Tính toán tối ưu tuyến thông tin sợi quang sử dụng khuếch đại HFA tốc độ bit cao

Nội dung text: Tính toán tối ưu tuyến thông tin sợi quang sử dụng khuếch đại HFA tốc độ bit cao

1. TÍNH TOÁN TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI HFA TỐC ĐỘ BIT CAO OPTIMAL CALCULATION OF FIBER OPTIC COMMUNICATION LINK USING HYBRID HFA AMPLIFIER AT HIGH BIT-RATE NGUYỄN VĂN TUẤN Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng NGUYỄN TRẦN TÚ NHI Công ty Acronics Systems TÓM TẮT Bài báo này đề xuất mô hình tính toán tuyến thông tin sợi quang sử dụng khuếch đại ghép lai HFA tốc độ bit cao (gồm khuếch đại Raman phân bố kết hợp với 2 EDFA). Sau đó, xây dựng lưu đồ thuật toán, viết chương trình tính toán bằng ngôn ngữ MathCAD nhằm xác định giá trị tối ưu của các thông số như công suất bơm và chiều dài khuếch đại Raman, chiều dài sợi bù tán sắc, độ khuếch đại của 2 EDFA và khoảng cách giữa chúng sao cho tỉ số OSNR tại đầu vào máy thu đạt giá trị cực đại. Tiếp đến, xây dựng bảng kết quả tính toán và vẽ đồ thị cho phép xác định ngay các thông số tối ưu tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau. Kết quả này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế tuyến nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn. ABSTRACT In this paper, we propose the model for calculating Fiber Optic Communication Link using HFA at High Bite-Rate (including combination of Distributed Raman Amplifier and 2 EDFAs). Then, building algorithm chart and writing MathCAD-based calculating program are carried out to determine the optimal values of parameters such as pumping power and length of Raman Amplifier, length of DCF, Gain of two EDFAs and Span between them in order to achieve the maximum of OSNR at Optic Receiver’s input. In addition, we calculate and find out the set of optimal parameters corresponding to the different distances and present the results through tables and the graphs. The results can be applied effectively in designing fiber optic communication links to improve the quality of signal transferred through them. 1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng gia tăng nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ băng rộng khác nhau, người ta đã tiến hành các thực nghiệm và triển khai nhiều tuyến thông tin sử dụng bộ khuếch đại ghép lai [1], [2], [3], kết hợp giữa khuếch đại Raman phân bố và EDFA, gọi tắt là HFA. Thành công ban đầu của các dự án này đã khẳng định được các ưu điểm nổi trội của HFA là khả năng tăng dung lượng thông tin nhờ mở rộng băng thông truyền dẫn và nâng cao được tỉ số tín hiệu trên nhiễu (OSNR) tại cuối tuyến. Hiệu quả việc khai thác các ưu điểm trên của HFA phụ thuộc chủ yếu vào việc đề xuất các mô hình HFA và xác định các thông số tối ưu của các thành phần tạo nên bộ khuếch đại này. Tuỳ thuộc vào cự ly thông tin, dung lượng truyền dẫn và tốc độ dữ liệu mà người ta có thể chọn mô hình HFA phù hợp [4], [5], [6]. Trong phạm vi nghiên cứu tuyến truyền dẫn có khoảng cách từ 150km đến 300km, tốc độ bit 10Gbit/s, chúng tôi đề xuất mô hình bộ khuếch đại ghép lai gồm khuếch đại Raman phân bố sử dụng một bơm ngược chiều, kết hợp với hai khuếch đại EDFA và sợi quang bù tán sắc đặt giữa chúng như hình1. Mô hình HFA cơ bản này có thể được mắc nối tiếp nhau (N x HFA) để tạo nên tuyến thông tin có khoảng cách truyền dẫn cực lớn. Bước đầu, chúng tôi
2. nghiên cứu ưu điểm thứ hai của HFA là khả năng nâng cao tỉ số OSNR tại máy thu. Bài toán đặt ra là với một khoảng cách cho trước LS từ máy phát đến máy thu, cần xác định công suất quang PS đưa vào sợi, công suất bơm Raman PP, chiều dài hiệu dụng LS1 của khuếch đại Raman, chiều dài sợi bù tán sắc LDCF, độ khuếch đại công suất G1, G2 của 2 EDFA và khoảng cách LS2 giữa chúng sao cho tỉ số OSNR tại máy thu đạt cực đại. 2. Sơ đồ khối và tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR tại đầu vào máy thu Máy phát Máy thu Sợi NZDSF EDFA1 Sợi DCF EDFA2 Sợi NZDSF PS G1 G2 α , LDCF α , L α1 , LS1 2 1 S2 Bơm Raman Hình 1. Mô hình tính toán tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại ghép lai HFA Hình 1 biểu diễn mô hình tính toán tuyến truyền dẫn HFA. Trong đó: LS1, LS2, LDCF : lần lượt là chiều dài của 2 sợi truyền dẫn và của sợi bù tán sắc. LS1 đồng thời là sợi khuếch đại Raman. GR, G1, G2: độ khuếch đại của Raman, EDFA1 và EDFA2. α1 ,α 2 là hệ số tổn hao của sợi truyền dẫn NZDSF và của sợi bù DCF. PS là công suất tín hiệu đưa vào sợi. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tuyến thông tin quang đơn kênh có các HFA mắc chuỗi: P OSNR = Sig (1) PPASEΣ + DRSΣ PSig : công suất tín hiệu ở cuối tuyến.PASEΣ , PDRSΣ : công suất nhiễu phát xạ tự phát (ASE) và công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép (DRS) tạo ra tại cuối tuyến. PSig được khuếch đại bởi các khuếch đại Raman, EDFA1, EDFA2, đồng thời cũng bị suy giảm khi đi qua các tuyến truyền dẫn LS1, LS2, LDCF nên được tính như sau: −α1()LLSS 1 + 2 −α 2LDCF PSig = GR G1 G 2 e e PS (2) PASEΣ : công suất nhiễu phát xạ tự phát do HFA tạo ra tại đầu vào máy thu, được biểu diễn: −α1LS 2 −α 2LDCF −α1LS 2 −α 2LDCF −α1LS 2 PPGGeeASEΣ = ASE_ R 1 2 + PGeeASE_ E 1 2 + PASE_ E 2 . e (3) Trong đó: PASE_ R là công suất nhiễu ASE do khuếch đại Raman trong HFA tạo ra và được tính như sau: P = m hν N B (4) ASE− R t s ASE 0 PASE_ E 1 và PASE_ E 2 là công suất nhiễu ASE tại đầu ra của EDFA1 và EDFA2 , được xác định theo biểu thức: (5) PASE _E 1 = m t n SP hν () G1−1 B 0 PASE_ E 2 = m t n SP hν ( G2−1) B 0 Với mt ,h,ν ,,nSP B0 : lần lượt là hệ số phân cực ánh sáng, hằng số Planck, tần số tín hiệu, hệ số nhiễu ASE của EDFA và băng thông bộ lọc quang của máy thu. PDRSΣ : công suất nhiễu DRS tại đầu vào máy thu được tính như sau: L P= G G G e−α1()LLSS 1 + 2 e −α2LDCF P với P L= r ⋅ P y ⋅ G y, L dy (6) DRSΣ R 1 2 DRS DRS ()∫ RS ()R ( ) 0 Trong đó PDRS do khuếch đại Raman trong HFA tạo ra, r là hệ số tán xạ Rayleigh
3. Bắt đầu Nhập các thông số tuyến: L , A , , λ, D , D , m , h, c, S eff α1 α 2 S DCF t Viết các biểu thức tính công suất tín hiệu Psig, nhiễu tích luỹ , và OSNR tại đầu vào máy thu. PASEΣ PDRSΣ Gán Max=15dB PS:=-10 PP:=21 G1 :=10 G2 :=10 Để xác định giá trị x thích hợp N nhất cho 2 sợi truyền dẫn LS1, LS2, PRmin<PSig<PRMax chúng tôi dựa vào các biểu thức từ (1) Y đến (7), tính toán vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa OSNR theo x tương PSig Tính OSNR = ứng với các giá trị khác nhau của PS, PP+ ASEΣ DRSΣ Pp, và LS .Hình 2 biểu diễn các giá trị OSNR khi x thay đổi từ 0,1 đến 1. N Max<OSNR Đường 1 và 2 biểu diễn OSNR ứng với PS bằng -10dBm và 2dBm trong Y khi các thông số khác ở giá trị trung Max:=OSNR bình PP=24dBm, LS=200km. Tương tự đường 3 và 4 tương ứng với OSNR khi LS nhỏ nhất và lớn nhất, đường 5 Y và 6 ứng với OSNR khi P nhỏ nhất và G2 < 40 G2:=G2+1 P N lớn nhất, các thông số khác ở giá trị Y trung bình. Ta thấy rằng OSNR đạt giá G1 < 40 G :=G +1 1 1 trị chuẩn (20dB) ứng với khoảng biến N Y thiên lớn nhất của x là 0,4 đến 0,8 P < 26 P :=P +1 P P P (giới hạn bởi đường 3 và 4). Tuy N nhiên, xét trung bình cả 6 đường, tức Y P :=P +1 P < 0 S S S xét OSNR theo tất cả các thông số PS, N PS, LS có thể xem giá trị trung bình của x là 0,6. Xuất các giá trị:OSNR, công suất quang PS , công suất bơm Raman PP, chiều dài khuếch đại Raman LS1, chiều dài sợi bù tán sắc LDCF, độ khuếch đại công suất G1, G2 và khoảng cách LS2 của 2 EDFA. Kết thúc Hình 3. Lưu đồ thuật toán tính toán tối ưu tuyến thông tin sợi quang sử dụng khuếch đại HFA
4. 3. Xác định tỉ số độ dài của 2 sợi truyền dẫn LS1, LS2. Chiều dài của tuyến LS và của sợi bù LDCF được xác định : LLLLSSS= 1+ 2 + DCF và DS LDCF = − (LLSS1+ 2 ) với DS, DDCF: là hệ số tán sắc của sợi NZDSF và sợi DCF. DDCF Gọi x là tỉ số giữa LS1, LS2 và được biểu diễn theo biểu thức: L L x =S1 = S1 (7) LS 2 LLLS −DCF − S1 4. Tính toán mô phỏng và thảo luận Việc tối ưu tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào máy thu sẽ được tiến hành theo 4 thông số là công suất tín hiệu đưa vào sợi PS,,công suất bơm Raman PP, hệ số khuếch đại của 2 EDFA G1 và G2 còn chiều dài tuyến LS cho phép thay đổi để có thể xác định được các tổ hợp thông số tối ưu khác nhau tương ứng với các khoảng truyền dẫn cho trước, thuận tiện cho việc áp dụng vào một tuyến thực tế cụ thể. Quá trình tối ưu được thực hiện theo lưu đồ thuật toán được biểu diễn trong hình 3. Tiến hành các bước tính toán như trên cho các tuyến có chiều dài thay đổi từ 150km đến 250km với bước thay đổi là 10km ta xác định được các thông số tối ưu, từ đó lập thành bảng 1 và 2. Từ đó ta rút ra các nhận xét như sau: 9 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đạt giá trị tối ưu khi độ khuếch đại EDFA 2 ở giá trị nhỏ nhất, công suất bơm Raman lớn nhất (đồng nghĩa với độ khuếch đại Raman lớn nhất) và độ khuếch đại EDFA 1 ở giá trị đủ lớn mà vẫn thoả mãn điều kiện về công suất tín hiệu cuối đường truyền đã đề cập ở trên. Khi thiết kế tuyến cần chú ý đến đặc điểm này để có thể đạt được tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao. 9 Giá trị OSNR tối ưu tỉ lệ nghịch với chiều dài tuyến truyền dẫn. Chiều dài tuyến càng tăng OSNR tối ưu càng giảm. Ngược lại, OSNR tối ưu tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu vào, khi công suất tín hiệu vào tăng lên, OSNR tối ưu tăng theo. Tuy nhiên, không thể nói rằng công suất tín hiệu vào càng tăng thì OSNR cũng tăng theo một cách tuyến tính mà nó bị giới hạn bởi các điều kiện về công suất tín hiệu ở đầu vào máy thu. Bảng 1. Các thông số tối ưu khi công suất tín hiệu vào Ps=-10dBm LS OSNR tối ưu CS bơm tối ưu Độ KĐ EDFA1 Độ KĐ EDFA2 (km) (dB) (dBm) tối ưu (dB) tối ưu (dB) 150 25,01 24 11 10 160 24,477 25 10 10 170 23,627 25,5 10 10 180 22,717 26 10 10 190 21,639 26 12 10 200 20,547 26 15 10 210 19,442 26 17 10
5. Bảng 2. Các thông số tối ưu khi công suất tín hiệu vào Ps=-5dBm LS OSNR tối ưu CS bơm tối ưu Độ KĐ EDFA 1 Độ KĐ EDFA 2 tối (km) (dB) (dBm) tối ưu (dB) ưu (dB) 150 29,915 24 10 10 160 29,085 24,5 11 10 170 28,222 25 11 10 180 27,301 25,5 11 10 190 26,247 26 11 10 200 25,239 26 14 10 210 24,201 26 16 10 220 23,141 26 19 10 230 22,062 26 21 10 240 20,969 26 23 10 250 19,865 26 26 10 Hình 4 biểu diễn đồ thị hình chiếu bằng của OSNR tối ưu theo công suất tín hiệu vào và chiều dài tuyến cho phép ta quan sát một cách tổng quát giá trị của OSNR khi các thông số đầu vào thay đổi trong cả khoảng giá trị của chúng. Ví dụ muốn OSNR đạt được giá trị chuẩn 20dB khi công suất tín hiệu vào là -5dBm thì chiều dài tuyến không được lớn hơn 250km. Hình 4. Đồ thị dạng của OSNR tối ưu theo công suất tín hiệu vào và chiều dài tuyến
6. 5. Kết luận Trên cơ sở mô hình tính toán tuyến thông tín sợi quang sử dụng khuếch đại ghép lai HFA (EDFA/RAMAN), bài báo đã xây dựng lưu đồ thuật toán, tính toán mô phỏng và đã xác định được giá trị tối ưu của các thông số như công suất quang đưa vào sợi, công suất bơm Raman, chiều dài hiệu dụng của khuếch đại Raman, chiều dài sợi bù tán sắc, độ khuếch đại công suất của 2 EDFA và khoảng cách giữa chúng sao cho tỉ số OSNR tại đầu vào máy thu đạt cực đại. Sau đó, bài báo đã xây dựng được các đồ thị, bảng biểu cho phép xác định ngay tập hợp các giá trị tối ưu của các thành phần trên tuyến tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau. Do đó, bài toán có thể được ứng dụng hiệu quả trong công tác thiết kế lắp đặt và vận hành tuyến nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E. Brandon, J.P.Blondel, G. Grandpierre, and A. Lombard, “461-km WDM8x2.5 Gb/s Repeaterless Transmission Using Launch Signal Power in Excess of 1W”; IEEE photonics Technology Letters, Vol.10, No.1, January 1998, pp. 168-170. [2] Takashi Mizuochi et al., “Bidirectional Unrepeatered 43Gb/s WDM Transmission With C/L Band-Separated Raman Amplification”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 20, No.12, December 2002, pp. 2079-2085. [3] T.N. Nielsen et al., “10-Gbit/s repeaterless transmission at 1.3 um with 55.1dB power budget using Raman post-and preamplifier”, OFC ’98 Technical Digest. [4] A. Carena, V. Curri, P. Poggiolini, “ On the Optimization of Hybrid Raman/Erbium- Doped Fiber Amplifiers”, IEEE photonics Technology Letters, Vol.13, No.11, November 2001, pp. 1170-1172. [5] Zhi Tong, Huai Wei, and Shuisheng Jian, “Investigation and Optimization of bidirectionally dual-order pumped distributed Raman amplifiers”, Optics Express, (C) 2004 USA, Vol.12, No.9, 3 May 2004, pp. 1794-1802 [6] Chisato Fukai et al , “A study of the Optimum Fiber Design for a Distributed Raman Amplification Transmission System”, IEEE photonics Technology Letters, Vol.15, No.11, November 2003, pp. 1642-1644.