Đồ Án Nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang WDM

MỤC LỤC
Mục Lục 1
Danh mục các từ viết tắt 3
Danh mục hình vẽ 6
Danh mục bảng biểu 8
Lời nói đầu 9
Chương 1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 11
1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 11
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 12
1.2.1 Bộ phát quang 13
1.2.2 Bộ thu quang 13
1.2.3 Cáp sợi quang 13
1.2.4 Các thành phần khác 14
1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang 14
1.3.1 Cấu tạo sợi quang 14
1.3.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang 15
1.4. Phân loại sợi quang 17
1.4.1 Phân loại theo phương pháp truyền sóng 17
1.4.2 Phân loại theo chỉ số chiết suất 18
1.5. Các thông số của sợi quang 18
1.5.1 Suy hao 18
1.5.2 Tán sắc 23
1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang 24
1.6.1 Ưu điểm 24
1.6.2 Nhược điểm 25
Chương 2 Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDF 26
2.1. Vai trò của khuếch đại quang trong hệ thống thông tin quang 26
2.2. Tổng quan về khuếch đại quang 26
2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 26
2.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại quang 29
2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang 30
2.2.4 Khuếch đại quang dùng laser bán dẫn 32
2.2.5 Các bộ khuếch đại quang sợi 35
2.3. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium EDFA 41
2.3.1 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA 41
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 43
2.3.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm 45
2.3.4 Hệ số khuếch đại của EDFA 50
2.3.5 Tính toán hệ số khuếch đại của EDFA 55
2.3.6 Phổ khuếch đại của EDFA 57
2.3.7 Tạp âm trong bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA 58
CHƯƠNG 3: Ứng dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM 63
3.1. Ứng dụng của khuếch đại quang 63
3.2. Các ứng dụng trong hệ thống thông tin quang số 64
3.3. Ứng dụng trong các hệ thống tương tự 66
3.4. Các ứng dụng trong mạng nội hạt (LAN) 68
3.5. Ứng dụng trên hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM 68
3.5.1 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 69
3.5.2 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 71
3.5.3 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM 73
3.5.4 EDFA thế hệ mới cho hệ thống WDM 75
Kết luận .76
Tài liệu tham khảo .79
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin 11
Hình 1.2: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thông tin quang 12
Hình 1.3: Cấu tạo sợi quang 14
Hình 1.4 : Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng 15
Hình 1.5 : Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16
Hình 1.6: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại laser bán dẫn 19
Hình 1.7: Cấu trúc các loại SLA 19
Hình 1.8: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 20
Hinh 1.9: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 21
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 22
Hình 1.11 : Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 22
Hình 1.12: Cấu trúc của EDFA 23
Hình 1.13: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 24
Hình 2.1: Các loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng 27
Hình 2.2: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang 29
Hình 2.3: Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA 33
Hình 2.4: Bộ khuếch đại quang sợi tổng quát 35
Hình 2.5: Sơ đồ phác họa hiện tượng SRS 36
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại Raman 37
Hình 2.7: Sơ đồ phác họa hiện tượng SBS 38
Hình 2.8: Cấu trúc của EDFA 42
Hình 2.9: Cấu trúc hình học của lõi pha tạp Erbium 42
Hình 2.10: Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF 44
Hình 2.11: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép 48
Hình 2.12: Cấu hình bơm thuận 49
Hình 2.13: Cấu hình bơm ngược 49
Hình 2.14: Cấu hình bơm hai hướng 50
Hình 2.15: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất bơm EDFA 51
Hình 2.16: Quan hệ giữa độ dài EDF, bước sóng bơm với độ khuếch đại 51
Hình 2.17:Độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào công suất tín hiệu đầu vào với ba công suất bơm khác nhau 52
Hình 2.18: Độ khuếch đại tín hiệu là hàm số của công suất tín hiệu đầu ra với các công suất bơm khác nhau 54
Hình 2.19: Độ dốc khuếch đại 55
Hình 2.20: Phổ đầu ra quang tiêu biểu của EDFA 57
Hình 2.21: Tạp âm phách tín hiệu-tự phát 61
Hình 2.22: Tạp âm phách tự phát- tự phát giữa các thành phần phổ ASE 62
Hình 2.23: Sự phản xạ quang tạo ra nhiễu giao thoa nhiều luồng. 62
Hình 3.1: Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA 64
Hình 3.2: ứng dụng EDFA làm khuếch đại công suất BA 65
Hình 3.3: Ứng dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền LA 65
Hình 3.4: Mạng tổng thể phát quảng bá CATV dựa trên các hệ thống có EDFA 67
Hình 3.5: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang đơn hướng 70
Hình 3.6: Sơ đồ hệ WDM ghép kênh quang hai hướng 71
Hình 3.7: EDFA sử dụng trong hệ thống WDM 73
Hình 3.8: Phổ của tín hiệu quang ở đầu ra hệ thống 74
Hình 3.9: Cấu hình EDTFA. 75
Hình 3.10: Ứng dụng của EDFA băng C và băng L trong hệ thống WDM 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: So sánh đặc tính cơ bản của các bộ khuếch đại quang 41
Bảng 2: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm 47
Bảng 3: Liệt kê các tiết diện hấp thụ từ sự chuyển dịch 56
LỜI NÓI ĐẦU
Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông. mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú. và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao. Đã có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác. các hệ thống thông tin quang không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta đã thấy những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp viễn thông. Ngành công nghiệp viễn thông đã phát triển vượt bậc cho ra đời nhiều loại hình dịch vụ mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao của con người. Hiện nay, số lượng người sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng tăng nhanh. Xu hướng phát triển của viễn thông là các loại hình mạng với dung lượng cao, băng thông rộng, phạm vi hoạt động lớn và có khả năng chống nhiễu, bảo mật tốt. Để làm được điều này mạng truyền dẫn cần phải có sự phát triển mạng cả về qui mô và trình độ công nghệ
Một trong những nhân tố quan trọng tạo nên bước phát triển đột phá cho viễn thông quốc tế là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang. Hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội, hiện đang là loại dịch vụ được sử dụng phổ biến, nó ngày càng được phát triển hoàn thiện và có thể đáp ứng được mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Trong đó việc ra đời và ứng dụng của các bộ khuếch đại trên miền tín hiệu quang dần thay thế các bộ khuếch đại điện trước đó. Gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Điều đáng chú ý là bộ khuếch đại quang trộn đất hiếm Erbium EDFA có thể khuếch đại toàn bộ bước sóng quang trong dải 1525 – 1575 nm mà không cần phải tách từng bước sóng. Tốc độ bit của tuyến đã đạt 100Gb/s và tích BL là 910 Tb/s-km vào năm 2000. Bộ khuếch đại quang EDFA được ứng dụng trên các hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Trong các hệ thống tuyến tính số các bộ EDFA có thể được sử dụng làm các bộ tiền khuếch đại PA, các bộ khuếch đại công suất BA hoặc khuếch đại đường truyền LA. Theo các tiêu chuẩn này thiết bị khuếch đại quang sợi OFA được đặt dọc theo tuyến quang. Ngoài ra bộ khuếch đại EDFA còn được ứng dụng trọng nhiều hệ thống khác. Trong tương lai, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hứa hẹn sẽ phát triển hệ thống thông tin quang trở nên mạnh mẽ hơn, ngày càng phát triển hơn. Để tìm hiểu về công nghệ chứa đựng nhiều ưu điểm và tiềm năng này, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu bộ khuếch đại quang và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang WDM ”
Nội dung của đề tài gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về thông tin quang và các bộ khuếch đại quang
Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang, nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tin quang.
Chương 2: Khuếch đại quang sợi EDFA
Chương 2 ta đi vào tìm hiểu về các bộ khuếch đại quang sợi, đặc biệt là bộ khuếch đại quang sợi EDFA sẽ được trình bày chi tiết.
Chương 3: Ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM.
Chương cuối là các ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, khả năng phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA trên hệ thống thông tin quang WDM.