HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
VŨ NGỌC TÚ CÂN BẰNG PHỔ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ MÔ PHỎNG
ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG WDM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI EDFA
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013
tính chính xác, băng thông rộng của hệ thống truyền dẫn quang thì
hiện nay hệ thống đã được triển khai rộng rãi.
Các công nghệ truyền tải quang mới cũng liên tục được
nghiên cứu và ứng dụng triển khai để nâng cao dung lượng truyền
tải, tận dụng hiệu quả băng thông rộng của sợi quang. Một trong
những công nghệ đã được ứng dụng đó là “Công nghệ ghép kênh
quang theo bước sóng WDM”. Mặc dù hiệu quả hệ thống WDM đem
lại là rất lớn, về băng thông, độ ổn định…nhưng vẫn gặp phải những
vấn đề quan trọng: suy hao sợi, tán sắc, ảnh hưởng bởi các hiệu ứng
phi tuyến, phổ khuếch đại không bằng phẳng cho các bước sóng
ghép.
Hiện nay bộ khuếch đại quang EDFA đã được ứng dụng
trong các hệ thống WDM thực tế, với những ưu điểm: độ rộng phổ
khuếch đại lớn, biên độ khuếch đại cao. Tuy vậy, bộ khuếch đại
EDFA vẫn chưa giải quyết triệt để vấn đề: phổ khuếch đại không
bằng phẳng cho mỗi bước sóng ghép trong các hệ thống WDM.
Vì vậy, luận văn này sẽ đi vào nghiên cứu đưa ra giải pháp
cân bằng phổ khuếch đại EDFA, các ảnh hưởng của phổ khuếch đại
EDFA, và cuối cùng khảo sát đánh giá hệ thống WDM sử dụng
khuếch đại EDFA kết hợp với phương pháp cân bằng.Với những lý
do trên em chọn đề tài :” Cân bằng phổ khuếch đại EDFA và khảo
sát đánh giá hệ thống WDM sử dụng khuếch đại EDFA ” để làm
luận văn tốt nghiệp. Luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu tóm tắt về khuếch đại EDFA, hệ
thống WDM đơn giản, ảnh hưởng của độ khuếch đại phụ thuộc bước
sóng, và các phương pháp cân bằng phổ khuếch đại EDFA.
Chương 2: Trình bày lý thuyết về bộ lọc cách tử Bragg được
ứng dụng làm bộ lọc cân bằng phổ EDFA. Đưa ra một số đặc tính
phản xạ cơ bản của cách tử Bragg.
2

Hình 1.1. Sơ đồ các mức năng lượng của ion Er
+3

b) Nguyên lý hoạt động của EDFA
Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được
phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Khi các ion
Erbium Er
+3
được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp
thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng
lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái giả bền
4
I
13/2
. Tín hiệu
quang tới sẽ gặp các ion Erbium đã được kích thích. Lúc này sẽ xảy
ra quá trình bức xạ kích thích các ion Erbium sẽ chuyển từ mức giả
bền
4
I
13/2
xuống mức năng lượng nền thấp nhất
4
I
15/2
(nơi mà mật độ
điện tử cao) và tạo ra các photon có cùng pha và hướng quang như
tín hiệu tới. Như vậy đã đạt được quá trình khuếch đại quang
trong EDFA.
1.2. Hệ thống Wavelength Division Multiplexing (WDM)

từng kênh WDM gần bằng nhau. Khi thông tin công suất lối ra tại
node đích được phản hồi về node nguồn bằng các phương pháp
truyền tải(quang, vô tuyến ), thì một cơ chế điều chỉnh tại node
nguồn sẽ điều chỉnh lại công suất lối vào cho từng kênh để đạt được
phổ khuếch đại tối ưu tại node đích.
Lọc cân bằng
Một bộ lọc quang có thế được kết nối với một bộ khuếch đại
quang để thực hiện cân bằng phổ khuếch đại. Phổ truyền đạt của các
bộ lọc cân bằng này yêu cầu phải có dạng ngược lại với phổ truyền
đạt của các bộ khuếch đại quang trong cùng một dải bước sóng.
Ngoài ra cũng có thể đặt bộ lọc cân bằng sau chuỗi một vài bộ
khuếch đại.
Hai loại bộ lọc cân bằng thường sử dụng là: bộ lọc cách tử
sợi quang – fiber gratings (LPG, FBG) và bộ lọc dielectric thin-
film. Cả hai loại này đều đã được tích hợp trong các module EDFA
thương mại thực tế.

Hình 1.6. Hoạt động của bộ lọc cân bằng
Cân bằng động
Đây là kĩ thuật được mở rộng từ kĩ thuật lọc cân bằng, cân
bằng động dựa trên các bộ lọc với phổ truyền đạt có thể điều chỉnh
được. Bằng việc theo dõi phổ khuếch đại lối ra, một bộ cân bằng
động có hể điều chỉnh theo thời gian thực để bù lại những thay đổi
của độ khuếch đại . Một số kĩ thuật cân bằng động đã được phát
triển: Tunable Fiber Bragg gratings, acoustooptic tunable filters,
micro – electro – mechanical system…
6
Chương 2: CÂN BẰNG PHỔ KHUẾCH ĐẠI EDFA SỬ
DỤNG BỘ LỌC CÁCH TỬ BRAGG
2.1 Giới thiệu


(2.5)
Bước sóng mà tại đó có sự phản xạ hoàn toàn được gọi là bước sóng
Bragg λ
b
.
2.3. Lý thuyết ghép mode
Mối liên hệ đơn giản giữa bước sóng Bragg λ
B
, chu kì cách
tử và chỉ số khúc xạ ảnh hưởng n
eff
không đưa ra bất cứ thông tin
nào về băng thông đáp ứng bộ lọc hay độ phản xạ của cách tử. Một
công cụ rất hữu ích đã được sử dụng để mô tả các thuộc tính của
cách tử Bragg đó là lý thuyết ghép mode.
Phương trình ghép mode có thể đơn giản hoá bằng việc giảm
số mode xuống còn hai mode và được mô tả như sau:

( )
ζ ( ) ( )
dR z
i R z ikS z
dz
 ( )
ζ ( ) ( )
dS z

cách tử (xảy ra tại bước sóng Bragg) được mô tả bởi
r
max
= tanh
2
(kL) (2.19)
Từ phương trình (2.19) thấy rằng độ phản xạ sẽ thay đổi theo
sự thay đổi của chỉ số điều chế chiết suất, và độ phản xạ cũng thay
đổi theo chiều dài của cách tử. Hiển nhiên từ phương trình này hệ số
phản xạ của FBG là gần tới 1 khi điều chế chỉ số chiết suất và độ dài
cách tử được tăng độ chính xác.

Hình 2.7. Mô tả độ phản xạ (nét đứt) và sự truyền đạt (nét liền) của
cách tử Bragg L=1 cm, λB = 1550 nm, neff =1.45, kL=2
2.3.2. Cách tử Bragg quang chu kì thay đổi
2.3.3. Cách tử Bragg điều biến chiết suất
9
2.4. Ứng dụng cách tử Bragg đều cân băng phổ khuếch đại
EDFA
Phần trên đã nghiên cứu và đưa ra các kết quả đặc tính của
cách tử Bragg. Ta thấy rằng đặc trưng nhất của cách tử Bragg đó là
khả năng phản xạ lại bước sóng thỏa mãn điều kiện Bragg. Và đối
với cách tử Bragg đều UFBG thì độ phản xạ theo (2.19) chỉ phụ
thuộc vào hệ số ghép k và độ dài cách tử L. Do đó nếu chúng ta sử
dụng cách tử Bragg đều như là một bộ lọc để phản xạ năng lượng
của bước sóng Bragg theo từng độ mạnh phản xạ, chúng ta có thể thu
được công suất mong muốn ở đầu ra cách tử Bragg.
Đối với hệ thống ghép kênh quang WDM, sau khi được
khuếch đại qua EDFA có đặc tính phổ khuếch đại không bằng
phẳng, kèm theo là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại thì công

2.5.4. Ứng dụng trong công nghệ Laser

11
Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM SỬ DỤNG
BỘ LỌC CÁCH TỬ BRAGG CÂN BẰNG PHỔ KHUẾCH
ĐẠI EDFA
3.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng OptiSystem
3.2. Mô hình mô phỏng
3.2.1. Yêu cầu mô phỏng
a) Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có
sử dụng khuếch đại EDFA với các yêu cầu như sau:
- Tốc độ bít: 10Gbit/s
- Cự ly truyền dẫn : 120 km
- Số lượng kênh bước sóng: 8 kênh
- Loại sợi quang: Sợi đơn mode chuẩn (G.655)
- Đảm bảo chênh lệch công suất tín hiệu đầu phát/thu nhỏ
- Đảm bảo công suất các kênh đồng đều nhau
b) Sử dụng phầm mềm Otisystem xây dựng mô hình theo phương
án mô phỏng ở trên.
- Chạy mô phỏng
- Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên
tuyến.
- Thay đổi các tham số của các phần tử bộ lọc để đạt được
độ cân bằng công suất giữa các kênh.
c) Báo cáo và đánh giá kết quả mô phỏng.
3.2.2. Xây dựng hệ thống WDM theo phương án thiết kế
a) Phần phát quang và ghép kênh
- Nguồn phát 8 kênh WDM
- Bộ ghép 8 kênh quang MUX (ghép 8 kênh)
b) Tuyến truyền dẫn quang

rõ ràng lúc này công suất tín hiệu của các kênh đều bị giảm xuống do
suy hao đường truyền 24 dB, và lúc này công suất các kênh vẫn khá
đều nhau ~ -46,9 dBm. Với giá trị số công suất nhỏ như thế này thì
rõ ràng bộ thu khó có thể phân biệt được tín hiệu, do đó điều cần
thiết là phải sử dụng bộ khuếch đại EDFA ~ 24 dBm để bù lại suy
hao này. Đảm bảo không gây mất thông tin khi truyền trên tuyến.
3.3.2. Kết quả mô hình có khuếch đại EDFA chưa cân bằng

Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM sử dụng EDFA chưa
cân bằng

14
Quang phổ tín hiệu sau khuếch đại EDFA và sau truyền
dẫn

a)

b)
Hình 3.16. a) Quang phổ tín hiệu phát; b) Quang phổ tín hệu sau
truyền dẫn

15
Công suất tín hiệu sau khuếch đại và truyến dẫn

a)

b)
Hình 3.18. a) Công suất tín hiệu phát; b) Công suất tín hệu sau
truyền dẫn sử dụng EDFA
Nhận xét:

khuếch đại EDFA, mỗi cách tử Bragg tương ứng với một kênh trong
7 kênh bước sóng. Mỗi cách tử có chức năng như một bộ phản xạ
làm suy hao công suất mỗi kênh bước sóng này để đạt được mức
công suất yêu cầu. 17

Hình 3.19. Sơ đồ mô phỏng hệ thống WDM sử dụng EDFA được
cân bằng bởi cách tử Bragg đều
Bằng thực nghiệm chạy mô phỏng và thay đổi tham số các
bộ lọc suy hao cách tử Bragg đều ta đạt được sự cân bằng công suất
giữa các kênh có giá trị xung quanh ~ 2.292 dBm. Bảng thông số cài
đặt cho từng cách tử như sau:
Bảng 3.1. Thông số cài đặt cho cách tử
Tên cách tử
Băng thông
(GHz)
Tần số
(THz)
Độ
phản
xạ
UFBG_195
10
195.0 0.27
UFBG_195.2

tại giá trị 2.2 dBm. Và công suất sau truyền dẫn cũng đã cân bằng
nhau xung quang giá trị -21.8 dBm, với độ sai lệch công suất lớn
nhất giữa các kênh là khá nhỏ ~ 0.24 dBm. Do đó việc sử dụng các
cách tử Bragg đều trong khuếch đại EDFA là khá hiệu quả trong
việc cân bằng độ khuếch đại, đã làm giảm độ chênh lệch công suất
giữa các kênh từ 6.7 dBm xuống còn 0.24 dBm.
3.3.4. Kết quả mô hình thay đổi chiều dài sợi quang
3.3.5. Kết quả mô hình bộ lọc cân bằng đặt sau tuyến truyền dẫn
quang
3.3.6. Kết quả mô hình thay đổi công suất phát các kênh WDM
3.3.7. Kết quả khi thay đổi bộ khuếch đại EDFA
20
KẾT LUẬN
Việc ứng dụng khuếch đại quang sợi EDFA với phổ khuếch
đại rộng trải toàn bộ băng C, đã bù lại phần suy hoa do sợi quang khi
truyền tải trong hệ thống WDM. Tuy vậy một vấn đề gây ảnh hưởng
lớn tín hiệu đó là đặc tính không cân bằng của phổ khuếch đại giữa
các kênh bước sóng, khi tuyến truyền dẫn sử dụng nhiều bộ khuếch
đại EDFA thì chính đặc tính này sẽ gây ra hiện tượng bão hòa đối
với một số bước sóng, trong khi các bước sóng khác vẫn được
khuếch đại tuyến tính. Hiện tượng này dẫn đến tỉ số tín hiệu/nhiễu bị
giảm có khả năng gây mất tín hiệu.
Vấn đề này đã được luận văn giải quyết bằng các phương
pháp khắc phục hiện tượng phổ khuếc đại EDFA không cân bằng.
Và tập trung vào phương pháp cân bằng sử dụng bộ lọc cách tử
Bragg. Với đặc tính chỉ phản xạ lại những bước sóng thỏa mãn điều
kiện Bragg, thì cách tử Bragg đã được sử dụng như là bộ lọc suy hao