Huong Dan Optisystem

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 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................................... 1

Danh mục hình vẽ ............................................................................................................... 4

LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 7

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM ............ 8

1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 8

1.2. Sơ đồ khối tổng quát ............................................................................................. 8

1.3 Phân loại hệ thống WDM ..................................................................................... 9

1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM ....................................................... 10

1.4.1 Bộ phát quang ................................................................................................ 10

1.4.2 Bộ thu quang .................................................................................................. 12

1.4.3 Sợi quang ........................................................................................................... 13

1.4.4. Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) ............................................. 14

1.4.5. Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) ...................................................................... 15

1.4.6. Bộ nối chéo quang: (OXC) ............................................................................ 17

1.4.7. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): ......................................... 18

1.4.8. Bộ chuyển đổi bước song ............................................................................... 19

1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bƣớc sóng ............................... 20

1.5.1 Suy hao xen ......................................................................................................... 20

1.5.2. Xuyên kênh .................................................................................................... 20

1.5.3. Độ rộng kênh .................................................................................................. 22

1.5.4. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến .......................................................... 23

1.6. Cấu trúc mạng truyền tải quang ......................................................................... 24

1.6.1. Cấu trúc mạng Ring ........................................................................................... 24

1.6.2. Cấu trúc mạng Mesh .......................................................................................... 24

1.6.3. Cấu trúc mạng hình sao ..................................................................................... 25

1.6.4. Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp ................................................................ 26

1.7 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WDM ................................................................. 27

1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA .............................................................................. 27

1.8.1 Các cấu trúc EDFA ............................................................................................. 27

1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA...................................................................... 29

1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm................................................................................ 31

1.8.4 Phổ khuếch đại ................................................................................................... 33

1.8.5. Các tính chất của EDFA .................................................................................... 34

1.8.6. Nhiễu trong bộ khuếch đại ................................................................................. 36

1.8.7 Ưu khuyết điểm của EDFA ................................................................................ 38

CHƢƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN

MỀM OPTISYSTEM ....................................................................................................... 39

2.1. Tổng quan về phần mềm Optisystem ................................................................... 39

2.1.1. Lợi ích ................................................................................................................ 39

2.1.2. Ứng dụng ........................................................................................................... 40

2.2. Đặc điểm và chức năng .......................................................................................... 40

2.2.1. Cấu tạo thư viện (Component Library) .............................................................. 40

2.2.2. Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave ................................................ 41

2.2.3. Các công cụ hiển thị .......................................................................................... 42

2.3. Tóm tắt hƣớng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ........................................... 42

2.3.1. Yêu cầu chung ................................................................................................... 42

2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ...................................................... 45

2.3.3 Tạo một dự án mới .............................................................................................. 50

2.3.4. Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án................................. 52

2.3.5. Chạy mô phỏng .................................................................................................. 58

2.4. Mô hình mô phỏng ................................................................................................. 66

2.4.1 Yêu cầu thiết kế ................................................................................................... 66

2.4.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế ..................................................................... 68

2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C ............... 68

2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang ............................................................................... 71

2.4.4.3 Tuyến thu của hệ thống WDM ...................................................................... 74

2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế ............................................................ 75

2.4.4. Kết quả mô phỏng thay đổi các tham số để đạt BER=10-12

.............................. 79

Tài Liệu Tham Khảo .......................................................................................... 83

THU T NG V TỪ VIẾT T T

GVD Group velocity dispersion Nhóm hệ số tán sắc

OADM Optical add/drop multiplexer Bộ xen rớt quang

BER Bit error rate Tốc độ lỗi bit

OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang

DCF Dispersion sompensating fiber Sợi bù tán sắc

DEMUX Demultipplexer Bộ tách kênh

SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi quang trộn

Erbium

FWM Four wave mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng

Light amplication by stimulated

emission of radiation

Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ

kích thích

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

NF Noise figure Nền nhiễu

SBS Stimulated brillouin scattering Tán xạ do kích thích Brillouin

CATV Cable television Cáp tivi

OLT Optical line terminal Bộ đầu cuối đường quang

OSC Optical supervisory channel Kênh giám sát đường quang

EDF Erbium doped fiber

Sợi quang pha ion đất hiếm

Erbium

OXC Optical cross connector Bộ kết nối chéo quang

PMD Polarisation mode dispersion Hệ số tán sắc phân cực mode

APS Automatic protection switching Chuyển mạch bảo vệ tự động

PON Pass optical network Mạng quang thụ động

WDM Wavelength devision Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

SMF Single mode fiber Sợi đơn mode

TDM Time division multiplexing Bộ ghép kênh phân chia theo thời

SPM Self phase modulation Hiệu ứng tự điều chế dịch pha

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM ............................................................ 6

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng ...................................... 6

Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài ................................................................................... 8

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu ............................................................................................ 9

Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang ........................................................................... 10

Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng ......................................................... 11

Hình 1.7 Cấu trúc song song ............................................................................................. 12

Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng .......................................................................... 12

Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp ............................................................................................... 13

Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng .................................................................... 13

Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC .......................................................................................... 14

Hình 1.12 : Khuếch đại quang OLA .................................................................................. 15

Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ giải ghép .............................................................................. 18

Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp ....................................................................... 18

Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring ....................................................................................... 21

Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh ...................................................................................... 21

Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơn .......................................................................... 22

Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao kép ........................................................................... 22

Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp ................................................................... 23

Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA .......................................... 24 Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium ................................. 25

Hình 1.22: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica .......................... 26 Hình 1.23 Phổ hấp thụ ...................................................................................................... 27

Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu ......................................................................... 28

Hình 1.25: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép [11]. ...................................... 30

Hình 1.26 Cấu hình của một bộ khuếch băng L ................................................................ 31

Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà. .......................................................... 33 Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA ................................................... 34

Hình 2.1: Thành phần trình diễn ....................................................................................... 42

Hình 2.2: Thư viện các phần tử ......................................................................................... 42

Hình 2.3: Giao diện thư viện ............................................................................................. 44

Hình 2.4. Giao diện người sử dụng ................................................................................... 44

Hình 2.5: Project Browser ................................................................................................. 45

Hình 2.6: Description ........................................................................................................ 45

Hình 2.7: Status bar ........................................................................................................... 46

Hình 2.8: Menu bar ........................................................................................................... 46

Hình 2.9: Pan window ....................................................................................................... 46

Hình 2.10: Tool bars ......................................................................................................... 47

Hình2.11. Cửa số Project layout ....................................................................................... 47

Hình 2.12. Đặt phần tử vào Main layout ........................................................................... 48

Hình 2.13: Kích hoạt kết nối tự động ................................................................................ 48

Hình 2.14:Hủy bỏ chế độ kết nối tự động ......................................................................... 48

Hình 2.15 :màn hình Parameters ..................................................................................... 49

Hình 2.16 :Chọn trường thay đổi tốc độ bít ...................................................................... 50

Hình 2.17 : Nhập tốc độ bít muốn thay đổi ...................................................................... 51

Hình2.18 : Thiết lập cửa sổ thời gian thực ....................................................................... 52

Hình 2.19 : Thay đổi công suất phát quang ...................................................................... 53

Hình 2.20: Giao diện màn hình chạy mô phỏng ........................................................... 55

Hình 2.21 : Chạy chương trình ........................................................................................ 56

Hình 2.22: Đo tỉ số BER của kênh .................................................................................... 57

Hình 2.23 : Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 58

Hình 2.24: Thiết lập tham số quyét ................................................................................... 59

Hình 2.25: Chuyển đổi số lần quét. ................................................................................. 60

Hình 2.26: Hộp thoại chuyển sang chế độ quét cho tham số ........................................... 61

Hình 2.27: Chọn chế độ của tham số ............................................................................... 61

Hình 2.28:. Các bước để hiển thị kết quả mô phỏng quét tham số ................................... 63

Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục .............................................................................. 65

Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser ........................................................................... 66

Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ ................................................................................................ 66

Hình 2.32. Bộ tạo chuỗi bít ............................................................................................... 66

Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder ............................................................................. 67

Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1. ............................................................................... 67

Hình 2.35: Tuyến phát quang ............................................................................................ 68

Hình 2.36. Tuyến truyền dẫn quang .................................................................................. 68

Hình 2.37. Bộ lặp .............................................................................................................. 69

Hình 2.38. Thông số sợi bù tán sắc DCF .......................................................................... 70

Hình 2.39. Tuyến thu WDM ............................................................................................... 71

Hình 2.40. Thiết bị đo BER ............................................................................................... 71

Hình 2.41. Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu .................................................................. 72

Hình 2.42. Quang phổ tín hiệu phát .................................................................................. 73

Hình 2.43. Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ 3. ..................................................... 73

Hình 2.44. Tổng công suất phát ........................................................................................ 74

Hình 2.45. Công suất thu của kênh 4. ......................................................................... 74

Hình 2.46. Hiển thị mắt quang ......................................................................................... 75

Hình 2.47. BER của kênh thứ nhất là 10-13 ........................................................................................................... 75

Hình 2.48. Thay đổi công suất Laser phát ........................................................................ 76

Hình 2.49. Hệ số suy hao sợi quang thay đổi .................................................................... 76

Hình 2.50. BER của kênh thứ nhất đạt 10-12 ........................................................................................................ 77

Hình 2.51. BER đạt 10-12

khi thay đổi một số tham số ...................................................... 77

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ

thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp

lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ

thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu

to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi

quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường

truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được.

Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh

hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao ,phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục

địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng

nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương

lai. Ta có thể thấy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số hạn chế về chất

lượng truyền dẫn do băng thông còn hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, vì thế yêu cầu

đặt ra là phải tăng chất lượng cũng như cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quang

hiện nay. Giải pháp được đưa ra ở đây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM,

nó cho phép ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang do đó có thể tăng dung

lượng đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang.

Với bài toán: “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có

sử dụng khuếch đại quang EDFA.” Nhóm em xin trình bày tổng quan về hệ thống

thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA , xây dựng mô hình mô phỏng hệ

thống thông tin quang WDM theo phương án đã thiết kế.

Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.s Cao Hồng

Sơn, đã hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránh

khỏi những thiếu xót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, các bạn

để bài tập của chúng em được hoàn thiện hơn.

Chúng Em xin chân thành cảm ơn!

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

1.1. Giới thiệu chung

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công

nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”.

Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép

kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải

ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.

1.2. Sơ đồ khối tổng quát

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser.

Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng

(Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)... Yêu cầu đối với

nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công

suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong

giới hạn cho phép.

Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác

nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang.

Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu

ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín

hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ,

linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot... Khi xét đến các bộ tách/ghép

WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần

của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các

kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu

gần đầu xa...

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh

hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề

liên quan đến khuếch đại tín hiệu ... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào

yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi...).

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại

quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch đại

Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ khuếch đại:

khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch

đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh

lệch không quá 1 dB).

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng

đến mức công suất đầu ra của các kênh.

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh

lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng

đối với tất cả các kênh.

Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách

sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như

minh hoạ trên hình 1.2. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do

vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song hướng,

ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi

thông tin giữa 2 điểm.

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại

chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

- Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp

đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ

thống song hướng.

- Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch

bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có

khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời.

- Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải

xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi

quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang

không dùng chung một bước sóng.

- Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong

hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song

hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho

công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.

1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM

1.4.1 Bộ phát quang

Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là

Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED).

Laser “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại

ánh sáng nhờ bức xạ kích thích.Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính là :

Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền

trong Laser.

Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các 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

bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang. Bước sóng ánh sáng của nguồn

phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát. Ví dụ GaalAs phát ra bức

xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến

1600 nm.

Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo các định

dạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) và đảm bảo tín hiệu quang

có độ rộng phổ hẹp tại bớc sóng chính xác theo tiêu chuẩn.

Mô hình điều chế ngoài

Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài

Yêu cầu với nguồn quang:

- Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ thống

WDM hoạt động tốt. Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác

nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện... Ngoài ra, để tránh xuyên

nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết độ

ổn định tần số phía phát phải thật cao.

- Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng phổ của

nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB. Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho

trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹp

càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống

không đảm bảo chất lượng. Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn

đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản

hồi phân bố).

- Dòng ngưỡng thấp: Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc

kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin và tránh cho máy

thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn).

- Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi quang,

nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm. Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động

càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng.

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn quang

sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh.

- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu

pha,... Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông số, đảm

bảo chất lượng dịch vụ tốt.

1.4.2 Bộ thu quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi. Nó

tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu

điện theo yêu cầu cụ thể. Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD.

Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy

quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với t lệ lỗi bít (BER) cho

phép.

Bộ thu quang trong hệ thống WDM

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu

1.4.3 Sợi quang

Cấu tạo sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có

chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi.

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc

(cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2

Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang

Phân loại sợi quang

Phân loại theo chiết suất:

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)

- Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)

Phân loại theo mode

- Sợi đơn mode (Single-Mode)

- Sợi đa mode (Multi-Mode)

Sợi quang G652

Là sợi đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông nhiều nước hiện

nay. Nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ:

- Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương

đối lớn.

- Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối

lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km)

Sợi quang G655

Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:

- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn.

- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng

- Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang.

- Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu

ứng phi tuyến.

- Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trong cửa sổ

C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted).

1.4.4. Bộ tách / ghép bƣớc song: ( OMUX/ODEMUX)

Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với vộ kết nối chéo quang, là

thiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM. Khi dùng kết hợp với bộ kết nối

chéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả năng truyền tải đồng

thời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ, mà công nghệ hiện nay đang hướng tới.Bộ tách/

ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau.

Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau:

- Suy hao xen

- Số lượng kênh xử lý

- Bước sóng trung tâm

- Băng thông

- Giá trị lớn nhất của suy hao xen

- Độ suy hao chen giữa các kênh

(a) Sơ đồ khối bộ ghép

kênh bước sóng (MUX)

(b) Sơ đồ khối bộ tách

kênh bước sóng (DEMUX)

(c) Các tham số đặc

trưng của bộ MUX/ DEMUX

Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng

Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:

- Ghép tầng nối tiếp đơn kênh

- Ghép một tầng

- Ghép tầng theo từng băng sóng

- Ghép tầng đan xen chẵn lẻ

1.4.5. Bộ xen / rẽ bƣớc sóng: ( OADM)

Khái niệm :

- OADM ( Optical Add/Drop Multiplexer) thường được dùng trong các mạng

quang đô thị và các mạng quang đường dài vì nó cho hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt đối

với cấu hình mạng tuyến tính, cấu hình mạng vòng.

- OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng,các kênh bước sóng

còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua.

Các cấu trúc cho OADM :

- Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh. Sau đó

một số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyên qua một cách

thích hợp.

Hình 1.7 Cấu trúc song song

- Cấu trúc song song theo băng ( theo modun) :tạo thành bằng cách thiết kế theo

từng modun cho cấu trúc song song

Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng

- Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh

đi vào OADM.

Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp

- Cấu trúc xen rớt theo băng sóng : trong cấu trúc này một nhóm cố định kênh

bước sóng thực hiện xen/ rớt tại mỗi nút mạng OADM. Các kênh được thiết lập thực hiện

xen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc có

băng thông là dải bước sóng. Sau đó chúng được đưa lên mức ghép kênh cao hơn và từ đó

giải ghép kênh thành các kênh bước sóng riêng lẻ

Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng

1.4.6. Bộ nối chéo quang: (OXC)

Định nghĩa : OXC là thiết bị đáp ứng yêu cầu về khả năng linh động trong việc

cung ứng dịch vụ, hay đáp ứng khả năng đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến của

các dịch vụ đa phương tiện

Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC

Các yêu cầu đối với OXC :

- Cung cấp dịch vụ

- Bảo vệ

- Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit

- Giám sát chất lượng truyền dẫn

- Chuyển đổi bước sóng

- Ghép và nhóm tín hiệu

1.4.7. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier):

Hình 1.12: Khuếch đại quang OLA

Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộ

khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha tạp

Eribum (EDFA). Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyển đổi

O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.

Lợi ích:

+ Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao

+ Tăng độ nhạy của bộ thu

+ Nâng cao mức công suất phát

+ Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh

WDM đồng thời

thu Laser

Chặng

độ lợi

Chặng

độ lợi

Bộ bù tán

λ1 ,λ

,…,λW

+ Nâng cấp đơn giản

Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng

+ Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổi

+ Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi

+ Không nhạy cảm với phân cực

+ Nhiễu thấp

+ Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM

+ Suy hao ghép nối với sợi quang thấp.

Phân loại :

+ Vào : giống như laser bán dẫn nhưng được phân cực dưới ngưỡng

+ Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy ra trong sợi

quang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA

+ Ra : khuếch đại xảy ra trong sợi quang nhờ mức công suất bơm cao

1.4.8. Bộ chuyển đổi bƣớc song

Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở

đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra. Đối với hệ thống WDM, bộ chuyển

đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau :

Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong

Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sử

dụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn, linh động hơn.

Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:

Phương pháp quang điện

Phương pháp cửa quang

Phương pháp giao thoa

Phương pháp trộn bước sóng

1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bƣớc sóng

1.5.1 Suy hao xen

Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các điểm

ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra. Vì

vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được biểu diễn

qua công thức sau (xét bộ MUX-DEMUX mô tả ở hình 2.7).

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng i khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền

dẫn. Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ

ghép.

- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ

tách.

1.5.2. Xuyên kênh

Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và

giảm t số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét.

Trong hệ thống 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) )(

(2.1) )(

DEMUXdBI

MUXdBI

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.

)(log10)(

MUX Sợi

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)

Sợi quang

Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp

- 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.

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

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

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

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

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

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.

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.

- 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)

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.

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

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

Cao hơn

Thấp hơn

Cao hơn

Thấp hơn

Cao hơn

Ứng dụng Tiền khuếch đại Khuếch đại công suất

Hình 1.25: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép [11].

1.8.4 Phổ khuếch đại

Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 2.12 là tính chất quan trọng nhất

củaEDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM. Hình

dạng của phổkhuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) và

nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang.

Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi:

• Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (equalizer) hấp thụ bớt công suất

ởbước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợi

nhỏ.

• Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm,

photphonhôm hay flo cùng với erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở

rộng vàphổ khuếch đại bằng phẳng hơn.

Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm). Tuy nhiên, độ lợi của sợi

pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm. Điều này kích thích sự phát triển của các

hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm. Nguyên lý hoạt động của EDFA băng

L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết kế EDFA cho

băng C và băng L.

Các phần tử bên trong bộ khuếch đại quang như bộ cách ly (isolator) và bộ ghép

(coupler) phụthuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác nhau trong băng C và băng L. Sự so

sánh các tính chấtcủa EDFA trong băng C và băng L được thể hiện trong bảng 2.2.

Bảng 2.2: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và băng L

Tính chất Băng C Băng L

Độ lợi

Phổ độ lợi

Nhiễu ASE

Cao hơn

Ít bằng phẳng hơn

Thấp hơn

Nhỏ hơn khoảng 3 lần

Bằng phẳng hơn

Cao hơn

Hình 1.25 trình bày cấu trúc của một bộ khuếch đại băng L làm bằng phẳng độ lợi

trongkhoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng [3].

Tầng đầu tiên được bơm ở bướcsóng 980nm và hoạt động như một bộ EDFA truyền

thống (sợi quang dài 20-30nm) có khả năngcung cấp độ lợi trong khoảng bước sóng

1530-1570 nm. Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m và được bơm hai chiều sử

dụng laser 1480nm. Một bộ isolator được đặt giữa hai tầng nàycho phép nhiễu ASE

truyền từ tầng thứ 1 sang tầng thứ 2 nhưng ngăn ASE truyền ngược về tầng thứ nhất. Với

cấu trúc nối tiếp như vậy, khuếch đại hai tầng có thể cung cấp độ lợi phẳng trên mộtvùng

băng thông rộng trong khi vẫn duy trì mức nhiễu thấp.

Hình 1.26 Cấu hình của một bộ khuếch băng L làm bằng phẳng độ lợi trong khoảng

bướcsóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng.

1.8.5. Các tính chất của EDFA

a) Độ lợi (Gain)

Độ lợi của một bộ EDFA có thể được tính theo phương trình sau:

G = exp[∫

(2.11)

Trong đó:

- (z), (z): mật độ ion erbium ở trạng thái kích thích và ở trạng thái nền tại vị trí

ztrong đoạn sợi quang pha erbium.

- L: chiều dài sợi pha erbium.

- (e)s σ , (a)s σ: tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của ion erbium tại bước sóng tín

hiệu.

Phương trình (2.11) cho thấy độ lợi liên quan đến sự nghịch đảo nồng độ trung bình.

Gọi1 N , 2 N lần lượt là nồng độ ion Erbium ở mức năng lượng nền

và mức năng lượng kích thíchtrung bình. Khi đó 1 N , 2 N sẽ được tính theo công thức

(2.12)

(2.13)

Phương trình (2.11) có thể được viết lại một cách đơn giản hơn như sau:

G = exp[∫

(2.14)

Trong phương trình(2.12), (2.13) có hai tham số N1(z) và N2(z) là hàm theo vị trí z

dọc theo sợi quang được cho bởi:

(2.15)

Trong đó:

• τ : thời gian sống của ion erbium ở trạng thái kích thích 4I13/2.

• Ps(z): công suất của tín hiệu tại vị trí z trong sợi quang.

• Pp(z): công suất bơm tại vị trí z trong sợi quang.

• Γs : hệ số chồng lắp tại bước sóng tín hiệu.

• Γp : hệ số chồng lắp tại bước sóng bơm.

• A : diện tích tiết diện ngang hiệu dụng.

• fs : tần số tín hiệu.

• fp : tần số bơm.

• N : mật độ ion erbium tổng cộng.

sσ σ : là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ tại bước sóng tín hiệu.

pσ σ : là tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ tại bước sóng bơm.

• h : hằng số Planck; h = 6,625.10-34J.s.

Từ công thức (2.15) ta thấy hệ số khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào các yếu tố

• Phụ thuộc vào nồng độ ion Er+3: Khi nồng độ Er+3 trong sợi quang của bộ EDFA

thì khả năng chúng được chuyển lên mức năng lượng cao hơn càng nhiều, do đó hệ số

khuếch đại tăng. Nhưng nếu nồng độ Er+3 tăng quá cao sẽ gây tích tụ dẫn đến hiện

tượng tiêu hao quang làm cho hệ số khuếch đại giảm.

b) Công suất ra bão hoà (Output saturation power)

Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu vào EDFA lớn gây ra sự giảm hệ số khuếch

đại. Sự bão hoà hệ số khuếch đại này xuất hiện khi công suất tín hiệu tăng cao và gây ra

sự phát xạ kích thích ở một t lệ cao và do đó làm giảm sựnghịch đảo nồng độ. Điều đó

có nghĩa là số các ion erbium ở trạng thái kích thích giảm một cách đáng kể. Hệ quả là,

công suất tín hiệu ở ngõ ra bị hạn chế bởi sự bão hoà công suất. Công suất ra bão hòa

Pout, được định nghĩa là tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm đi 3 dB so với

khikhuếch đại tín hiệu nhỏ.

Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà.

Công suất ra bão hòa tăng tuyến tính theo công suất bơm vào tại bước sóng bơm 975

nm đối với bước sóng tín hiệu là 1555 nm và 1532 nm.

1.8.6. Nhiễu trong bộ khuếch đại

Nhiễu trong bộ khuếch đại là một yếu tố giới hạn quan trọng đối với hệ thống truyền

dẫn.Đối với EDFA, ảnh hưởng của nhiễu ASE được tính thông qua thông số hệ số nhiễu

NF được chobởi công thức [2]:

NF = 2nsp (2.17)

Trong đó, nsp = N2/(N2-N1) được gọi là hệ số phát xạ tự phát, N1, N2 là nồng độ ion

Erbium ở mứcnăng lượng nền và mức năng lượng kích thích.

Như đã trình bày trong công thức (2.15) và (2.16), N1, N2 thay đổi dọc theo chiều dài

củasợi quang và phụ thuộc vào công suất của nguồn bơm và công suất của tín hiệu. Do

đó, hệ sốnhiễu NF của EDFA cũng phụ thuộc vào chiều dài của sợi quang L và công suất

bơm PP, giốngnhư độ lợi tín hiệu của EDFA.

Hình 2.17 biểu diễn sự thay đổi của NF và độ lợi tín hiệu theo chiều dài của sợi

quang vớimột số giá trị của PP/Psat khi công suất tín hiệu ngõ vào 1mW tại bước sóng

1,53 μm. Kết quả chothấy rằng FN có thể đạt gần bằng 3dB khi công suất của nguồn bơm

PP >> Pp,sat.Với mức nhiễu tương đối thấp, EDFA là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệ

thống thông tinquang WDM hiện nay. Dù vậy, nhiễu do bộ khuếch đại cũng làm giới hạn

chất lượng các hệ thốngthông tin quang đường dài sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA.

Vấn đề nhiễu trở nên nghiêmtrọng khi hệ thống hoạt động trong vùng tán sắc không của

sợi quang. Khi đó các hiệu ứng phituyến sẽ làm tăng nhiễu bộ khuếch đại và giảm phổ tín

hiệu. Ngoài ra, nhiễu của bộ khuếch đạicũng gây nên rung pha định thời. Vần đề này sẽ

được trình ở phần sau.

Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA

Không chỉ giới hạn tỉ lệ SNR trong các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đại quang,

nhiễu ASE mà còn đặt ra những giới hạn khác lên các ứng dụng khác nhau của các bộ

khuếch đại quang trong các tuyến thông tin sợi quang. Chẳng hạn, xem xét một vài bộ

khuếch đại quang được ghép tầng dọc theo một khoảng truyền dẫn như các bộ lặp tuyến

tính để bù suy hao sợi quang. Công suất nhiễu ASE Pnoise sẽ là một phần trong công suất

đầu ra Pout của một bộ khuếch đại nào đó trong chuỗi khuếch đại và trở thành đầu vào

của bộ khuếch đại tiếp theo. Do sự bão hoà độ lợi phụ thuộc vào tổng công suất đầu vào,

nhiễu ASE từ đầu ra của các tầng trước trong chuỗi khuếch đại có thể lớn đến mức nó sẽ

làm bão hoà các bộ khuếch đại phía sau. Nếu sự phản xạ tại đầu ra và đầu vào của bộ

khuếch đại thấp, ASE được phát xạ theo hướng ngược về đầu vào từ các bộ khuếch đại

thuộc các tầng sau cũng có thể vào các bộ khuếch đại ở phía trước, càng làm tăng sự bão

hoà gây ra do ASE.

Thêm vào sự suy giảm hoạt động về mặt công suất, sự lẫn tạp về pha của tín hiệu do

phát xạ tự phát cũng gây ảnh hưởng như nhiễu tần số và nhiễu biên độ, đặc biệt là nhiễu

pha do sự phản xạ tại các giao diện quang. Vì tín hiệu đến bộ khuếch đại quang cũng có

một lượng nhiễu pha do sự trải rộng phổ của nguồn laser càng làm tăng cao nhiễu trong

bộ khuếch đại. Điều này sẽ làm suy giảm hoạt động của các hệ thống thông tin quang.

1.8.7 Ƣu khuyết điểm của EDFA

a) Ưu điểm:

- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.

- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống.

- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển

vàthay thế.

- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang

vượtbiển.

- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại

quangbán dẫn.

- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu.

b) nhược điểm:

- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng.

- Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L.

- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn.

CHƢƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN

MỀM OPTISYSTEM

2.1. Tổng quan về phần mềm Optisystem

Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng

trở nên phức tạp. Để phân tich, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công

cụ mô phỏng

OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm này có khả năng

thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa trên

khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế. Bên cạnh đó, phần mềm

này cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tự định

nghĩa vào.

Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan.

OptiSystem có thể giảm thiểu các yêu cầu thời gian và giảm chi phí liên quan đến thiết

kế của các hệ thống quang học, liên kết, và các thành phần. Phần mềm OptiSystem là một

sáng tạo, phát triển nhanh chóng, công cụ thiết kế hữu hiệu cho phép người dùng lập kế

hoạch, kiểm tra, và mô phỏng gần như tất cả các loại liên kết quang học trong lớp truyền

dẫn của một quang phổ rộng của các mạng quang học từ mạng LAN, SAN, MAN tới

mạng ultra-long-haul. Nó cung cấp lớp truyền dẫn,thiết kế và quy hoạch hệ thống thông

tin quang từ các thành phần tới mức hệ thống.Hội nhập của nó với các sản phẩm

Optiwave khác và các công cụ thiết kế của ngành công nghiệp điện tử hàng đầu phần

mềm thiết kế tự động góp phần vào OptiSystem đẩy nhanh tiến độ sản phẩm ra thị

trường và rút ngắn thời gian hoàn vốn.

2.1.1. Lợi ích

- Cung cấp cái nhìn toàn cầu vào hiệu năng hệ thống

- Đánh giá sự nhạy cảm tham số giúp đỡ việc thiết kế chi tiết kỹ thuật

- Trực quan trình bày các tùy chọn thiết kế và dự án khách hàng tiềm năng

- Cung cấp truy cập đơn giản để tập hợp rộng rãi các hệ thống đặc tính dữ liệu

- Cung cấp các tham số tự động quét và tối ưu hóa

- Tích hợp với họ các sản phẩm Optiwave

2.1.2. Ứng dụng

Tạo ra để đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sư viễn thông quang

học, tích hợp hệ thống, sinh viên và một loạt các người dùng khác, OptiSystem đáp ứng

các nhu cầu của thị trường lượng tử ánh sáng phát triển mạnh mẽ nhưng vẫn dễ sử dụng

công cụ thiết kế hệ thống quang học.

OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng:

- Thiết kế mạng WDM / TDM hoặc CATV

- Thiết kế mạng vòng SONET / SDH

- Thiết kế bộ phát, kênh, bộ khuếch đại, và bộ thu thiết kế bản đồ phân tán

- Đánh giá BER và penalty của hệ thông với các mô hình bộ thu khác nhau

- Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sửng dụng khuếch đại quang.

- Thay đổi hệ thống tham số BER và tính toán khả năng liên kết “Khi hệ thống quang

học trở nên nhiều hơn và phức tạp hơn, các nhà khoa học và kỹ sư ngày càng phải áp

dụng các phần mềm kĩ thuật mô phỏng tiên tiến, quan trọng hỗ trợ cho việc thiết kế.

Nguồn OptiSystem và linh hoạt tạo điều kiện thuận lợi hiệu quả và hiệu quả trong việc

thiết kế nguồn sáng. "

2.2. Đặc điểm và chức năng

2.2.1. Cấu tạo thƣ viện (Component Library)

Thư viện OptiSytem bao gồm hàng trăm các thành phần cho phép bạn có thể nhập

các thông số được đo từ các thiết bị thực sự. Nó tích hợp với các thử nghiệm và thiết bị đo

lường từ các nhà cung cấp khác nhau. Người sử dụng có thể kết hợp các thành phần mới

dựa trên hệ thống con và người sử dụng và định nghĩa là thư viện, hoặc sử dụng mô phỏng

cùng với một công cụ của bên thứ ba chẳng hạn như MATLAB hoặc SPICE.

Cụ thế bao gồm:

- Thư viện nguồn quang

- Thư viện các bộ thu quang

- Thư viện sợi quang

- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện)

- Thư viện các bộ MUX, DEMUX

- Thư viên các bộ lọc (quang, điện)

- Thư viện các phần tử FSO

- Thư viện các phần tử truy nhập

- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện)

- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện)

- Thư viện các phần tử mạng quang

- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện

2.2.2. Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave

Optisystem cho phép người dùng sử dụng kết hợp với các công cụ phần mềm khác

của Optiwave như OptiAmplifier, OptiBPM, OptiGrating, WDM_Phasar và OptiFiber để

thiết kế ở mức phần tử.

Miêu tả được tín hiệu pha trộn

OptiSystem xử lý các định dạng tín hiệu hỗn hợp cho tín hiệu quang và điện trong

Hợp phần Thư viện. OptiSystem tính toán các tín hiệu đang sử dụng thích hợp các thuật

toán có liên quan đến các yêu cầu mô phỏng chính xác và hiệu quả.

Chất lượng và thực hiện các thuật toán

Để dự đoán hiệu suất hệ thống, OptiSystem tính toán các thông số chẳng hạn như BER và

Q-Factor bằng cách sử dụng phân tích số hoặc bán phân tích kỹ thuật của hệ thống giới

hạn bởi biểu tượng nhiễu và tiếng ồn.

Các công cụ trực quan nâng cao

Các công cụ trực quan tiên tiến tạo ra phổ OSA ,xung tín hiệu,biểu đồ mắt,phân cực trạng

thái,các sơ đồ hợp thành và nhiều hơn nữa.Ngoài ra,bao gồm các công cụ nghiên cứu

WDM các danh sách tín hiệu nguồn,hình ảnh tiếng ồn và OSNR cho mỗi kênh.

Theo dõi, giám sát dữ liệu

Bạn có thể chọn các cổng thành phần lưu dữ liệu và gắn màn hình sau khi mô phỏng kết

thúc. Điều này cho phép bạn xử lý dữ liệu sau khi mô phỏng mà không cần tính toán lại ,

Bạn có thể tùy ý đính kèm một số hiện hình tới màn hình tại cùng một cổng.

2.2.3. Các công cụ hiển thị

Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện. Cho phép hiển thị tham số, dạng,

chất lượng tín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống.

Thiết bị đo quang:

- Phân tích phổ (Spectrum Analyzer)

- Thiết bị đo công suất (Optical Power Meter)

- Thiết bị đo miền thời gian quang (Optical Time Domain Visualizer)

- Thiết bị phân tích WDM (WDM Analyzer)

- Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer)

- Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter)...

Thiết bị đo điện:

- Oscilloscope

- Thiết bị phân tích phổ RF (RF Spectrum Analyzer)

- Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (Eye Diagram Analyzer)

- Thiết bị phân tích lỗi bit (BER Analyzer)

- Thiết bị đo công suất (Electrical Power Meter)

- Thiết bị phân tích sóng mang điện (Electrical Carrier Analyzer)...

2.3. Tóm tắt hƣớng dẫn sử dụng phần mềm optisystem

2.3.1. Yêu cầu chung

Trước khi cài đặt Optisystem, chắc chắn rằng các yêu cầu đối với hệ thống là phù hợp

với các mô tả dưới đây.

Yêu cầu phần cứng và phần mềm

Optisystem yêu cầu cấu hình hệ thống thấp nhất là:

- PC bộ vi xử lý pentium 3 hoặc tương đương.

- Hệ điều hành microsoft windows XP hoặc Vista,32 hoặc 64 bit.

- 400MB ổ cứng còn trống .

- Độ phân giải đồ họa 1024x768,nhỏ nhất 65536 màu.

- Ram 128MB( gợi ý).

- Internet explorer 5.5 hoặc cao hơn.

- DirectX 8.1 hoặc cao hơn.

Key bảo vệ: Một key bảo vệ phần cứng được cung cấp kèm theo phần mềm

Chú ý: Xin hãy chắc rằng key bảo vệ phần cứng không được kết nối trong

suốt quá trình cài đặt Optisystem.

Để chắc chắn Optisystem vận hành một cách đúng đắn, kiểm chứng lại theo

các bước sau:

- Key bảo vệ kết nối đúng vào cổng song song /USB của máy tính.

- Nếu bạn sử dụng nhiều hơn một key bảo vệ, chắc rằng không có sự xung đột

giữa key bảo vệ Optisystem và các key kia.

Chú ý: Dùng một hộp chuyển đổi để ngăn chặn sự xung đột key bảo vệ. Chắc rằng

cáp giữa hộp chuyển đổi và máy tính là lớn nhất của dụng cụ đo.

Thư mục Optisystem

Thông thường, bộ cài Optisystem sẽ tạo ra một thư mục Optisystem trong ổ

cứng của bạn. Thư mục Optisystem gồm một số thư mục con sau:

- \bin – các tệp thực thi được,thư viện đường dẫn động, và tệp trợ giúp.

- \components – tham số các phần tử của Optisystem từ nhà cung cấp.

- \doc – tài liệu hỗ trợ Optisystem.

- \libraries – thư viện phần tử Optisystem.

- \samples – tệp ví dụ Optisystem.

- \toolbox – tệp liên hệ MATLAB.

Cài đặt

Optisystem có thể được cài đặt trên Windows XP hoặc Vista. Nên thoát hết các

chương trình Windows trước khi cài đặt chương trình.

Bảng 1: Các bước cài đặt

Bước Thực hiện

1 Đăng nhập vào với vai trò người quản trị hoặc đăng

nhập vào tài khoản với đặc quyền quản trị.

2 Cho CD Optisystem vào ổ CD ROM.

3 Trên thanh công cụ,vào Start và chọn Run.

Hộp thoại Run hiện ra.

4 Trong hộp thoại Run, gõ F:\setup.exe, F ở đây là ổ CD

ROM của bạn.

5 Bấm OK và theo các hướng dẫn và dấu nhắc trên màn

6 Khi cài đặt xong, khởi động lại máy tính.

Trình diễn Optisystem bao gồm nhiều nhất là 15 kịch bản. Với cùng một tệp trình diễn

như nhau bạn có thể có nhiều kịch bản với các phần tử khác nhau và tùy chọn các phần tử.

Khâu quét

Mỗi kịch bản có thể có các tham số được gán sẵn trong chế độ quét. Bạn có thể

tự gán số lần quét bằng cách thay đổi tham số lựa chọn. Giá trị tham số thay đổi theo mỗi

lần quét lặp; tạo lên một loạt các kết quả tính toán khác nhau căn cứ trên sự thay đổi giá

trị tham số.

Quét tham số phụ thuộc vào yếu tố của một kịch bản: tham số và kết quả.

Tối ưu hóa

Mỗi kịch bản có sự tối ưu hóa. Sử dụng tối ưu hóa để thay đổi giá trị của các

tham số đã biết trong suốt quá trình tính toán vì vậy hệ thống của bạn cần đạt được nhiều

điều kiện yêu cầu. Quá trình tối ưu hóa là độc lập với các lần quét tham số, nhưng có thể

được sử dụng cho mỗi lần quét lặp tham số riêng biệt.

Hình 2.1: Thành phần trình diễn

2.3.2 Hƣớng dẫn sử dụng phần mềm optisystem

Thư viện các phần tử ( component library ) :

Người dùng truy cập vào lấy các phần tử để thiết kế (Hình 1)

Hình 2.2: Thư viện các phần tử

Thư viện các phần tử:

- Thư viện nguồn quang - ( optical sources library )

- Thư viện các bộ thu quang - (receivers library)

- Thư viện sợi quang - (optical fiber library)

- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện) - (amplifier library)

- Thư viện các bộ MUX, DEMUX

- Thư viện các bộ lọc (quang, điện) - (filter library)

- Thư viên các phần tử FSO - ( free space optics library)

- Thư viện các phần tử truy nhập - ( access library)

- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện) - (passiver library)

- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện) -( signal processing library)

- Thư viện các phần tử mạng quang (network library)

- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện

Ngoài ra các phần tử được định nghĩa sẵn, Optisystem còn có

- Các phần tử Measured components. Với các phần tử này, Optisystem cho phép nhập các

tham số được đo tử các thiết bị thực của các nhà cung cấp khác nhau.

- Các phần tử do người sử dụng tự định nghĩa ( User-defined Components)

Hình 2.3: Giao diện thư viện

Giao diện người sử dụng ( GUI )

- Project layout : phần mà để người sử dụng thiết kế

Hình 2.4. Giao diện người sử dụng

- Dockers : bao gồm

+ Project Browser : truy nhập đến các tham số và kết quả của thiết kế (Hình 3)

Hình 2.5: Project Browser

+ Description : đưa ra các thông tin để mô tả tóm tắt về thiết kế

Hình 2.6: Description

+ Status bar : hiển thị những gợi ý về việc sử dụng Optisystem

Hình 2.7: Status bar

+ Menu bar : chứa các menu có sẵn trong Optisystem

Hình 2.8: Menu bar

+ Pan window

Hình 2.9: Pan window

+ Tool bars : các thanh công cụ có sẵn trên cửa sổ

Hình 2.10: Tool bars

2.3.3 Tạo một dự án mới

- Vào File menu, lựa chọn New, cửa sổ Project layout xuất hiện

Hình2.11. Cửa số Project layout

- Vào Component Library, dùng chuột kéo phần tử cần sử dụng và thả vào Main

Layout (Hình 10)

Hình 2.12. Đặt phần tử vào Main layout

- Việc kết nối giữa các phần tử trong thiết kế có thể được thực hiện một cách tự động

hoặc bằng tay nhờ việc sử dụng các nút chức năng trong Layout Operations

Hình 2.13: Kích hoạt kết nối tự động

Hình 2.14:Hủy bỏ chế độ kết nối tự động

2.3.4. Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án

Khi tạo một thiết kế mới trên Optisystem, phải thiết lập các tham số toàn cục. Các tham

số này sẽ liên quan đến tốc độ, độ chính xác và yêu cầu về bộ nhớ cho việc thực hiện mô

phỏng thiết kế. Các tham số này được gọi là tham số toàn cục vì nó ảnh hưởng đến tất cả

các thành phần trong thiết kế có sử dụng các tham số này. Trong Optisystem, các tham số

này bao gồm:

- Tốc độ bit (bit rate)

- Chiều dài chuỗi bit (Bit sequence length)

- Số mẫu trên một bit (Number of samples per bit).

Để thiết lập thông số toàn cục ta thực hiện như sau:

- Cách 1: Kích đúp vào màn hình Layout.

- Cách 2: Layout -> Parameters từ công cụ Menu. Khi đó màn hình Parameters xuất hiện:

Hình 2.15 :màn hình Parameters

* Thay đổi các tham số của các phần tử trong bài toán mô phỏng:

- Thực hiện kích đúp vào phần tử cần thay đổi tham số hộp thoại về các tham số của phần tử xuất hiện .

- Di chuyển con trỏ đến các giá trị thích hơp.

- Nhập giá trị tham số mong muốn.

Chú ý: Có ba chế độ của tham số là Norman, Script và Sweep:

- Trong đó chế độ Scrip được thực hiện khi tham số này là tham số toàn cục, nó có liên quan đến tất cả các phần tử khác trong hệ thống.

- Chế độ Sweep được sử dụng khi thực hiện quét tham số.

- Tại mục Power cho phép ta nhập công suất phát quang có giá trị phù hợp với từng kênh.

Tiếp theo tiến hành thay đổi tốc độ bit (Bit rate): Tại mục value chọn Set bit rate.

Hình 2.16 :Chọn trường thay đổi tốc độ bít

Tiến hành nhập tốc độ bit 10Gbit/s= 10000000000 (bít/s).

Hình 2.17 : Nhập tốc độ bít muốn thay đổi

+ Tiến hành thiết lập cửa sổ thời gian: tại Value chọn Set Time Window và nhập giá

Hình2.18 : Thiết lập cửa sổ thời gian thực

Hình 2.19 : Thay đổi công suất phát quang

+ Kết thúc cài đặt tham số toàn cục bằng cách click OK các thông số toàn cục được hiển

thị như sau:

* Xóa các tham số mới khỏi dự án: thực hiện qua các bước:

- Trong hộp thoại Layout Parameter, kích vào cột Value bên cạnh tham số bạn muốn

thay đổi.

- Kích Remove Par: Tham số đã được xóa.

Chú ý: Bạn không thể chỉnh sửa hoặc xóa các tham số hệ thống.

2.3.5. Chạy mô phỏng

a. Chạy mô phỏng

Ấn tổ hợp (Ctrl F5), hoặc click Colculatol trên thanh công cụ. Màn hình hiển thị:

Hình 2.20: Giao diện màn hình chạy mô phỏng

+ Tiếp theo click vào nút Run để chạy chương trình:

Hình 2.21 : Chạy chương trình

+ Sau khi chương trình chạy xong, để hiển thị giá trị của BER ta kích đúp vào thiết bị đo

BER của kênh đầu tiên (CH1).

Hình 2.22: Đo tỉ số BER của kênh

+ Thực hiện tương tự như vậy với các kênh còn lại để tìm các giải giá trị phù hợp.

b. Hiển thị kết quả mô phỏng

- Kích đúp chuột vào các phần tử hiển thị trong thiết kế để hiển thị đồ thị và các kết

quả mà quá trình mô phỏng tạo ra.

Hình 2.23 : Kết quả mô phỏng

c. Để tiến hành thiết lập tham số quét ta thực hiện như sau:

+ Cách 1: ấn tổ hợp phím Ctrl +Home

+ Cách 2: Thực hiện 3 bước sau:

Bước 1: Kích chuột vào nút Set Total Sweep Iterarion trên Layout Bar hộp thoại

Total Parameter Sweep Iterations trên Layout Tool Bar xuất hiện trên hình:

Bước 2: Nhập giá trị số lần quét .

Bước 3: Click chuột OK

Hình 2.24: Thiết lập tham số quyét

d. Thay đổi số lần quét:

Sau khi tính toán, để thay đổi số lần quét hiển thị trên bản thiết kế (layout), thực hiện

các bước sau:

- Bước 1: Lựa chọn Layout > Set Current Sweep Interation trên Menu toolbar. Hộp

thoại Set Current Sweep Iterarion xuất hiên như trên hình 20

- Bước 2: Nhập vào số lần quét muốn hiển thị trên bản thiết kế

- Bước 3: Kích chuột vào nút OK

Hoặc sử dụng Previous Sweep Interarion hoặc Next Interation trên Layout

Toolbal để chuyển đổi số lần quét.

Hình 2.25: Chuyển đổi số lần quét.

e. Thay đổi giá trị tham số quét: Sau khi đã chọn số lần quét thì chúng ta thực

hiện nhập giá trị cần quét của tham số. Trước khi nhập tham số cần quét phải chuyển

sang chế độ quét Sweep Mode.

f. Để chuyển sang chế độ quét cho tham số thực hiện như sau:

+ Lựa chọn Layout -> Parameter Sweep trên Menu Toolbar . Hộp thoại về các tham

số của các phần tử như hình vẽ. Chủ yếu thiết lập quét tham số cho nguồn lazer.

+ Kích đúp vào nguồn CW lazer Properies hộp thoại xuất hiện:

Hình 2.26: Hộp thoại chuyển sang chế độ quét cho tham số

+ Tại Mode kích chuột chọn Sweep. Kết thúc bằng OK.

Hình 2.27: Chọn chế độ của tham số

+ Sau đó tiến hành điền tham số quét bằng cách click chuột vào Parameter Sweep trong

cột Value. Kết thúc bằng OK.

+ Sau khi đã thay đổi xong các tham số quét tiến hành bước tiếp theo.

g. Hiển thị kết quả mô quả mô phỏng quét tham số

Sau khi chương trình chạy xong, để hiển thị giá trị của BER ta kích đúp vào thiết bị

đo BER của kênh đầu tiên (CH1).

Để hiển thị kết quả mô phỏng quét tham số (đối với thiết kế hệ thống, thường hiển thị

sự thay đổi BER theo giá trị của tham số quét), thực hiện các bước sau:

o Bước 1: Lựa chọn Report tab trong cửa sổ Project Layout

o Bước 2: Kích chuột vào nút Opti2Dgraph trên Report toolbar

o Bước 3: Trong Project Browser, lựa chọn tham số đã để ở Sweep Mode,

kéo tham số này và thả vào trục X của đồ thị 2D

o Bước 4: Trong Project Browser, lựa chọn tham số Min. Log of BER của

thiết bị phân tích lỗi bit, kéo tham số này và thả vào trục Y của đồ thị 2D

Kết quả thay đổi BER theo tham số quét sẽ hiển thị trên đồ thị 2D.

Hình 2.28:. Các bước để hiển thị kết quả mô phỏng quét tham số

2.4. Mô hình mô phỏng

2.4.1 Yêu cầu thiết kế

1) Bài toán: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng

khuếch đại quang EDFA với các yêu cầu thiết kế như sau:

- Tốc độ bit: 10 Gbit/s

- Cự ly truyền dẫn: 300 km

- Số lượng kênh bước sóng: 4 kênh

Một số gợi ý khi thiết kế:

- Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn (G.652)

- Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser.

- Phương thức điều chế: điều chế ngoài

- Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel

2) Yêu cầu:

a) Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin quang

WDM theo phương án đã thiết kế.

Lưu ý: các tham số toàn cục (global parameters để mô phỏng) được thiết lập như sau

- Tốc độ bit: 10 Gbit/s

- Chiều dài chuỗi: 128 bits

- Số mẫu trong 1 bit: 64

b) Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng. Các thiết bị đo trên tuyến được đặt tại các

vị trí phù hợp để xác định được chất lượng và dạng tín hiệu tại các điểm cần thiết trên

tuyến. Các thiết bị đo cơ bản:

- Thiết bị đo công suất quang

- Thiết bị phân tích phổ quang

- Thiết bị đo BER

c) Chạy mô phỏng

d) Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến

e) Thay đổi các tham số của các phần tử trên tuyến để đạt được BER = 10-12

3) Báo cáo kết quả thực hành

- Mô hình mô phỏng

- Các tham số mô phỏng chi tiết

- Kết quả mô phỏng

o Kết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đầu hệ thống ban đầu

o Sự thay đổi của các tham số thiết kế để đạt được BER = 10-12

- Nhận xét, phân tích kết quả mô phỏng .

2.4.2 Mô phỏng theo phƣơng án thiết kế

2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C

Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, bộ phát xung RZ pulse

genarator, bộ phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, bộ điều chế Mach-

zehnder.

Tuyến phát quang gồm 4 kênh quang được tích hợp thông quang bộ ghép kênh quang

Thiết lập tham số toàn cục

Tốc độ bít: 10GBps

Chiều dài chuỗi: 128bits

Số mẫu trong một bít: 64

Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong một trong một bit=128×64=8192

Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục

Nguồn phát: Sử dụng nguồn CW Laser ( continous Wave Laser ) : nhằm giảm ảnh

hưởng của tán sắc sợi.

Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser

Bộ tạo xung RZ

Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ

Bộ tạo chuỗi bit

Hình 2.32. Bộ tạo chuỗi bít

Bộ điều chế ngoài

Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder

Bộ ghép kênh quang (ghép 4 kênh)

Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1

Toàn tuyến phát 4 kênh quang

Hình 2.35: Tuyến phát quang

2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang

Hình 2.36. Tuyến truyền dẫn quang

Sợi quang sử dụng G.652 có các tham số: tại cửa sổ truyền 1550nm thì:

Suy hao sợi: 0.2dB

Độ tán sắc: 0.335 ps/nmkm

Độ dốc tán sắc (≤0.092ps/nm^2/k): 0.075ps/nm^2/k.

Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô phỏng chúng ta sử dụng

bộ Sloop đóng vai trò như một bộ nhân các vòng lặp.

Chọn chiều dài sợi G.652 là 60km, số bộ lặp là: 300km÷60km=5 bộ.

Hình 2.37. Bộ lặp

Do sợi quang có suy hao tán sắc nên trong tuyến truyền dẫn sẽ sử dụng bộ bù tán sắc

Thông số của bộ bù tán sắc:

Giả sử sợi G652 có chiều dài là L1=50km.

Độ tán sắc là : D1= 16.75 ps/nm.km.

Độ dốc tán sắc : 0.075ps/nm^2.km.

Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF) là L2=60km-50km=10km

Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2.= -50×16.75/10= -83 ps/nm.km.

Độ dốc tán sắc : 0.375ps/nm^2.km.

Hình 2.38. Thông số sợi bù tán sắc DCF

Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng bộ khuếch đại

EDFA để bù suy hao sợi.

+ L1=50km thì suy hao sợi là: 50×0.2=10dB

Độ lợi của bộ khuếch đại EDFA là 10dB

+ L2=10km thì suy hao sợi là: 10×0.2=5dB

Độ lợi của bộ khuếch đại EDFA là 5dB

2.4.4.3 Tuyến thu của hệ thống WDM

Hình 2.39. Tuyến thu WDM

Thiết bị đo BER

Hình 2.40. Thiết bị đo BER

2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế

Tuyến WDM theo yêu cầu

Hình 2.41. Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu

Quang phổ tín hiệu phát

Hình 2.42. Quang phổ tín hiệu phát

Quang phổ tín hiệu thu

Hình 2.43. Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ 3

Công suất tín hiệu phát

Hình 2.44. Tổng công suất phát

Công suất tín hiệu thu

Hình 2.45. Công suất thu của kênh 4

Tỉ lệ lỗi bit BER

Mắt quang

Hình 2.46. Hiển thị mắt quang

BER của một kênh

Hình 2.47. BER của kênh thứ nhất là 10-13

2.4.4. Kết quả mô phỏng thay đổi các tham số để đạt BER=10-12

Khi thay đổi một trong các tham số hệ thống thì tỉ số lỗi bít BER se thay đổi theo.

Thay đổi công suất Laser phát

Hình 2.48. Thay đổi công suất Laser phát

Hoặc thay đổi hệ số suy hao sợi quang lên thành 0.2025dB

Hình 2.49. Hệ số suy hao sợi quang thay đổi

BER thay đổi

+ BER của kênh thứ nhất thay đổi

Hình 2.50. BER của kênh thứ nhất đạt 10-12

+ Mắt quang:

Hình 2.51. BER đạt 10-12

khi thay đổi một số tham số

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TS. Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật WDM”, tạp chí bưu

chính viễn thông số 9-1999

Giáo trình “Kỹ thuật thông tin quang 2” (dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ

xa)_Ths. Đỗ Văn Việt Em.

Kevin H. Liu, IP over WDM, John Wiley & Sons, Inc, 2002

Tài liệu:khuếch đại quang sợi và khả năng ứng dụng vào mạng viễn thông- Dương

Đức Tuệ

Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang - Học viện công nghệ bưu chính viễn

thông, NXB Bưu Điện, Hà Nội 5-2001

Huong Dan Optisystem

Documents

Red Gpon en Optisystem

Tutorial OptiSystem

Huong Dan EJB3

Huong dan sd_spss

Treinamento Software OptiSystem

Huong dan su_dung_ms_word_9987

Huong dan ANSYS.pdf

Huong Dan Bootrom

Huong dan su_dung_cns_accounting_3

Huong Dan Php

Huong Dan sudung

Huong dan cai_redhat_linux_fedora_core_4

Huong Dan ANSYS1

Huong Dan DiaLux

Huong dan su_dung_subversion

Huong Dan Sophos

Huong Dan Orcad

Huong dan phan_tich_va_thiet_ke_ket_cau_bang_chuong_trinh_sap2000

Huong dan email_marketing_net_nam

Huong dan su_dung_internet_banking_2