đo thử trên hệ thống thông tin quang dwdm

Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bớc sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu đợc sử dụng phải có

Lời nói đầu

Trong những năm vừa qua cùng với sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá

đất nớc, ngành Bu chính Viễn thông đã có những chính sách phát triển đúng đắn và

đã đạt đợc những thành tựu to lớn, thực hiện thành công chiến lợc hiện đại hoá và

số hoá mạng lới, đi thẳng vào công nghệ hiện đại, tiên tiến Mạng viễn thông của Việt Nam đợc đánh giá là một trong những mạng viễn thông hiện đại nhất thế giới Các dịch vụ mới liên tục đợc cung cấp tới khách hàng với chất lợng tốt nhất Không những số lợng dịch vụ mới tăng lên mà tốc độ đối với các dịch vụ cũng tăng lên không ngừng Điều này đã đặt ra yêu cầu đối với các nhà cung cấp dịch vụ là phải đảm bảo đợc băng thông cho những đờng truyền yêu cầu tốc độ cao Để làm đ-

ợc điều này không có công nghệ truyền dẫn nào có thể tốt hơn công nghệ truyền dẫn quang do tính kinh tế và cơ sở hạ tầng sẵn có Mạng lới truyền dẫn quang của Việt Nam trong những năm vừa qua đã đáp ứng đợc nhu cầu của ngời sử dụng Với

xu hớng phát triển nhanh những dịch vụ multi media yêu cầu băng thông rộng nh hiện nay thì các hệ thống hiện tại sẽ nhanh chóng rơi vào tình trạng quá tải nếu nh không dự báo đợc trớc và có biện pháp sẵn sàng trong những năm tiếp theo.

Giải pháp đợc đa ra là ghép nhiều kênh quang để truyền trên một sợi quang, nhằm tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có và công nghệ DWDM đợc lựa chọn để sử dụng vào mạng của Việt Nam Cùng với sự phát triển của các công nghệ vật liệu trong những năm vừa qua DWDM hứa hẹn sẽ mang lại cho mạng viễn thông Việt Nam một sức mạnh mới với khả năng quản lý và vận hành mới.

Việc nắm rõ các tham số của hệ thống là rất cần thiết để có thể vận hành mạng một cách hiệu quả Các thao tác và kỹ thuật đo kiểm tra trớc đây vốn đã rất quan trọng nay sẽ còn quan trọng hơn khi yêu cầu đối với hệ thống mới sẽ nghiêm ngặt hơn rất nhiều Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiến thức đã lĩnh hội đợc trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Học viện công

nghệ Bu chính Viễn thông em đã chọn để tài tốt nghiệp của mình là: “Đo thử trên

hệ thống thông tin quang DWDM” Sau một thời gian miệt mài tìm hiểu và nghiên

cứu cuốn đồ án tốt nghiệp với đề tài đã chọn đã đợc hoàn thành với nội dung gồm 3 chơng nh sau:

Chơng 1: Giới thiệu chung về DWDM.

Chơng 2: Các phần tử trong hệ thống DWDM

Chơng 3: Các phép đo trong hệ thống DWDM.

Em xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo ThS Cao Hồng Sơn, ngời

đã tận tình hớng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đề tài này Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Viễn Thông 1, các thầy cô đang công tác tại trung tâm đào tạo Bu chính Viễn thông I đã giúp em thực hiện ớc mơ b-

ớc vào những chân trời tri thức mới Cảm ơn bạn bè và ngời thân đã luôn ủng hộ tôi trong quá trình học tập tại mái trờng Học viện công nghệ Bu chính Viễn thông Mặc dù đã cố gằng rất nhiều trong thời gian hoàn thành cuốn đồ án này, nhng

do thời gian và trình độ có hạn nên cuốn đồ án này chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn

bè đồng nghiệp để cuốn đồ án này đợc hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội,

chơng 1 Giới thiệu chung về DWDM 1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM

1.1.1 Khái niệm về WDM

a Quá trình phát triển của WDM

Khái niệm ghép kênh quang không phải là mới Khái niệm này có bắt đầu từ năm 1958 Có thể nói rằng ý tởng về truyền nhiều tín hiệu quang là rất đơn giản và

tự nhiên nh là công nghệ truyền tín hiệu sử dụng trong viễn thông cổ điển với tín hiệu điện Nhng giải pháp cho các vấn đề công nghệ là rất khó khăn và nó cần thời gian dài phát triển để giải quyết các vần đề này Khoảng 20 năm sau các linh kiện thực tế đầu tiên sử dụng cho ghép kênh đã đợc sản xuất và sử dụng ở Mỹ, Nhật, Châu Âu Năm 1977 thiết bị thụ động WDM đầu tiên đợc phát triển bởi Tomlinson

và Aumiller

b WDM và TDM

Một câu hỏi đợc đặt ra là ghép tín hiệu trong miền điện (TDM: Time Division Multiplexing) hay trong miền quang (FDM: Frequency Division Multiplexing) dễ hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này không hề dễ dàng và giải pháp tối u chỉ có thể tìm thấy với tập hợp các công nghệ phức tạp

Với các dịch vụ tốc độ bit thấp (<2Mb/s) nói chung sẽ tốt hơn nếu ta sử dụng công nghệ TDM Với tín hiệu cha nén nh truyền hình quảng bá chất lợng cao (HDTV: High Definition TeleVision) thì WDM lại có vẻ tốt hơn Với công nghệ nén video băng tần yêu cầu đã đợc giảm xuống mức thấp nhất Tuy nhiên vào thời

điểm hiện nay, CATV và HDTV vẫn yêu cầu các băng tần tơng ứng là 4 Mb/s và 25 Mb/s Các ứng dụng nh mạng video liên kết các trạm làm việc truyền tín hiệu từ trung tâm vô tuyến định tuyến các mạng video hội nghị, các hệ thống đào tạo video tơng tác, các mạng dịch vụ thông tin đa chiều và mạng truyền số liệu giữa các máy tính, mạng số đa dịch vụ tích hợp (ISDN), các mạng băng rộng sẽ tiến đến sử dụng cả ghép kênh phân chia theo thời gian và ghép kênh phân chia theo bớc sóng Dự báo nhu cầu của thuê bao vào năm 2010 sẽ vào khoảng 100 Mb/s Điều này sẽ không thể trở thành hiện thực nếu không phát triển mạng quang DWDM

Một mạng thực tế thờng đợc tạo nên bởi một tập các kiến trúc để tạo nên môi trờng vật lý của mạng giữa các trạm Cấu hình đợc gọi là ảo khi nó chỉ bao gồm các liên kết logic giữa các trạm Một ví dụ về ứng dụng ghép kênh quang là tạo cấu hình

mạng ảo theo yêu cầu Cấu hình mạng có thể đợc thay đổi phụ thuộc vào cấu hình vật lý khi thay đổi tần số quang của đầu phát hay đầu thu Trong các cấu trúc này các bộ đấu nối chéo WDM, các bộ định tuyến WDM và các bộ tách xen WDM trở nên rất quan trọng.

Hình 1.1 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bớc sóng quang

Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bớc sóng khác nhau λ1, λ2, , λn Các tín hiệu quang ở các bớc sóng khác nhau này sẽ đợc ghép vào cùng một sợi dẫn quang Các tín hiệu có bớc sóng khác nhau đợc ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), bộ ghép bớc sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ đợc truyền dọc theo sợi quang tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bớc sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bớc sóng (DE-MUX)

ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới

đầu ra của bộ ghép kênh ở phía thu các bộ tách sóng quang phải nhạy với độ rộng của các bớc sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh quang thật tốt với các bớc sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu đợc sử dụng phải có bớc sóng cắt chính xác, dải làm việc thật ổn định

MUX/

MUX

λ, 1

RxN

TxN

TxN

MUX/

DE-MUX

λN

TxN

Kênh 1 Kênh 1 ’

KênhN KênhN '

λ1

λ, N

λ, 1

TxN

RxN

RxN

λN

Có 2 phơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép bớc sóng quang là thiết lập hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang một hớng và thiết lập hệ thống ghép kênh bớc sóng quang theo hai hớng Hình vẽ 1.1 chỉ ra một hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang theo hai hớng, trong đó tại các đầu cuối có các thiết

bị tách ghép kênh hỗn hợp Còn trong trờng hợp thiết lập hệ thống ghép kênh theo bớc sóng quang một hớng thì tại các đầu cuối chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghép hoặc tách kênh

Trong hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh bớc sóng lỏng và

kỹ thuật ghép kênh bớc sóng chặt hay mật độ cao

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bớc sóng lỏng trong đó khoảng cách giữa các bớc sóng quang

kề nhau lớn hơn 20 nm và tơng ứng với nó là độ rộng phổ của một kênh là 2500 GHz Bớc sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhng đối với kỹ thuật này không cần bộ làm mát vì khoảng cách giữa các bớc sóng kề nhau lớn Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống yêu cầu ghép ít bớc sóng

Khi dung lợng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên

Điều này đã làm cho kỹ thuật ghép kênh CWDM khó có thể đáp ứng đợc nhu cầu

và kỹ thuật ghép kênh DWDM ra đời DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bớc sóng chặt trong đó khoảng cách giữa các bớc sóng kề nhau đợc truyền trên sợi quang là 0,8 nm Với khoảng cách này tại vùng tần số 1550 nm độ rộng phổ của mỗi kênh tơng ứng vào khoảng 100 GHz Khi độ rộng phổ của bớc sóng giảm xuống thì rất nhiều các yêu cầu đa ra cần đợc giải quyết nh: Nhiệt độ của laser phát phải ổn định, các thiết bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn Những yêu cầu này đã làm cho giá thành…của các phần tử trong mạng tăng lên và giá thành của hệ thống DWDM tăng lên rất nhiều so với hệ thống thông tin quang CWDM

Tốc độ bit tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s

1.1.3 Phân bổ bớc sóng trong DWDM

a Miền bớc sóng và sự phân chia các kênh

Trong các hệ thống viễn thông thơng mại hiện tại, thông tin có thể đợc truyền trên một giải phổ rộng với hai miền suy hao thấp Miền thứ nhất là miền bớc sóng xung quanh 1300 nm và miền thứ hai là xung quanh bớc sóng 1550 nm Giữa hai miền này có một vùng suy hao lớn do tác động của các ion OH- có trong sợi quang Sợi quang SM có thể cho suy hao nhỏ nhất vào khoảng 0,16 dB tại bớc sóng 1550

nm Tổn hao <0,4 dB/Km tại bớc sóng 1550 nm và <0,5 dB/Km tại 1310 nm Điều này đợc mô tả trong khuyến nghị ITU-T G.652 Trong các hệ thống truyền dẫn DWDM khoảng cách trung bình và dài, sợi quang đơn mode (SM) thờng đợc sử dụng ở miền 1520 tới 1620 nm vì nó phù hợp với các bộ khuếch đại quang và nguồn quang

Đối với các ứng dụng nh mạng thành phố (MAN: Metropolitan Area Network), các sợi quang đặc biệt có hàm lợng ion OH- rất thấp đợc sử dụng Chúng có thể đợc

sử dụng tại miền bớc sóng từ 1335 đến 1625 nm (ví dụ nh các sợi quang làm theo công nghệ Lucent)

Sự phân chia giữa các kênh vào khoảng 0,8 nm hoặc lớn hơn trong hầu hết các mạng thực tế sử dụng công nghệ DWDM Liên minh viễn thông quốc tế (ITU: International Telecommunication Union) đã chuẩn hóa khung tần số với sự phân chia là 100 GHz (khoảng 0,8 nm) cho đa kênh Ngày nay khoảng cách nhỏ nhất giữa các kênh có thể là 0,1 nm Dù vậy vào đầu thế kỷ XXI không có hệ thống thực

tế nào có khoảng cách giữa các kênh nhỏ hơn 0,2 nm (25 GHz) Và nh vậy với sợi quang không có OH- sẽ cho phép truyền 1000 kênh với độ rộng 50 GHz

Dĩ nhiên là sẽ có một số giới hạn đối với DWDM Vấn đề chính sẽ là xuyên âm xảy ra khi tách kênh Và vấn đề này cũng do nguyên nhân từ các nguyên nhân vật

lý nh các bộ chuyển đổi bớc sóng dọc theo sợi quang truyền dẫn: Các hiệu ứng nh tán xạ Brillouin hay tán xạ Raman (SBR, SBS) hoặc các hiệu ứng phi tuyến khác

b Sự phân bổ bớc sóng

Đến nay ITU-T chuẩn hóa 81 kênh trong băng C với khoảng cách giữa các kênh

cố định là 50 GHz bắt đầu từ 193,1 THz Dải này có thể mở rộng tới băng L (từ 191,4 tới 185,9 THz) Điều này dẫn đến là thêm 111 kênh với khoảng cách 50 GHz

đợc thêm vào (xem chi tiết trong bảng 1.2)

B¶ng 1.2 Ph©n bæ bíc sãng vµ tÇn sè t¬ng øng cho b¨ng C vµ LB¨ng C 196,1-192,1 THz B¨ng L 191,1-185,9 THz

B¶ng 1.2 (tiÕp theo)B¨ng C 196,1-192,1 THz B¨ng L 191,1-185,9 THz

c Chuyển đổi giữa tần số và bớc sóng quang

Phụ thuộc vào dải sóng hoạt động (dải sóng quang hay vô tuyến) mà bớc sóng hay tần số của sóng thờng đợc sử dụng làm đại lợng đặc trng của sóng trong các phép biểu diễn và trong các công thức toán học Giữa tần số và bớc sóng của một dao động có mối quan hệ mật thiết với nhau và đợc biểu diễn qua công thức sau:

3

2

10 3 , 0

Từ công thức trên ta có nếu các kênh cách nhau 100 GHz (Δυ=100 GHz) tại

b-ớc sóng 1550 nm (λ=1550 nm) thay vào công thức (1.4) ta đợc khoảng cách bb-ớc sóng Δλ=0,8 nm

1.2 ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống DWDM

Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất của tín hiệu trong sợi quang vợt quá một mức nào đó Đối với các hệ thống DWDM thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tợng nh: Xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hởng đến chất lợng của hệ thống DWDM chủ yếu gồm: Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại:

Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR

Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và FWM

1.2.1 Hiệu ứng tán xạ

a Hiệu ứng SBR

Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lợng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trờng truyền dẫn và phần năng lợng còn lại đợc phát xạ thành ánh sáng có bớc sóng lớn hơn bớc sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bớc sóng mới này đợc gọi là ánh sáng Stoke) Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cờng độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (đợc gọi là SRS)

mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho phần lớn năng lợng của tín hiệu đợc chuyển tới bớc sóng Stoke

Nếu gọi Ps(L) là công suất của bớc sóng Stoke trong sợi quang thì:

Ps(L)= P0exp (grP0L/K.Seff) (1.5)Trong đó: P0 là công suất đa vào sợi tại bớc sóng tín hiệu

gr là hệ số khuếch đại Raman

K là hệ số đặc trng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bớc sóng Stoke và phân cực của sợi Đối với sợi thông thờng thì K≈2

Công thức trên có thể dùng để tính toán mức công suất P0 mà tại đó hiệu ứng SBR ảnh hởng lớn đến hệ thống, đợc gọi là ngỡng Raman (P0th) (P0thlà công suất của tín hiệu đầu vào mà ứng với nó, công suất của bớc sóng Stoke và của bớc sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau)

P0th ≈ 32 Seff.(L.gr) (1.6)

Từ công thức 1.6 ngời ta tính toán đợc rằng, đối với hệ thống đơn kênh để hiệu ứng SRR có thể ảnh hởng đến chất lợng hệ thống thì mức công suất P0 phải lớn hơn 1W (nếu nh hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đờng truyền) Tuy nhiên trong hệ thống DWDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện t -ợng khuếch đại đối với các bớc sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có b-

ớc sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lợng cho các bớc sóng lớn) làm suy giảm hệ số S/N, ảnh hởng đến chất lợng hệ thống Để đảm bảo suy giảm S/N không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thoả mãn (theo lý thuyết của Chraplyvy)

Với N là số kênh bớc sóng.

∆f là khoảng cách giữa các kênh bớc sóng

Nh vậy, trong hệ thống DWDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bớc sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống Hơn nữa, nếu nh bớc sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này cũng gây xuyên âm giữa các kênh

b Hiệu ứng SBS

Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tơng tự nh hiệu ứng SRR, tức là có sự tạo thành của bớc sóng Stoke có bớc sóng dài hơn bớc sóng tới Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: Hiệu ứng SBR liên quan đến các photon âm học còn hiệu ứng SBS liên quan đến các photon quang Chính do sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hởng khác nhau đến hệ thống DWDM Trong hiệu ứng này, một phần

ánh sáng bị tán xạ do các phonon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bớc sóng dài hơn (tơng đơng với độ dịch tần là khoảng 11 Ghz tại bớc sóng

1550 nm) Tuy nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngợc trở lại (tức là ngợc chiều với chiều truyền tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang, vì vậy trong hệ thống DWDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hớng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh

Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS

là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW Tuy nhiên hiệu ứng SBS với ∆VB/∆Vlaser (∆Vb là băng tần khuếch đại Brillouin, ∆Vlaser là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch

đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10-100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy

ra Chỉ các hệ thống với nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới có thể ảnh hởng bởi hiệu ứng SBS Ngời ta tính toán đợc mức công suất ngỡng đối với hiệu ứng SBS

nh sau:

B eff

p u eff

V gL

V V KA P

∆

ì

∆ +

∆

Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin

Aeff là vùng lõi hiệu dụng

f L N N

10 28 , 10 21

12

(1.7)

K đặc trng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bớc sóng Stoke và phân cực của sợi Đối với sợi thông thờng thì K≈2.

∆VB là băng tần khuếch đại Brillouin

∆VP là độ rộng phổ của tín hiệu

Nh vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống DWDM Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống

1.2.2 Hiệu ứng Kerr quang

Kerr là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trờng truyền dẫn thay đổi theo ờng độ ánh sáng truyền

số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị là δvNL:

δvNL=(1/2π)(δφ NL/δt) (1.10)Hiện tợng này còn gọi là hiện tợng dịch tần phi tuyến làm cho sờn sau của xung dịch đến tần số v<v0 và sờn trớc của xung dịch đến tần số v>v0 Điều này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền Trong hệ thống DWDM,

đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tợng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh

n n L

λ

π λ

π

2 2 0

(1.9)

sóng khác lan truyền trong sợi Trong trờng hợp này chiết suất phi tuyến ứng với

b-ớc sóng thứ i sẽ là:

∆nNL=n2{|Ei|2 + 2Σ|Ej|2} (1.11)Với: N là tổng số kênh quang

Ei là cờng độ trờng quang của bớc sóng thứ i

Số hạng thứ nhất trong công thức (1.11) ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ hai tơng ứng với hiệu ứng XPM Nếu giả sử công suất của các kênh là nh nhau thì ảnh hởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM

c Hiệu ứng FWM

Hiện tợng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM Trong hiệu ứng này, hai hoặc ba sóng quang với các tần số khác nhau sẽ tơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới Tơng tác này có thể xuất hiện giữa các bớc sóng của tín hiệu trong hệ thống DWDM, hoặc giữa các bớc sóng tín hiệu với tạp âm của các bộ khuếch đại quang Giả sử có ba b-

ớc sóng với tần số ωi, ωJ, ωk thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số ωijk thoả mãn:

ωij k=ωi + ωJ - ωk (1.12)Theo quan điểm cơ lợng tử, thì hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ photon ở một số bớc sóng và tạo ra một số photon ở các bớc sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lợng

Hiệu suất của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này đợc thoả mãn (tức là động lợng của photon đợc bảo toàn) Về mặt toán học thì điều kiện này có thể đợc biểu thị nh sau:

β(ωijk)= β(ωi) + β(ωj) - β(ωk) (1.13)Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra Tuy nhiên, với môi trờng truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách truyền dẫn là tơng đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp

xỉ đạt đợc

Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống DWDM Hơn nữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới đợc tạo ra

có thể rơi vào các kênh tín hiệu với xác suất rất lớn, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lợng của hệ thống.

Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình cắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại do đó làm giảm chất lợng của hệ thống Vì các hệ thống DWDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bớc sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thông thờng (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G 653) là ≈0 (<3ps/nm.km) nên hệ thống DWDM làm việc trên sợi đơn mode thông thờng sẽ ít bị ảnh hởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển

ảnh hởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu nh khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng nh khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lợng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM

1.3 Các cấu hình mạng DWDM

Các mạng ghép kênh bớc sóng quang mật độ cao có bốn cấu hình cơ bản: DWDM điểm-điểm có hoặc không có các bộ tách ghép, cấu hình mạng sao, cấu hình mạng Ring với các node OADM và hub, cấu hình hỗn hợp, nó có thể bao gồm cấu hình sao, cấu hình vòng Ring với các kết nối điểm-điểm Với mỗi cấu hình sẽ

có các yêu cầu riêng và nó cũng phù hợp đối với từng ứng dụng cụ thể

1.3.1 Cấu hình điểm-điểm

Cấu hình điểm-điểm là cấu hình hay đợc sử dụng cho truyền dẫn đờng dài với tốc độ rất cao (có thể lên đến vài Tertabits/s), tín hiệu đợc truyền đi toàn vẹn, độ tin cậy cao và khả năng phục hồi lại đờng truyền nhanh Khoảng giữa máy phát và máy thu có thể lên đến vài trăm km và có một số bộ khuếch đại giữa các đầu cuối và thông thờng số lợng bộ khuếch đại nhỏ hơn 10 (phụ thuộc vào suy hao công suất và méo tín hiệu) Cấu hình điểm-điểm với bộ tách ghép cho phép hệ thống tách và ghép dọc theo đờng truyền Số lợng các kênh, khoảng cách giữa các kênh, loại sợi quang, phơng pháp điều chế tín hiệu và loại thiết bị đợc lựa chọn sử dụng trên mạng

là các thông số quan trọng trong việc tính toán quỹ công suất của hệ thống

Trong DWDM mỗi kênh đợc mang trên một bớc sóng xác định và cũng đợc gọi

là kênh quang Các kênh khác nhau có thể mang các loại dữ liệu khác nhau nh thoại, số liệu, video, các gói số liệu với các tốc độ khác nhau Các liên kết giữa máy

thu và máy phát có thể có vài thiết bị quang cũng nh một hay một số sợi quang, các

bộ khuếch đại quang, các bộ tách ghép quang, các bộ lọc quang, coupler…

Hình 1.2 Cấu hình điểm-điểm với một bộ tách/ghép

1.3.2 Cấu hình vòng

Một mạng Ring bao gồm một sợi quang nối liền giữa các node, một số hệ thống có hai sợi quang cho chức năng bảo vệ mạng (dự phòng) Một mạng Ring có thể bao một vùng nhỏ hoặc vùng thành phố lớn với chiều dài vài chục Km Mạng Ring có thể gồm 4 hoặc nhiều kênh và có thể có nhiều node Tốc độ của các kênh

có thể là 622,08 Mb/s hoặc thấp hơn hoặc 1,25 Gb/s và cao hơn Một node trong số các node của mạng Ring là trạm hub nơi mà các bớc sóng đợc quản lý, kết nối với các mạng khác Tại mỗi node đều có các bộ tách và ghép kênh quang để lấy ra hoặc ghép vào một hoặc một số kênh

Hình 1.3 Cấu hình mạng Ring với trạm hub có chức năng đầu cuối

LD

Re

ALD

λ1 ,λ2 ,λN1

λk

LD: Diode Laser Re: Bộ thu quangA: Bộ khuyếch đại quang

HUB

OADM

O/EIP

λ1 ,λ2 ,λN1

λ1 ,λ2 ,λN1

λ1 ,λ2 ,λN1

λk λkSTM

STM

Trong mạng Ring DWDM trạm hub có thể kết cuối một số loại lu lợng nh module truyền tải đồng bộ (STM: Synchronous Transport Module), IP, video Trạm hub quản lý tất cả các kênh liên kết với một đờng truyền quang giữa các node với loại lu lợng trên kênh đó Tại một node OADM một hoặc nhiều tần số quang đợc tách ra và xen vào trong khi số còn lại đợc truyền xuyên qua Mặc dù vậy khi số l-ợng node OADM tăng lên thì tín hiệu không thể tránh khỏi tổn hao và vì vậy sẽ yêu cầu thêm các bộ khuếch đại Số lợng node trong mạng Ring thông thờng nhỏ hơn số lợng bớc sóng đợc ghép trong sợi quang.

Trong mạng hình Ring trạm hub quản lý định thời kênh với một kết nối đầy đủ của mạng với node OADM Node hub có thể cung cấp các kết nối với các mạng khác Thêm vào đó một node OADM có thể kết nối với một bộ tách kênh hay ghép kênh nơi một số nguồn dữ liệu đợc ghép Một mạng Ring đơn giản với một hub và hai node A và B thông tin với nhau qua bớc sóng λk nh trong hình 1.4 node A chỉ ghép một số nguồn số liệu Tất cả các nguồn số liệu đợc kết thúc và trả lời bởi node

B, mặc dù vậy tất cả các tín hiệu này đợc truyền trên cùng một kênh (và dĩ nhiên là cùng một bớc sóng)

Hình vẽ 1.4 Cấu hình mạng Ring có các kênh đợc quản lý bởi trạm hub

λ1 ,λ2 ,λN1

OADMA

OADMB

: Biến đổi điện quang: Biến đổi quang điện

Nguồn 1

Ng 2

Chơng 2 Các phần tử trong hệ thống DWDM

Chơng 1 của cuốn đồ án này đã trình bày tổng quan về quá trình hình thành, phát triển của kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng quang và một số khái niệm liên quan Tuy nhiên việc thực hiện ý tởng ghép kênh quang vào thời điểm đó là không

hề dễ dàng do những khó khăn về công nghệ Trong những năm gần đây công nghệ vật liệu phát triển rất nhanh, đã có rất nhiều vật liệu mới đợc tìm thấy, phát triển và ứng dụng vào các mạng thông tin quang Điều này đã tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong quá trình phát triển của công nghệ truyền dẫn quang Chơng 2 sẽ trình bày về các phần tử sử dụng trong mạng thông tin quang DWDM và các kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị đó

Mặc dù thiết bị có thể đợc sản xuất khi sử dụng các phần tử riêng biệt, nhng giải pháp này không giải quyết đợc giảm giá thành và kích thớc Ngời ta đang cố gắng nghiên cứu phơng án tích hợp các phần tử

Các ống dẫn sóng có cấu trúc vòm mái để không nhạy cảm phân cực và suy hao thấp, đồng thời tạo ra bán kính uốn cong nhỏ nhất cho phép thoả mãn yêu cầu liên kết chặt của thiết bị Sử dụng giải pháp này có thể chế tạo bộ tách bốn kênh trên diện tích 1,5 mm2, thiết bị có suy hao xuyên kênh khoảng -25dB, suy hao của chíp khoảng vài dB và độ nhạy cảm phân cực thấp hơn 0,05 nm (đối với khoảng cách kênh 2 nm) Các phần tử tách/ghép bớc sóng tích hợp với các SOA tạo ra bộ chọn b-

ớc sóng suy hao zero, tái cấu hình nhanh và không nhạy cảm phân cực

a Phơng pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong DWDM

Bộ lọc màng mỏng có khoang cộng hởng (TFF) thuộc loại bộ lọc có bớc sóng

cố định Cấu trúc gồm bộ giao thoa Fabry-Perot, trong đó các gơng tại hai phía

khoang đợc thực hiện nhờ nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ Thiết bị này hoạt động nh là một bộ lọc băng, cho qua một bớc sóng riêng và phản xạ các bớc sóng khác Bớc sóng tại đầu ra của bộ lọc đợc xác định bởi chiều dài và chiết suất của khoang cộng hởng

Bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hởng (TFMF) gồm hai hoặc nhiều khoang cách biệt với nhau bởi các màng mỏng điện môi phản xạ nh hình 2.1

nm, độ cách ly là 25 dB và hệ số nhiệt độ là 0,005 nm/0C Nhờ có các đặc tính này

mà hiện tại TFMF đợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thơng mại

Hình 2.2 Cấu trúc bộ tách/ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên sợi

Thiết bị lọc điện môi đa lớp có thể ghép trực tiếp giữa các sợi quang, hoặc sử dụng hệ thống hội tụ quang Hình 2.2 là một ví dụ về ghép sợi quang trực tiếp qua

Khoang 1Khoang 2Khoang 3

Bộ lọc

các bộ lọc lỡng hớng sắc trên bề mặt của một sợi quang Đây là cấu trúc lớp bộ giải ghép 4 kênh sử dụng 3 bộ lọc cấp một.

Bộ lọc thứ nhất phản xạ bớc sóng λ1 và cho qua các bớc sóng λ2, λ3, λ4 Bộ lọc thứ hai phản xạ bớc sóng λ2 và cho qua các bớc sóng λ3, λ4 Bộ lọc thứ ba phản xạ bớc sóng λ3 và cho qua bớc sóng λ4 Và nh vậy ta đợc kết quả là tín hiệu đầu vào mạng bốn bớc sóng λ1, λ2, λ3, λ4 còn tại đầu ra ta tách ra đợc tín hiệu ta cần đợc mang trong sóng có bớc sóng λ4 Tơng tự nh vậy ta cũng có thể tách đợc các kênh trong các bớc sóng λ1, λ2, hay λ3

2.1.2 Bộ lọc điều chỉnh đợc

Với bộ lọc điều chỉnh đợc có thể chỉ ra hai bộ lọc tiêu biểu là thiết bị lọc

Fabry-Perot và bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF)

a Thiết bị lọc Fabry-Perot

Các bộ lọc bớc sóng điều chỉnh đợc thờng đợc cấu tạo dựa trên cấu trúc laser

điều chỉnh đợc (điều hởng) Bộ lọc khoang cộng hởng Fabry-Perot đợc tạo thành bởi hai gơng có hệ số phản xạ cao đặt song song với nhau nh hình vẽ dới đây

Hình 2.3 Bộ lọc Fabry-Perot

Bộ lọc này còn gọi là bộ giao thoa Fabry-Perot Tia sáng vào là tia sáng đi tới gơng thứ nhất, tia sáng tại đầu ra của bộ lọc là tia sáng rời gơng thứ hai Đây là một thiết bị điển hình đã đợc sử dụng rộng rãi trong các máy đo giao thoa Nó đã đợc sử dụng nh là bộ lọc trong thiết bị DWDM của mạng quang

Hiện nay đã có bộ lọc tốt hơn, chẳng hạn bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hởng Có thể xem bộ lọc này nh là bộ lọc Fabry-Perot có gơng phản xạ phụ

Khoang cộng hưởng Fabry-Perot

Tín hiệu vào

Phản xạ Tín hiệu ra cùng chiều

thuộc bớc sóng Do đó nguyên tắc hoạt động cơ bản của bộ lọc này cũng nh bộ lọc Fabry-Perot

Bộ lọc Fabry-Perot là một phần tử thơng mại u điểm vợt trội của nó so với một

số thiết bị khác là nó có thể điều chỉnh đợc để chọn lọc các kênh khác nhau trong

hệ thống các hệ thống thông tin quang DWDM

 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của thiết bị đợc chỉ ra nh trong hình vẽ 2.3 ánh sáng tới mặt trái của khoang Sau khi qua khoang, một phần ánh sáng đi qua mặt phải của khoang và phần còn lại phản xạ trở lại khoang Các Photon phản xạ trở lại mặt gơng thứ nhất và một phần các photon này lại tiếp tục phản xạ một lần nữa để đến mặt g -

ơng thứ hai Chiều dài của khoang bằng bội số nguyên của nửa bớc sóng truyền trong khoang, vì vậy vòng hành trình qua khoang (tới và phản xạ) là bội số nguyên của bớc sóng Tất cả các photon truyền qua mặt gơng thứ hai đều đồng pha Và nh vậy sóng ra khỏi khoang cộng hởng là sóng cộng hởng Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc phụ thuộc vào cấu trúc của khoang Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc

đợc biểu diễn qua biểu thức sau:

Trong đó A là suy hao do hấp thụ của mỗi gơng, R là hệ số phản xạ của mỗi

g-ơng (giả thiết hai gg-ơng có hệ số phản xạ nh nhau), τ là thời gian truyền qua khoang theo một hớng, n là chiết suất của khoang, l là chiều dài khoang Do đó τ=nl/c, c là tốc độ ánh sáng trong chân không

Dạng của hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot đợc đa ra trong hình

vẽ 2.4 với A=0 và R lần lợt nhận các giá trị 0,75; 0,90 và 0,99 Khi hệ số phản xạ của gơng càng lớn thì cách ly giữa các kênh kề nhau càng tốt

Hàm truyền đạt công suất TFP(f) là tuần hoàn theo f và các đỉnh băng thông của hàm truyền đạt xảy ra tại các tần số thoả mãn điều kiện fτ=k/2 khi k là số nguyên d-

ơng Vì vậy trong hệ thống DWDM, nếu các bớc sóng cách nhau đủ xa so với mỗi dải thông hàm truyền đạt bộ lọc thì một số bớc sóng (tần số) trùng với dải thông bộ lọc đều đi qua bộ lọc Phạm vi phổ nằm giữa hai dải thông kề cận của bộ lọc đ ợc

(2.1)

2 2

)2sin(

1

21

1

1)

R R R

A f

T FP

gọi là phạm vi phổ tự do, ký hiệu là FSR Độ rộng mỗi dải thông của bộ lọc là độ rộng đầy đủ tại một nửa giá trị cực đại của hàm truyền đạt (FWHM) Trong các hệ thống DWDM, cần chú ý số lợng các bớc sóng sử dụng và các bớc sóng này phải nằm trong một FSR của bộ lọc Vì vậy tỷ số FSR/FWHM là một số đo gần bằng số lợng các bớc sóng thích hợp với hệ thống Tỷ số này gọi là hệ số phân biệt F của bộ lọc và xác định theo biểu thức:

Hình 2.4 Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry-Perot

 Điều chỉnh

Bộ lọc Fabry-Perot có thể điều chỉnh để lựa chọn các bớc sóng khác nhau Giải pháp đơn giản nhất là thay đổi chiều dài của khoang hoặc thay đổi chiết suất bên trong khoang Xem xét một hệ thống DWDM có tất cả các bớc sóng đều nằm trong một FSR của bộ lọc Fabry-Perot Tần số f0 mà bộ lọc cần chọn thoả mãn điều kiện f0τ=k/2 đối với một vài số nguyên dơng của k Vì vậy f0 có thể thay đổi nhờ thay đổi τ là thời gian truyền theo một hớng của ánh sáng trong khoang Nếu ký hiệu chiều dài của khoang là l và chiết suất của khoang là n thì τ=ln/c, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không và nh vậy τ thay đổi khi thay đổi n hoặc l

Điều chỉnh cơ khí của bộ lọc có thể có hiệu quả nếu dịch chuyển một gơng phản xạ để thay đổi chiều dài của khoang cộng hởng Điều này chỉ cho phép điều chỉnh thời gian một vài miligiây Đối với điều chỉnh cơ khí bộ lọc Fabry-Perot phải

đảm bảo độ chính xác về mặt cơ khí, nghĩa là duy trì hai gơng song song với nhau khi một gơng dịch chuyển Tuy nhiên khó có thể đảm bảo đợc độ chính xác này Một giải pháp khác để điều chỉnh là sử dụng vật liệu áp điện làm khoang Bộ lọc áp điện chịu nén khi đặt lên nó một điện áp Do chiều dài của khoang có vật liệu

nh vậy có thể thay đổi nhờ điện áp, nên làm thay đổi tần số cộng hởng của khoang

R

R F

−

−

= 1

f/FSR-40

R=0,75R=0,90R=0,99

Tuy nhiên vật liệu áp điện phát sinh hiệu ứng không ổn định nhiệt và từ trễ nên khó

có thể ứng dụng bộ lọc nh vậy trong thực tế

b Bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF)

Bộ lọc âm quang điều chỉnh đợc (AOTF) là một thiết bị linh hoạt Nó là bộ lọc

có thể điều chỉnh đợc để chọn lọc một số bớc sóng nhất định Khả năng này đợc sử dụng để cấu tạo bộ định tuyến bớc sóng

2.2 Bộ ghép và bộ tách kênh quang

Chức năng của một bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang Tín hiệu

từ sợi quang này là một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau và bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận đợc thành các tín hiệu tại các tần

số khác nhau Còn nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngợc lại: Nó nhận tín hiệu

từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng lại vào một tia sáng để truyền vào một sợi quang duy nhất Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép kênh tích cực và thiết bị tách/ghép kênh thụ động Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt

động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và lọc phổ Còn các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hởng trong đó mỗi một bộ lọc cộng hởng với một tần số nhất

định

2.2.1 Nguyên tắc làm việc của lăng kính

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM ngời ta thờng dùng lăng kính làm phần

tử tán sắc góc (hình 2.5) Do hiện tợng chiết suất phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng tức là n=n(λ), nên các chùm tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hớng khác nhau ở

đầu ra theo định luật Snell (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bớc sóng)

i r

A dn

d

di

cos cos

sin

ì

= λ

2.2.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ

Do nhợc điểm không tách đợc các tia sáng có bớc sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không đợc sử dụng trong công nghệ WDM nữa, thay vào đó ngời ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc (hình 2.6)

 Khái niệm về cách tử

Cách tử là một mặt phẳng quang có nhiều rãnh cách đều nhau và có khả năng truyền hoặc nhiễu xạ ánh sáng Cách tử đợc cấu tạo bao gồm nhiều rãnh (nh răng c-a), trên bề mặt của các rãnh này đợc phủ một lớp phản xạ, số lợng rãnh trên cách tử

có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm Cách tử có khả năng nhiễu xạ ánh sáng theo một hớng nhất định phụ thuộc vào bớc sóng Vì vậy một tia sáng có nhiều bớc sóng khác nhau chiếu vào cách tử thì mỗi bớc sóng sẽ nhiễu xạ một hớng khác nhau Ngợc lại, các bớc sóng đi tới cách tử từ các hớng khác nhau có thể kết hợp theo cùng một hớng Góc nhiễu xạ phụ thuộc khoảng cách các rãnh và các góc tới

Khi rọi ánh sáng lên trên bề mặt cách tử, ngoài hiện tợng nhiễu xạ tức là hiện tợng giao thoa của các tia sáng bị phản xạ bởi bề mặt cách tử, làm cho ánh sáng bị nhiễu xạ theo các góc riêng biệt thoả mãn phơng trình sau:

Trong đó: n là chiết suất của lớp phản xạ phủ trên bề mặt cách tử

m là bậc nhiễu xạ.

Phơng trình (2.4) cho thấy rõ ràng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bớc sóng của

ánh sáng tới Nh vậy, cũng giống nh lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ đợc tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán sắc lớn hơn

Hình 2.6 Sử dụng cách tử để tách bớc sóng

Khi giải ghép kênh (tách bớc sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều

b-ớc sóng từ sợi quang sẽ đợc tách ra thành các tia đơn sắc tơng ứng với các bb-ớc sóng

đợc truyền trên sợi theo các bớc khác nhau Ngợc lại khi ghép kênh, một số kênh ứng với các bớc sóng λ1, λ2, λ3, λn đến từ các hớng khác nhau có thể đợc kết hợp thành một hớng và đợc truyền dẫn trên cùng một sợi quang

Thông thờng bộ ghép kênh quang bao gồm một số đầu vào mang các tín hiệu tại các bớc sóng khác nhau Tất cả các bớc sóng đó đợc tập trung vào một điểm và truyền vào một sợi quang duy nhất Hầu hết các bộ tách kênh quang thụ động cũng

có thể sử dụng nh là một bộ ghép kênh quang Chúng có thể hoạt động dựa trên nguyên lý làm việc của lăng kính hoặc cũng có thể làm việc theo nguyên tắc tán xạ khi sử dụng cách tử

Hình 2.6 chỉ ra một ví dụ về một bộ tách kênh sử dụng cách tử tán xạ

Hình 2.8 Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh

2.3 Bộ xen rẽ quang (OADM)

Các bộ xen rẽ quang đợc dùng để liên kết nhiều tín hiệu vào trong một đờng truyền đơn hoặc để tách các tín hiệu sau khi truyền nh trong hình 2.9 Trong rất nhiều phần tử của mạng, một phần tử có thể không muốn liên kết hoặc tháo toàn bộ cấu trúc kênh mà chỉ đơn thuần xen hoặc rẽ một hay một số kênh Một bộ ghép quang thực hiện chức năng này không cần phải biến đổi tín hiệu trong tất cả các kênh thành dạng điện và ngợc lại Bộ xen rẽ rất cần cho mạng diện rộng và mạng thành phố khi một hay một số kênh cần đợc tách ra trong khi các kênh khác trong

đờng truyền vẫn giữ nguyên

Hình 2.9 Bộ xen rẽ quang OADM

Thấu kính

Các sợi quang Các tia nhiễu

xạ

Cách tử nhiễu xạ

λ1

λ1 + λ1 + + λN

λ3

λ2

Bộ xen rẽ quang OADM

λ1λ2 Kênh đầu vàoλn Kênh đầu ra

- Phần tử thứ nhất đợc sử dụng làm bộ xen rẽ quang là bộ định tuyến bớc sóng (Wavelength routing) dựa trên nguyên lý dịch pha của các bớc sóng (AWG) Chức năng của AWG đợc thể hiện nh trên hình 2.10 Tất cả các bớc sóng đợc đa tới đầu vào "a" sẽ xuất hiện lần lợt tại các đầu ra Trên cùng một đầu ra có thể xuất hiện các bớc sóng tại các đầu vào khác nhau Nguyên lý làm việc này khiến AWG trở thành

bộ định tuyến bớc sóng Nếu chọn các bớc sóng đa tới đầu vào thích hợp thì sẽ có thể lấy đợc bớc sóng đó ở đầu ra bất kỳ Khi đầu vào (a) chỉ có một cổng thì AWG

đợc dùng nh bộ tách sóng quang, nếu đi theo chiều ngợc lại thì nó trở thành bộ ghép bớc sóng

Phần tử này có thể chế tạo với số lợng lớn với giá thành hạ vì về cơ bản nó đợc chế tạo theo cách chế tạo các chíp điện tử Do đó AWG còn đợc gọi là linh kiện quang tích hợp (Integrated Optics)

Hình 2.10 Nguyên lý của AWG

- Phần tử thứ hai là các bộ tách ghép bớc sóng sử dụng phối hợp bộ quay pha bớc sóng (circulator) và cách tử sợi quang (fiber grating)-cách tử Bragg

Trong đó bộ quay pha quang có thiết kế gần giống với bộ cách ly quang (optical isolator) Các bớc sóng cần tách/xen sẽ đợc bộ cách tử sợi quang phản xạ lại đa vòng tới lối ra/vào của bộ quay pha Các bớc sóng khác vẫn đi qua bình th-ờng

Một cách tử sợi quang là thiết bị giao thoa quang đợc thiết kế ngay bên trong một sợi quang Nếu một sợi thuỷ tinh đợc cấy thêm một chất phù hợp, thờng là Germanium, chỉ số khúc xạ của nó có thể đợc thay đổi bằng việc chiếu các tia cực tím Nếu việc chiếu các tia cực tím xảy ra trong một khoảng thời gian thích hợp, bộ lọc xẽ trở thành một cách tử Do nó chỉ là một mẩu sợi quang nhỏ nên suy hao xen

có thể coi bằng 0 (một đặc tính tuyệt vời cho các bộ tách/ghép bớc sóng) Nó sẽ phản xạ bớc sóng ánh sáng gần nh hoàn toàn trong một dải xác định trớc và truyền

Hình 2.11 Phối hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang

Bớc sóng trung tâm của bộ lọc cách tử sợi quang đợc xác định bằng chu kỳ của

nó Băng thông này tỷ lệ nghịch với bớc sóng Cả hai thông số này đều nhạy cảm với nhiệt độ, do đó các bộ lọc này yêu cầu nhiệt độ ổn định hoặc có các cơ chế điều khiển nhiệt độ

Cách tử sợi quang là một linh kiện có rất nhiều ứng dụng trong truyền dẫn Nó

có thể dùng làm bộ lọc bớc sóng băng hẹp hoặc băng rộng, bộ bù tán sắc, bộ lọc làm theo đờng đặc tuyến của EDFA và là một phần của bộ lọc quang trong phần tử tách/ghép bớc sóng Nó ít khi đợc dùng riêng nh các thành phần thụ động trong DWDM

Kết hợp bộ quay pha và cách tử sợi quang theo cách nh vậy giúp ta có thể tách ghép một bớc sóng tại node xen/rẽ với suy hao rất nhỏ (2 dB) Tuy nhiên giá thành chế tạo bộ quay pha hiện nay còn khá cao nên nó mới chỉ thờng đợc dùng cho các tuyến cáp quang biển cự ly dài

2.4 Coupler hình sao

Vai trò của coupler hình sao là kết hợp các tín hiệu quang khác nhau đến từ các

đầu vào khác nhau và chia chúng ra tại các đầu ra Trái với các bộ ghép kênh, coupler hình sao không bao gồm các phần tử lựa chọn bớc sóng, cũng nh không có nhiệm vụ tách các kênh tín hiệu ra riêng rẽ Số đầu vào và số đầu ra cũng không cần phải bằng nhau Ví dụ: Trong trờng hợp phát video phân bố, một số lợng nhỏ các kênh video (khoảng 100 kênh) sẽ đợc phát cho hàng nghìn thuê bao Số lợng đầu vào và số lợng đầu ra thờng đợc chọn bằng nhau cho phát quảng bá và lựa chọn trong mạng LAN khi mỗi ngời dùng mong muốn nhận đợc thông tin từ tất cả các kênh Một coupler hình sao thụ động đợc nói đến với ngụ ý là một coupler sao quảng bá NxN trong đó N là số đầu vào và đầu ra Một coupler hình sao phản xạ

đôi khi cũng đợc sử dụng cho các ứng dụng mạng LAN bằng cách phản xạ tín hiệu trở lại các đầu vào

λ1

λ2

Hình 2.12 Coupler sao 8x8 sử dụng 12 coupler 2x2

Một số loại coupler hình sao đợc phát triển cho các ứng dụng mạng LAN Một cách tiếp cận có từ rất sớm là sử dụng coupler quang -3 dB Một coupler quang -3

dB chia hai tín hiệu đầu vào ra hai đầu ra, nó có chức năng tơng tự nh một coupler sao 2x2 Các coupler lớn hơn có thể đợc tạo ra bằng cách kết hợp nhiều coupler 2x2 Hình vẽ 2.12 chỉ ra một coupler quang 8x8 sử dụng 12 coupler quang 2x2 Độ phức tạp của coupler sao tăng lên đáng kể khi số đầu vào/ra tăng lên

Coupler xoắn nóng chảy có thể làm cho coupler sao gọn hơn, chắc chắn hơn Hình vẽ 2.13 chỉ ra dạng đơn giản của công nghệ này ý tởng của công nghệ này là xoắn một số lợng lớn các sợi quang lại với nhau và dùng nhiệt độ cao đun nóng chảy Trong trờng hợp này các tín hiệu đợc trộn với nhau và chia đều tới tất cả các

đầu ra của bộ định tuyến theo cách tín hiệuDWDM tại mỗi cổng ra đợc xắp xếp lại

từ các kênh tín hiệu của các kênh đầu vào khác nhau Một thiết bị định tuyến thụ

động là thiết bị không bao gồm bất cứ phần tử nào cần đến công suất điện Nó cũng

đợc gọi là định tuyến tĩnh khi cấu hình định tuyến không thể thay đổi linh hoạt đợc Mặc dù nó là tĩnh nhng nó là một trong những thiết bị có nhiều ứng dụng quan trọng trong mạng DWDM

Hình 2.14 Sơ đồ minh họa định tuyến bớc sóng

Hầu hết các thiết kế của một bộ định tuyến bớc sóng sử dụng một biến thể của

bộ tách kênh AWG để cung cấp nhiều đầu vào Một thiết bị định tuyến đợc gọi là

định tuyến cách tử dẫn sóng (WGR: Waveguide-Grating Router) bao gồm hai coupler hình sao NxM với N đầu ra của coupler hình sao thứ nhất nối với M đầu vào của coupler hình sao còn lại thông qua một ma trận M ống dẫn sóng hoạt động nh một bộ AWG

2.6 Bộ nối chéo quang OXC

Việc chuyển mạch trong các tín hiệu quang trớc đây liên quan đến việc biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, và lại biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang

để tiếp tục truyền tới các mạng khác Quá trình này là rất phức tạp, chi phí cao, làm hạn chế tốc độ chuyển mạch và giảm khả năng hoạt động của hệ thống DWDM Chuyển mạch sử dụng trong các mạng DWDM để dẫn tín hiệu đến các đờng khác nhau hoặc để định tuyến lại tín hiệu Tính phức tạp và tin cậy của hệ thống đòi hỏi ngày càng cao Vì vậy khả năng chuyển mạch dễ dàng là yếu tố rất quan trọng đối với các mạng quang hiện đại Do đó, các bộ nối chéo quang OXC rất cần thiết trong các mạng quang hiện tại và trong tơng lai

abcde

1 2 3 4 5Tới cổng số

Bộ nối chéo quang dùng để hoán đổi các tín hiệu kênh quang giữa các sợi với nhau Bộ nối chéo quang có thể đợc mô tả nh trong hình 2.15 Trong hình này các tín hiệu quang trong bớc sóng λ2 đợc thay đổi giữa hai sợi quang với nhau, đó là hai sợi A và B.

Hình 2.15 Sơ đồ bộ nối chéo quang

Có hai loại OXC chính là:

- OXC định tuyến theo bớc sóng (Wavelength Routing OXCR)

- OXC có khả năng chuyển đổi bớc sóng (Wavelength Translating OXCT)

Các OXCR hoạt động theo nguyên tắc tách các bớc sóng quang từ các tín hiệu quang đầu vào rồi chuyển mạch không gian (chuyển mạch sợi quang), sau đó ghép các bớc sóng lại, không có sự chuyển đổi bớc sóng Mỗi tín hiệu quang tới đợc đa qua một bộ tách sóng quang để tách riêng các bớc sóng khác nhau Bộ chuyển mạch quang có suy hao và nhiễu xuyên nhỏ sẽ kết nối các bớc sóng quang tới các vị trí mong muốn tại đầu vào của bộ ghép bớc sóng để ghép các bớc sóng này tới sợi quang đầu ra Trớc khi ghép thì mỗi bớc sóng sẽ phải đi qua bộ cân bằng công suất

PE để điều chỉnh công suất cho mỗi bớc sóng tới giá trị thích hợp trớc khi qua bộ ghép bớc sóng

Các OXCT hoạt động theo nguyên tắc chuyển mạch có chuyển đổi bớc sóng quang Đầu tiên, mỗi tín hiệu quang từ một sợi đợc phân chia với số nhánh bằng tổng số kênh quang cần lấy tại đầu ra nhờ bộ spliter Sau đó chúng đợc đa tới các bộ chuyển mạch quang để lấy ra tín hiệu quang cần thiết Tín hiệu quang đợc chọn ra lại tiếp tục qua bộ chọn bớc sóng, tách ra đợc kênh quang yêu cầu để đa vào đúng bớc sóng quang cần ghép ở đầu ra

Việc sử dụng OXCT cho phép tận dụng tối đa quỹ bớc sóng quang Tuy nhiên, không phải tại tất cả các node mạng đều có nhu cầu chuyển đổi bớc sóng nên để khai thác có hiệu quả và kinh tế hơn, ta có thể kết hợp cả hai loại thiết bị này trong mạng

Aλ1 Aλ2 Aλn

Bλ1 Bλ2 Bλn

Aλ1 Bλ2 Aλn

Bλ1 Aλ2 Bλn

2.7 Bộ biến đổi bớc sóng

Một bộ biến đổi bớc sóng thay đổi bớc sóng đầu vào thành một bớc sóng đầu ra mới mà không thay đổi nội dung của dữ liệu truyền trên bớc sóng đó Đã có rất nhiều nguyên tắc chuyển đổi bớc sóng đã đợc phát triển trong những năm 1990 Một nguyên tắc đơn giản là sử dụng một máy tái tạo điện quang chỉ ra nh hình 2.15a Một máy thu quang trớc tiên biến đổi tín hiệu trong bớc sóng đầu vào là λ1 thành chuỗi bit điện và chuỗi bit này đợc sử dụng bởi một bộ phát để tạo ra tín hiệu quang tại bớc sóng mong muốn là bớc sóng λ2 Với thiết bị kiểu này có u điểm là t-

ơng đối dễ dàng thực hiện bởi các linh kiện tiêu chuẩn Ngoài ra nó còn có các u

điểm khác nh không nhạy cảm với phân cực đầu vào và có thể khuếch đại tín hiệu thuần Nhng nó cũng có nhợc điểm là hạn chế tốc độ truyền tải trên đờng truyền và dạng tín hiệu, ở đây tốc độ bị hạn chế bởi miền điện, giá thành của thiết bị khá cao

Hình 2.15 Nguyên tắc làm việc của các bộ chuyển đổi bớc sóng

Nguyên tắc làm việc đơn giản nhất là thiết bị đợc chỉ ra trong hình 2.15b Nó dựa trên hiện tợng khuếch đại bão hoà xảy ra khi một vùng yếu đợc khuếch đại trong SOA với một vùng mạnh và sự khuếch đại của vùng yếu đợc tạo ra bởi miền mạnh Để sử dụng thiết bị này tín hiệu xung trong bớc sóng λ1 cần chuyển đổi và phát vào SOA cùng với một tia CW công suất thấp tại bớc sóng λ2 và nó đợc chuyển sang bớc sóng mong muốn là λ2 Kết quả là tia CW đợc khuếch đại một số lợng lớn các bit 0 (không bão hoà) bởi một số lợng nhỏ hơn các bit 1 Rõ ràng là mẫu bit chuẩn của tín hiệu trong bớc sóng ban đầu sẽ đợc truyền tới bớc sóng mới với cực tính đảo ngợc và các bit 0 và 1 đợc trao đổi cho nhau Công nghệ này đã đợc sử

(b)

dụng trong nhiều thí nghiệm và có thể làm việc tại các hệ thống có tốc độ lên đến40 Gb/s.

2.8 Phần tử phát và thu quang

2.8.1 Bộ phát

Các thiết bị biến đổi điện quang E/O và các phần tử điện rời rạc của các bộ phát quang thuộc thế hệ trớc đây đang dần dần đợc thay thế bởi các mạch tích hợp Việc thực hiện các mạch tích hợp cỡ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ điều chế và độ tin cậy ngày đợc thực hiện nhiều hơn

Một bộ phát của một kênh (một bớc sóng) thờng gồm bộ laser hồi tiếp phân bố DFB, sau đó là một bộ điều chế, thờng ở bên ngoài máy phát laser đặc biệt là khi tốc độ điều chế cao Sự phát triển các mạch quang tích hợp gần đây đã làm giảm giá thành của các máy phát, trong đó chíp laser, bộ khuếch đại quang đợc tích hợp vào trong một gói Hiện nay, một gói phát gồm nhiều bộ phát laser, nhiều bộ ghép kênh, một bộ khuếch đại công suất (thờng dùng khuếch đại quang bán dẫn)

Một bộ suy hao có thể thay đổi đợc trên toàn bộ dải điều chế có thể đợc đặt gần một máy phát laser để điều khiển công suất của máy phát đến một giá trị cần thiết Giá trị này đợc chọn sao cho khớp với các đặc tính của trạm lặp đầu tiên trên đờng truyền hoặc khi dùng với các máy phát hoạt động ở các bớc sóng khác để đảm bảo rằng tất cả các bộ phát kết hợp với nhau để làm cho phân bố công suất phổ phẳng

nh nhau

Trong bộ laser hồi tiếp phân bố (DFB), hốc cộng hởng Fabry-Perot hai gơng thông thờng đợc làm nhỏ lại và đợc điều khiển Việc lựa chọn bớc sóng chính xác qua hồi tiếp quang đợc thực hiện bằng một cách tử dọc đợc chế tạo nh một bộ phận của chíp laser Cách tử này dùng để hỗ trợ laser phát xạ đơn mode, sóng truyền dọc nằm trong một khoảng rất hẹp, thông thờng nhỏ hơn 100 MHz Cùng với máy phát laser Fabry-Perot, hình dạng của ống dẫn sóng đảm bảo cho đầu ra có hớng ổn

định Cấu trúc hồi tiếp phân bố có thể đợc coi nh là một kiểu kết hợp của nhiều buồng cộng hởng ánh sáng phân tán, cho phép lựa chọn bợc sóng đỉnh của ánh sáng laser tuỳ thuộc khoảng chu kỳ của cách tử nhiễu xạ Nhờ đó, có thể thực hiện đợc việc phát xạ bớc sóng đơn

Ngoài các kết nối điện tốc độ cao, một gói DFB còn có thể có một bộ làm mát nhiệt điện, cảm biến nhiệt độ, bộ cách ly quang và diode quang điều khiển Các gói

DFB hiện nay có thể cho một công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40 mA

ánh sáng từ nguồn quang phải đợc điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền dẫn bằng phơng pháp điều biến cờng độ Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu

do điều biến qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu

Các gói DFB kết hợp với các bộ điều chế trên một chíp, làm cho cả khối có độ

di tần thấp, tốc độ điều chế cao Tuy nhiên, chúng cũng có một số hạn chế ví dụ nh

bề rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết

2.8.2 Bộ thu

Bộ thu chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng việc tách tất cả các tín hiệu quang đợc điều chế và giải điều chế chúng Bộ thu phải hoàn toàn tơng thích với bộ phát (về cả bớc sóng cơ bản và các đặc tính điều chế) và phải đợc thiết

kế để giải quyết tất cả sự suy hao tín hiệu bởi các phần tử trên mạng Chỉ tiêu máy thu đợc đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit BER Kết quả thu phụ thuộc vào độ nhạy máy thu, băng thông của máy thu và tạp âm tín hiệu trớc khi giải điều chế Chỉ tiêu

đầy đủ của một máy thu đợc mô tả bởi đặc tuyến độ nhạy của nó, trong đó tỷ lệ lỗi bit BER đợc xem nh là một hàm của công suất quang thu đợc với một dữ liệu cho trớc

Năng lợng ánh sáng từ một sợi quang đợc đa đến một bộ tách sóng, thờng là một photodiode Tín hiệu ra phải đợc khuếch đại điện, càng ít nhiễu càng tốt, trong vòng một dải thông điện thích hợp với tín hiệu mong muốn Có thể thực hiện việc lọc điện để làm phẳng tần số hiệu dụng của phần tử này Tất cả đợc thực hiện trong một khối tích hợp, trong đó có khối thu mà đầu vào của nó là ánh sáng từ sợi quang còn đầu ra là tín hiệu điện đã đợc điều chế thích hợp

Hai loại photodiode hay đợc sử dụng là diode PIN và APD PIN hoạt động ở

điện áp thấp tiêu chuẩn, nguồn cung cấp là 5V nhng có độ nhạy kém hơn và có băng thông hẹp hơn so với APD Các PIN có tốc độ cao thờng đợc dùng trong các

hệ thống có tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s trớc khi có APD APD hay dùng trong các ứng dụng có khoảng cách lớn mà giá thành và độ phức tạp mạch cao hơn Trong nhiều trờng hợp, việc dùng chỉ một APD cho phép ngời dùng không cần một bộ tiền khuếch đại Do đó, APD có tính kinh tế hơn

Các thông số lựa chọn quan trọng đối với bộ thu gồm có: Đáp ứng phổ (A/W là một hàm của bớc sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách đợc dùng), độ nhạy (mức đo

mà tại đó nhiễu trong bộ tách át tín hiệu đến), dải thông điện và độ rộng phổ, dải

động và tạp âm Các tiêu chuẩn phù hợp với mỗi tham số tuỳ thuộc vào từng ứng dụng Ví dụ nh các đặc tính của tạp âm quan trọng hơn mức công suất cao ở đầu ra trong một bộ tiền khuếch đại đợc sử dụng ngay trớc một kênh thu Ngoài ra cần phải giảm bức xạ tự phát ở bộ lọc quang trong bộ giải điều chế

Bảng 2.1 Độ nhạy máy thu với các tốc độ truyền dẫn khác nhau

Tốc độ truyền dẫn (Gb/s) Độ nhạy máy thu (dBm) Loại diode

2.9 Bộ khuếch đại quang

Khi cha có khuếch đại quang, việc tăng dung lợng bằng giải pháp ghép bớc sóng cha thực sự chứng tỏ tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung lợng khác Đó là do để thực hiện khuếch đại điện (tại các trạm lặp) phải tách tất cả các kênh bớc sóng (nhờ thiết bị DEMUX), biến đổi các kênh bớc sóng này thành tín hiệu điện, khuếch đại từng kênh, biến đổi thành tín hiệu quang sau đó mới lại thực hiện ghép các bớc sóng lại với nhau (nhờ thiết bị MUX) Nh vậy, không những làm cho số lợng thiết bị trên tuyến tăng lên rất nhiều mà còn làm giảm quỹ công suất của tuyến (do suy hao của các thiết bị tách/ghép bớc sóng là tơng đối lớn) Sự ra đời của bộ khuếch đại sợi quang pha Erbium (EDFA) đã làm giảm số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bớc sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống DWDM

Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang

EDF Bộ lọc quang

- Bơm ngợc chiều: Tín hiệu quang và tín hiệu bơm đợc đa vào sợi quang pha Erbium từ hai hớng khác nhau, còn gọi là bơm sau.

Hình 2.17 Bơm ngợc chiều

- Bơm hai chiều: Kết cấu đồng thời bơm cùng chiều và ngợc chiều

Hình 2.18 Bơm hai chiều

 EDFA có ba ứng dụng chính là: Khuếch đại công suất (BA), tiền khuếch đại

(PA) và khuếch đại đờng truyền (LA)

- BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn đợc sử dụng ngay sau bộ phát (Tx)

để tăng mức công suất tín hiệu Do mức công suất ra tơng đối cao nên BA không có các yêu cầu nghiêm ngặt đối với nhiễu và bộ lọc quang Tuy nhiên với mức công suất cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến Các chức năng khai thác, quản lý và bảo dỡng (OAM) đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với thiết bị phát quang BA có thể tích hợp với Tx (gọi là OAT), hoặc tách riêng với Tx

- PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, đợc sử dụng ngay trớc bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu Sử dụng PA, độ nhạy thu đợc tăng lên đáng kể Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Rx Để đạt mức tạp âm thấp, ng-

ời ta thờng sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng loại bộ lọc có khả năng

điều chỉnh bớc sóng trung tâm theo bớc sóng của nguồn phát) PA có thể thích hợp với Rx (gọi là OAR), hoặc tách riêng với Rx

- LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp đợc sử dụng trên đờng truyền (giữa hai

đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể đợc dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến Đối với các hệ

Đầu vào tín

hiệu quang

Bộ phối ghép quang Đầu ra tín

hiệu quang

Bơm quang

Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang

Bộ cách ly quang Bộ cách ly quang

EDF Bộ lọc quang

Bơm quang

Bộ phối ghép quang

thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát, và điều khiển các LA (OSC) Kênh giám sát này không đợc quá gần với bớc sóng bơm cũng nh kênh tín hiệu để tránh ảnh hởng giữa các kênh này Tại mỗi LA, kênh giám sát này đợc chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của

LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó lại đợc phát lại vào đờng truyền Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt đợc bằng cách chèn thêm các LA vào đờng truyền Tuy nhiên, trong trờng hợp trên tuyến có nhiều

LA liên tiếp nhau chất lợng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện ợng nh: Tích luỹ tạp âm, ảnh hởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến

t-Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bớc sóng nào đó dẫn

đến việc thu hẹp dải phổ của LA

Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống DWDM là phổ khuếch

đại không đồng đều (đợc chỉ ra trong hình 2.19), các bớc sóng khác nhau sẽ đợc khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại b -

ớc sóng 1530 nm Hơn nữa, trong trờng hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quang bớc sóng 1558 nm Nh vậy với nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có thể là từ 35 nm giảm xuống còn 10 nm hoặc nhỏ hơn nữa, tuỳ thuộc vào số bộ khuếch đại quang mắc liên tiếp nhau)

Hình 2.19 Phổ khuếch đại của EDFA

Hiện nay, có các phơng pháp cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA là:

Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu đỉnh khuếch đại xung quanh bớc sóng 1530

nm và xung quanh bớc sóng 1558 nm (trong trờng hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đờng truyền)

Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bớc sóng sao cho tại đầu thu mức công suất của tất cả các bớc sóng này là nh nhau

Ngoài ra, trong trờng hợp sử dụng EDFA liên tiếp trên đờng truyền cần phải xem xét đến tạp âm trong các bộ khuếch đại quang, tạp âm trong bộ khuếch đại quang phía trớc sẽ đợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau Sự khuếch đại

và tích luỹ tạp âm này làm cho tỷ số S/N của hệ thống suy giảm nghiêm trọng Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dới mức cho phép Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với tạp âm có thể gây hiện tợng bão hoà ở bộ khuếch đại

 Bơm Laser

Một thành phần quan trọng của bộ EDFA là bơm laser (thiết bị cung cấp nguồn năng lợng mà bộ khuếch đại cộng vào với tín hiệu) Năng lợng bơm đợc phân chia vào giữa tất cả các kênh trong bộ EDFA Do đó khi số lợng các kênh tăng lên thì công suất bơm laser cũng phải tăng Các bộ EDFA có khả năng xử lý đợc nhiều kênh thờng đợc thiết kế để sử dụng nhiều hơn một bơm laser

Cả laser 980 nm và 1480 nm đều phù hợp với việc bơm EDFA bởi vì cả hai b ớc sóng này tơng ứng với các mức năng lợng ion kích thích và do đó đợc sợi quang pha Erbium hấp thụ dễ dàng Các hệ thống có nhiều kênh và các bộ tiền khuếch đại PA thích hợp với bơm laser ở bớc sóng 980 nm vì các laser này có tạp âm thấp hơn tại các bớc sóng 1480 nm Tuy nhiên, bớc sóng1480 nm lại cho phép công suất cao hơn và giá thành thấp hơn Việc chọn lựa hai bớc sóng này là rất khó khăn bởi vì việc bơm laser phải đợc lựa chọn lúc đầu khi xây dựng mạng, trớc khi biết số lợng kênh cuối cùng trong mạng

Một bộ EDFA bơm một trạng thái có thể cho công suất đầu ra lớn nhất khoảng +16 dBm Cả hai máy bơm có thể đợc dùng đồng thời để có công suất đầu ra cao nhất, máy bơm EDFA kép có thể cung cấp công suất +26 dBm trong vùng bơm công suất cao nhất Vùng thấp hơn, gần hệ số tạp âm giới hạn lợng tử cần cho các ứng dụng tiền khuếch đại có thể có đợc bằng việc thiết kế khuếch đại quang nhiều tầng

Ngoài ra còn có các kỹ thuật khuếch đại quang khác nh khi khuếch đại quang sợi pha Praseodymium (PDFA), trong đó Praseo dymium thay thế Erbium để khuếch đại tín hiệu trong vùng bớc sóng 1310 nm Nó cho phép nhiễu thấp mặc dù không hiệu quả về mặt năng lợng nh EDFA Mặc dù sợi quang có sự suy hao lớn hơn ở vùng bớc sóng 1310 nm so với vùng bớc sóng 1550 nm, tán sắc thấp hơn ở vùng bớc sóng 1310 nm và có thể cho công suất laser cao hơn Tuy nhiên, sợi quang pha Praseodymium nhỏ hơn nhiều sợi quang tiêu chuẩn Điều này gây ra suy hao tại các mối ghép bởi vì khó mà có đợc ghép nối cơ khí chính xác mà không kèm theo chi phí rất cao Do vậy, việc sử dụng bộ khuếch đại này còn rất hạn chế Một loại khuếch đại khác cũng dùng việc cấy ghép thêm hoạt chất là bộ khuếch đại quang sợi pha Thulium (TDFA) Ưu điểm của nó là công suất đầu ra bão hoà cao, hệ số khuếch đại không phụ thuộc phân cực và hệ số tạp âm thấp

Mặc dù EDFA đã có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng quang hiện nay, nhng chúng vẫn cha thể đáp ứng đợc hết các yêu cầu về độ rộng băng phổ và

độ phẳng của phổ khuếch đại

Nhìn chung, chúng có độ rộng phổ hầu hết khoảng 35 nm (từ 1530 ữ1565 nm), nên gọi băng phổ này là băng C Với những công nghệ mới ra đời trong thị trờng WDM nh: Các module laser DFB độ rộng phổ cực hẹp, các module quang mới (sợi tán sắc san bằng, tán sắc dịch chuyển O), tất cả đều đòi hỏi tới một xu hớng vô cùng về độ rộng băng phổ tần khuếch đại

Điều này đòi hỏi phải cho ra đời các EDFA thế hệ mới với phổ rộng hơn Sự ra

đời của EDFA băng L (băng rộng) đã phá bỏ rào cản về băng tần và mở ra một cửa

sổ truyền dẫn WDM mới tại vùng bớc sóng 1590 nm Loại thiết bị khuếch đại mới này đã giúp giảm thiểu đi các vấn đề nảy sinh đối với mạng truyền dẫn WDM dùng sợi tán sắc dịch chuyển, mà ở đó, vấn đề xuyên kênh tăng rất nhanh bởi tán sắc và khoảng cách kênh bớc sóng gần nhau tại vùng bớc sóng 1550 nm Nó cũng tạo thêm một cửa sổ truyền dẫn mới với 80 kênh bớc sóng và khoảng cách kênh bớc sóng là 50 GHz cho hệ thống truyền dẫn DWDM

Nh trên đã phân tích, những tham số quan trọng của một module EDFA là độ khuếch đại G và mức tạp âm NF Không thể tránh khỏi việc các bộ khuếch đại gây

ra nhiễu và tích lũy dọc theo hệ thống Độ suy giảm tỷ số SNR gây ra bởi các bộ khuếch đại cần đợc xem xét một cách nghiêm ngặt, đặc biệt là khi khuếch đại tín hiệu thấp Một bộ khuếch đại có mức tạp âm NF bằng 4 dB sẽ gây ra sự suy giảm tỷ