Báo cáo khoa học: "MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

91
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Thông tin quang đã dần trở thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên mạng viễn thông của các quốc gia và xuyên quốc gia. Ngày nay, các hệ thống thông tin sợi quang đã truyền tải trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG"

MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA KHI KẾT HỢP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ThS. CHU CÔNG CẨN Bộ môn Kỹ thuật thông tin Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Thông tin quang đã dần trở thành phương tiện truyền dẫn chủ đạo trên mạng viễn thông của các quốc gia và xuyên quốc gia. Ngày nay, các hệ thống thông tin sợi quang đã truyền tải trên 85% nhu cầu dung lượng thông tin mà con người tạo ra. Mục tiêu nâng cao năng lực của thông tin quang đã thúc đẩy việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công nghệ và kỹ thuật mới. Trong các công nghệ đó, thì công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng và công nghệ khuếch đại quang sợi được quan tâm nhất. Tuy nhiên khi kết hợp hai công nghệ này vào hệ thống thông tin sợi quang đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật để đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin sợi quang. Bên cạnh vấn đề kỹ thuật cần giải quyết về sự khuếch đại không đồng đều giữa các kênh quang thì vấn đề mở rộng phổ của EDFA là hết sức quan trọng khi áp dụng đồng thời hai công nghệ trên vào các hệ thống thông tin quang. Summary: The optical communication has become a main transmitting mean in the CT 2 national and international telecommunication network. Nowadays, the optical communication systems have transmitted over 85% of the total created information capacity. The target for improving on capacity of optical communication system has strengthened the studies and applications of new technologies and engineering. Of which, the technology for combining the optical wave-length division multiplexing and Erbium Doped Fiber Amplifier are the most interested ones. However, it is required to solve some technical issues to satisfy the requirements of the system when combining two technologies into optical communication system. Besides, the technical issues requiring for solving is the uneven amplification between the optical channels, the problem for the expanding the gain spectrum of EDFA is very important when applying both technologies into the optical communication system. dẫn của các hệ thống thông tin quang điều chế I. GIỚI THIỆU cường độ và tách trực tiếp (IM-DD). Về mặt kỹ thuật, khi ứng dụng kết hợp hai công nghệ Dựa trên đặc tính truyền dẫn của công này tất yếu nảy sinh các vấn đề khắc phục. nghệ ghép kênh quang theo bước sóng Các vấn đề đó là: (WDM) và khuếch đại quang sợi Erbium (EDFA) ta thấy khi kết hợp sử dụng hai công - Phổ tăng ích của EDFA không đồng nghệ này là nhằm nâng cao năng lực truyền đều giữa các kênh.
- Mở rộng băng tần của EDFA để đáp pháp được bàn đến trong bài báo này. Tuy ứng nhu cầu về số lượng kênh quang ngày nhiên nó còn gặp phải một số vấn đề khó khăn càng gia tăng. do mức nhiễu của bộ khuếch đại còn tương đối lớn và việc khắc phục nhiễu còn đang - Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến được nghiên cứu thêm. tăng dẫn tới tăng xuyên âm giữa các kênh… Quan hệ tăng ích Raman của tín hiệu (có Việc tìm kiếm các giải pháp để tối ưu cho sóng stoke cấp 1) và bước sóng bơm được thể các vấn đề trên cũng tức là tìm các giải pháp hiện bằng các phương trình sau: để nâng cao năng lực của hệ thống. dPp vp γ r (Ps + P1 )Pp (1) Mở rộng phổ tăng ích cho các bộ khuếch = α p Pp + dz vs đại EDFA có ba giải pháp như sau: dPs - Mở rộng phổ tăng ích của EDFA bằng (2) = −α s Pp + γ r Ps Pp dz tán xạ Raman SRS. dP1 - Mở rộng băng tần bằng bộ khuếch đại (3) = −α 1 P1 − γ r P1 Pp dz hai tầng với băng C và băng L. Trong đó: - Mở rộng phổ tăng ích của EDFA bằng cách sử dụng vật liệu Tellurite cho sợi EDF. Ps , Pp : Công suất tín hiệu và công suất b ơm II. MỞ RỘNG PHỔ TĂNG ÍCH CỦA EDFA BẰNG TÁN XẠ SRS P1 : Công suất stoke thứ nhất Khi bơm (bước sóng kích thích cho CT 2 α , v : Suy hao và tần số EDFA) và truyền ánh sáng tín hiệu trên đường truyền đồng thời thì tán xạ Raman được kích γ r = g r πω2 : Hệ số phát xạ; gr: Tăng thích (SRS) xảy ra. Tán xạ SRS này khuếch ích Raman. đại tín hiệu đầu vào cũng giống cách mà phát xạ kích thích của nguyên tử Erbium khuếch đại tín hiệu trong EDFA. Tăng ích Raman là do bước sóng bơm được tán xạ và dịch dần tới bước sóng của tín hiệu trong EDFA. Với sợi silica làm việc trong băng tần 1550 nm thì đỉnh của tăng ích Raman được dịch tần khoảng 13 THz so với tần số bơm (dài hơn khoảng 100 nm). Điều này có nghĩa là ta có thể sử dụng phổ tăng ích Raman để mở rộng phổ tăng ích cho bộ khuếch đại EDFA ra băng Hình 1. Tăng ích Raman với nguồn bơm 1480 nm L với cùng một nguồn bơm 1480 nm. Vấn đề cơ bản ở đây là tính toán mức Các bộ khuếch đại EDFA kết hợp với tán công suất bơm để sao cho tăng ích của tán xạ xạ Raman là giải pháp mở rộng phổ tăng ích Raman cân bằng với tăng ích của bộ khuếch có thể tạo ra dải tần lớn nhất trong ba phương đại EDFA. Bằng việc giải các phương trình
(1), (2), (3) ta có thể tính được điều đó. Băng nm để thấy rõ được điều đó: tần của tán xạ Raman với nguồn bơm 1480nm được thể hiện trên hình 1. Từ phổ tăng ích Raman này thì ta thấy việc mở rộng phổ tăng ích có thể đạt được từ 1560 nm tới 1625 nm. Phổ tăng ích của EDFA được mở rộng bằng tán xạ Raman có dạng như trong hình 2. Hình 3. Phổ của hệ số tăng ích của EDFA Mặc dù tăng ích của bước sóng băng L của các EDFA là hơi nhỏ (nhỏ hơn ở băng C 3-4 lần), nhưng bằng cách tích luỹ tăng ích nhỏ dọc theo chiều dài sợi với công suất bơm lớn và chiều dài sợi là dài thì có thể nâng tăng Hình 2. Phổ tăng ích của EDFA được mở rộng bằng SRS ích này lên đến mức của các bộ khuếch đại EDFA thông thường (25-30 dB). Kết quả là chiều dài của sợi EDF của bộ khuếch đại III. MỞ RỘNG BĂNG TẦN BẰNG BỘ KHUẾCH ĐẠI HAI TẦNG VỚI BĂNG TẦN C EDFA băng L kiểu này gấp tới mười lần các VÀ BĂNG L bộ khuếch đại EDFA băng C. CT 2 Trên thực tế các sợi EDF có thuộc tính Để giảm tới mức tối thiểu ảnh hưởng khuếch đại vượt quá băng thông thường (1530 tăng ích lớn của băng C thì các bộ khuếch đại – 1565 nm) của EDFA. Thành phần tăng ích L – band EDFA cần phải hoạt động ở mức này đã bị bỏ qua mặc dù nó vẫn còn đủ mạnh chuyển đổi trung bình của các điện tử. Hình 3 để khuếch đại. Lý do là hiệu quả khuếch đại cho thấy sự phụ thuộc của hệ số tăng ích vào của nó ở vùng sóng dài thấp. Hệ số tăng ích mức độ chuyển đổi điện tử của EDFA. Ở mức của nó nhỏ hơn hệ số khuếch đại trong băng C chuyển đổi trung bình tăng ích của băng C là tới gần chục lần. Cho nên lúc đầu khi vấn đề xấp xỉ bằng không, lý do là vì hệ số suy hao mở rộng băng tần của EDFA chưa trở nên bức của sợi EDF ở băng C lớn. thiết thì việc loại bỏ thành phần này là đương Việc phát triển các bộ khuếch đại EDFA nhiên. Khi các hệ thống WDM đã được sử băng L là đi đôi với việc sử dụng đồng thời dụng phổ biến với các bộ khuếch đại EDFA hai băng (C và L) trong các hệ thống thông tin thì vấn đề mở rộng băng tần cho các bộ quang WDM. Bởi vì nếu chỉ sử dụng riêng khuếch đại EDFA mới được đặt ra để nâng các bộ khuếch đại băng L thì chỉ có thể được cao năng lực truyền dẫn của hệ thống. Như độ rộng phổ khuếch đại là 38 nm (từ 1568 nm vậy, thành phần phổ tương đối bằng phẳng tới 1606 nm) trong khi đó phổ khuếch đại của của băng L (1570 – 1610 nm) đã được chú băng C hiệu quả hơn cũng đạt được 35 nm. trọng và phát triển. Hình biểu diễn hệ số tăng ích của EDFA trong dải tần từ 1440 – 1660 Có ba cấu hình sử dụng hai bộ khuếch đại
EDFA băng L và băng C là cấu hình song song, kỹ thuật phản xạ và mạch nối vòng để với cấu hình đường đơn và cấu hình đường kép. cùng một sợi EDF tín hiệu có thể được khuếch đại hai lần. Đối với cấu hình song song: Một ví dụ cụ thể của cấu hình song song được minh hoạ ở hình 4. Trong cấu hình song song thì các bộ tách ghép lựa chọn bước sóng (WSC) sẽ tách các kênh của hai băng ra. Các kênh của băng C sẽ được đưa tới sợi EDF ngắn với cấu hình bơm thuận để khuếch đại. Còn các kênh bước sóng dài sẽ được đưa tới các sợi EDF Hình 6. Cấu hình đường kép dài để khuếch đại. Sau khi được khuếch đại các kênh ghép lại để đưa ra sợi quang. Trong các cấu hình trên thì cấu hình đường kép và đường đơn là có mức nhiễu tốt (khoảng 5-6 dB) còn cấu hình song song thì có mức nhiễu lớn hơn (khoảng 7-9 dB). Do cấu hình kép có tổng chiều dài sợi EDF là ngắn nhất nên sử dụng cấu hình kép là hiệu quả nhất. Băng tần khuếch đại và mức nhiễu của bộ khuếch đại EDFA cấu hình Hình 4. Cấu hình song song đường kép được thể hiện như hình 7. CT 2 Tăng ích của cấu hình đường kép có thể đạt Đối với cấu hình đường đơn: Trong cấu trên 24 dB và mức nhiễu là khoảng 5-6 dB. hình này thì các kênh đều được khuếch đại ở Phổ của bộ khuếch đại này bị gián đoạn tại sợi (ngắn) thứ nhất sau đó các kênh băng C vùng bước sóng 1560 nm đến 1570 nm do ở được nối ra sợi quang còn các kênh băng L lại vùng này cả hai phần khuếch đại băng C và được khuếch đại tại sợi thứ hai (sợi dài) rồi băng L đều có hệ số khuếch đại thấp cho nên mới được nối ra sợi quang như hình 5. nó bị bỏ qua. Hình 5. Cấu hình đường đơn Đối với cấu hình đường kép: Hình 6 thể hiện cấu hình đường kép của bộ khuếch đại hai băng (băng L và băng C). Cấu hình này hoạt động tương tự cấu hình đơn chỉ khác là Hình 7. Phổ khuếch đại và mức nhiễu sợi thứ hai được rút ngắn lại do việc sử dụng của EDFA hai băng
IV. MỞ RỘNG BĂNG TẦN EDFA BẰNG SỢI phát quang của Erbium giảm. Các sợi thủy TELLURITE tinh làm từ Tellurite có mật độ phân tử lớn hơn của Silicate hai lần, tức là các khuyết Trong những năm gần đây, một vật liệu điểm nội tại của nó cũng giảm đi hơn hai lần. chế tạo sợi thuỷ tinh mới đang rất được quan Điều này có nghĩa là hiệu quả phát xạ kích tâm, vật liệu đó là Tellurite. Các sợi EDF làm thích của Erbium trong cấu trúc của Tellurite từ Tellurite có độ khuếch đại tại băng L lớn cũng lớn hơn lên hai lần so với trong cấu trúc hơn Silicate đồng thời phổ tăng ích của nó có của Silicate. thể được mở rộng hơn rất nhiều. Độ khuếch đại (tính theo tăng ích trên một mét sợi EDF) của EDTFA (bộ khuếch đại EDFA sử dụng sợi Tellurite) trong băng L là 2.5 (dB/m) lớn hơn của bộ khuếch đại EDSFA (bộ khuếch đại EDFA sử dụng sợi Silica) băng L (0.5 dB/m) khoảng 5 lần. Phổ khuếch đại trong băng L có thể thực hiện từ 1560 nm tới 1610 nm (hình 8), trong khi đó với bộ khuếch đại Hình 9. Phổ của hệ số phát xạ kích thích EDSFA băng L là từ 1568 nm đến 1606 nm. của các sợi thủy tinh Chỉ số khúc xạ của sợi Tellurite (2 đến 2,2) lớn hơn của sợi Silicate (1,48). Mặt khác, hệ số phát xạ kích thích của sợi EDF lại tỉ lệ với (n2 + 2)2/9n (n là chỉ số khúc CT 2 xạ) cho nên hệ số phát xạ kích thích của Tellurite cao hơn của Silicate. Thực tế đo được với các bước sóng dài thì chỉ số này của Tellurite là gấp hai lần của Silicate. Hình 9 thể Hình 8. Phổ khuếch đại và mức nhiễu hiện phổ của hệ số phát xạ kích thích của các của EDTFA và EDSFA loại sợi thủy tinh. Độ khuếch đại của các sợi EDTF lớn hơn Sự suy giảm tăng ích tín hiệu và tăng các sợi EDSF là do hai lý do sau: cấu trúc của mức nhiễu ở các bước sóng ngắn và dài của sợi EDTF và chỉ số khúc xạ của sợi EDTF. các bộ khuếch đại băng L là do hấp thụ của Trong các sợi thuỷ tinh thì các nhược trạng thái cơ bản (GSA) và hấp thụ của trạng điểm về cấu trúc nội tại (thuỷ tinh có cấu trúc thái kích thích (ESA) của các Ion Erbium. Sự vô định hình) có thể dẫn đến hiệu quả của việc suy giảm do các hấp thụ này khác nhau ở các pha trộn Erbium bị ảnh hưởng do sự kết cụm sợi thuỷ tinh khác nhau và đây là nguyên nhân lại với nhau của các Erbium sẽ làm giảm tính chính dẫn đến phổ tăng ích của EDTFA rộng năng của sợi EDF. Tức là các Erbium được hơn của EDSFA. Do vậy, việc sử dụng các bộ dồn lại các khoảng hổng trong cấu trúc của sợi khuếch đại EDTFA là một hướng đi rất triển thủy tinh. Sự tập trung các Erbium tại các vọng khi áp dụng để tạo ra các bộ khuếch đại khuyết điểm cấu trúc của sợi thủy tinh tạo ra quang băng rộng. các liên kết Erbium- Erbium dẫn đến đặc tính
V. KẾT LUẬN Do nhu cầu ngày càng gia tăng về dung lượng truyền dẫn của các dịch vụ, cho nên WDM càng trở nên hấp dẫn. Các hệ thống WDM sẽ đáp ứng được các nhu cầu về dung lượng hiện nay. Tuy nhiên, nếu sử dụng các bộ khuếch đại EDFA thông thường vào hệ thống WDM thì số lượng kênh của WDM lại bị hạn chế, do vậy nhu cầu cần có các bộ khuếch đại quang EDFA có băng tần rộng hơn được đặt ra để có thể lợi dụng các ưu thế của hai công nghệ này. Tài liệu tham khảo [1]. Optical Communication Networks - Biswanath Mukherjee. (McGraw- Hill-San Francisco 1997) [2]. Optical Networks: A Practical Perspective - Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan. (Academic Press 2002). [3]. Routing in Communications Networks - CT 2 Martha.Steenstrup. (Prentice Hall , America 1998). [4]. Fiber-Optic Communications Technology - Djafa K. Mybaev, Lowell L. Scheiner. (Prentice Hall , 2001) [5]. Optimization of channel spacing in WDM Transmission systems with dispertion compensated links in the presence of fiber nonlinearities - Ivan B. Djordjevic (may 2001, Journal of Lightwave Technology) [6]. Broad-band Erbium doped fiber amplifier with double-pass configuration (IEEE Photonic.Tecnology.letters volume 13, number 12, december, 2001) [7]. Modeling high concentrasent L-band EDFA at high optical powers based on invertion funtion (IEEE journal of selected optics in quantum electronic vol 8, number 3,2002)♦