Luận Văn Khuếch đại lai HFA và ứng dụng vào tuyến cáp quang

Lời mở đầu
Lờ Mở Đầu
Với những ưu điểm nổi bật về dung lượng và khoảng cách truyền dẫn, thông tin sợi quang là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Cùng với sự ra đời của các kĩ thuật mới như kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao và đặc biệt là sự xuất hiện và nhanh chóng được thương mại hoá của EDFA đã đáp ứng được nhu cầu về trao đổi thông tin ngày càng cao trong những năm gần đây. Tuy nhiên, mạng viễn thông hiện nay đang đứng trước nguy cơ quá tải do các loại hình dịch vụ và phương thức đa truy cập mới của mạng Internet ra đời và phát triển với tốc độ chóng mặt. Tốc độ truyền dẫn của các tuyến thông tin sợi quang WDM đạt đến hàng nhiều Gbit/s và sử dụng hết băng thông khuếch đại của EDFA. Trước thực trạng đó, yêu cầu về nâng cấp mạng thông tin quang đang trở nên ngày càng cấp thiết hơn. Mô hình bộ khuếch đại ghép lai HFA - sự kết hợp giữa EDFA và bộ khuếch đại Raman - đã mở ra nhiều triển vọng cho các hệ thống viễn thông. Bộ khuếch đại này mang ưu điểm của cả EDFA và Raman, vừa tăng khả năng chống nhiễu, giảm hiệu ứng phi tuyến của Raman đồng thời tăng độ khuếch đại cao nhờ EDFA. Tuy nhiên, sự kết hợp này cũng tạo ra nhiều loại nhiễu hết sức phức tạp. Để đạt được các ưu điểm trên cần phải nghiên cứu nghiêm túc bộ khuếch đại này, tiến hành khảo sát cẩn thận về nhiễu và tín hiệu. Sau đó đề xuất cấu hình bộ khếch đại ghép lai HFA thích hợp để dùng cho tuyến thông tin sợi quang WDM xuyên biển hiện nay. Tiếp đến xây dựng lưu đồ thuật toán, tính toán mô phỏng tối ưu hóa bộ khuếch đại ghép lai HFA nhằm nâng cao chất lượng của tuyến.
Với mục đích như trên, đồ án tập trung vào vấn đề “Khuếch đại lai HFA và ứng dụng vào tuyến cáp quang”.
Note: có kèm file tính toán là Mathcad 14 và mô phỏng trên Optiwave.
CHƯƠNG 1. 4
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM . 4
1.1 Giới thiệu chương. 4
1.2 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM . 4
1.2.1 Khái niệm 4
1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống WDM . 4
1.2.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM . 5
1.2.3.1 Sợi quang. 5
1.2.3.2 Bộ phát quang. 5
1.2.3.3 Bộ thu quang. 6
1.2.3.4 Bộ tách/ghép kênh – MUX/DEMUX 7
1.2.3.5 Bộ tách ghép tín hiệu quang – Couplers. 7
1.2.3.6 Bộ cách ly Isolators/Circulators. 8
1.3 Ưu điểm ghép kênh theo bước sóng WDM . 9
1.4 Giới thiệu về hệ thống DWDM . 10
1.4.1 Cấu trúc hệ thống DWDM . 10
1.4.2 Ưu điểm của hệ thống DWDM . 10
1.5 Kết luận chương. 11
CHƯƠNG 2. 12
BỘ KHUẾCH ĐẠI GHÉP LAI HFA 12
2.1 Giới thiệu chương. 12
2.2 Bộ khuếch đại Raman. 12
2.2.1 Khái niệm 12
2.2.2 Cấu trúc bộ khuếch đại Raman. 12
2.2.3 Nguyên lí hoạt động. 13
2.2.4 Độ rộng băng tần và hệ số khuếch đại 14
2.2.4.1 Độ rộng băng tần. 14
2.2.4.2 Khảo sát hệ số khuếch đại Raman. 15
2.2.5 Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại Raman. 16
2.2.5.1 Ưu điểm 16
2.3 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium – EDFA 17
2.3.1 Khái niệm 17
2.3.2 Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại EDFA 17
2.3.2.1 Sợi quang pha đất hiếm Erbium EDF. 17
2.3.2.2 Laser bơm – Pumping Laser 18
2.3.2.3 WDM Optical Coupler 18
2.3.2.4 Bộ cách ly - Optical Isolator 18
2.3.3 Nguyên lí hoạt động. 18
2.3.4 Các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA 20
2.3.4.1 Dải khuếch đại 20
2.3.4.2 Độ khuếch đại 21
2.3.4.3 Công suất ra bão hòa. 22
2.3.5.1 Ưu điểm 23
2.3.5.2 Nhược điểm 23
2.4 Bộ khuếch đại ghép lai HFA 24
2.4.1 Khái niệm 24
2.4.2 Cấu trúc bộ khuếch đại HFA 24
2.4.3. Các đặc tính của bộ khuếch đại HFA 25
2.4.3.1. Phổ khuếch đại 25
2.4.3.2. Tỉ số nhiễu trên tín hiệu. 26
2.5 Mô hình hệ thống DWDM sử dụng các bộ HFA mắc chuỗi 26
2.5 Kết luận chương. 27
CHƯƠNG 3. 28
KHẢO SÁT NHIỄU VÀ TỈ SỐ OSNR TRONG HỆ THỐNG DWDM CÓ SỬ DỤNG HFA 28
3.1 Giới thiệu chương. 28
3.2 Khảo sát nhiễu ASE 28
3.2.1 Khái niệm 28
3.2.2 Nhiễu ASE trong bộ khuếch đại Raman. 29
3.2.3 Nhiễu ASE trong bộ khuếch đại EDFA 30
3.2.4 Nhiễu ASE tích lũy trong hệ thống DWDM . 30
3.2.4.1 Đặt khuếch đại Raman ở đầu tuyến. 30
3.2.4.2 Đặt khuếch đại Raman ở cuối tuyến. 32
3.2.4.3 Raman đặt ở vị trí của bộ khuếch đại EDFA thứ k. 34
3.3 Nhiễu tán xạ Rayleigh kép. 36
3.3.1 Khái niệm 36
3.3.2 Tính công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép trong bộ khuếch đại HFA 37
3.3.3 Khảo sát nhiễu DRS tích lũy trong hệ thống DWDM . 37
3.3.3.1 Raman ở đầu tuyến thì tổng công suất nhiễu DRS ở cuối đường truyền được tính: 37
3.3.3.2 Raman ở cuối tuyến. 37
3.3.3.3 Raman ở vi trí EDFA thứ k. 37
3.4 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng. 38
3.4.1 Tổng quan về các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM . 38
3.4.2 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-wave Mixing) 40
3.4.3 Khảo sát công suất nhiễu FWM trong hệ thống DWDM sử dụng HFA 41
3.5 Tỉ số tín hiệu trên quang OSNR 44
3.5.1 Khái niệm 44
3.5.2 Tính toán tỉ số OSNR 44
3.6 Kết luận chương. 45
CHƯƠNG 4. 46
ỨNG DỤNG VÀO TÍNH TOÁN TỐI ƯU THÔNG SỐ TUYẾN CÁP QUANG 80Gb/s TP.HCM – NHA TRANG 46
4.1 Giới thiệu chương. 46
4.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán. 46
4.2.1 Lưu đồ thuật toán tính nhiễu phát xạ tự phát ASE 48
4.2.2 Lưu đồ thuật toán tính nhiễu Rayleigh. 49
4.3 Ứng dụng tính toán tối ưu thông số trên tuyến cáp quang Tp.HCM - Nha Trang. 53
4.3.1 Sơ đồ tuyến sử dụng bộ khuếch đại lai HFA 53
4.3.2 Đặt Raman đầu tuyến. 53
4.3.2.1 Sơ đồ tuyến. 53
4.3.2.2 Kết quả mô phỏng. 53
4.3.3 Đặt Raman cuối tuyến. 55
4.3.4 Đặt Raman giữa tuyến. 57
4.3.4.1 Sơ đồ tuyến. 57
4.3.4.2 Kết quả mô phỏng. 58
4.4 Mô phỏng trê phần mềm Optiwware. 59
4.4.1 Raman đầu tuyến. 60
4.4.2 Raman cuối tuyến. 62
4.4.3 Raman giữa tuyến. 64
4.5 Kết luận. 65
4.6 Kết luận chương. 66