Đề tài Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem

ống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do: - Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênh khác. Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suất trong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận. - Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộ lọc. - Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode. Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suất     (2.2) )(log10 (2.1) )( log10 DEMUXdB I O L MUXdB I O L ii i i ii i i       Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 21 quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác cũng như vậy. Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng i sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng i. Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của một thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Trong bộ giải ghép thì Ui(k) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng k bị dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng i, hình 2.8a. Trong các thiết bị tách hỗn hợp như hình 2.8b có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên âm đầu gần và xuyên âm đầu xa.  dB I U D ki ki ii        )( )( log10)(    MUX Sợi quang I(i) ...I(k) Oi(i) ...Ui(k) Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ giải ghép Ui(k)+Ui(j ) I(i)...I(k) Ii(i) Oi(j ) Sợi quang Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 22 - Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(j). - Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ Ii(k) sinh ra Ui(j). 1.5.3. Độ rộng kênh Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống WDM là có thể sử dụng bao nhiêu bước và việc phân chia bước sóng như thế nào. Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sủ dụng bước sóng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA. Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp EDFA khoản 30nm. Nếu ta muốn xếp khoảng 16 kênh trong dải bước sóng này thì độ rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm. Độ rộng kênh là tiêu chuẩn trong miền tần số hơn là bước sóng. Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng: Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.108 m/s.  là bước sóng hoạt động. Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ 250GHz. Vậy độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang. Dải bước sóng C của các bộ khuếch đại EDFA là 1530-1550nm. Nếu nguồn phát thứ nhất phát xạ tại 1530, thì nguồn phát thứ hai phải phát xạ tại 1531,875nm và các nguồn phát khác tương tự. Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm. Đối với nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn từ 10 đến 20 lần LD vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn. 22    cfc d df c f cf       (2.4) Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 23 1.5.4. Ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất tín hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn của hệ thống WDM thì mức công suất này thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh. Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thể chia thành hai loại là hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ). a. Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS: - Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống. - Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có hiện tượng như SRS nhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau chiều tán xạ. Ảnh hưởng càn lớn thì ngưỡng công suất càng thấp. b. Hiệu ứng Kerr: Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM: - Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự biến pha của sóng quang. Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ tần dãn rộng và tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang càng lớn. - Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa là trong hệ thống nhiều bước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha của tín hiệu bị điều chế bởi công suất của kênh khác. - Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quang truyền dẫn hồn hợp trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên nhiễu làm hạn chế số bước sóng được sử dụng. Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây các hiện Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 24 tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm t số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. 1.6. Cấu trúc mạng truyền tải quang 1.6.1. Cấu trúc mạng Ring Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring Các node chỉ liên kết vật lý trực tiếp với hai node gần nhau Kết nối này thuận lợi cho việc bảo dưỡng, hiệu năng cao ,chi phí thấp, sử dụng phần tử mạng một cách hiệu quả 1.6.2. Cấu trúc mạng Mesh Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh Các node liên kết vật lý trực tiếp với tất cả node gần nó Cung cấp nhiều khả năng định tuyến Cấu trúc có độ tin cậy cao nhưng kết cấu phức tạp Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 25 Thường được sử dung trong các mang đòi hỏi độ tin cậy cao 1.6.3. Cấu trúc mạng hình sao a. Cấu trúc mạng hình sao đơn Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơn Chọn một node làm trung tâm tín hiệu sẽ được truyền đến các node như hình trên Cấu trúc mạng đơn giản, cho phép truyền dung lượng lớn Node trung tâm phải có khả năng truyền và sử lý với dung lượng lớn b. Cấu trúc mạng hình sao kép Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao kép Tương tự như mang sao đơn nhưng ngoài node trung tâm còn có các thiết bị đầu xa Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 26 Cấu trúc kép cho phép sư dụng hiệu quả vì mỗi nhánh có thể có nhiều node con Cấu trúc này có nhược điểm do sử dụng thiết bị đấu cuối nên tăng chi phí lắp đặt Cấu hình phức tạp cũng làm giảm độ tin cậy. Khó phát triên dịch vụ băng thông rộng c. Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp Ứng dụng cấu trúc mạng ring hai lớp được sử dụng trên thực tế để kết nối giữa các cấu trúc ring riêng biệt tao thành một mang liên kết lớn Tốc độ giữa các node trong mang ring thì cao, ngược lại tốc độ giữa các mang ring tương đối chậm 1.6.4. Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 27 Tương tự như mạng ring hai lớp mạng mesh và mang ring hai lớp tạo kết nối giữa mang nội bộ với các mang nội bộ khác 1.7 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WDM a. Ƣu điểm :  Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM.  Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang)  WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang b. Nhƣợc điểm :  Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang.  Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động 1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA 1.8.1 Các cấu trúc EDFA Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 28 Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped FiberAmplifier) được minh họa trên hình 2.9. Trong đó bao gồm: Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA. Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn ionEr3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+ trongvùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion erbiumlớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn. Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơnbao quanh vùng lõi.Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợiquang tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùngđể loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang. Nếukhông kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trongviễn thông. Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 29 1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA a) Giản đồ phân bố năng luợng của Er3+: Hình 1.22: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ trong sợi silica được minh họa trong hình trên. Theođó, các ion Er3+ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được ký hiệu: 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2,4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2. Trong đó: - Vùng4I15/2 có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền (ground-state band) - Vùng 4I13/2 được gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+có thời gian sống(lifetime) tại vùng này lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vùng nền. Thờigian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi của EDF. Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 30 - Vùng 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 là các vùng năng lượng cao, được gọi là vùng kíchthích hay vùng bơm (pumping band). Thời gian các ion Er3+ có trạng thái nănglượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1 μs) Phổ hấp thụ (absortion spectrum)và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFA có lõi pha Ge được biểu diễn trên hình 2.12 [2]. Hình 1.23: Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFAcó lõi pha Ge [2]. b) Nguyên lý hoạt động của EDFA Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích. Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện: Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn ởvùng bơm (pumping band) (1). Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và chuyểnxuống vùng giả bền (2). Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ởđỉnh của vùng giả bền (3) Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 31 Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nmvà 1480nm [1]. Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượngthấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4) Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon cónăng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấphơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) (5). 1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm a) Bước sóng bơm Với các vùng năng lượng được nêu trong phần 1.8.2.a, ánh sáng bơm có thể được sử dụngtại các bước sóng khác nhau 650 nm (4F9/2), 800 nm (4I9/2 ), 980 nm (4I11/2), 1480 nm (4I13/2). Tuynhiên, khi bước sóng bơm càng ngắn thì các ion Er3+ phải trải qua nhiều giai đoạn chuyển đổinăng lượng trước khi trở về vùng nền và phát xạ ra photon ánh sáng. Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằngcách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích. Có hai cách thực hiệnquá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980 nm. Hiện nay, bơm bước sóng 1480 nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có hơn và độtin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để bơm chokhoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 32 Bảng 2.1: So sánh hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm b) Công suất bơm Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi năng lượngvới tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên. Tuy nhiên, hệ số khuếch đạikhông thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium được cấy vào sợi là có giới hạn. Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì hệ số nhiễu sẽ giảm. Điều này sẽ được trình bàytrong phần tính hệ số nhiễu của EDFA. c) Hướng bơm Bộ khuếch đại EDFA có thể được bơm theo ba cách: Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyềntín hiệu. Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướngtruyền tín hiệu. Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai chiều ngượcnhau . Một EDFA được bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất đầu ra cực đạikhoảng +16 dBm trong vùng bão hoà hoặc hệ số nhiễu từ 5-6 dB trong vùng tín hiệu nhỏ. Cả hai bước sóng bơm được sử dụng đồng thời có thể cung cấp công suất đầu ra cao hơn; một EDFA được bơm kép có thể cung cấp công suất ra tới +26 dBm trong vùng công suất bơm cao nhất cóthể đạt được. Hình dưới đây thể hiện một EDFA được bơm kép. Giá trị các đặc tính của bộ khuếch đại EDFA được trình bày trong bảng 2.2 Bƣớc sóng bơm 980 nm 1480 nm Tính chất: Độ lợi Độ lợi công suất bơm Suy hao công suất bơm Hệ số nhiễu Cao hơn Thấp hơn