kl dinh cong nhan 811190d

Bộ khuếch đại quang sợi, mà đặc biệt là bộ khuếch đại quang sợi pha Erbium EDFA được sử dụng phổ biến hơn với những ưu điểm về độ lợi cao, nhiễu thấp, công suất bão hoà cao, độ rộng phổ

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỀU BƯỚC

SÓNG TRONG HỆ THỐNG WDM

GVHD : Th.S ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC

SVTH : ĐINH CÔNG NHÂN

NGUYỄN HOÀNG MINH LUÂN Lớp : 08DD2N

Khoá : 08

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009

ASE Amplified Spontaneous Emission

OXC Optical Crossconnect

Để hoàn thành được luận văn này, lời đầu tiên em muốn gửi lời cảm ơn

sâu sắc đến thầy Đặng Ngọc Minh Đức Thầy là người luôn theo sát em trong quá trình làm luận văn, thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức và có định hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn này

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô giáo đã và đang giảng dạy tại khoa Điện-Điện Tử trường Đại học Tôn Đức Thắng đã dìu dắt

em trong suốt năm năm qua giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này

Cuối cùng, em cũng xin cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ em quá trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn !

TP Hồ Chí Minh 06/07/2009

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM 4

2.1.1 Định nghĩa 4

2.1.2 Cấu hình hệ thống WDM 5

2.1.3 Các hình thức truyền cơ bản 7

2.1.3.1 Truyền dẫn đơn hướng (một chiều hai sợi) 8

2.1.3.2 Truyền dẫn song hướng (hai chiều một sợi) 8

2.1.4 Ưu, nhược điểm của hệ thống WDM 9

2.1.4.1 Ưu điểm của hệ thống WDM 9

2.1.4.2 Nhược điểm của hệ thống WDM 10

2.1.5 Các phần tử mạng WDM 11

2.1.5.1 Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) 11

2.1.5.2 Bộ Isolator/ Circulator 11

2.1.5.3 Bộ lọc quang 12

2.1.5.4 Bộ ghép/tách kênh bước sóng 12

2.1.5.5 Bộ chuyển mạch quang 13

2.1.5.6 Bộ chuyển đổi bước sóng 14

2.1.5.7 Bộ đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal) 15

2.1.5.8 Bộ khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) 16

2.1.5.10 Bộ kết nối chéo OXC (Optical Crossconnect) 17

2.1.5.11 Bộ bù tán sắc DCM (Dispersion Compensation Module) 18

2.2 Giới thiệu khuếch đại quang 18

2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 19

2.2.2 Phân loại khuếch đại quang 21

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang 22

2.2.3.1 Độ lợi (Gain) 22

2.2.3.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth) 23

2.2.3.3 Công suất ngõ ra bảo hòa (Saturation Output Power) 23 2.2.3.4 Hệ số nhiễu (Noise Figure) 24

2.2.4 Ứng dụng của khuếch đại quang 25

2.2.5 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) 26

2.2.5.1 Các cấu trúc EDFA 26

2.2.5.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 28

2.2.5.3 Ưu khuyết điểm của EDFA 29

2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) 30

2.3.1 Định nghĩa hiệu ứng phi tuyến (Nonlinear Effect) 30

2.3.2 So sánh các hiệu ứng phi tuyến 30

2.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) 33

CHƯƠNG III : CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM 36

3.3 Tán sắc (Dispersion) 38

3.4 Nhiễu ASE trong EDFA 38

3.5 Sự không bằng phẳng giá trị độ lợi của bộ khuếch đại EDFA 40

3.6 Sợi quang 41

3.7 Nhiễu xuyên kênh giữa các kênh tín hiệu 44

3.8 Hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang 44

3.8.1 Hiệu ứng tán xạ phi tuyến 44

3.8.2 Hiệu ứng tự điều pha 45

3.8.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha 45

3.8.4 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng 45

3.9 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 47

CHƯƠNG IV : CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 48

4.1 Giới thiệu 48

4.2 Mô hình mô phỏng 48

4.3 Phương pháp mô phỏng 48

4.3.1 Phương pháp mô phỏng ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng 48

4.3.2 Phương pháp tính độ lợi và công suất nhiễu phát xạ tự phát của bộ khuếch đại 50

4.3.3 Phương pháp mô phỏng tỷ số OSNR 54

4.4 Lưu đồ giải thuật 54

4.4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình biễu diễn sự phụ thuộc độ lợi của

bộ khuếch đại đối với bước sóng tín hiệu vào 57 4.5 Kết quả mô phỏng 58 4.5.1 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) 58 4.5.1.1 Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất trộn bốn bước sóng vào khoảng cách kênh giữa các tín hiệu 58 4.5.1.2 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng khi khoảng cách giữa các kênh tín hiệu bằng nhau 59 4.5.1.3 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng khi khoảng cách giữa các kênh tín hiệu không bằng nhau 65 4.5.1.4 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng với các giá trị công suất tín hiệu vào khác nhau 66 4.5.1.5 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng đối với loại sợi quang được sử dụng 67

CHƯƠNG V : KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU

Ngày nay, nhu cầu về thông tin liên lạc ngày càng phong phú và đa dạng với các loại hình dịch vụ như: thoại, truyền số liệu, hội nghị truyền hình, Internet… Điều này đòi hỏi hệ thống truyền dẫn phải không ngừng nâng cấp, phát triển về quy

mô và công nghệ để có khả năng đáp ứng cao, thoả mãn đồng thời nhiều loại hình dịch vụ đó

Phương pháp mở rộng dung lượng truyền thống là dùng kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian trong miền điện (TDM– Time Division Multiplexing) Nhưng trong điều kiện hiện nay, TDM đã tiến đến gần giới hạn của các mạch điện

tử (tốc độ thu phát điện chỉ đạt 10GHz) Hệ thống ghép kênh bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) ra đời đã giải quyết được vấn đề này, và được

sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang hiện nay

Tuy nhiên, dung lượng thông tin và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống sẽ

bị giới hạn bởi sự suy hao tín hiệu, sự tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến Suy hao là

sự suy giảm công suất của tín hiệu truyền trên sợi quang, và công suất giảm dần theo cự ly với quy luật hàm mũ Điều này ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu tại đầu thu Tán sắc là hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi quang sẽ nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Tán sắc gây ra sự trải rộng xung ánh sáng trong quá trình truyền dẫn, do đó dẫn đến sự giao thoa giữa các xung kế cận, thiệt thòi về công suất Tuyến càng dài thì ảnh hưởng của tán sắc càng trở nên nghiêm trọng, tỷ số bit lỗi BER tăng, và đầu thu có thể không phân biệt đúng bit truyền đi Chính vì vậy, tán sắc làm hạn chế cự ly và tốc độ truyền dẫn Nếu gọi D(ns) là độ dốc tán sắc tổng cộng của sợi quang có chiều dài L thì ta có thể ước tính tốc độ bit cực đại là:

thích (hiệu ứng tán xạ Brillouin được kích thích– SBS và hiệu ứng tán xạ Raman được kích thích– SRS), hiệu ứng điều pha phi tuyến (hiệu ứng tự điều pha– SPM, hiệu ứng điều chế xuyên pha– CPM), và hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM– Four Wave Mixing) Tán xạ kích thích chính là quá trình tán xạ của một photon tới có năng lượng cao tạo ra một photon có năng lượng thấp hơn và cho ra mức năng lượng chênh lệch dưới dạng phonon để bảo toàn năng lượng Do đó làm suy hao công suất tại tần số tới Và ảnh hưởng này càng nghiêm trọng tại các mức công suất quang cao Hiệu ứng điều pha phi tuyến là hiệu ứng gây ra sự thay đổi về tần số do

sự phụ thuộc vào thời gian của độ dịch pha phi tuyến, từ đó đẫn dến sự mở rộng xung do tán sắc Mức độ ảnh hưởng của các hiệu ứng tán xạ kích thích và điều pha phi tuyến đối với hệ thống WDM là không đáng kể, mà nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống phải kể đến là hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM– Four Wave Mixing) Đây chính là quá trình hai hay nhiều bước sóng tác động với nhau

để tạo ra sóng tại tần số khác là tổng (hay hiệu) của các sóng được trộn Hiệu ứng này không phụ thuộc vào tốc độ bit mà phụ thuộc vào khoảng cách kênh và tán sắc sắc thể của sợi Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM lên hệ thống là rất lớn, nó có thể

hiệu và gây nhiễu cho kênh tín hiệu đó, giảm chất lượng hoạt động của hệ thống

Bên cạnh đó, trong các hệ thống truyền dẫn, các bộ khuếch đại được sử dụng để bù lại suy hao đường truyền Bộ khuếch đại quang gồm có hai loại là khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) và khuếch đại quang sợi FA (Fiber Amplifier) Bộ khuếch đại quang sợi, mà đặc biệt là bộ khuếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA) được sử dụng phổ biến hơn với những ưu điểm

về độ lợi cao, nhiễu thấp, công suất bão hoà cao, độ rộng phổ lớn…

Trong các hệ thống WDM có sử dụng các bộ khuếch đại EDFA thì bên cạnh các hiệu ứng phi tuyến gặp phải, chất lượng hệ thống còn bị suy giảm do tác động của nhiễu phát xạ tự phát tích luỹ ASE trong EDFA Ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích và là nguồn nhiễu chính trong các bộ khuếch đại quang Như vậy, công suất quang ở ngõ

ra bộ khuếch đại bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại và công suất nhiễu Nhiễu phát xạ tự phát ASE là nguồn nhiễu thêm vào chủ yếu của tín hiệu được khuếch đại Trong các hệ thống thông tin quang đường dài với nhiều bộ khuếch đại mắc nối tiếp, sự tích luỹ nhiễu ASE càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của hệ thống, đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu, và có thể làm bão hoà các bộ khuếch đại phía sau

Chính vì vậy, việc xem xét “Ảnh hưởng của nhiều bước sóng trong hệ thống WDM” là rất quan trọng Nội dung của vấn đề đó đã được thể hiện trong cuốn luận văn này Ở đây, ta chỉ xem xét mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng FWM và nhiễu phát xạ tự phát ASE sinh ra bởi bộ khuếch đại Các hiệu ứng phi tuyến khác như hiệu ứng tán xạ kích thích và hiệu ứng điều pha phi tuyến xem như được bỏ qua

Ở chương 2, ta sẽ trình bày về các cơ sở lý thuyết phục vụ cho quá trình mô phỏng Chương này sẽ giới thiệu về hệ thống WDM, các phần tử được sử dụng cũng như những ưu điểm, hạn chế của hệ thống Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại quang sợi EDFA và hiệu ứng trộn bốn bước sóng cũng sẽ được xem xét kĩ trong chương này Chương 3 sẽ trình bày về các yếu

tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM, bao gồm suy hao, tán sắc, ảnh hưởng của nhiễu phát xạ tự phát ASE trong EDFA, sự phụ thuộc của độ lợi đối với bước sóng tín hiệu ở ngõ vào, và cuối cùng là ảnh hưởng của FWM Chương 4 là chương trình mô phỏng Chương này trình bày về các mô hình, các phương pháp mô phỏng, lưu đồ giải thuật, cùng với những công thức sử dụng trong quá trình mô phỏng để giúp người đọc hiểu rõ hơn về mức độ ảnh hưởng của nhiều bước sóng trong hệ thống WDM như thế nào Đồng thời, chương này cũng đưa ra một số kết quả đạt được của chương trình mô phỏng để mô phỏng cho ảnh hưởng của nhiều bước sóng trong hệ thống WDM Cuối cùng, chương 5 sẽ tóm tắt toàn bộ nội dung của luận văn, trình bày những vấn đề đã thực hiện và chưa thực hiện được so với yêu cầu đặt

ra để từ đó xây dựng hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM

2.1.1 Định nghĩa

Trước khi nghiên cứu về WDM chúng ta xem qua những công nghệ ghép kênh khác để rút ra những ưu nhược điểm của từng loại từ đó xác định được tại sao

WDM lại là công nghệ được phát triển trong hiện tại và tương lai

Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing):

đơn giản và không cần sự phát triển công nghệ, chỉ đơn thuần là tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn vẫn giữ nguyên Ta có thể chọn SDM nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng thông đã có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng

và khoảng cách tuyến truyền dẫn là đủ ngắn để không cần dùng các bộ lặp, bộ khuếch đại Nếu khoảng cách là xa, khi đó chi phí sẽ vụt tăng do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuếch đại như hệ thống cũ

Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM (Time Devision Multiplexing):

tăng tốc độ truyền dẫn lên trên sợi quang Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, ta phải xem xét đến hai vấn đề: trước và khi truyền trên sợi quang Trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, các linh kiện điện tử có khả năng xử lí với tốc độ bit tối đa là bao nhiêu? Thực tế hiện nay cho thấy, ở đa số các mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả năng đáp ứng tốt đối với các dòng tín hiệu ở tốc độ 2.5 Gbps hoặc 10 Gbps Như vậy thì không tận dụng được băng thông truyền dẫn lớn của sợi quang.Trong phòng thí nghiệm đã cho các linh kiện hoạt động ở tốc độ 40 Gbps hoặc 80 Gbps

Ðể TDM có thể đạt được những tốc độ cao hơn, các phương pháp thực hiện tách/ghép kênh trong miền quang, được gọi là phân kênh thời gian trong miền quang (Optical Time Division Multiplexing - OTDM) đang được tích cực triển khai Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy OTDM có thể ghép được các luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s Nhưng khi đó, truyền trên sợi quang sẽ vấp phải các vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn: tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính

Truyền dẫn phân chia theo bước sóng WDM: công nghệ ghép kênh theo

bước sóng quang WDM (Wavelength Division Multiplexing) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền nhiều bước sóng tín hiệu quang Nguyên lý cơ bản là sợi quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) và phối ghép trên cùng một sợi quang của đường dây cáp

quang để truyền dẫn Ở đầu thu tín hiệu đó được phân giải ra (phân kênh) thành các kênh khác nhau, sau đó được xử lý, khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau Ban đầu người ta có ý định sử dụng cả cửa

sổ làm việc của sợi quang (1260m→ 1675nm) Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như được minh họa trên bảng 2.1 Nhưng do bộ khuếch đại EDFA có khả năng hoạt động ở băng C và L nên hệ thống DWDM hiện tại dùng EDFA cũng hoạt động ở băng C và L Hiện nay theo khuyến nghị của ITU-T các hệ thống nói chung thường sử dụng bước sóng của kênh tín hiệu cùng khoảng cách nx0.8nm, tức là khoảng cách giữa các kênh là 0.8nm tương ứng với khoảng cách tần số là 100GHz để để tránh nhiễu xuyên kênh

Bảng 2 1: Sự phân chia các băng sóng

Hiện nay, WDM đã phát triển hơn nữa với công nghệ ghép kênh quang mật

độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và đã được ứng dụng trong hầu hết các mạng đường trục của nhiều nước trên thế giới, góp phần cải tiến hiệu suất truyền dẫn và nâng cao tốc độ ghép kênh, hạ thấp giá thành truyền dẫn

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ về hệ thống WDM, những ưu nhược điểm cũng như các thành phần được sử dụng trong hệ thống

2.1.2 Cấu hình hệ thống WDM

Để thực hiện truyền và nhận tín hiệu trên một sợi quang thì hệ thống phải có các khối chức năng sau (hình 2.1)

Hình 2 1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

quang được dùng là laser Hiện tại đã có một số loại laser như: laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, bước sóng phát phải là bước sóng trung tâm, độ rộng phổ phải nằm trong giới hạn cho phép

Khối ghép tách tín hiệu (MUX/DEMUX): ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp

một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp truyền 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 WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử bragg sợi quang, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot…Khi xét đến các bộ tách/ghép ta phải chú ý đến các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của các kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa …

Khối truyền dẫn tín hiệu: dùng sợi quang để truyền dẫn tín hiệu, khi truyền

dẫn tín hiệu đi xa thì các yếu tố như: suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu Do đó sợi quang dùng để truyền dẫn tín hiệu là vấn đề cần được quan tâm như: loại sợi quang, chất lượng sợi…

Khối khuếch đại tín hiệu (OA): hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng

khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên hiện nay bộ khuếch đại Raman cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại đó là: khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đường (LA) và tiền

khuếch đại (PA) Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

• Độ 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

tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường đó là bộ tách sóng PIN và APD Yêu cầu đối với bộ tách sóng quang là phải có độ nhạy thu tốt và độ ổn định cao

Kênh điều khiển giám sát (OSC): Có chức năng điều khiển và giám sát tình

hình truyền dẫn các kênh trong hệ thống Đầu phát tín hiệu điều khiển giám sát

và được đưa đến đầu thu Tại đầu thu tách tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điều khiển giám sát và tín hiệu dữ liệu cần truyền Các byte đồng bộ khung, byte nghiệp vụ, byte thông tin overhead … đều được truyền đi trong kênh tín hiệu giám sát Tốc độ truyền dẫn của kênh giám sát là 2Mb/s Khi truyền kênh giám sát phải đảm bảo các yêu cầu sau:

• OSC không được hạn chế bước sóng bơm của bộ khuếch đại quang

• OSC không được hạn chế cự ly giữa hai bộ khuếch đại đường

• OSC không được hạn chế ứng dụng dịch vụ trên bước sóng 1310nm trong tương lai

• Khi bộ khuếch đại có sự cố thì kênh OSC vẫn hoạt động bình thường

2.1.3 Các hình thức truyền cơ bản

Có hai hình thức truyền trên hệ thống WDM đó là:

2.1.3.1 Truyền dẫn đơn hướng (một chiều hai sợi)

WDM đơn hướng là tất cả các kênh quang đi trên sợi quang theo cùng một chiều, và để truyền thông tin đi theo chiều còn lại phải sử dụng thêm một sợi quang thứ hai như hình 2.2 Ở đầu phát mang các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau đã

nhau truyền dẫn một chiều đi trên một sợi quang Vì các tín hiệu khác nhau được mang trên các bước sóng khác nhau nên chúng có thể phân biệt ở đầu thu Ở đầu thu,

bộ tách kênh quang tách những tín hiệu có bước sóng khác nhau sau đó đưa đến các đầu cuối Như vậy đã hoàn thành một chiều truyền tín hiệu, chiều còn lại cũng truyền tương tự giống như hướng trên

Hình 2 2: Hệ thống DWDM đơn hướng (một chiều hai sợi)

2.1.3.2 Truyền dẫn song hướng (hai chiều một sợi)

WDM hai chiều là kênh quang trên mỗi sợi cùng truyền dẫn theo hai chiều khác nhau như hình 2.3 Dùng các bước sóng tách rời nhau để thông tin hai chiều (song công)

Hình 2 3: Hệ thống DWDM hai chiều trên cùng một sợi (song hướng)

Về mặt ứng dụng và phát triển hệ thống WDM một chiều tương đối rộng rãi

Hệ thống WDM hai chiều thì đòi hỏi ứng dụng cao hơn, đó là vì khi thiết kế ứng dụng hệ thống WDM hai chiều cần phải xem xét đến nhân tố của hệ thống then chốt, như để hạn chế can nhiễu nhiều kênh (MPI), cần phải chú ý đến các vấn đề ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, trị số và loại hình của xuyên âm, trị số mức điện của công suất truyền dẫn trên hai chiều và sự phụ thuộc vào nhau giữa chúng, đồng thời phải sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều Nhưng

so với hệ thống WDM một chiều, hệ thống WDM hai chiều giảm được số lượng bộ khuếch đại sợi quang và đường dây truyền dẫn, đây là vấn đề kinh tế rất lớn khi tuyến cáp quang dài Xét về dung lượng kênh thì hệ thống đơn hướng có khả năng cấp dung lượng cao 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 ASP vì cả hai đầu của kết nối đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

2.1.4 Ưu, nhược điểm của hệ thống WDM

2.1.4.1 Ưu điểm của hệ thống WDM

- Kĩ thuật truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng trên một sợi quang là một giải pháp hữu hiệu để đáp ứng được nhu cầu về băng thông trong điều kiện hiện nay, khắc phục được nhược điểm về kinh phí lắp đặt của phương thức SDM, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế

- Trong điều kiện hiện nay, công nghệ WDM đã được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các mạng đường trục của hầu hết các nước trên thế giới khi nó duy trì được tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10 Gb/s, giải quyết được vấn đề đặt ra trong phương thức TDM

- Băng thông được mở rộng gấp nhiều lần tương ứng với số bước sóng được ghép vào sợi quang, dải thông tổng cộng của hệ thống là :

(2.1)

theo bước sóng có thể đáp ứng được nhu cầu tăng băng thông đột biến Hay nói cách khác, khả năng mở rộng dung lượng hệ thống WDM dễ dàng: Khi có nhu cầu tăng dung lượng hệ thống, có thể thêm bước sóng được sử dụng hay đồng thời tăng

1

N i i

=

dung lượng bit trên mỗi bước sóng Hệ thống có thể nhận nhiều loại tín hiệu như PDH, SDH, GE (Gigabit Ethernet)…

- Công nghệ WDM thuộc lớp mạng vật lý nên có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như ATM, IP, chuyển mạch kênh… Hiện nay, các dịch vụ mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) được triển khai thành công nhất trên hạ tầng IP/DWDM

- Công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải thông suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

- Tăng khả năng khai thác, quản trị, bảo trì, giám sát: kênh OSC (Optical Service Channel) có thể dùng làm kênh nghiệp vụ, mang thông tin dùng để giám sát các trạm khuếch đại đường dây và được truy xuất tại các trạm khuếch đại đường dây, như mở/tắt trạm để phục vụ cho mục đích kiểm tra

2.1.4.2 Nhược điểm của hệ thống WDM

- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp Hệ thống WDM đặt ra yêu cầu cao về công nghệ của các linh kiện được sử dụng: Chẳng hạn nguồn phát laser phải

có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định để đảm bảo độ tin cậy và tính ổn định cho hệ thống, hay đối với bộ khuếch đại được sử dụng phải có độ lợi đồng đều đối với tất cả kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1dB), sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không làm thay đổi mức công suất đầu ra của các kênh

- Chưa tận dụng hết băng tần có thể có của sợi quang (chỉ mới sử dụng băng

C, L)

- Mặc dù khi thiết kế hệ thống đã xét đến khoảng cách giữa các kênh bước sóng để đảm bảo chống xuyên nhiễu, nhưng hệ thống WDM vẫn chịu ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến (Nonlinear Effect), mà hiệu ứng này lại càng có tác động lớn khi mức công suất quang tăng lên Hiệu ứng phi tuyến - đặc biệt là hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing) có thể tạo ra tần số mới, gây ra nhiễu đối với kênh tín hiệu, làm suy giảm công suất tín hiệu, làm suy giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu

- Bên cạnh đó, còn phải quan tâm đến vấn đề tán sắc - yếu tố làm giới hạn

cự ly và tốc độ truyền dẫn của hệ thống

2.1.5 Các phần tử mạng WDM

Network Element) được sử dụng trong hệ thống WDM Mỗi một thành phần đều cần thiết và đóng vai trò nhất định cho sự hoạt động chính xác của hệ thống

số chính của Isolator là suy hao xen và độ cách ly Circulator cũng thực hiện chức năng tương tự như bộ Isolator nhưng nó thường có nhiều cổng, thường là 3 hoặc 4 cửa Đối với bộ Circulator 3 cổng thì nguyên tắc hoạt động của nó như sau:

Tín hiệu đi vào cổng 1 sẽ đi đến ngõ 2, vào 2 ra 3, vào 3 ra 1.Còn bộ 4 cổng cũng theo nguyên tắc tương tự

Hình 2 4: (a) Sơ đồ khối của bộ Circulator 3 cửa, (b) Sơ đồ khối của bộ

Circulator 4 cửa, (c) Sơ đồ khối của bộ Isolator

Bộ Isolator và Circulator có những ứng dụng sau:

Bộ Isolator thường đứng trước đầu ra bộ khuếch đại quang hoặc nguồn phát laser để ngăn ánh sáng phản xạ ngược trở lại thiết bị gây nhiễu và có thể làm hư thiết bị

Bộ Circulator được dùng như một bộ phận để chế tạo phần tử xen rớt quang OADM

2.1.5.3 Bộ lọc quang

Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cả các kênh bước sóng khác Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, các kênh bước sóng khác, ngược lại, sẽ bị triệt tiêu về pha Tuỳ thuộc vào khả năng điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cố định (fixed filter) và bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter) Hình 2.5 là sơ đồ khối bộ lọc cố định và bộ lọc điều chỉnh được

Hình 2.5: Sơ đồ khối của bộ lọc, (a) Bộ lọc cố định bước sóng λ k , (b) Bộ lọc có

thể điều chỉnh bước sóng được trong khoảng ∆λ

2.1.5.4 Bộ ghép/tách kênh bước sóng

Bộ ghép/tách kênh bước sóng, cùng với bộ 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 (Optical Crossconnect) 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 Tuy nhiên, trong khi thiết bị và công nghệ chuyển mạch quang nhìn chung vẫn còn đang ở mức nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm thì các thiết bị ghép/tách kênh bước sóng đã được thương mại hoá rộng rãi Về công nghệ chế tạo bộ tách/ghép kênh thì hoàn toàn giống với công nghệ chế tạo bộ lọc Chỉ khác là bộ lọc thường chỉ có một bước sóng hoạt động, còn bộ tách/ghép kênh hoạt động trên nhiều kênh bước sóng liên tục

Nguyên lý hoạt động của bộ MUX/DEMUX cũng tương tự như bộ Coupler Tuy nhiên, bộ Coupler/Splitter thực hiện ghép tách tín hiệu có cùng bước sóng, còn

bộ MUX/DEMUX thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau Sơ đồ khối bộ MUX/DEMUX cho trong hình 2.6 (a) và (b)

Hình 2.6: Bộ tách/ghép kênh bước sóng quang (a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng (MUX) (b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX) (c) Các

thông số đặc trưng của bộ MUX/DEMUX

2.1.5.5 Bộ chuyển mạch quang

Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lối vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác

Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin được trao đổi dưới dạng thời gian thực (chuyển mạch kênh) (hình 2.7), hoặc dưới dạng ghép kênh thống kê (chuyển mạch gói quang) (hình 2.8) Chuyển mạch kênh là một phương pháp thông tin sử dụng để thiết lập cho thông tin giữa 2 điểm Số liệu được truyền trên cùng một tuyến và thông tin truyền đi trong thời gian thực Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói thực hiện truyền các gói số liệu độc lập Mỗi gói đi từ một cổng tới một cổng khác theo một đường nào đó Các gói không thể gửi tới nút

kế tiếp khi chưa thực hiện thành công tại nút trước đó Mỗi nút cần có các bộ đệm

để tạm thời lưu các gói Mỗi nút trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản

lý để thông báo điều kiện truyền thông tin tới nút lân cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi

Hình 2.7: Chuyển mạch kênh a) Chuyển mạch 1x2 b) Chuyển mạch 2x2

Hình 2 8: Chuyển mạch gói quang

2.1.5.6 Bộ chuyển đổi bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra Ðối với hệ thống WDM, bộ chuyển đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau

Hình 2.9: Bộ chuyển đổi bước sóng

Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong mạng WDM Chẳng hạn như hiện nay các thiết bị WDM trên thế giới đa số đều chỉ

có khả năng hoạt động trên các bước sóng thuộc băng C và băng L, nhưng tín hiệu

SDH hoạt động với bước sóng 1310 nm có thể truyền trên hệ thống WDM nhờ các

bộ chuyển đổi bước sóng đặt ở biên giới giữa mạng WDM và mạng SDH, chuyển đổi tín hiệu từ bước sóng 1310 nm sang tín hiệu tương thích với bước sóng theo qui định ITU-T hoạt động ở vùng 1550 nm

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

Có bốn phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng: phương pháp điện, phương pháp cửa quang, phương pháp giao thoa và phương pháp trộn bước sóng Phương pháp trộn bước sóng là phương pháp toàn quang, hoạt động hoàn toàn không dựa vào tín hiệu điện, tuy nhiên hiện tại công nghệ chế tạo theo phương pháp này vẫn chưa đủ hoàn thiện để có thể thương mại hoá

quang-2.1.5.7 Bộ đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal)

Hình 2.10 Bộ đầu cuối đường quang

OLT (Optical Line Terminal) là thiết bị thực hiện ghép tín hiệu ở đầu phát để truyền đi trên một sợi quang, và giải ghép tín hiệu ở đầu thu rồi chuyển các tín hiệu thành phần đến các đầu cuối khách hàng Hình 2.10 minh hoạ sơ đồ khối của bộ đầu cuối đường quang OLT Ta thấy, bước sóng sử dụng trong mạng WDM theo tiêu chuNn của ITU nằm trong cửa sổ thứ 3, trong khi các tín hiệu quang đến từ mạng khách hàng có thể không theo tiêu chuNn của ITU và có thể nằm trong cửa sổ thứ 2

Do đó, trong OLT cần có bộ chuyển đổi tín hiệu (Transponder) để chuyền các tín hiệu đến từ mạng khách hàng thành các bước sóng chuNn theo quy định của ITU và phù hợp với mạng WDM Ngoài ra bộ Transponder có thể thêm vào hoặc trích ra các tín hiệu mào đầu để giám sát tín hiệu truyền đi tại lớp kênh quang, đưa vào các tín hiệu sửa sai và giám sát lỗi

Các tín hiệu thuộc các bước sóng khác nhau và theo quy định của ITU được ghép kênh và truyền đi trên một sợi quang Chức năng khuếch đại tín hiệu là tuỳ chọn trong OLT Bộ khuếch đại quang trong OLT thực hiện chức năng khuếch đại công suất (booster) theo hướng phát và tiền khuếch đại (preamplifier) theo hướng thu

Quá trình diễn ra tương tự theo chiều ngược lại

2.1.5.8 Bộ khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier)

nhân, do bị hấp thụ, do bị uốn cong, tán xạ Rayleigh…Điều này làm suy giảm công suất tín hiệu, giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu Trong hệ thống WDM, các bộ khuếch đại đường quang với nhiều tầng khuếch đại EDFA được mắc nối tiếp được sử dụng

để bù lại suy hao đã mất Ngoài ra, OLA có thể thực hiện chức năng khuếch đại Raman bằng cách đặt ở đầu vào của nó nguồn bơm Raman có công suất quang lớn hơn, bơm ngược chiều với chiều tín hiệu đi vào Hình 2.11 minh hoạ sơ đồ khối của

bộ khuếch đại đường dây (chỉ minh hoạ theo một hướng)

Hình 2.11 Sơ đồ khối bộ khuếch đại đường dây

Giữa các tầng khuếch đại EDFA có thể sử dụng bộ bù tán sắc để bù tán sắc tích luỹ dọc theo tuyến quang

Để thực hiện các chức năng quản lý, OLA cho phép ghép/tách kênh OSC bằng các bộ coupler/splitter Kênh OSC không được khuếch đại bởi các OLA

2.1.5.9 Bộ xen/rớt quang OADM (Optial Add/Drop Multiplexer)

Bộ xen/rớt bước sóng quang OADM được trang bị tại các trạm DWDM để xen lên/lấy xuống một hoặc một vài bước sóng quang riêng rẽ Các bước sóng còn

lại được cấu hình cho đi xuyên qua Mỗi loại bộ OADM được dùng cho việc xen/rớt

các bước sóng quang khác nhau Có OADM có thể xen rớt 1, 2 hay 5 bước sóng

Hình 2.12 Bộ xen/rớt quang OADM

OADM mang lại hiệu quả cao đối với cấu hình mạng tuyến tính, cấu hình

mạng vòng trong việc tiết kiệm số lượng bộ chuyển đổi tín hiệu (Transponder) của

bộ OLT Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa các trạm trong hệ thống tương đối nhỏ thì

ta có thể kết nối trực tiếp giữa chúng thay vì dùng OADM

2.1.5.10 Bộ kết nối chéo OXC (Optical Crossconnect)

Hình 2.13 Bộ kết nối chéo OXC

OXC thực hiện chức năng tương tự như OADM nhưng có cấu trúc phức tạp

hơn và thường được sử dụng trong mô hình mạng mắc lưới (mesh) hay làm node

chung của các mạng ring Thiết bị này cho phép kết nối chéo một số lượng lớn kênh

quang

OXC thực hiện kết nối chéo đối với các tín hiệu đầu vào là tín hiệu quang,

nhưng lõi của OXC có thể là điện hoặc toàn quang với các ưu, nhược điểm riêng

Lõi chuyển mạch quang thì trong suốt đối với tốc độ bit truyền dẫn, do đó đáp ứng

được nhu cầu tăng tốc độ truyền dẫn trong tương lai Tuy nhiên lõi chuyển mạch

điện cung cấp khả năng giám sát chất lượng tín hiệu tốt hơn thông qua chỉ số BER

2.1.5.11 Bộ bù tán sắc DCM (Dispersion Compensation Module)

Các bộ bù tán sắc DCM được sử dụng để bù tán sắc trong các hệ thống truyền dẫn đường trục Những bộ này chứa các sợi quang bù tán sắc được thiết lập giá trị ấn định trước của tán sắc để bù tán sắc cho sợi quang Nhờ vậy, các xung quang sau khi lan truyền trên một khoảng cách xa trên tuyến quang sẽ được cải

thiện chất lượng, giúp máy thu phát hiện được chính xác các bit số liệu

Bộ DCM có khả năng sửa sai méo tán sắc trên tất cả các bước sóng quang của tuyến DWDM trong cự ly trung bình từ 60km đến 100km Bộ DCM được dùng chủ yếu trong các hệ thống DWDM dùng loại sợi quang NDSF sửa sai méo tán sắc

2.2 Giới thiệu khuếch đại quang

Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tin quang Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suy hao được khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (Optoelectronic Repeater) Trong các trạm lặp quang điện này (xem hình 2.14), quá trình khuếch đại tín hiệu quang được thực hiện qua nhiều bước Đầu tiên,tín hiệu quang sẽ được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang (Optical Receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD Dòng quang điện thu được sẽ được tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện sẽ được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang (Optical Transmitter) và được truyền đi trong sợi quang Như vậy, quá trình khuếch đại tín hiệu được thực hiện trên miền điện

Hình 2.14 Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (Optoelectronic Repeater)

Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất

nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

Một giải pháp có thể khắc phục các nhược điểm trên của trạm lặp quang điện, đó là sử dụng các bộ khuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong các bộ khuếch đại quang này, tín hiệu ánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến đổi sang miền điện So với các trạm lặp, các

bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:

mạch phục hồi (bộ biến đổi E/O hoặc O/E) Do đó khuếch đại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn

cấp hệ thống đơn giản hơn

- Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang

2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này được minh họa trên hình 2.15

Hình 2.15 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát

(c) Phát xạ kích thích

Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 2.15.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12 bằng

với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon kích thích ban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánh sáng) Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi (OFA)

Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các

bộ khuếch đại quang không xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào Nguồn ánh sáng này được xem là nhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra

Hiện tượng hấp thụ (Absorption), hình 2.15(a), xảy ra khi một photon có năng lượng hf12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1) Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (Active Medium) của bộ khuếch đại

Hiện tượng phát xạ tự phát (Spontaneous Emission), hình 2.15(b), xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) của điện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử

sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khác nhau Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đại

quang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại Nguyên nhân là do hiện tượng này xảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào

bộ khuếch đại Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise)

2.2.2 Phân loại khuếch đại quang

Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình 2.16

Hình 2.16 Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trong trong một môi trường được gọi vùng tích cực (Active Medium) Các tín hiệu quang được khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng được cung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source) Các nguồn bơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực.Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:

Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier):

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn

- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn

Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, OFA còn được gọi là DFA (Doped Fiber Amplifier)

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

- Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi Một số loại OFA tiêu biểu:

+ EDFA (Erbium - Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm

+ PDFA (Praseodymium - Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm

+ TDFA (Thulium - Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm

+ NDFA (Neodymium - Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm hoặc 1400nm

Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều

ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại 1565nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Cả hai loại khuếch đại quang SOA và EDFA đều hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích Ngoài ra, một loại khuếch đại quang khác cũng được sử dụng nhiều trong các hệ thống WDM hiện nay là khuếch đại Raman Loại khuếch đại này cũng sử dụng sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng Tuy nhiên, nguyên lý khuếch đại của khuếch đại Raman dựa trên ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang (hiện tượng tán

(1530nm-xạ Raman được kích thích SRS, Stimulated Raman Scattering) hơn là hiện tượng phát xạ kích thích.Trong phạm vi đề tài này ta sẽ tìm hiểu bộ khuyếch đại quang EDFA

2.2.3 Các thông số kỹ thuật của khuếch đại quang

2.2.3.1 Độ lợi (Gain)

Độ lợi của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia cho công suất quang ở ngõ vào

G = (2.2)

GdB = 10log (2.3)

Độ lợi là một thông số quan trọng của bộ khuếch đại Nó đặc trưng cho khả

năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại Tuy vậy, độ lợi của một bộ

khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa độ lợi Điều này làm giới hạn công

suất quang ra cực đại của bộ khuếch đại

2.2.3.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth)

Độ lợi của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của

tín hiệu quang vào Nếu đo độ lợi G của các tín hiệu quang với các tần số khác

nhau, một đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) sẽ đạt được Đây chính là

phổ độ lợi của bộ khuếch đại quang

Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang Bo được xác định bởi điểm -3dB

so với độ lợi đỉnh của bộ khuếch đại Giá trị Bo xác định băng thông của các tín

hiệu có thể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang Do đó, ảnh hưởng đến hoạt

động của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng như các bộ lặp hay bộ

tiền khuếch đại

2.2.3.3 Công suất ngõ ra bảo hòa (Saturation Output Power)

Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến

công suất ngõ ra không thể tăng mãi được Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng

trong tất cả các bộ khuếch đại quang, khi công suất ngõ vào Pin tăng đến một mức

nào đó, độ lợi G bắt đầu giảm Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến

tính với tính hiệu ngõ ra nữa mà đạt trạng thái bảo hòa Sự thay đổi của tín hiệu

quang ngõ ra so với công suất quang ngõ vào ở được minh họa trong hình 2.17

Hình 2.17 a) Công suất ngõ ra theo công suất ngõ vào b) Độ lợi khuếch đại theo

công suất quang ngõ ra

Hình 2.17-b) biểu diễn sự biến đổi của độ lợi tín hiệu G theo công suất quang ngõ ra Pout

Công suất ở ngõ ra tại điểm độ lợi giảm đi 3 dB được gọi là công suất ra bảo hòa Psat, out

ngõ ra lớn nhất mà bộ khuếch đại quang đó có thể hoạt động được Thông thường, một bộ khuếch đại quang có độ lợi cao sẽ có công suất ra bão hòa cao bởi vì sự nghịch đảo nồng độ cao có thể được duy trì trong một dải công suất vào và ra rộng

2.2.3.4 Hệ số nhiễu (Noise Figure)

Giống như các bộ khuếch đại điện, các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu Nguồn nhiễu chính trong các bộ khuếch đại quang là do phát xạ tự phát Vì sự phát

xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ tự phát cũng ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao động về pha và biên độ Bên cạnh đó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ được khuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phía ngõ ra Do đó, tại ngõ ra của bộ khuếch đại công suất quang thu được Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếch đại

và công suất nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission)

Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch quang được biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to

Noise Ratio) do nhiễu của bộ khuếch đại thêm vào Hệ số NF được cho bởi công thức sau:

bộ khuếch đại

Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng tốt Giá trị nhỏ nhất của

NF có thể đạt được là 3dB Những bộ khuếch đại thỏa mãn hệ số nhiễu tối thiếu này được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử

Ngoài bốn thông số kỹ thuật chính được nêu ở trên, các bộ khuếch đại quang còn được đánh giá dựa trên các thông số sau:

- Độ nhạy phân cực (Polarization sensitivity) là sự phụ thuộc của độ lợi của

bộ khuếch đại vào phân cực của tín hiệu

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ lợi và băng thông độ lợi

- Xuyên nhiễu (crosstalk)

2.2.4 Ứng dụng của khuếch đại quang

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền Tùy theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:

- Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất tín hiệu quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại Yêu cầu của các bộ khuếch đại công suất là tạo ra công suất đầu ra cực đại chứ không phải độ lợi cực đại vì công suất tín hiệu ngõ vào lớn

- Khuếch đại đường dây (In – Line Amplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt trên tuyến quang nhằm mục đích bù mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, suy hao do kết nối và suy hao do việc phân phối tín hiệu quang trong mạng Các bộ khuếch đại đường dây có thể được lắp đặt nối tiếp nhau trên đường truyền

để gia tăng khoảng cách lắp đặt Tuy nhiên, việc lắp đặt nối tiếp các bộ khuếch đại quang sẽ làm giảm hệ số SNR ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền dẫn quang Yêu cầu của bộ khuếch đại đường dây là độ ổn định trên toàn bộ dải thông của hệ thống WDM, giữ nhiễu ở mức cực tiểu và thực hiện việc trao đổi tốt tín hiệu quang với sợi quang truyền dẫn

- Tiền khuếch đại (Preamplifier): là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tín hiệu được đưa vào thiết bị Điều này làm giảm yếu nghiêm ngặt của độ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao Do vậy, yêu cầu của một bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, độ lợi lớn và nhiễu thấp

Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường truyền quang, các bộ khuếch đại quang SOA và OFA còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi bước sóng Việc chuyến đổi bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng bảo hòa

độ lợi và hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại quang

2.2.5 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA)

2.2.5.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 2.18 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 Fiber Amplifier) được minh họa trên hình 2.18 Trong đó bao gồm:

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA Cấu tạo của sợi quang pha

Hình 2.19 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

ion Erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn Lớp bọc (Cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi Lớp phủ (Coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 µm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang Nếu không kể đến chất pha Erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuNn trong viễn thông Ngoài ra, EDF còn được chế tạo bằng các bằng các loại vật liệu khác như sợi thủy tinh flouride (flouride - based glass fiber) hoặc sợi quang thủy tinh đa vật liệu (multicomponent glass fiber)

- Laser bơm (Pumping Laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm

- WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

- Bộ cách ly quang (Optical Isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA

2.2.5.2 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 theo các bước như sau (xem hình 2.20):

năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton = 1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)

Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1µs) và chuyển xuống vùng giả bền (2)

năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton = 0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)

Hình 2.20 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm

980 nm và 1480nm

năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)

Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi

trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) (5)

Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

ánh sáng bị suy hao

năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha

và cùng bước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy ra trong khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây cũng là vùng bước sóng hoạt động của EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn 1565 nm và bằng 0 dB tại bước sóng 1616 nm

2.2.5.3 Ưu khuyết điểm của EDFA

• 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 và thay thế

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

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

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

• Khuyết điểm:

- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng

- Băng tần hiện 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

2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing)

2.3.1 Định nghĩa hiệu ứng phi tuyến (Nonlinear Effect)

cường độ ánh sáng (công suất)

trong điều kiện hiện nay, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế Tuy nhiên khi tốc độ bit cao và mức công suất tín hiệu lớn thì việc xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đối với hệ thống là vô cùng quan trọng Bên cạnh những ứng dụng nhất định trong hệ thống thông tin quang, hiệu ứng phi tuyến có thể gây méo, gây suy hao các tín hiệu quang hay trở thành nguồn nhiễu đối với các tín hiệu này

2.3.2 So sánh các hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng phi tuyến gồm có hiệu ứng tán xạ Brillouin được kích thích (SBS - Stimulated Brillouin Scattering), tán xạ Raman được kích thích (SRS - Stimulated Raman Scattering), hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross Phase Modulation), và

hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM - Four Wave Mixing)

cao tạo ra một photon có năng lượng thấp hơn và cho ra mức năng lượng chênh lệch dưới dạng photon để bảo toàn năng lượng Do đó làm suy hao công suất tại tần số tới Và ảnh hưởng này càng nghiêm trọng tại các mức công suất quang cao

đây chính là sóng tín hiệu, sóng thứ hai được tạo ra chính là sóng Stokes – sóng không mong muốn được tạo ra trong quá trình tán xạ Sóng này được truyền theo hướng ngược lại (hướng về nguồn) nên tạo ra tín hiệu có cường độ mạnh về hướng phát Mặc dù SBS có thể làm suy giảm tín hiệu được truyền nhưng băng thông khuếch đại Brillouin tương đối hẹp với độ rộng băng cỡ 20 MHz đối với sóng lan truyền theo hướng ngược lại Mặt khác, ánh sáng tán xạ bị dịch tần khoảng 10 GHz (độ dịch chuyển Brillouin), và Brillouin chỉ có thể chuyển năng lượng từ kênh có tần số cao sang kênh có tần số thấp khi khoảng cách kênh bằng độ dịch chuyển Brillouin Do đó ảnh hưởng của SBS trong hệ thống WDM là không đáng kể, không

gây bất kì tác động nào giữa các bước sóng khác nhau khi mà trong hệ thống WDM, khoảng cách giữa các bước sóng lớn hơn 20 MHz Độ dịch chuyển Brillouin nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách kênh, trong khi đó, hai kênh phải truyền ngược nhau mới xảy ra khuếch đại Brillouin, nên SBS không gây nhiễu xuyên kênh khi tất cả các kênh lan truyền theo hướng tới trong hệ thống WDM

thích chính là quá trình một số photon bơm rời mức năng lượng của chúng để tạo ra các photon khác có tần số thấp hơn, và phần năng lượng chênh lệch được hấp thụ bởi phân tử Silica Đối với SRS, sóng bơm là sóng có năng lượng cao và sóng Stokes là sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng bơm Tán xạ Raman tự phát là một quá trình đẳng hướng, tức là SRS có thể xảy ra trong cả hướng tới và hướng ngược lại của sợi quang Khác với SBS, độ rộng băng của khuếch đại Raman rất lớn (lớn hơn 10 THz ) và các kênh cách nhau khoảng từ 13THz đến 15 THz (sự dịch Stokes)

sẽ bị tác động bởi SRS Điều này có nghĩa là SRS có thể ảnh hưởng đến các kênh trong hệ thống WDM, SRS gây ra sự dịch chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn Xem xét công suất ngưỡng cho SRS (Pth SRS), ta thấy :

Pth SRS = 5.9 x 10-2 d2 λ α (Watts) (2.5)

α : hệ số suy hao ( dB/km)

khoảng vài trăm mW tại bước sóng gần 1550nm, nên SRS không ảnh hưởng đáng

kể trong hệ thống WDM

với trường quang nên chiết suất của Silica thay đổi theo cường độ, và chiết suất khúc xạ của môi trường được xác định theo công thức:

n = nL(ω) + nNL( P / Aeff ) (2.6)

vật liệu