơ hình truyền song cơng sử dụng EDFA với ứng dụng khác nhau, từ xây dựng 04 mơ hình khác truyền song cơng khác sử dụng EDFA 1.3 Tính tốn, khảo sát hệ thống Đã xây dựng phần mềm tính tốn ngơn ngữ VisualBasic, đóng gói dạng chương trình cài đặt để phục vụ tính tốn, khảo sát Chương trình thực hiện: - Tính tốn khoảng lặp cực đại theo công suất tán sắc, lưu kết tệp để sử dụng vào mục đích - Tính tốn để khảo sát phụ thuộc khoảng cách lặp cực đại vào công suất phát - Tính tốn để khảo sát phụ thuộc khoảng cách lặp cực đại vào độ nhạy thu - Tính tốn để khảo sát phụ thuộc khoảng cách lặp cực đại vào hệ số suy hao quang sợi - Tính tốn để khảo sát phụ thuộc khoảng lặp cực đại vào tốc độ truyền dẫn - Tính tốn để khảo sát phụ thuộc khoảng lặp cực đại vào suy hao phần tử mạng Việc thực ví dụ tính tốn cụ thể kiểm chứng phần tính tốn với lý thuyết, Đề xuất nghiên cứu Để tăng dung lượng truyền dẫn song công mà không cần phải tăng tốc độ truyền kênh bước sóng, cần phải ghép nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác truyền hai chiều sợi quang Mặt khác, truyền nhiều bước sóng hai chiều cần phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp khắc phục tổn hao xuyên kênh, hiệu ứng phi tuyến gây Một hai vấn đề hướng nghiên cứu đề tài / CÁC CHỮ VIẾT TẮT APD Avalanche PhotoDiode BA BER Bit Erro Rate DBR Distributed Bragg Reflectior DFB Distributed FeedBack DCF Dispersion Compensating Fiber DEMUX DFF Dispersion Flated Fiber DSF Dispersion shifted Fiber 10 DWDM 11 EDFA 12 FP Fabry – Perot 13 FPF Fabry – Perot Filter 14 FSCs Free Space Couplers 15 FWM Four Wave Mixing 16 LA Line Amplifier 17 LD Laser Diode 18 MUX Multiplexer 19 NF Noise Figure 20 NZ-DSF 21 OOK On – Off Keying 22 OSNR Optical Signal to Noise Ratio 23 PA Pre – Amplifier 24 SBS Stimulated Brillouin Scattering 25 SMF Single Mode Optical Fiber 26 SRS Stimulated Raman Scattering 27 WDM Wavelength Division Multiplexing 28 WGR Waveguide Grating Routes Booster Amplifier Demultiplexer Dense Wavelength Division Multiplexing Erbium Doped Fiber Amplifier Non – Zero Dispersion Shifted Fiber MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG - HỆ THỐNG SONG CƠNG 1.1 Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng 1.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng 1.1.2 Cấu trúc điển hình hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM 1.1.3 Khả ứng dụng WDM 1.2 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM 1.2.1 Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM 1.2.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM 1.3 Các tham số đáng ý 1.3.1 Tham số phần phát 1.3.2 Tham số phần thu 1.3.3 Tham số sợi quang Chương II KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM 2.1 Cơ sở khuếch đại quang sợi pha tạp đất 2.1.1 Hệ phương trình tốc độ 21.2 Hệ phương trình truyền dẫn 2.1.3 Khuếch đại xạ tự phát 2.2 Một số tham số khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium 2.2.1 Cơng suất bước sóng bơm EDFA 2.2.2 Hệ số khuếch đại 2.2.3 Phổ khuếch đại EDFA 2.2.4 Nhiễu khuếch đại 2.3 Các ứng dụng EDFA thông tin quang 2.3.1 Cấu trúc thiết bị EDFA ứng dụng thông tin quang 2.3.2 Các ứng dụng EDFA hệ thống thông tin quang 2.4 Khảo sát số tham số khuếch đại quang sợi 2.4.1 Kết khảo sát độ khuếch đại xạ tự phát ASE 2.4.2 Khảo sát tham số đặc trưng khuếch đại Chương III HỆ THỐNG SONG CÔNG 3.1 Các linh kiện hệ thống 3.1.1 Bộ phát quang Trang 19 26 33 46 53 3.1.2 Bộ thu quang 3.1.3 Sợi quang 3.1.4 Các ghép tách sóng quang 3.1.5 Bộ lọc quang 3.1.6 Bộ định tuyến bước sóng 3.1.7 Bộ chia định hướng (Circulator) 3.1.8 Bộ cách ly ghép kênh 3.1.9 Bộ cách ly 3.2 Hệ thống song công 3.2.1 Truyền song công sợi quang 3.2.2 Các cấu hình truyền dẫn song cơng sử dụng EDFA 3.3 Thiết kế hệ thống song công 3.3.1 Nguyên tắc thiết kế 3.3.2 Các bước thiết kế chung 3.3.3 Xây dựng cơng thức tính tốn 3.3.4 Phầm mềm tính tốn 3.3.5 Bài tốn tính tốn cụ thể KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Như Cương (2005), Giáo trình mơn học Vũ Tuấn Lâm (2005), Nghiên cứu giải pháp cân hệ số khuếch đại hệ thống thông tin quang đa kênh sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sợi, Học viện Cơng nghệ Bưu chính, Viễn thông Việt Nam, Hà Nội Nguyễn Quang Nghĩa (2004), Nghiên cứu, xây dựng chương trình mơ khuếch đại quang EDFA, phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học Học viện, Học viện Công nghệ Bưu chính, Viễn thơng Việt Nam Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang - Tập 1, Trung tâm Thông tin Bưu điện, Hà Nội Vũ Văn San (2003), Hệ thống thông tin quang - Tập 2, Trung tâm Thông tin Bưu điện, Hà Nội ITU-T (2006),G.691 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical components and subsystems - Optical interfaces for single channel STM-64 and other SDH systems with optical amplifiers, ITU-T ITU-T (1998),G.692 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical components and subsystems - Optical interfaces for multichannel systemswith optical amplifiers, ITU-T ITU-T (2005),G.692 - Transmission media characteristics – Characteristics of optical components and subsystems - Optical interfaces for multichannel systemswith optical amplifiers - Amendment 1, ITU-T ITU-T (2003),G.709/Y.1331 - Internet protocol aspects - Transport - Interfaces for the Optical Transport Network (OTN), ITU-T 10 ITU-T (2001),G.872 - Digital networks – Optical transport networks - Architecture of optical transport networks, ITU-T 11 ITU-T (2006),G.957 - Digital sections and digital line system – Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy, ITU-T 12 ITU-T (2006),G.959 - Digital sections and digital line system – Digital line systems Optical transport network physical layer interfaces, ITU-T 13 Shoichi Sudo (Editor) (1997), Optical Fiber Amplifiers: Materials, Devices, and Applications, Artech House, Inc., London  ... VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG - HỆ THỐNG SONG CƠNG 1.1 Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng 1.1.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng 1.1.2 Cấu trúc điển hình hệ thống truyền. .. thơng tin nhóm bước sóng Luận văn tổng hợp kiến thức kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng, khuếch đại EDFA giới thiệu vấn đề hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợi. .. dung luận văn chia làm chương: Chương I: Tổng quan hệ thống thơng tin quang ghép kênh theo bước sóng - Hệ thống song công Chương II: Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium Chương III: Hệ thống song