Luận văn: Tối ưu khuếch đại EDFA băng C bằng mô hình hóa và thực nghiệm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tối ưu hóa khuếch đại quang sợi pha tạp er edfa cho băng tần c bằng phương pháp mô hình hóa và so, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Thu Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Hội
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Tối Ưu Hóa Khuếch Đại Quang Sợi Pha Tạp Er (EDFA) Cho Băng Tần C Bằng Phương Pháp Mô Hình Hóa Và So Sánh Thực Nghiệm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Mục lục
• 1. Chương 1: Tính chất quang của thuỷ tinh pha tạp đất hiếm
• 1.1. Cấu hình nguyên tử của các ion đất hiếm
• 1.2. Các tính chất cơ bản của ion Er3+
• 1.3. Cấu hình nguyên tử của nguyên tố Erbium
• 1.4. Tiết diện hiệu dụng
• 1.5. Thời gian sống
• 1.6. Độ rộng vạch và sự mở rộng vạch
• 1.7. Phổ hấp thụ và bức xạ của Er3+
• 1.8. Hiệu ứng tương tác Er3+- Er3+
• 1.9. Cơ sở khuếch đại quang sợi pha tạp Er
• 1.10. Hệ phương trình tốc độ
• 1.11. Sự khuếch đại bức xạ tự phát
• 1.12. Hệ phương trình truyền dẫn trong khuếch đại
• 1.13. Các đặc trưng của khuếch đại quang sợi pha tạp Er
• 1.14. Thông số tạp âm (Noise Figure)
• 1.15. Ứng dụng của bộ khuếch đại EDFA trong mạng truyền dẫn quang
• 1.15.1. Bộ khuếch đại công suất
• 1.15.2. Khuếch đại trên tuyến
• 1.15.3. Bộ tiền khuếch đại
• 2. Giới thiệu về mô phỏng và phần mềm mô phỏng
• 2.1. Mô phỏng bộ khuếch đại quang EDFA
• 2.2. Xây dựng hệ phương trình rút gọn
• 2.3. Các thông số đầu vào của bộ khuếch đại EDFA
• 2.4. Kết quả mô phỏng
• 2.4.1. Sự phụ thuộc vào công suất bơm
• 2.4.2. Sự phụ thuộc của chiều dài sợi quang
• 2.4.3. Sự phụ thuộc vào công suất tín hiệu
• 2.4.4. Thông số tạp âm
• 2.4.5. Sự phụ thuộc vào nồng độ
• 2.5. Cấu hình bộ khuếch đại quang EDFA
• 2.5.1. Cấu hình bơm một chiều (đơn công)
• 2.5.2. Cấu hình bơm song công
• 2.5.3. So sánh giữa các cấu hình bơm
• 3. Các kết quả thực nghiệm
• 3.1. Kết quả thí nghiệm
• 3.2. Kết quả khảo sát với EDFA có nồng độ thấp
• 3.3. Kết quả khảo sát với EDFA có nồng độ cao
• 3.4. Khảo sát tạp âm và hệ số tăng ích
• 3.5. Khảo sát phổ ASE và băng tần tăng ích của EDFA
• 3.6. So sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng
• Tài liệu tham khảo
• Mở đầu
• 4. Chương 1: Tính chất quang của thuỷ tinh pha tạp đất hiếm

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Tổng Quan Về EDFA Băng C Tối Ưu Hóa

Thông tin quang sợi đã có những bước phát triển vượt bậc, đặc biệt trong truyền dẫn, đáp ứng nhu cầu về băng thông và chất lượng. Hệ thống thông tin quang có ưu điểm nổi bật so với cáp kim loại như suy hao thấp, dung lượng cao, ít nhiễu và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, sự phát triển của dịch vụ thoại, phi thoại, Internet và các dịch vụ băng thông rộng đặt ra thách thức mới về dung lượng. Kỹ thuật TDM có hạn chế. Công nghệ WDM ghép kênh theo bước sóng trên một sợi quang duy nhất giúp tăng dung lượng mà không cần tăng tốc độ kênh. Khi tín hiệu ánh sáng truyền trong cáp quang sẽ bị suy hao do hấp thụ, biến dạng. Cần khuếch đại năng lượng ở những khoảng cách nhất định để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh. Trước đây, người ta dùng bộ khuếch đại lặp bằng biến đổi tín hiệu quang thành điện, khuếch đại và biến đổi ngược lại. Việc này tạo ra tắc nghẽn và hạn chế độ rộng băng tần lớn. Với công nghệ WDM, việc khuếch đại tín hiệu bằng quang điện tử gặp nhiều khó khăn về giá thành và kỹ thuật khi lắp ráp và điều khiển các bộ tách và ghép kênh. Vì vậy, người ta tìm cách tạo ra thiết bị khuếch đại quang trực tiếp bằng linh kiện quang. Sợi quang pha tạp đất hiếm có khả năng khuếch đại quang trực tiếp trên đường truyền. Trong đó, sợi quang pha tạp Erbium (Er) được nghiên cứu nhiều. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er có khả năng bù suy hao trong các khoảng cách lớn hơn 100km. Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Er (EDFA) được nghiên cứu thành công năm 1987 và trở thành thương phẩm năm 1990. Năm 1991, lần đầu tiên hệ thống thông tin quang có EDFA được thử nghiệm truyền tín hiệu số có tốc độ 2,5Gbit/s trên khoảng cách 21000km và 5Gbit/s trên khoảng cách 14300km. Việc nghiên cứu các thông số đặc trưng của EDFA sẽ giúp chúng ta lựa chọn chính xác các sản phẩm của các nhà cung cấp, tối ưu hóa được mạng lưới, nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp, cũng như giảm được chi phí trong việc chế tạo EDFA và xây dựng hệ thống truyền dẫn. Các nhà nghiên cứu EDFA về lý thuyết tập trung vào nghiên cứu nguyên lý khuếch đại sử dụng hệ nhiều mức hoặc nghiên cứu các hệ thống trong đó có EDFA. Bộ khuếch đại EDFA có khả năng tạo ra hiệu ứng khuếch đại ở vùng bước sóng 1550nm. Các thông số quan trọng nhất của khuếch đại có thể kể đến ở đây là hệ số khuếch đại G, băng tần khuếch đại Δω, thông số tạp âm NF (Noise Figure) và công suất ra bão hòa Ps, nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) của bộ khuếch đại. Phổ công suất ASE cung cấp các thông tin hữu ích về các đặc tính hoạt động của EDFA ở các chế độ bơm, công suất tín hiệu và nồng độ pha tạp Er khác nhau. NF đặc trưng cho phép đo sự suy giảm SNR từ đầu vào đến đầu ra của hệ thống. Chính vì vậy, việc khảo sát các thông số này trên cơ sở mô phỏng hoạt động của EDFA góp phần quan trọng trong việc nghiên cứu phân tích hệ thống cũng như các ứng dụng trong hệ thống. Từ đó ta hoàn toàn có thể dự đoán và hạn chế những ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu truyền dẫn. Luận văn này tập trung vào mô phỏng EDFA với sơ đồ hệ thống khuếch đại với 3 mức năng lượng nhưng đã được rút gọn thành hệ 2 mức, với tín hiệu khuếch đại ở bước sóng 1550nm, tín hiệu bơm ở bước sóng 980nm; khảo sát các đặc trưng khuếch đại, nhiễu trong EDFA và ảnh hưởng của các thông số như chiều dài của sợi quang, nồng độ pha tạp Er trong sợi và công suất tín hiệu bơm, tín hiệu cần khuếch đại lên các đặc trưng của EDFA. Mặt khác, luận văn cũng đã tiến hành đo đạc trong phòng thí nghiệm, tính toán và đưa ra một số kết quả thực nghiệm về các thông số quan trọng của EDFA như: hệ số khuếch đại, nhiễu tạp âm NF, công suất ASE phát sinh trong quá trình khuếch đại quang, từ đó đưa ra một số tính toán thiết kế tối ưu cho các hệ thống thông tin sử dụng EDFA. Phương pháp nghiên cứu của luận văn là lý thuyết mô phỏng kết hợp với kết quả thực nghiệm, để có thể so sánh và kiểm chứng lý thuyết về bộ khuếch đại trong các hệ thống thông tin quang thực tế. Chương trình mô phỏng thực hiện trên máy tính sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab. Đây là một phần mềm chuyên dụng rất mạnh trong lĩnh vực mô phỏng, thực hiện mô phỏng sơ đồ hệ năng lượng 2 mức của khuếch đại, quá trình hấp thụ và bức xạ tại mức 1 và 2, với thời gian chuyển mức năng lượng tương đối nhỏ cho phép tính toán, xử lý và khảo sát các thông số của bộ khuếch đại quang EDFA: Công suất tín hiệu lối ra, hệ số khuyếch đại của EDFA, phổ công suất ASE, và thông số tạp âm NF.

1.1. Ứng Dụng Thực Tế Của EDFA trong Truyền Dẫn Quang

Việc nghiên cứu các thông số đặc trưng của EDFA sẽ giúp chúng ta lựa chọn chính xác các sản phẩm của các nhà cung cấp, tối ưu hóa được mạng lưới, nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp, cũng như giảm được chi phí trong việc chế tạo EDFA và xây dựng hệ thống truyền dẫn. Các nhà nghiên cứu EDFA về lý thuyết tập trung vào nghiên cứu nguyên lý khuếch đại sử dụng hệ nhiều mức hoặc nghiên cứu các hệ thống trong đó có EDFA. Bộ khuếch đại EDFA có khả năng tạo ra hiệu ứng khuếch đại ở vùng bước sóng 1550nm.

1.2. Tầm Quan Trọng Của EDFA Trong Mạng WDM Hiện Đại

Với công nghệ WDM, việc khuếch đại tín hiệu bằng quang điện tử gặp nhiều khó khăn về giá thành và kỹ thuật khi lắp ráp và điều khiển các bộ tách và ghép kênh. Vì vậy, người ta tìm cách tạo ra thiết bị khuếch đại quang trực tiếp bằng linh kiện quang. Sợi quang pha tạp đất hiếm có khả năng khuếch đại quang trực tiếp trên đường truyền. Trong đó, sợi quang pha tạp Erbium (Er) được nghiên cứu rất nhiều. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er có khả năng bù suy hao trong các khoảng cách lớn hơn 100km.

II. Thách Thức Vấn Đề Trong Tối Ưu EDFA Băng C

Khi tín hiệu ánh sáng truyền trong cáp quang sẽ bị suy hao do nhiều nguyên nhân như sự hấp thụ ánh sáng trong sợi, ánh sáng đi ra khỏi sợi do biến dạng ở các đoạn cong. Nên ta phải khuếch đại năng lượng cho nó ở những khoảng cách nhất định để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh đến nơi thu. Trươc đây, người ta thường sử dụng các bộ khuếch đại lặp bằng các biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, tín hiệu điện được khuếch đại và biến đổi ngược thành tín hiệu quang để truyền đi. Việc biến đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang thường tạo ra tắc nghẽn trong sợi quang và làm hạn chế độ rộng băng tần lớn chất lượng của tín hiệu được truyền đi. Với công nghệ WDM, việc khuếch đại tín hiệu dùng các bộ khuếch đại lặp bằng quang điện tử gặp rất nhiều khó khăn về giá thành và kỹ thuật khi lắp ráp và điều khiển các bộ tách và ghép các kênh truyền tại các bộ khuếch đại lặp. Vì vậy người ta tìm cách để tạo ra các thiết bị có khả năng khuếch đại quang trực tiếp bằng các linh kiện quang. Sợi quang pha tạp đất hiếm có khả năng khuếch đại quang trực tiếp trên đường truyền. Trong đó, sợi quang pha tạp Erbium (Er) được nghiên cứu rất nhiều. Khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Er có khả năng bù suy hao trong các khoảng cách lớn hơn 100km. Các thông số quan trọng nhất của khuếch đại có thể kể đến ở đây là hệ số khuếch đại G, băng tần khuếch đại Δω, thông số tạp âm NF (Noise Figure) và công suất ra bão hòa Ps, nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) của bộ khuếch đại.

2.1. Ảnh Hưởng Của Nhiễu ASE Đến Hiệu Suất EDFA

Phổ công suất ASE cung cấp các thông tin hữu ích về các đặc tính hoạt động của EDFA ở các chế độ bơm, công suất tín hiệu và nồng độ pha tạp Er khác nhau. NF đặc trưng cho phép đo sự suy giảm SNR từ đầu vào đến đầu ra của hệ thống. Viêc khuếch đại tạp âm trở thành một thách thức. Cần thiết kế EDFA có chỉ số nhiễu thấp. Phân tích ảnh hưởng nhiễu là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống WDM.

2.2. Giới Hạn Bởi Độ Rộng Băng Tần Khuếch Đại EDFA

Việc khai thác tối đa băng thông băng C (1530-1565nm) là một thách thức. Băng thông khuếch đại có giới hạn. Do đó, việc tối ưu các thông số để tăng độ rộng băng thông rất quan trọng để hỗ trợ nhiều kênh WDM hơn.

2.3. Khó Khăn Trong Việc Duy Trì Độ Phẳng Tăng Ích

Tăng ích không phẳng trên toàn bộ băng tần. Cần các kỹ thuật cân bằng tăng ích để đảm bảo tín hiệu các kênh WDM có cùng công suất tại đầu ra.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Thực Nghiệm EDFA Băng C

Luận văn này tập trung vào mô phỏng EDFA với sơ đồ hệ thống khuếch đại với 3 mức năng lượng nhưng đã được rút gọn thành hệ 2 mức, với tín hiệu khuếch đại ở bước sóng 1550nm, tín hiệu bơm ở bước sóng 980nm; khảo sát các đặc trưng khuếch đại, nhiễu trong EDFA và ảnh hưởng của các thông số như chiều dài của sợi quang, nồng độ pha tạp Er trong sợi và công suất tín hiệu bơm, tín hiệu cần khuếch đại lên các đặc trưng của EDFA. Phương pháp nghiên cứu của luận văn là lý thuyết mô phỏng kết hợp với kết quả thực nghiệm, để có thể so sánh và kiểm chứng lý thuyết về bộ khuếch đại trong các hệ thống thông tin quang thực tế. Chương trình mô phỏng thực hiện trên máy tính sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab. Đây là một phần mềm chuyên dụng rất mạnh trong lĩnh vực mô phỏng, thực hiện mô phỏng sơ đồ hệ năng lượng 2 mức của khuếch đại, quá trình hấp thụ và bức xạ tại mức 1 và 2, với thời gian chuyển mức năng lượng tương đối nhỏ cho phép tính toán, xử lý và khảo sát các thông số của bộ khuếch đại quang EDFA: Công suất tín hiệu lối ra, hệ số khuyếch đại của EDFA, phổ công suất ASE, và thông số tạp âm NF.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học EDFA Với Phương Trình Tốc Độ

Mô hình hóa EDFA dựa trên phương trình tốc độ cho phép dự đoán hiệu suất. Mô hình hóa giúp nghiên cứu quá trình hấp thụ và phát xạ. Mô hình 3 mức năng lượng được rút gọn về 2 mức để đơn giản hóa. Các thông số quan trọng như thời gian sống, tiết diện hiệu dụng được đưa vào mô hình.

3.2. Sử Dụng Phần Mềm Matlab Để Mô Phỏng Hoạt Động EDFA

Phần mềm Matlab dùng để giải hệ phương trình vi phân mô tả EDFA. Matlab cho phép khảo sát ảnh hưởng các thông số khác nhau. Chương trình mô phỏng cho phép thay đổi chiều dài sợi, công suất bơm, nồng độ Erbium để tối ưu hóa hiệu suất.

3.3. Thực Nghiệm Đo Đạc Kiểm Chứng Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng cần được so sánh với thực nghiệm. Thực nghiệm giúp kiểm chứng độ chính xác của mô hình. Các thông số như hệ số khuếch đại, chỉ số tạp âm được đo đạc trong phòng thí nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng.

IV. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Thực Nghiệm Tối Ưu EDFA

Với c¸c th«ng sè nh− trªn, kÕt qu¶ m« pháng cho thÊy: H×nh 3.1: C«ng suÊt tÝn hiÖu vµ c«ng suÊt b¬m t¹i lèi ra cña EDFA cã chiÒu dµi sîi lµ 10m. KÕt qu¶ tÝnh to¸n thùc hiÖn víi c«ng suÊt b¬m lµ 30 mW, c«ng suÊt tÝn hiÖu lµ 0.001mW, chiÒu dµi sîi quang lµ 10m.1 biÓu diÔn c«ng suÊt tÝn hiÖu vµ c«ng suÊt b¬m cña bé khuÕch ®¹i cã chiÒu dµi 10m . Ta thÊy c«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra cã d¹ng t¨ng vät do ®−îc khuÕch ®¹i qua ®o¹n sîi quang sö dông trong bé khuÕch ®¹i. Trong khi ®ã, c«ng suÊt b¬m gi¶m dÇn däc theo chiÒu dµi sîi quang do qu¸ tr×nh truyÒn trong sîi bÞ hÊp thô.2 ®−a ra h×nh ¶nh hÖ sè khuÕch ®¹i G. Ta thÊy hÖ sè khuÕch ®¹i cña EDFA còng t¨ng lªn däc theo chiÒu dµi cña sîi quang. KÕt qu¶ t¹i lèi ra víi G = 39,862 dB vµ gi¸ trÞ th«ng sè t¹p ©m NF = 8,7 dB.Ch−¬ng tr×nh m« pháng còng ®· thùc hiÖn tÝnh to¸n vµ biÓu diÔn phæ c«ng suÊt ASE. H×nh ¶nh phæ c«ng suÊt ASE ®−îc m« t¶ trªn h×nh 3. D¹ng phæ ASE phô thuéc theo c«ng suÊt b¬m vµo, ®Æc biÖt lµ t¹i vÞ trÝ b−íc sãng 1530nm. Ban ®Çu khi nghÞch ®¶o ®é tÝch luü cßn yÕu th× ®Ønh phæ ASE t¹i b−íc sãng 1530nm rÊt thÊp do x¸c suÊt hÊp thô vµ bøc x¹ lµ gÇn nh− nhau (theo phæ hÊp thô vµ bøc x¹ cña ion Er). Khi ®é tÝch luü ngµy cµng t¨ng lªn vµ ®¹t tíi chÕ ®é b·o hoµ th× ®Ønh phæ ASE t¹i vÞ trÝ b−íc sãng 1530 sÏ cao dÇn lªn vµ khi tíi chÕ ®é b·o hoµ th× nã ®¹t cùc ®¹i t¹i vÞ trÝ cao nhÊt. §iÒu nµy lµ do t¹i chÕ ®é b·o hoµ, x¸c suÊt bøc x¹ t¹i b−íc sãng 1530 lµ lín nhÊt.

4.1. Ảnh Hưởng Của Công Suất Bơm Đến Hệ Số Khuếch Đại

Thông thường tín hiệu cần khuếch đại có cường độ nhỏ. Trên lý thuyết, cường độ tín hiệu nhỏ sẽ cho tăng ích rất cao. Tuy nhiên cường độ tín hiệu vẫn phải lớn hơn một giá trị giới hạn nào đó tức là nó phải đủ lớn so với nhiễu nền. Khi cho tín hiệu vào và tăng dần công suất bơm theo các giá trị 25, 30, 35, và 40 mW, công suất tín hiệu thu được tại lối ra tăng dần. Hình vẽ 3.4 dưới đây, biểu thị hệ số khuếch đại trên cùng 1 loại sợi nhưng có công suất bơm vào khác nhau nên có hệ số khuếch đại khác nhau. Khi công suất bơm tăng, hệ số khuếch đại của tín hiệu và công suất ASE tăng. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết.

4.2. Chiều Dài Sợi Quang Tối Ưu Cho Khuếch Đại

Từ kết quả thu được, với một loại sợi có cung thông số nhưng khảo sát trên các chiều dài khác nhau, công suất tín hiệu lối ra là khác nhau. Ta thấy với độ dài sợi cỡ từ 8-9m sẽ cho tín hiệu lối ra có công suất lớn nhất so với sợi có chiều dài là 10m và 20m (các sợi có cùng một đặc điểm, cấu trúc) và hệ số khuếch đại tín hiệu thu được cũng là lớn nhất: Với sợi có độ dài 8m, công suất tín hiệu thu được tại lối ra là khoảng 0,012mW trong khi với sợi có độ dài 20m thì giá trị tín hiệu lối ra nhỏ hơn rất nhiều nhưng giá trị cực đại của tín hiệu lối ra cũng đạt được tại giá trị khoảng 8- 9m.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về EDFA

Kết luận: Đánh giá lại những thành công và những hạn chế. Nêu bật các kết quả chính đạt được trong luận văn, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất, mô hình và phương pháp thực nghiệm đã được kiểm chứng. Hướng nghiên cứu tương lai: Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa EDFA, ví dụ: sử dụng các vật liệu pha tạp mới, kỹ thuật điều khiển công suất bơm tiên tiến, phát triển các cấu trúc EDFA mới để tăng độ rộng băng thông.

5.1. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Mới Về Vật Liệu Pha Tạp

Đề xuất sử dụng các vật liệu pha tạp mới thay vì Erbium. Các vật liệu mới có thể có hiệu suất khuếch đại cao hơn. Phân tích ưu và nhược điểm của các vật liệu pha tạp mới.

5.2. Phát Triển Kỹ Thuật Điều Khiển Bơm Tiên Tiến

Nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển công suất bơm để cải thiện hiệu suất. Kỹ thuật điều khiển bơm giúp duy trì độ phẳng tăng ích và giảm nhiễu. So sánh các kỹ thuật điều khiển bơm khác nhau.

5.3. Thiết Kế Cấu Trúc EDFA Mới Tăng Băng Thông

Đề xuất các cấu trúc EDFA mới để tăng độ rộng băng thông. Các cấu trúc mới có thể hỗ trợ nhiều kênh WDM hơn. Phân tích ưu và nhược điểm của các cấu trúc EDFA mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

§¹i häc quèc gia Hµ Néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ NguyÔn thu trang Tèi −u hãa khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er (EDFA) cho b¨ng tÇn C b»ng ph−¬ng ph¸p m« h×nh ho¸ vμ so s¸nh thùc nghiÖm LuËn v¨n th¹c sÜ Hµ Néi – 2005 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] §¹i häc quèc gia Hµ Néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ NguyÔn thu trang Tèi −u hãa khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er (EDFA) cho b¨ng tÇn C b»ng ph−¬ng ph¸p m« h×nh ho¸ vμ so s¸nh thùc nghiÖm Ngµnh : §iÖn Tö ViÔn Th«ng Chuyªn ngµnh : Kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn tö vµ th«ng tin liªn l¹c M· sè: 2.00 LuËn v¨n th¹c sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS. Ph¹m v¨n Héi Hµ Néi, 3 – 2005 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Môc lôc Lêi c¶m ¬n Môc lôc.4 Ch−¬ng 1: TÝnh chÊt quang cña thuû tinh pha t¹p ®Êt hiÕm. CÊu h×nh nguyªn tö cña c¸c ion ®Êt hiÕm. C¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n cña ion Er3+.

CÊu h×nh nguyªn tö cña nguyªn tè Erbium. TiÕt diÖn hiÖu dông. Thêi gian sèng. §é réng v¹ch và sù më réng v¹ch.

Phæ hÊp thô vµ bøc x¹ cña Er3+. HiÖu øng t−¬ng t¸c Er3+- Er3+. C¬ së khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er. HÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é.

Sù khuÕch ®¹i bøc x¹ tù ph¸t. HÖ ph−¬ng tr×nh truyÒn dÉn trong khuÕch ®¹i. C¸c ®Æc tr−ng cña khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er. Th«ng sè t¹p ©m (Noise Figure).

øng dông cña bé khuÕch ®¹i EDFA trong m¹ng truyÒn dÉn quang. Bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt. KhuÕch ®¹i trªn tuyÕn. Bé tiÒn khuÕch ®¹i.40 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Giíi thiÖu vÒ m« pháng vµ phÇn mÒm m« pháng. M« pháng bé khuÕch ®¹i quang EDFA. X©y dùng hÖ ph−¬ng tr×nh rót gän. C¸c th«ng sè ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i EDFA.

KÕt qu¶ m« pháng. Sù phô thuéc vµo c«ng suÊt b¬m. Sù phô thuéc cña chiÒu dµi sîi quang. Sù phô thuéc vµo c«ng suÊt tÝn hiÖu.

Th«ng sè t¹p ©m. Sù phô thuéc vµo nång ®é. CÊu h×nh bé khuÕch ®¹i quang EDFA. CÊu h×nh b¬m mét chiÒu (®¬n c«ng).

CÊu h×nh b¬m song c«ng. So s¸nh gi÷a c¸c cÊu h×nh b¬m. C¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm.

KÕt qu¶ kh¶o s¸t víi EDFA cã nång ®é thÊp. KÕt qu¶ kh¶o s¸t víi EDFA cã nång ®é cao. Kh¶o s¸t t¹p ©m vµ hÖ sè t¨ng Ých. Kh¶o s¸t phæ ASE vµ b¨ng tÇn t¨ng Ých cña EDFA.

So s¸nh kÕt qu¶ thùc nghiÖm víi m« pháng.71 Tµi liÖu tham kh¶o.75 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Më ®Çu Th«ng tin quang sîi ®· cã nh÷ng b−íc ph¸t triÓn nh¶y vät trong vµi thËp kØ gÇn ®©y vµ cã nh÷ng t¸c ®éng m¹nh mÏ trong nhiÒu mÆt cña kü thuËt viÔn th«ng. §Æc biÖt lµ trong truyÒn dÉn, th«ng tin sîi quang ®ãng mét vai trß chñ ®¹o ®¸p øng ®−îc nhu cÇu vÒ b¨ng th«ng, còng nh− ®¶m b¶o ®−îc nh÷ng yªu cÇu vÒ chÊt l−îng truyÒn dÉn. C¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã −u ®iÓm næi bËt so víi th«ng tin c¸p kim lo¹i th−êng nh− suy hao truyÒn dÉn thÊp, dung l−îng truyÒn cao, Ýt bÞ ¶nh h−ëng nhiÔu tõ bªn ngoµi vµ cã ®é tin cËy vµ kh¶ n¨ng b¶o mËt th«ng tin cao lµ sù hÊp dÉn m¹nh c¸c nhµ khai th¸c viÔn th«ng, c¸c nhµ khoa häc. Tuy nhiªn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, tr−íc sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c¸c dÞch vô tho¹i, phi tho¹i mµ ®Æc biÖt lµ Internet vµ c¸c dÞch vô b¨ng th«ng réng kh¸c nhau, nhu cÇu vÒ b¨ng th«ng ®èi víi tõng thuª bao t¨ng lªn, t¹o ra mét sù bïng næ vÒ dung l−îng.

§iÒu nµy ®Æt lªn vai nh÷ng nhµ cung cÊp dÞch vô ®−êng trôc nh÷ng th¸ch thøc míi. ViÖc sö dông kÜ thuËt TDM ®Ó n©ng cao dung l−îng ®−êng truyÒn còng lµ mét kh¶ n¨ng cã thÓ ®¸p øng ®−îc phÇn nµo song nã còng gÆp ph¶i nh÷ng h¹n chÕ do b¶n th©n kÜ thuËt nµy g©y ra. Mét lùa chän kh¸c cho c¸c nhµ cung cÊp ®Ó t¨ng dung l−îng cña hÖ thèng th«ng tin ®ã lµ sö dông c«ng nghÖ truyÒn dÉn quang ghÐp kªnh theo b−íc sãng trªn mét sîi quang (WDM). Kü thuËt nµy thùc hiÖn viÖc ghÐp c¸c tÝn hiÖu quang cã b−íc sãng kh¸c nhau vµ truyÒn ®i trªn mét sîi quang duy nhÊt, v× thÕ cã thÓ t¨ng dung l−îng truyÒn dÉn mµ kh«ng cÇn ph¶i t¨ng tèc ®é cña tõng kªnh trªn mçi b−íc sãng.

Khi tÝn hiÖu ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn trong c¸p quang sÏ bÞ suy hao do nhiÒu nguyªn nh©n nh− sù hÊp thô ¸nh s¸ng trong sîi, ¸nh s¸ng ®i ra khái sîi do biÕn d¹ng ë c¸c ®o¹n cong. nªn ta ph¶i khuÕch ®¹i n¨ng l−îng cho nã ë nh÷ng kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh ®Ó ®¶m b¶o tÝn hiÖu ®ñ m¹nh ®Õn n¬i thu. Tr−íc ®©y, ng−êi ta th−êng sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp b»ng c¸c biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, tÝn hiÖu ®iÖn ®−îc khuÕch ®¹i vµ biÕn ®æi ng−îc thµnh tÝn hiÖu quang ®Ó truyÒn ®i. ViÖc biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn thµnh d¹ng tÝn hiÖu quang th−êng t¹o ra t¾c nghÏn trong sîi quang vµ lµm h¹n chÕ ®é réng b¨ng tÇn lÊn chÊt l−îng cña tÝn hiÖu ®−îc truyÒn ®i Víi c«ng nghÖ WDM, viÖc khuÕch ®¹i tÝn hiÖu dïng c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp b»ng TIEU LUAN MOI download : [e-mail] quang ®iÖn tö gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n vÒ gi¸ thµnh vµ kü thuËt khi l¾p r¸p vµ ®iÒu khiÓn c¸c bé t¸ch vµ ghÐp c¸c kªnh truyÒn t¹i c¸c bé khuÕch ®¹i lÆp.

V× vËy ng−êi ta t×m c¸ch ®Ó t¹o ra c¸c thiÕt bÞ cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i quang trùc tiÕp b»ng c¸c linh kiÖn quang. Sîi quang pha t¹p ®Êt hiÕm cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i quang trùc tiÕp trªn ®−êng truyÒn. Trong ®ã, sîi quang pha t¹p Erbium (Er) ®−îc nghiªn cøu rÊt nhiÒu. KhuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p ®Êt hiÕm Er cã kh¶ n¨ng bï suy hao trong c¸c kho¶ng c¸ch lín h¬n 100km.

Bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Er (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) ®−îc nghiªn cøu thµnh c«ng trong phßng thÝ nghiÖm n¨m 1987 vµ trë thµnh th−¬ng phÈm n¨m 1990. N¨m 1991, lÇn ®Çu tiªn hÖ thèng th«ng tin quang cã EDFA ®−îc thö nghiÖm truyÒn tÝn hiÖu sè cã tèc ®é 2,5Gbit/s trªn kho¶ng c¸ch 21000km vµ 5Gbit/s trªn kho¶ng c¸ch 14300km. ViÖc nghiªn cøu c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cña EDFA sÏ gióp chóng ta lùa chän chÝnh x¸c c¸c s¶n phÈm cña c¸c nhµ cung cÊp, tèi −u hãa ®−îc m¹ng l−íi, n©ng cao chÊt l−îng dÞch vô cung cÊp, còng nh− gi¶m ®−îc chi phÝ trong viÖc chÕ t¹o EDFA vµ x©y dùng hÖ thèng truyÒn dÉn. C¸c nhµ nghiªn cøu EDFA vÒ lý thuyÕt tËp trung vµo nghiªn cøu nguyªn lý khuÕch ®¹i sö dông hÖ nhiÒu møc hoÆc nghiªn cøu c¸c hÖ thèng trong ®ã cã EDFA.

Bé khuÕch ®¹i EDFA cã kh¶ n¨ng t¹o ra hiÖu øng khuÕch ®¹i ë vïng b−íc sãng 1550nm. C¸c th«ng sè quan träng nhÊt cña khuÕch ®¹i cã thÓ kÓ ®Õn ë ®©y lµ hÖ sè khuÕch ®¹i G, b¨ng tÇn khuÕch ®¹i Δω (hoÆc Δλ), th«ng sè t¹p ©m NF (Noise Figure) vµ c«ng suÊt ra b·o hoµ Ps, nhiÔu ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i ASE (Amplified Spontaneous Emission) cña bé khuÕch ®¹i. Phæ c«ng suÊt ASE cung cÊp c¸c th«ng tin h÷u Ých vÒ c¸c ®Æc tÝnh ho¹t ®éng cña EDFA ë c¸c chÕ ®é b¬m, c«ng suÊt tÝn hiÖu vµ nång ®é pha t¹p Er kh¸c nhau. NF ®Æc tr−ng cho phÐp ®o sù suy gi¶m SNR tõ ®Çu vµo ®Õn ®Çu ra cña hÖ thèng.

ChÝnh v× vËy, viÖc kh¶o s¸t c¸c th«ng sè nµy trªn c¬ së m« pháng ho¹t ®éng cña EDFA gãp phÇn quan träng trong viÖc nghiªn cøu ph©n tÝch hÖ thèng còng nh− c¸c øng dông trong hÖ thèng. Tõ ®ã ta hoµn toµn cã thÓ dù ®o¸n vµ h¹n chÕ nh÷ng ¶nh h−ëng cña nhiÔu lªn tÝn hiÖu truyÒn dÉn. LuËn v¨n nµy tËp trung vµo m« pháng EDFA víi s¬ ®å hÖ thèng khuÕch ®¹i víi 3 møc n¨ng l−îng nh−ng ®· ®−îc rót gän thµnh hÖ 2 møc, víi tÝn hiÖu khuÕch ®¹i ë b−íc sãng 1550nm, tÝn hiÖu b¬m ë b−íc sãng 980nm; kh¶o s¸t c¸c ®Æc tr−ng khuÕch ®¹i, nhiÔu trong EDFA vµ ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè nh− chiÒu dµi cña sîi TIEU LUAN MOI download : [e-mail] quang, nång ®é pha t¹p Er trong sîi vµ c«ng suÊt tÝn hiÖu b¬m, tÝn hiÖu cÇn khuÕch ®¹i lªn c¸c ®Æc tr−ng cña EDFA. MÆt kh¸c, luËn v¨n còng ®· tiÕn hµnh ®o ®¹c trong phßng thÝ nghiÖm, tÝnh to¸n vµ ®−a ra mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm vÒ c¸c th«ng sè quan träng cña EDFA nh−: hÖ sè khuÕch ®¹i, nhiÔu t¹p ©m NF, c«ng suÊt ASE ph¸t sinh trong qu¸ tr×nh khuÕch ®¹i quang, tõ ®ã ®−a ra mét sè tÝnh to¸n thiÕt kÕ tèi −u cho c¸c hÖ thèng th«ng tin sö dông EDFA.

Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu cña luËn v¨n lµ lý thuyÕt m« pháng kÕt hîp víi kÕt qu¶ thùc nghiÖm, ®Ó cã thÓ so s¸nh vµ kiÓm chøng lý thuyÕt vÒ bé khuÕch ®¹i trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang thùc tÕ. Ch−¬ng tr×nh m« pháng thùc hiÖn trªn m¸y tÝnh sö dông phÇn mÒm m« pháng Matlab. §©y lµ mét phÇn mÒm chuyªn dông rÊt m¹nh trong lÜnh vùc m« pháng, thùc hiÖn m« pháng s¬ ®å hÖ n¨ng l−îng 2 møc cña khuÕch ®¹i, qu¸ tr×nh hÊp thô vµ bøc x¹ t¹i møc 1 vµ 2, víi thêi gian chuyÓn møc n¨ng l−îng t−¬ng ®èi nhá cho phÐp tÝnh to¸n, xö lý vµ kh¶o s¸t c¸c th«ng sè cña bé khuÕch ®¹i quang EDFA: C«ng suÊt tÝn hiÖu lèi ra, hÖ sè khuyÕch ®¹i cña EDFA, phæ c«ng suÊt ASE, vµ th«ng sè t¹p ©m NF. Néi dung cña luËn v¨n ®−îc cÊu tróc lµm 4 ch−¬ng.

Ch−¬ng 1 giíi thiÖu vÒ tÝnh chÊt quang cña thñy tinh pha t¹p ®Êt hiÕm víi mét lo¹i nguyªn tè ®Êt hiÕm ®iÓn h×nh ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c bé khuÕch ®¹i quang lµ Erbium. Ch−¬ng 2 tr×nh bµy vÒ bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium (EDFA), nguyªn lý ho¹t ®éng vµ c¸c ®Æc tr−ng cña nã, ®ång thêi x©y dùng hÖ ph−¬ng tr×nh tèc ®é lµm c¬ së ®Ó x©y dùng ch−¬ng tr×nh m« pháng thùc hiÖn trong ch−¬ng 3 vµ c¸c øng dông cña bé EDFA trong hÖ thèng th«ng tin. Ch−¬ng 3 x©y dùng ch−¬ng tr×nh m« pháng EDFA dùa vµo viÖc gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n rót gän tõ hÖ 3 møc trong ch−¬ng 2. LuËn v¨n còng tiÕn hµnh x©y dùng mét giao diÖn ®Ó thuËn lîi h¬n trong viÖc øng dông bé EDFA trong c¸c phßng thÝ nghiÖm.

Tõ nh÷ng kÕt qu¶ thu ®−îc cã thÓ ®¸nh gi¸ vµ ®−a ra c¸c ®iÒu kiÖn tèi −u cña EDFA. Ch−¬ng 4 KÕt qu¶ kh¶o s¸t c¸c th«ng sè vµ ®Æc tr−ng cña EDFA trong thùc nghiÖm. Tõ nh÷ng kÕt qu¶ nµy tiÕn hµnh so s¸nh víi kÕt qu¶ m« pháng ®Ó kiÓm chøng kÕt qu¶ lý thuyÕt. Tuy nhiªn trong khu«n khæ h¹n chÕ cña ®Ò tµi, cÊu h×nh cña TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.