Giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu trong hệ thống thông tin quang xuyên biển ghép kênh theo bước sóng (WDM)

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 1 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG XUYÊN BIỂN GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) SOLUTION FOR ENHANCING SIGNAL QUALITY IN WDM FIBER OPTIC COMMUNICATION SYSTEMS UNDERSEA Nguyễn Văn Tuấn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Hoàng Thị Phương Anh Công ty Thông tin di động khu vực III TÓM TẮT Bài báo này đề nghị giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang xuyên biển ghép kênh theo bước sóng (WDM) bằng cách chia hệ thống thành nhiều phân đoạn, mỗi phân đoạn gồm 2 bộ khuếch đại EDFA và đặt thêm bộ khuếch đại Raman tại ngõ vào EDFA thứ nhất, tạo thành bộ khuếch đại ghép lai HFA. Trên cơ sở đó, xây dựng lưu đồ thuật toán, ứng dụng vào việc tính toán tuyến WDM cụ thể. Đó là phân đoạn 9, từ Sesimbra đến Penmarch, thuộc hệ thống cáp quang biển SEA-ME-WE3 thông tin liên lạc với trên 39 nước mà Việt nam tham gia vào tại trạm cập bờ Hoà Hải Đà Nẵng. Sau đó, xây dựng bảng kết quả tính toán tối ưu các thông số như công suất tín hiệu quang từng kênh đưa vào tuyến, công suất bơm Raman, độ khuếch đại của 2 EDFA và OSNR tương ứng với số lượng kênh khác nhau. Kết quả này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế tuyến nhằm nâng cao dung lượng mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu truyền dẫn. ABSTRACT In this paper, we propose the solution for enhancing signal quality in WDM Fiber Optic Communication Systems undersea by dividing them into many segments where there two EDFAs in each segment and one Raman Amplifier located at the input of first EDFA. Then, algorithm chart is built and applied to calculate and simulate one concreate WDM segment. That is 9th one, from Sesimbra to Penmarch belonged to undersea SEA-ME-WE3 system which connect Vietnam communication Center at Hoa hai station, Danang city. After that, we create tables of optimized parameters including signal power per channel launched to fiber, pump power of Raman Amplifier and Gain of 2 EDFAs in order to achieve the maximum of OSNR at Optic Receiver’s input corresponding to the different channels. The results can be applied effectively in designing fiber optic communication links to improve their capacity and signal quality. 1. Đặt vấn đề Hệ thống cáp quang xuyên biển hiện nay sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng có các bộ khuếch đại quang sợi EDFA mắc chuỗi. Trong tương lai gần, nhu cầu thông tin liên lạc tăng cao thì số kênh ngày càng tăng, dung lượng ngày càng lớn cho tỉ số tín hiệu quang trên nhiễu (OSNR) giảm xuống, chất lượng tín hiệu không đạt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 2 yêu cầu. Giải pháp hiệu quả cho vấn đề này là đặt thêm các bộ khuếch đại Raman, tạo thành bộ khuếch đại ghép lai HFA trên đường truyền. Lý do là vì không phải bỏ hoặc lắp đặt thêm các EDFA mà chỉ cần đặt thêm các bộ Raman vào vị trí thích hợp trong các trạm lặp có sẵn. Bộ khuếch đại Raman được đặt trước bộ khuếch đại EDFA, đóng vai trò như một bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp. Nó không yêu cầu mức tín hiệu vào cao nên giảm được hiệu ứng phi tuyến. Đồng thời tín hiệu vào bộ EDFA cũng không giảm xuống ở mức quá thấp do có khuếch đại Raman nâng mức công suất tín hiệu vào của EDFA, làm cho OSNR cuối tuyến được cải thiện[1], [2]. Tuy nhiên, sự kếp hợp giữa Raman và EDFA cũng tạo ra nhiều loại nhiễu rất phức tạp. Do đó, để đạt được các ưu điểm trên bộ khuếch đại HFA cần phải được nghiên cứu xem xét đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến nó. Bài toán đặt ra là cần phải xác định các thông số của các bộ khuếch đại để phát huy ưu điểm của bộ HFA nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn trong hệ thống. 2. Cấu hình tuyến và tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR tại đầu vào máy thu Cấu hình HFA được trình bày như trong hình 1, gồm 2 bộ EDFA và 1 bộ khuếch đại Raman (RA). Trong đó RA đóng vai trò tiền khuếch đại cho bộ EDFA1 nên độ khuếch đại của EDFA1 sẽ nhỏ, độ khuếch đại của EDFA2 giữ nguyên. Xét tuyến truyền dẫn có chiều dài tổng cộng là L (km), số trạm lặp trên tuyến là N (số bộ EDFA bằng N). Tuyến được chia thành M = N+1 phân đoạn, có chiều trung bình mỗi phân đoạn là La. Tỉ số OSNR của kênh thông tin thứ i bất kỳ trong hệ thống WDM được xác định theo biểu thức: (1) + : Công suất tín hiệu hữu ích tại đầu vào máy thu quang (2) + : lần lượt là công suất nhiễu tổng của nhiễu phát xạ tự phát, tán xạ Raman kép và trộn bốn bước sóng tại đầu vào máy thu quang, tương ứng với kênh i. + : Công suất nhiễu ASE do bộ EDFA gây ra (3) Hình 1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn sử dụng bộ HFA mắc chuỗi Bộ HFA Bơm Raman WDM Tx WDM Rx EDFA1 EDFA2 Sợi truyền dẫn Sợi truyền dẫn N phân đoạn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 3 + : Công suất nhiễu ASE do bộ khuếch đại Raman tạo ra (4) Trong đó , , , , , lần lượt là số mode truyền của quá trình phân cực, tần số của tín hiệu, hằng số planck, hệ số phát xạ tự phát của EDFA, của RA và băng thông của bộ lọc quang. + Công suất ASE do bộ HFA gây ra: (5) Đặt + Công suất ASE do bộ HFA thứ i (iN) gây ra tại ngõ vào của bộ WDM: (6) + Công suất ASE tổng tại ngõ vào bộ WDM: (7) + Công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS do bộ Raman gây ra: (8) Trong đó :hệ số tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào tần số : là công suất tín hiệu tại vị trí La khi không tính đến tán xạ Rayleigh , công suất DRS do bộ HFA gây ra (9) Công suất DRS do bộ HFA thứ i (i N) gây ra tại ngõ vào bộ WDM: (10) Công suất DRS tổng tại ngõ vào bộ WDM: (11) + Biểu thức tính hiệu ứng FWM Giả sử công suất quang không bị mất mát do suy hao phi tuyến của sợi, thì công suất sóng FWM tổng cộng tại tần số fm được tính như sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 4 (12) Với: là công suất FWM tại tần số fm (13) Các tham số được định nghĩa trong[4]. Trong mỗi bộ khuếch đại ghép lai, bộ EDFA2 sẽ khuếch đại nhiễu do bộ khuếch đại Raman và EDFA gây ra. Nếu độ khuếch đại EDFA2 lớn thì làm tăng công suất nhiễu tích lũy trong bộ HFA. Do đó, việc tính toán tối ưu OSNR được thực hiện trước tiên bằng cách giảm độ khuếch đại của EDFA2. Phương pháp này sẽ giảm độ khuếch đại EDFA2 bằng cách tăng độ khuếch đại của EDFA1 và đảm bảo vẫn bù đủ suy hao trong bộ HFA. Gọi x là tỉ lệ phần trăm độ khuếch đại EDFA1 tăng lên theo độ khuếch đại EDFA2. Quan hệ giữa độ khuếch đại của hai EDFA này được xác định trong biểu thức sau: Trong đó: Gtot là độ khuếch đại tổng của bộ HFA; GE2, GR là độ khuếch đại của EDFA2 và bộ khuếch đại Raman khi chưa hiệu chỉnh; GE1(x), For Ppzo = 21.0,21.2, .. 26.0 Tính GR(Ppzo), Ge1(Ppzo, x), Ge2(Ppzo, x) Tính OSNRmin(Ppzo,Ptx) Kết thúc Bắt đầu Nhập các thông số sợi quang Nhập thông số hệ thống: M, L,K,Ptx Sai OSNRmin(Ppzo,Ptx)>OSNRmax OSNRmax = OSNRmin(Ppzo,Ptx) Đúng Sai Công suất bơm Ppz0 Độ khuếch đại: GR, Ge1, Ge2 Tỉ số OSNR tối ưu:OSNRmax Gán OSNRmax=20,tính Psig (Ptx) -25 < Psig (Ptx) < -10 Đúng Hình 2. Lưu đồ thuật toán tối ưu OSNR TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 5 GE2(x) là độ khuếch đại của EDFA1 và EDFA2 khi đã hiệu chỉnh; La là chiều dài trung bình của mỗi phân đoạn. Sau khi tìm được sự phụ thuộc của GE1, GE2 theo x thì ta thay đổi độ khuếch đại của 3 bộ khuếch đại thành phần để tìm được OSNR tối ưu. Lưu đồ thuật toán được chỉ ra như hình 2. 3. Xây dựng lưu đồ thuật toán tối ưu OSNR; kết quả tính toán và thảo luận Cấu hình tuyến được thể hiện như hình 3 [3]. Tuyến có tổng chiều dài là 1590 km, gồm 16 trạm lặp, mỗi trạm lặp chứa một bộ khuếch đại quang EDFA. Tuyến sử dụng hai loại sợi, DSF được dùng làm sợi truyền dẫn (D=-1,885ps/nm.km) và NDSF hoặc SMF được dùng làm sợi bù tán sắc với độ dịch tán sắc 18,886ps/nm.km. Từ đặc điểm của tuyến, ta thấy các phân đoạn của tuyến có chiều dài bằng nhau (98km). Ngoại trừ phân đoạn đầu tiên và phân đoạn cuối cùng là 60km. Do đó, để nâng cấp tuyến ta lắp thêm các bộ Raman tạo thành các bộ HFA trên đường truyền. Với số bộ EDFA ban đầu là 16 thì cần số bộ HFA_2E là 8. Cấu hình tuyến sử dụng HFA dùng cho tính toán được thể hiện như hình 4. Giả sử trong thời gian tới, hệ thống sẽ được nâng cấp từ 4 kênh lên 8 kênh hoặc 16 kênh. Các kênh đặt cách nhau 1nm và kênh đầu tiên đặt tại bước sóng 1500nm, công suất phát tín hiệu trên từng kênh là 1mW. Số lượng bơm Raman cần thêm vào tuyến là 8 bộ. Tỉ số OSNR thấp nhất (kênh 5) trong 8 kênh bằng 21,9dB. Hình 5(a). và hình 5(b). Khi độ khuếch đại của bộ EDFA2 giảm thì công suất nhiễu ASE giảm, công suất nhiễu DRS không thay đổi nhưng công suất FWM lại tăng. Do vậy công suất nhiễu tổng cuối đường truyền chỉ giảm mạnh khi x nằm trong khoảng 1% đến 20%, sau đó tổng nhiễu lại tăng là do nhiễu FWM tăng. Để xác định giá trị x thích hợp nhất bài báo tính toán vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa OSNR theo x tương ứng với các kênh khác nhau như hình 6. Vị trí đạt tối ưu tỉ số OSNR theo x của các kênh khác nhau là khác nhau nhưng nhìn chung khi x=14% thì tỉ số OSNR của các kênh khá gần nhau và đều xấp xỉ tỉ số OSNR tối ưu của từng kênh đó. Do vậy ta sử dụng kết quả này để tiếp tục tính toán tối ưu bước tiếp theo Hình 3. Cấu hình tuyến Segment 9 của SEA-ME-WE3 [3] Sesimbra Penmarch 60 7*98 DSF 1*90 DSF 7*98 DSF 60 NZDSF Sesimbra Penmarch Hình 4. Cấu hình tuyến Segment 9 sử dụng bộ khuếch đại HFA dùng cho tính toán DSF DSF DSF 8 bộ HFA TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 6 để đạt được hiệu quả cao nhất. Hình 7 và hình 8 biểu diễn quan hệ giữa các công suất nhiễu và OSNR của kênh 5 (có OSNR thấp nhất trong 8 kênh) theo công suất bơm Raman. Khi công suất bơm Raman tăng từ 21dBm đến 26dBm tương ứng với độ khuếch đại Raman tăng từ 10dB đến 30dB, độ khuếch đại của EDFA1 và EDFA2 sẽ giảm sao cho độ khuếch đại tổng không đổi thì công suất ASE và FWM giảm nhưng đồng thời công suất nhiễu DRS tăng. Vì vậy ban đầu tỉ số OSNR tăng lên theo công suất bơm Raman, đến khi đạt giá trị đỉnh thì giảm rất nhanh (hình 8). Sau khi thực hiện tối ưu bộ HFA thu được các kết quả như sau: công suất bơm Raman tối ưu là 23,8 dBm, độ khuếch đại EDFA1 tối ưu là 11dB, độ khuếch đại của a) b) Hình 6. Sự thay đổi tỉ số OSNR ở cuối đường truyền theo x Hình 5. Sự thay đổi của độ khuếch đại theo x(a) và công suất nhiễu theo x(b) Hình 7. Quan hệ giữa các công suất nhiễu theo công suất bơm Raman Hình 8. Quan hệ giữa tỉ số OSNR theo công suất bơm Raman TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 7 EDFA2 là 10,8dB, tỉ số OSNR thấp nhất trong 8 kênh là 24,4dB. Tiến hành các bước tương tự như trên với các công suất phát tín hiệu thay đổi, ta xác định được các thông số tối ưu và lập thành bảng 1 và bảng 2 để tiện trong việc tra cứu. Bảng 1. Tỉ số OSNR tối ưu của hệ thống thông tin sợi quang WDM 8 kênh Công suất phát tín hiệu (dBm) Công suất bơm Raman tối ưu (dBm) Độ khuếch đạ EDFA1 tối ưu (dB Độ khuếch đại EDFA2 tối ưu (dB) Tỉ số OSNR tối ưu (dB) -5 24,4 15 4,28 20,5 -4 24,4 15 4,28 21,4 -3 24,2 14 6,17 22,3 -2 23,1 14 7,85 23,1 -1 24 12 9,03 23,8 0 23,8 11 10,8 24,4 Bảng 2. Tỉ số OSNR tối ưu của hệ thống thông tin sợi quang WDM 16 kênh Công suất phát tín hiệu (dBm) Công suất bơm Raman tối ưu (dBm) Độ khuếch đại EDFA1 tối ưu (dB) Độ khuếch đại EDFA2 tối ưu (dB) Tỉ số OSNR tối ưu (dB) - 5 20,3 10,7 8,54 20,3 - 4 24,2 11,6 8,53 21,3 - 3 24,2 11,6 8,7 22,2 - 2 23 12,5 8,5 23 - 1 24 12,5 8,5 23,7 0 23,8 13,8 8,53 24,1 Từ 2 bảng ta có thể kết luận giá trị OSNR tối ưu tỉ lệ nghịch với số kênh thông tin của hệ thống truyền dẫn. Số kênh thông tin của hệ thống truyền dẫn càng nhiều 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. 4. Kết luận Bài báo đã đưa ra cấu hình bộ khuếch đại ghép lai HFA phù hợp và có thể áp dụng vào tuyến thông tin sợi quang WDM xuyên biển thực tế. Đồng thời bài báo đã xây dựng thuật toán, tính toán tối ưu hóa bộ khuếch đại HFA, nâng cao chất lượng tín hiệu thu tại cuối đường truyền. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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. [2] 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. [3] “OALW 16, General presentation of the overall SMW-3 system”, Book 10, Section 3, Alcatel, 1997. [4] W. Zeiler, F. D. Pasquale, P. Bayel, Member, IEEE, J.Midwinter, Fellow. IEEE, “Modeling of four-wave mixing and gain peaking in amplified WDM optical communication systems and networks”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 14, No. 9, pp. 1933-1942, September 1996.