Nghiên Cứu Ứng Dụng Bộ Khuếch Đại Quang Trong Hệ Thống Thông Tin Cáp Sợi Quang

Tài liệu nghiên cứu Nghiên ứu ứng dụng bộ khuyếch đại quang trong các hệ thống thông tin quang, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Lê Trung Thành
• Người hướng dẫn: GS. Trần Đức Hân
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Bộ Khuếch Đại Quang Trong Hệ Thống Thông Tin Cáp Sợi Quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG
• 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang
• 1.2. Cấu trúc của một hệ thống thông tin cáp sợi quang
• 1.3. Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
• 2.1. Kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA
• 2.1.1. Cấu trúc của bộ khuếch đại EDFA
• 2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của EDFA
• 2.1.3. Các tham số đặc trưng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA
• 2.2. Kỹ thuật khuếch đại quang bán dẫn
• 3. CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
• 3.1. Mô hình phân tích tạp âm trong bộ khuếch đại quang
• PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin cáp sợi quang

Hệ thống thông tin cáp sợi quang đã trở thành một phần không thể thiếu trong việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao. Bộ khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tín hiệu quang trong suốt quá trình truyền dẫn. Việc hiểu rõ về ứng dụng của bộ khuếch đại quang sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống thông tin cáp sợi quang.

1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang

Hệ thống thông tin cáp sợi quang đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1960. Sự ra đời của cáp sợi quang đã mở ra một kỷ nguyên mới cho công nghệ truyền thông, cho phép truyền tải thông tin với tốc độ cao và khoảng cách xa.

1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin cáp sợi quang

Một hệ thống thông tin cáp sợi quang bao gồm các thành phần chính như nguồn phát, cáp sợi quang và bộ thu. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tín hiệu được truyền tải một cách hiệu quả.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sử dụng bộ khuếch đại quang

Mặc dù bộ khuếch đại quang mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc triển khai. Các vấn đề như suy hao tín hiệu và tạp âm có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống thông tin cáp sợi quang.

2.1. Suy hao tín hiệu trong hệ thống cáp sợi quang

Suy hao tín hiệu là một trong những vấn đề lớn nhất trong hệ thống thông tin cáp sợi quang. Các yếu tố như độ dài cáp và chất lượng sợi quang có thể làm giảm chất lượng tín hiệu truyền tải.

2.2. Tạp âm và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất

Tạp âm phát sinh trong quá trình khuếch đại có thể làm giảm chất lượng tín hiệu. Việc phân tích và giảm thiểu tạp âm là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.

III. Phương pháp tối ưu hóa sử dụng bộ khuếch đại quang

Để tối ưu hóa việc sử dụng bộ khuếch đại quang, cần áp dụng các phương pháp kỹ thuật hiện đại. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

3.1. Kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA

Kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA đã được chứng minh là hiệu quả trong việc khuếch đại tín hiệu quang mà không cần chuyển đổi sang tín hiệu điện. Điều này giúp giảm thiểu độ trễ và tăng cường hiệu suất truyền tải.

3.2. Ứng dụng công nghệ mới trong khuếch đại quang

Việc áp dụng các công nghệ mới như khuếch đại quang bán dẫn có thể mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống thông tin cáp sợi quang. Những công nghệ này giúp cải thiện băng thông và giảm thiểu tạp âm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin

Bộ khuếch đại quang đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ viễn thông đến truyền hình. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong viễn thông

Trong ngành viễn thông, bộ khuếch đại quang giúp tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu qua các tuyến cáp sợi quang, đảm bảo chất lượng cuộc gọi và dịch vụ internet.

4.2. Ứng dụng trong truyền hình và phát sóng

Bộ khuếch đại quang cũng được sử dụng trong các hệ thống truyền hình để đảm bảo tín hiệu hình ảnh và âm thanh được truyền tải một cách rõ ràng và ổn định.

V. Kết luận và tương lai của bộ khuếch đại quang trong hệ thống thông tin

Bộ khuếch đại quang sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang. Với sự tiến bộ của công nghệ, các giải pháp mới sẽ được phát triển để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ khuếch đại quang

Xu hướng phát triển công nghệ khuếch đại quang sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tạp âm, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ trong các hệ thống thông tin.

5.2. Tương lai của hệ thống thông tin cáp sợi quang

Hệ thống thông tin cáp sợi quang sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, với sự gia tăng nhu cầu về tốc độ truyền tải và độ tin cậy. Bộ khuếch đại quang sẽ là một phần không thể thiếu trong tương lai này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng cao, đòi hỏi các hệ thống truyền dẫn thông tin phải có tốc độ cao, độ tin cậy và phạm vi truyền dẫn lớn. Hệ thống thông tin cáp sợi quang với ưu điểm băng thông rộng, suy hao thấp và khả năng truyền dẫn xa đã trở thành giải pháp không thể thiếu trong mạng truyền dẫn hiện đại. Theo ước tính, độ suy hao của sợi quang ở bước sóng 1300nm và 1500nm lần lượt là khoảng 0,35-0,4 dB/km và 0,2-0,25 dB/km, cho phép truyền dẫn tín hiệu trên khoảng cách lớn mà không cần nhiều trạm lặp.

Tuy nhiên, khi khoảng cách truyền dẫn tăng lên, tín hiệu quang bị suy giảm đáng kể, đòi hỏi phải có các bộ khuếch đại quang để tăng cường tín hiệu, đảm bảo chất lượng truyền dẫn. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, tính toán và tối ưu hóa việc sử dụng bộ khuếch đại quang, đặc biệt là bộ khuếch đại quang sợi EDFA, trong các hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang nhằm nâng cao hiệu suất truyền dẫn, tăng khoảng cách và giảm tỷ lệ lỗi bit (BER).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các hệ thống thông tin cáp sợi quang tại Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2005, với các mô hình phân tích và mô phỏng dựa trên các tham số kỹ thuật thực tế của hệ thống. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp nâng cao hiệu quả truyền dẫn, giảm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong các mạng viễn thông hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết truyền dẫn quang: Mô tả quá trình biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, truyền qua sợi quang và thu lại thành tín hiệu điện. Các tham số quan trọng bao gồm độ suy hao, tán sắc, và nhiễu trong sợi quang.

• Mô hình khuếch đại quang EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): Bộ khuếch đại sử dụng sợi quang pha tạp Erbium, hoạt động dựa trên cơ chế bức xạ kích thích và bức xạ tự phát, với các mức năng lượng đặc trưng của ion Erbium. Mô hình 3-4 mức năng lượng được áp dụng để giải thích quá trình khuếch đại.

• Khái niệm tạp âm quang và tạp âm cường độ: Bao gồm tạp âm lượng tử, tạp âm nhiệt và tạp âm phách, ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và chất lượng truyền dẫn.

• Mô hình mạng quang cấu trúc hình sao và kỹ thuật ghép kênh WDM/SCM: Phân tích cấu trúc mạng, ảnh hưởng của suy hao và khuếch đại quang đến số lượng người sử dụng và công suất phát.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số khuếch đại G, công suất bão hòa Psat, tỷ số tín hiệu trên tạp âm eSNR, tỷ lệ lỗi bit BER, công suất bù BER ∆PBER, và các tham số kỹ thuật của bộ thu quang như băng tần điện Be, băng tần quang B0.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các tài liệu kỹ thuật, báo cáo ngành và các mô hình mô phỏng dựa trên tham số thực tế của hệ thống thông tin cáp sợi quang. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: Xây dựng các công thức tính toán tạp âm, eSNR, BER và công suất bù trong các trường hợp sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA làm tiền khuếch đại (PA), khuếch đại công suất (BA) và khuếch đại đường truyền (LA).

• Mô phỏng số liệu: Sử dụng các tham số như công suất bơm (10-100 mW), bước sóng bơm (980 nm, 1480 nm), băng tần điện (1-2.5 GHz), và các hệ số suy hao sợi quang để mô phỏng ảnh hưởng của hệ số khuếch đại G, công suất phát Ptx, khoảng cách truyền dẫn L và tỷ lệ lỗi bit BER đến hiệu suất hệ thống.

• So sánh các phương án đặt bộ khuếch đại: Đánh giá hiệu quả của việc đặt EDFA ở các vị trí khác nhau trên tuyến truyền dẫn thông qua các chỉ số eSNR, công suất bù và khoảng cách truyền dẫn tối đa.

• Phân tích ứng dụng trong mạng quảng bá hình sao và hệ thống SCM/WDM: Tính toán số lượng người sử dụng tối đa, công suất phát yêu cầu và lợi ích khi sử dụng EDFA trong các cấu trúc mạng khác nhau.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2003 đến 2005, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (eSNR) tăng theo hệ số khuếch đại G nhưng có giới hạn bão hòa:
   Mô phỏng cho thấy eSNR tăng gần tuyến tính khi G tăng từ 5 đến 15 dB, nhưng khi G vượt quá 15 dB, eSNR không tăng thêm do công suất tạp âm ASE cũng tăng theo, gây bão hòa. Ví dụ, tại G=5 dB và khoảng cách truyền 100 km, eSNR đạt 23 dB; tăng lên 33 dB và 43 dB tương ứng với khoảng cách 130 km và 150 km.

2. Ứng dụng EDFA làm tiền khuếch đại (PA) hiệu quả hơn so với làm khuếch đại công suất (BA) hoặc khuếch đại đường truyền (LA):
   PA cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm cao hơn, dễ giám sát nguồn bơm và giảm công suất bù BER. Công suất bù BER khi sử dụng PA nhỏ hơn khoảng 3 lần so với BA và LA ở khoảng cách truyền lớn hơn 200 km.

3. Độ nhạy thu quang và khoảng cách truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào hệ số khuếch đại G và tỷ lệ lỗi bit BER:
   Độ nhạy thu tăng theo G nhưng không tăng đáng kể khi G > 20 dB. Ví dụ, tại G=20 dB và BER=10⁻⁹, độ nhạy thu là -72 dBm, giảm còn -70 dBm khi BER yêu cầu 10⁻¹². Khoảng cách truyền dẫn tối đa tăng nhanh khi G tăng đến khoảng 25 dB, sau đó không tăng thêm. Với BER=10⁻⁶, khoảng cách đạt 110 km, giảm còn 100 km khi BER=10⁻¹².

4. Sử dụng EDFA trong mạng quảng bá hình sao giúp tăng quỹ công suất khoảng 20 dB, nâng cao số lượng người sử dụng:
   Mô phỏng cho thấy, với công suất phát -20 dBm, số người sử dụng trong mạng không có EDFA là 9 người, trong khi sử dụng EDFA có thể lên tới trên 100 người. Số người sử dụng tăng gần tuyến tính với hệ số khuếch đại G khi G < 30 dB, nhưng bão hòa khi G vượt quá giá trị này do tạp âm tăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng bão hòa eSNR và khoảng cách truyền dẫn là do sự gia tăng đồng thời của công suất tạp âm ASE khi tăng hệ số khuếch đại G. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, cho thấy việc tăng G không phải lúc nào cũng cải thiện chất lượng truyền dẫn mà cần cân bằng giữa tín hiệu và tạp âm.

Việc ưu tiên sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại (PA) được lý giải bởi vị trí đặt gần bộ thu giúp giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm trên toàn tuyến, đồng thời dễ dàng kiểm soát và điều chỉnh công suất bơm. Kết quả này tương đồng với các báo cáo quốc tế về thiết kế hệ thống quang hiện đại.

Ứng dụng EDFA trong mạng quảng bá hình sao và hệ thống SCM/WDM cho thấy tiềm năng lớn trong việc mở rộng dung lượng mạng và nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông. Việc giảm công suất phát yêu cầu đến 20 dB giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí thiết bị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phụ thuộc eSNR vào G, khoảng cách truyền dẫn vào G, công suất bù BER theo khoảng cách và số người sử dụng theo công suất phát, giúp trực quan hóa hiệu quả của các phương án khuếch đại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ưu tiên sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA làm tiền khuếch đại (PA) trong các tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

   • Mục tiêu: Tăng độ nhạy thu, giảm công suất bù BER và kéo dài khoảng cách truyền dẫn.
   • Thời gian: Áp dụng ngay trong các dự án nâng cấp mạng hiện tại.
   • Chủ thể: Các nhà thiết kế và vận hành mạng viễn thông.

2. Tối ưu hệ số khuếch đại G trong khoảng 15-25 dB để tránh bão hòa eSNR và giảm tạp âm ASE

   • Mục tiêu: Cân bằng giữa công suất tín hiệu và tạp âm, đảm bảo chất lượng truyền dẫn.
   • Thời gian: Trong quá trình thiết kế và điều chỉnh hệ thống.
   • Chủ thể: Kỹ sư thiết kế hệ thống và nhà cung cấp thiết bị.

3. Áp dụng kỹ thuật ghép kênh WDM kết hợp SCM trong các mạng quảng bá để tăng số lượng người sử dụng và băng thông

   • Mục tiêu: Tăng dung lượng mạng, giảm công suất phát yêu cầu.
   • Thời gian: Triển khai trong các mạng nội hạt và mạng đô thị.
   • Chủ thể: Nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và các nhà nghiên cứu phát triển mạng.

4. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nguồn bơm EDFA để đảm bảo hiệu suất khuếch đại ổn định

   • Mục tiêu: Giảm thiểu sự biến động công suất và tạp âm, nâng cao độ tin cậy hệ thống.
   • Thời gian: Thiết kế và tích hợp trong các hệ thống mới và nâng cấp.
   • Chủ thể: Nhà sản xuất thiết bị và kỹ thuật viên vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống viễn thông quang

   • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật khuếch đại quang, tối ưu hóa thiết kế tuyến truyền dẫn.
   • Use case: Thiết kế mạng truyền dẫn cáp sợi quang tốc độ cao, đảm bảo chất lượng và hiệu quả kinh tế.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện tử viễn thông

   • Lợi ích: Hiểu rõ cơ sở lý thuyết, mô hình và phương pháp phân tích tạp âm, SNR, BER trong hệ thống quang.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ hoặc tiến sĩ liên quan đến truyền dẫn quang.

3. Nhà cung cấp thiết bị và giải pháp viễn thông

   • Lợi ích: Cập nhật công nghệ khuếch đại quang EDFA, ứng dụng trong mạng lưới thực tế, nâng cao chất lượng sản phẩm.
   • Use case: Phát triển sản phẩm bộ khuếch đại quang, thiết bị mạng quang tích hợp.

4. Quản lý và vận hành mạng viễn thông

   • Lợi ích: Hiểu rõ ảnh hưởng của các tham số kỹ thuật đến hiệu suất mạng, từ đó đưa ra quyết định vận hành và nâng cấp hợp lý.
   • Use case: Giám sát chất lượng mạng, lập kế hoạch bảo trì và mở rộng mạng truyền dẫn.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ khuếch đại quang EDFA hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   EDFA sử dụng sợi quang pha tạp ion Erbium, hoạt động dựa trên quá trình bức xạ kích thích khi ion Erbium được kích thích bởi nguồn bơm quang (980 nm hoặc 1480 nm), tạo ra tín hiệu quang khuếch đại có cùng bước sóng với tín hiệu đầu vào.

2. Tại sao việc đặt EDFA làm tiền khuếch đại (PA) hiệu quả hơn so với làm khuếch đại công suất (BA)?
   Vì PA đặt gần bộ thu giúp giảm tạp âm tích lũy trên tuyến, nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm (eSNR) và giảm công suất bù BER, từ đó tăng độ nhạy thu và khoảng cách truyền dẫn.

3. Hệ số khuếch đại G ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng truyền dẫn?
   G tăng giúp tăng công suất tín hiệu, nhưng khi vượt quá khoảng 15-25 dB, tạp âm ASE cũng tăng theo gây bão hòa eSNR, không cải thiện chất lượng mà còn có thể làm giảm hiệu quả truyền dẫn.

4. Công suất bù BER là gì và tại sao cần tính toán?
   Công suất bù BER là mức công suất cần thiết để duy trì hoặc nâng cao chất lượng truyền dẫn khi yêu cầu tỷ lệ lỗi bit giảm, giúp thiết kế và nâng cấp hệ thống đảm bảo độ tin cậy.

5. Ứng dụng của kỹ thuật SCM trong hệ thống truyền dẫn quang là gì?
   SCM cho phép ghép nhiều sóng mang phụ với khoảng cách kênh nhỏ, tận dụng băng thông hiệu quả hơn so với WDM truyền thống, tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn, đặc biệt phù hợp với các dịch vụ đa phương tiện.

Kết luận

• Bộ khuếch đại quang EDFA là giải pháp hiệu quả để tăng cường tín hiệu trong hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang, giúp mở rộng khoảng cách và nâng cao chất lượng truyền dẫn.
• Việc sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại (PA) được khuyến nghị do ưu điểm vượt trội về tỷ số tín hiệu trên tạp âm và công suất bù BER thấp hơn so với các vị trí khác.
• Hệ số khuếch đại G nên được tối ưu trong khoảng 15-25 dB để tránh bão hòa eSNR và giảm tạp âm ASE.
• Ứng dụng EDFA trong mạng quảng bá hình sao và hệ thống SCM/WDM giúp tăng số lượng người sử dụng và băng thông mạng lên đáng kể, giảm công suất phát yêu cầu đến 20 dB.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, phát triển hệ thống giám sát nguồn bơm EDFA và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các mạng quang thế hệ mới.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư viễn thông nên áp dụng các kết quả và giải pháp trong luận văn để nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành hệ thống truyền dẫn quang, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ khuếch đại quang nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của mạng viễn thông hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I Tổng quan về hệ thống thông tin cáp sợi quang 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang Như chúng ta đã biết môi trường truyền dẫn trong kỹ thuật thông tin có thể là có dây hoặc không dây. Tương ứng với tín hiệu truyền trên các môi trường đó là tín hiệu điện, quang hay sóng điện từ. Trong thông tin cáp sợi quang, thông tin từ nguồn phát được biến đổi thành tín hiệu quang sau đó được truyền trên cáp sợi quang dưới dạng ánh sáng và đến đầu thu thông tin được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Tháng 2/1960 Maiman chế tạo ra Laser Rubi, tháng 6/1960 Javan chế tạo ra Laser He-Ne và năm 1962 Basov, Prokhonov chế tạo ra Laser bán dẫn được ứng dụng trong thông tin cáp sợi quang.

Nhưng các tham số truyền dẫn của môi trường này thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không ổn định. Đến năm 1970 người ta đã chế tạo thành công những sợi quang đầu tiên có độ suy hao nhỏ hơn 20dB/km và cuộc cách mạng công nghệ sợi quang bắt đầu. Năm 1977 hệ thống thông tin quang bắt đầu được dùng cho truyền thoại, truyền số liệu tương tự, điện thoại hình và dịch vụ video. Cùng năm đó hãng NTT công bố loại sợi quang có độ suy hao 0,5dB/km tại bước sóng λ =1200nm.

Năm 1980 và 1982 các hệ thống thông tin đường trục sử dụng cáp 9 sợi quang 45Mbit/s và 90 Mbit/s đã được lắp đặt. Năm 1983 AT&T chế tạo thành công sợi đơn mode. Năm 1985 sản xuất sợi quang công tác tại bước sóng λ =1550nm cùng với việc lắp đặt hệ thống siêu đường trục gồm 8 kênh video/1 sợi và năm 1987 là 16 kênh video/1 sợi, dung lượng hệ thống năm 1986 đã là 560Mbit/s. Cho đến năm 1988 các hệ thống vẫn dựa trên cơ sở ghép kênh không đồng bộ, chủ yếu dựa vào các chuẩn giao tiếp DS-1 và DS-3, chưa có chuẩn giao tiếp quang.

Năm 1989 xuất hiện các chuẩn giao tiếp mạng quang đồng bộ SONET giúp cho việc thiết kế các hệ thống thông tin cáp sợi quang SDH được thuận lợi.2 Cấu trúc của một hệ thống thông tin cáp sợi quang Một tuyến truyền dẫn cáp quang thường bao gồm các phần tử được mô tả như hình 1.1 [43] TÝn hiÖu ®iÖn vµo Bé ph¸t quang Bé nèi Bé chia quang quang M¹ch Nguån ®iÒu ph¸t khiÓn quang Sîi Bé t¸ch hoÆc quang ghÐp quang Tr¹m lÆp KhuyÕch ®¹i quang T¸ch Kh«i sãng phôc quang tÝn hiÖu TÝn hiÖu ®iÖn ra Bé thu quang Hình 1.1 Sơ đồ của một hệ thống thông tin quang 10 Hệ thống thông tin cáp sợi quang có cấu trúc tương tự như các hệ thống thông tin khác gồm : Phần phát, môi trường truyền và phần thu. Với hệ thống thông tin cáp sợi quang thì môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang- có nhiệm vụ truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát đến phía thu. Hiện nay các hệ thống thông tin cáp sợi quang chủ yếu là truyền dẫn tín hiệu số. Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phát quang.

Phần thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu. Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, các trạm lặp, các trạm tách và ghép quang. Các nguồn quang cơ bản sử dụng cho hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là Laser điốt (LD) hoặc điốt phát quang (LED). Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệu điện vào.

Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự. Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng, công suất quang ra phụ thuộc vào biến đổi của cường độ tín hiệu quang. Tín hiệu quang sau khi đã được điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang. Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang sẽ có thể bị suy hao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc.

Độ dài của tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao sợi quang theo bước sóng. Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu. Trạm lặp gồm các thiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện và phát lại quang vào đường truyền tiếp theo. Các trạm lặp có thể được thay thế bằng các bộ khuếch đại quang.

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện. Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc 11 photodiode APD vì chúng có hiệu suất làm việc cao và tốc độ biến đổi nhanh. Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang nhỏ nhất (độ nhạy thu quang) có thể thu được ở một tốc độ bit truyền dẫn tại một tỉ lệ lỗi bit BER nào đó.3 Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang nhìn chung có một số ưu điểm nổi trội sau: Độ rộng băng tần truyền dẫn lớn. Tốc độ truyền dẫn cao.

Suy hao truyền dẫn thấp ( khoảng 0,35- 0,4 dB/km ở bước sóng 1300nm và 0,2-0,25 dB/km ở bước sóng 1500nm). Tín hiệu truyền dẫn trong cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường ngoài. Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao. Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ uốn cong cho phép ghép nhiều sợi trong một lõi cáp và dễ lắp đặt.

Cho phép truyền dẫn khoảng cách lớn hơn các cáp kim loại và khoảng cách trạm lặp được xa hơn. 12 Chương 2 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi Trong hệ thống thông tin cáp sợi quang khoảng cách lớn cần có các bộ lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang- điện và điện – quang. Khi mà tín hiệu quang rất yếu quá mức cho phép, sẽ được các trạm lặp thu lại, biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành xử lý tín hiệu điện này và cuối cùng là thực hiện biến đổi lại tín hiệu điện này thành tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền.

Các trạm lặp này đã được ứng dụng khá rộng rãi và ở hầu hết các tuuyến thông tin quang trong thời gian vừa qua [18]. Trong hơn chục năm trở lại đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà không cần qua quá trình biến đổi về điện nào, đó là kỹ thuật 13 khuếch đại quang. Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế của các trạm lặp như về băng tần, cấu trúc phức tạp, ảnh hưởng của tạp âm điện,. Việc áp dụng các bộ khuếch đại quang còn đưa ra một ý tưởng lớn cho qúa trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển các mạng toàn quang (All- optical networks).

Có nhiều loại khuếch đại quang như: Khuếch đại quang bán dẫn loại hốc cộng hưởng, khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy và khuếch đại quang sợi EDFA,. Trong đó EDFA được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày nay. Do vậy, trong Luận văn này chúng tôi sẽ nêu nguyên tắc hoạt động, các đặc điểm của chủ yếu của EDFA để làm tiền đề cho các nghiên cứu sau này, khi ứng dụng EDFA trong hệ thống thông tin quang.1 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA Trong bộ khuếch đại quang sợi, người ta sử dụng một loại sợi quang được pha chất đặc biệt như Erbium (EDFA), Praseodymium (PDFA),. sợi này được gọi là DF(Doped Fibre) [17].

Các sợi này được xem như là các sợi tích cực vì chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lý của chúng theo sự thay đổi của nhiệt độ, áp suất,. và có tính chất bức xạ ánh sáng. Một tính chất đặc biệt của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có các kích thích phù hợp (hay được cung cấp nguồn bơm phù hợp). Các chất pha tạp để tạo thành sợi DF là các chất đất hiếm (rare earth).

Cơ chế của sợi pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại quang được thể hiện theo mô hình 3 hay là 4 mức: Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên mức có năng lượng cao hơn E2. Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ hoặc nếu như có một mức năng lượng thấp hơn E3 nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó. Từ đây điện tử có thể phân rã xuống 14 mức E1 hoặc E4 thông qua quá trình bức xạ tự phát theo hình vẽ, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích. Nếu thời gian sống ở mức E3 đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xẩy ra nghịch đảo độ tích luỹ.

Đây là điều kiện để có một số các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn mức tới (E1 hoặc E4). Một photon có năng lượng tương đương với sự chênh lệch mức năng lượng giữa mức E3 và E1 (3 mức) hay chênh lệch giữa mức E3 và E4 (4 mức) mà nó va chạm trên môi trường gây ra bức xạ kích thích của các phôton. Trong mô hình trên, tại điều kiện bình thường không có kích thích nào thì hầu hết các điện tử đều nằm trong trạng thái cơ bản E1. Như vậy nó sẽ dễ dàng tạo ra nghịch đảo nồng độ giữa các mức E3 và E4 hơn là giữa E3 và E1.

Vì vậy thông thường các giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn các laser 3 mức. Có nhiều các ion đất hiếm có các dải huỳnh quang vì vậy chúng có khả năng bức xạ kích thích có khả năng được dùng để tạo ra sợi DF – ứng dụng cho khuếch đại quang. Ví dụ như Nd +3 có dải bức xạ ở 1,06 µ m và 1,32 µ m hay chất Er 3+ có dải bức xạ ở 1550nm và 2700nm,.v… Hiện nay các bộ khuếch đại quang pha tạp chất Er 3+ được ứng dụng rộng rãi nên ta sẽ xét các tính chất chủ yếu của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.