KĨ THUẬT KHUẾCH ĐẠI EDFA SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BIỂN

Đề tài : KĨ THUẬT KHUẾCH ĐẠI EDFA SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BIỂN Đồ án được chia làm 3 chương: Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang biển Chương II: Khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) Chương III: Một số vấn đề thiết kế và sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin quang biển

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm:………(bằng chữ:………)

…….,ngày… tháng… năm 2012

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký và ghi rõ họ tên)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm:………(bằng chữ:………)

…….,ngày… tháng… năm 2012

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

(ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

Lời nói đầu iii

Thuật ngữ viết tắt iv

Danh mục hình vẽ vi

Danh mục bảng biểu vi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRÊN BIỂN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống cáp quang biển 2

1.2.1 Sự ra đời của công nghệ quang 2

1.1.2 Sự xuất hiện của hệ thống quang truyền dẫn dưới biển đầu tiên 3

1.1.3 Ứng dụng quang học vào hệ thống 4

1.3 Mô hìnhhệ thống truyền thông dưới biển và chức năng từng thiết bị 5

1.3.1 Sợi cáp 6

1.3.2 Bộ lặp 7

1.3.3 Bộ cân bằng 8

1.3.4 Bộ chia nhánh (BU) 9

1.3.5 Trạm cấp nguồn cho hệ thống dưới nước 10

1.4 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang biển trong tương lai 12

1.5 Kết luận 13

CHƯƠNG II: KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TẠP ERBIUM-EDFA 15

2.1 Giới thiệu sơ lược về khuếch đại quang 15

2.2 Sơ lược về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 16

2.2.1 Khuếch đại quang sợi 16

2.2.2 Sự ra đời của hệ thống khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 17

2.3 Cấu trúc modul EDFA và nguyên lý hoạt động của modul 18

2.3.1 Cấu trúc modul EDFA 18

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 21

2.4 Các nguyên lý của bộ khuếch đại EDFA 21

2.4.1 Trạng thái động 21

2.4.2 Các loại nhiễu đặc trưng 23

2.4.3 Các tham số Giles 25

2.5 Các thông số kĩ thuật của modul EDFA 25

2.5.1 Hệ số khuếch đại 25

2.5.2 Phổ khuếch đại 27

2.5.3 Công suất ra và công suất bão hòa 28

2.5.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại EDFA 29

2.6 Kết luận 29

CHƯƠNG III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG EDFA TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANGBIỂN 30

3.1 Các yêu cầu khi thiết kế bộ EDFA trong hệ thống thông tin quang biển 30

3.1.1 Hệ thống với kiến trúc đơn giản và độ tin cậy cao 30

3.1.2 Khuếch đại và nhiễu 32

3.1.3 Suy hao và khuếch đại phụ thuộc độ phân cực (PDL và PDG) 35

3.1.4 Tán sắc mode phân cực 36

3.1.5 Kiểm tra chất lượng hệ thống 37

3.1.6 So sánh với các yêu cầu khi thiết kế hệ thống trên mặt đất 40

3.2 Các kĩ thuật liên quan 41

3.3 Các ứng dụng dưới biển 43

3.3.1 Hệ thống không có bộ khuếch đại 43

3.3.2 Các khoảng cách phù hợp 44

3.3.3 Các hệ thống truyền dẫn trên biển 45

3.3.4 Các hệ thống WDM 45

3.4 Các hạn chế của bộ EDFA 46

3.4.1 Ảnh hưởng của phân cực 46

3.4.2 Sự đốt cháy lỗ trống phổ 47

3.4.3 Các hạn chế khác 48

3.5 Kết luận 48

Kết luận 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Lời nói đầu

Sự trao đổi thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sớm, từ xa xưa conngười đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu cho nhau và đây có thể coi là hình thứcthông tin sớm nhất Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thứcthông tin dần phong phú và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tinhiện đại như ngày nay Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay, các hệthống thông tin quang đặc biệt là các hệ thống thông tin quang biển nổi lên là các hệthống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh chóng triên mạng lướiviễn thông các nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các cự ly và tốc độtruyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất

Hệ thống truyền dẫn quang dưới biển là một bước đột phá lớn trong ngành côngnghiệp viễn thông, với khoảng cách truyền dẫn dài, có thể vượt qua các vùng biển lớnnhư Đại Tây Dương, Thái Bình Dương, độ ổn định của hệ thống cao, dung lượng vàtốc độ truyền dẫn lớn, mạng thông tin quang biển đang ngày một khẳng định vị thế củamình Tuy nhiên để đạt được các yêu cầu cao như vậy, kĩ thuật khuếch đại quang làmột yếu tố then chốt trong hệ thống Nó làm tăng công suất tín hiệu, cho phép kéo dàikhoảng cách truyền dẫn thông tin và giúp giảm bớt số trạm lặp trên tuyến truyền

Vì vậy, trong đề tài này em đã tìm hiểu về kĩ thuật khuếch đại EDFA sửdụngtrong hệ thống thông tin quang biển Đồ án được chia làm 3 chương:

thông tin quang biển

Đồ án đã đưa ra các khái quát chung về hệ thống thông tin quang biển, các yêu cầu khithiết kế và sử dụng EDFA cho hệ thống này Tuy nhiên do giới hạn về thời gian vàhiểu biết của bản thân còn hạn chế, nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em rấtmong nhậnđược những ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô giáo, các cán bộ nghiêncứu, bạn bè sinh viên và độc giả để đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đặc biệt các thầy cô trong khoa ViễnThông 1 đã dìu dắt em trong quá trình học tập tại trường.Đặc biệt em xin gửi lời cảm

ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Đức Nhân đã tận tình hướng dẫn để em có thể hoàn

thành đồ án này Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và nhữngngười đã giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án

Hà Nội, tháng 12/2012Sinh viên

Lã Hà Thu

Thuật ngữ viết tắt

ASE Amplifier Spontaneous Emission Khuếch đại bức xạ tự phát

Telecommunications cable

Cáp viễn thông truyền dẫnxuyên Đại Tây Dương củaCanada

DCM Dispersion-Compensating Module Modul bù tán sắc

DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi suy hao tán sắc

DSF Dispersion Shift Fiber Sợi dịch chuyển tán sắcEDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi pha tạp

erbium

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp

FPA Fabry-Perot Amplification Độ khuếch đại Fabry-Perot

GaAIAs Gallium Aluminum Arsenide Nhôm Gali Asenua

khuếch đạiGPW Gain Peak Wavelengths Bước sóng khuếch đại đỉnhLDs Laser Diode wavelengths Bước sóng laser đi ốt

PMD Polarization Mode Dispersion Phân tán mode phân cựcPHB Polarization Hole Burning Sự đốt cháy lỗ trống phân

cực

SHB Spectral Hole Burning Sự đốt cháy lỗ trống phổ

STC Standard Telephones & Cables Tiêu chuẩn điện thoại và cáp

Laboratories

Phòng thí nghiệm các tiêuchuẩn viễn thông

TAT Transatlantic Telecommunication

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

bước sóng

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Tổng quan về công suất cáp quang qua từng giai đoạn 1

Hình 1.2: Các cửa sổ quang trong hệ thống sợi quang 3

Hình 1.3: Mô hình hệ thống truyền thông dưới biển 7

Hình 1.4: Sơ đồ quang của bộ lặp EDFA dưới biển 8

Hình 1.5: Bộ chia nhánh 11

Hình 1.6: Mô hình tổng quát của PFE 12

Hình 1.4: Mạng lưới hệ thống thông tin quang trên thế giới 15

Hình 2.1: a Cơ chế bức xạ trong 3 mức 17

b Cơ chế bức xạ trong 4 mức 17

Hình 2.2: a Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA với laser bơm thuận 19

b Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA với laser bơm ngược 19

Hình 2.3: Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Erbium 20

Hình 2.4: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er 3+¿ trong sợi silica 22

Hình 2.5:Quá trình điều chế khuếch đại đường truyền được tạo ra từ tín hiệu thăm dò công suất thấp bằng một kênh bão hòa trong suốt quá trình lan truyền trong bộ khuếch đại 24

Hình 2.6: Tần số điều chế áp dụng cho ánh sáng bơm của một bộ khuếch đại 25

Bảng 1: Bảng so sánh EDFA hoạt động ở băng C và băng L 30

Hình 2.7:Phổ hấp thụ và phổ khuếch đại của EDFA có lõi pha Ge 30

Hình 3.1:Cấu trúc của một cặp khuếch đại được sử dụng trong bộ lặp dưới biển 33

Hình 3.2: Kiến trúc bơm song hướng của bộ khuếch đại 34

Hình 3.3:Khả năng khuếch đại trong quá trình nén với một hoặc hai máy bơm, hình ảnh nhiễu 35

Hình 3.4: Đánh giá các mức PMD của sợi cáp ở hẹ thống truyền dẫn 10 và 40 Gbps RZ 39

Hình 3.5:Cấu trúc bộ khuếch đại với module ghép vòng lặp để kiểm tra chất lượng thụ động .42

Hình 3.6: Bộ khuếch đại có cặp sợi được nối với cặp máy bơm 45

Hình 3.7: Hệ thống truyền dẫn không sử dụng bộ lặp 46

Danh mục bảng biểu Bảng 1: Bảng so sánh EDFA hoạt động ở băng C và băng L……… 30

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TRÊN

BIỂN

1.1 Giới thiệu chung

Từ nửa sau thế kỉ 19, sự xuất hiện của dây cáp trong thông tin liên lạc xuyên đạidương là một sự đột phá lớn trong ngành công nghiệp viễn thông.Nó được xem nhưcuộc chinh phục vùng biển sâu và lớn kéo dài giữa các châu lục và quan trọng khôngkém những cuộc du hành vũ trụ vào nửa cuối thế kỉ 20.Sau thời gian này, cáp biểnphát triển chậm hơn và người ta không nhận ra rằng trong 10 năm qua đã chứng kiếnmột cuộc cách mạng hoàn toàn của truyền thông với sự ra đời của sợi cáp quang ngầmdưới biển Trong vòng 10 năm, công suất mỗi cáp tăng lên 10000 lần dẫn đến có thểtruyền dẫn được đồng thời hơn 100 triệu cuộc gọi thoại qua đại dương Ngày nay,không có công nghệ nào có thể thay thế được cáp quang biển, nó đã có được vị trí độcquyền trong thoại và dữ liệu truyền thông quốc tế.Hình 1.1 minh họa các thế hệ quanghọc dẫn tới bước nhảy vọt đáng kể về sự phát triển của công suất sợi quang qua bacông nghệ liên tiếp kể từ lần đầu tiên lắp đặt vượt Đại Tây Dương năm 1858

Hình 1.1: Tổng quan về công suất cáp quang qua từng giai đoạn.

Nguồn gốc của truyền thông quang học là hai phát mình lớn: tia laser (1960) vàsợi cáp quang học (1964-1966) Hai phát minh này ứng dụng trong quang học giống

như các bóng bán dẫn lưỡng cực trong vi điện tử được phát minh năm 1949 Hệ thốngthông tin quang ra đời năm 1970 lần đầu tiên biểu diễn hoạt động sóng liên tục ở nhiệt

độ phòng, một mặt biểu diễn tia laser GaAs, mặt khác chứng minh sợi quang silica cókhả năng gây ra tổn hao rất thấp (20dB/km ở bước sóng 850nm) Sợi silica có cửa sốtruyền dẫn đầu tiên phù hợp với bước sóng của tia laser GaAs Các công nghệ sau đóphát triển qua những bước tiếp theo đã tìm ra được sợi quang đơn mode, cửa số thứ 2

và thứ 3 (1300nm và 1500nm) mà ở đó sự suy giảm của sợi silica là tối đa (0,2dB/km

ở bước sóng 1500nm), máy khuếch đại quang đất hiếm thay thế nguồn tái sinh điện vàcuối cùng là sự xuất hiện của công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) với nhiềubước sóng được ghép, mỗi sóng mang khác nhau sẽ có dòng dữ liệu được truyền trênmột sợi đơn mode

1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống cáp quang biển

1.2.1 Sự ra đời của công nghệ quang

Ngay từ khi laser xuất hiện, nó đã gây ra những thay đổi mạnh mẽ trong ngànhcông nghiệp viễn thông Ý tưởng đầu tiên là sử dụng sự lan truyền của không gian tự

do hoặc trong các vật nhìn thấy (ruby và helium-neon) hoặc ở giữa vùng hồng ngoại(carbon dioxide) tuy nhiên cũng xuất hiện những hạn chế do ảnh hưởng từ không khí(sương mù, mưa, ) và từ không gian ( khoảng cách truyền dẫn ngắn, )

Sự thay đổi trong việc lựa chọn vật liệu và sản xuất sợi silica quang học có khảnăng tạo ra hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi đã tạo ra bước đột phá đángkể.Thay vì sử dụng kĩ thuật thủy tinh truyền thống, phương pháp lắng đọng hơi hóachất sử dụng cho chất bán dẫn đã được đưa ra.Điều này cho phép Corning tạo ra mộtsợi với tổn hao hấp thụ là 20dB/km ở bước sóng 850nm vào năm 1970.Sự cải tiến về

kĩ thuật vào năm 1972 cho kết quả tổn hao chỉ còn lại 4dB/km ở cửa sổ đầu tiên (xemhình 1.2)

Laser bán dẫn có thể hoạt động trong một mode sóng liên tục ở nhiệt độphòng.Do silicon và germanium không phù hợp nên laser bán dẫn được tạo ra chủ yếu

từ các hợp chất III-V và đặc biệt từ GaAs Laser từ GaAs được tạo ra lần đầu tiên vàonăm 1962 và nó đã vượt xa các điều kiện cần thiết khi hoạt động xung ở nhiệt độhelium lỏng (4K) Trong khi đó laser tiếp giáp p-n với phân cực trực tiếp không đủđiều kiện cải thiện được những đặc điểm của laser do các tính chất nội tại của vật liệu

Hình 1.2: Các cửa sổ quang trong hệ thống sợi quang

Để khắc phục hạn chế hiện tượng vật lý cơ bản này, một ý tưởng là sử dụng cấutrúc khác gallium arsenide/gallium aluminum arsenide (GaAs/GaAIAs) để giới hạnkhông gian các hạt tải phụ Điều này đã được thực hiện thành công, sóng liên tục hoạtđộng ở nhiệt độ phòng bằng laser lần đầu tiên thu được tại phòng thí nghiệm Bell vàonăm 1970 Sự ăn khớp giữa bước sóng laser và silica ở cửa sổ đầu tiên là sự trùng hợpngẫu nhiên thuần túy

Các điều kiện cơ bản để kiểm tra các hệ thống viễn thông sợi quang đã đượchoàn thành Để đơn giản hóa nối sợi và kết nối giữa các thành phần (từ bộ phát tớingười nhận) thì sợi đa mode (đường kính lõi từ 50 đến 62,5mm, cho phép hoạt động

đa thu phát) đã được lựa chọn

1.1.2 Sự xuất hiện của hệ thống quang truyền dẫn dưới biển đầu tiên

Cáp sợi quang đầu tiên được lắp đặt ở mạng mặt đất từ năm 1982, giao diệngiữa các hệ thống tương tự đồng trục dưới biển và các loại cáp kĩ thuật số mặt đất hoặccác viba số trở nên cần thiết và đã được phát triển, tuy nhiên chúng không đủ khả năng

để đáp ứng nhu cầu sử dụng lâu dài

Sợi thủy tinh xuất hiện là giải pháp thích hợp nhất cho một bước tiến mới trongtruyền thông dưới biển, và thách thức đầu tiên, một lần nữa là để vượt qua Đại TâyDương

Nguồn gốc của sợi quang được tìm thấy vào năm 1966 tại Anh khi hai nhà khoahọc của Anh ở phòng nghiên cứu các tiêu chuẩn viễn thông (STL: một bộ phận nghiêncứu của ITT/STC) báo cáo rằng “Một vật liệu sợi thủy tinh được cấu tạo trong một cấutrúc có vỏ bọc được coi như một ống dẫn sóng quang học So sánh với cáp đồng trụchiện tại, ống dẫn sóng này có một dung lượng thông tin lớn hơn và chi phí để chế tạosản phẩm này thấp hơn”

Một thập kỉ sau, vào năm 1977, 4km chiều dài đã được cài đặt giữa Hitchin vàStevenage, phía bắc London do STL thực hiện Hệ thống hoạt động ở 140Mpbs tại

bước sóng 850nm qua sợi đa mode Vì vậy, chúng ta đã có giải pháp đáng tin cậy chomột hệ thống cáp ngầm dưới biển từ sự phát triển của GaA (Gallium arsenine) dựa trênthành phần quang điện tử.

Bốn trung tâm nghiên cứu lớn bao gồm: phòng nghiên cứu tiêu chuẩn viễnthông (Anh), phòng nghiên cứu Bell (Hoa Kì), CNET (Pháp) và phòng nghiên cứuR&D RDD đã quyết định sử dụng ánh sáng của sợi đơn mode ở cứ sổ thứ 2 với bướcsóng 1300nm (thay vì sợi đa mode tại 850nm được sử dụng hầu hết ở các hệ thống trênmặt đất) để tận dụng lợi thế ít phân tán và độ tổn hao thấp (0,4dB/km) Do đó hướngphát triển mới đã được đưa ra bao gồm thiết kế các laser diode, photodiode dựa trênbán dẫn quang điện tử Indium Phosphide và các mạch tích hợp để thực hiện tái sinh kĩthuật số khi cần thiết trong các bộ lặp dưới biển

Khi lên kế hoạch phát triển TAT8 bằng việc đi tiên phong trong sử dụng kĩthuật sợi đơn mode 1300nm ở 280Mbps truyền dẫn xuyên Đại Tây Dương, hai mụctiêu đã được xác định: khả năng chia nhánh từ các sợi và khả năng tích hợp của cácphần (đoạn) khác nhau bởi các nhà cung cấp khác nhau Sau đó, AT&T, Alcatel vàSTC đã gửi các đề xuất này tới Hoa Kì, Pháp và Anh Quốc.Đồng thời, AT&T và KDD

đã phát triển cáp xuyên Thái Bình Dương TCP3 Cấu trúc sợi cáp và độ tin cậy của cácthành phần (laser, mạch tích hợp và máy thu) được coi là các vấn đề quan trọng Cácloại cáp quang biển được thử nghiệm lần đầu tiên bởi “Big Four” từ năm 1980 tới

1988 (TAT8)

Một mạng cáp sợi quang biển quan trọng đã được lắp đặt từ năm 1988 tới năm

1995, nó được nối từ Anh tới một số quốc gia châu Âu TAT8 đã được đưa vào sửdụng vào tháng 10 năm 1988, với khả năng cung cấp 7680 kênh hoạt động ở 64Kbps.TPC3 cũng sử dụng các công nghệ giống như TAT8 và được phát triển vào năm 1989bởi AT&T và KDD TAT8 và TPC3 đã chứng minh tính khả thi của việc ghép nối cácđoạn khác nhau được sản xuất từ các nhà cung cấp khác nhau và của các bộ chia nhánh

ở dung lượng 140Mbps

Trong quá trình phát triển của các sợi TAT8, các nhóm nghiên cứu đã tìm ramột cửa sổ thứ ba hoạt động tại 1550nm có thể được sử dụng Ưu điểm của nó là tổnhao thấp chỉ 0,2dB/km, giảm số lượng trạm lặp và do đó giảm chi phí hệ thống Kếtquả là TAT9 và TPC5 đã được cài đặt từ cuối năm 1989 tới năm 1995 với 560Mbps ởmỗi sợi TAT9 có cấu hình “Y”, với một đầu ở Hoa Kì và hai đầu ở châu Âu (đặt tạiAnh và Pháp) Bộ chia nhánh hoạt động như một bộ ghép được đặt ở dưới biển, chophép điều chỉnh phân bố tốc độ bit giữa Anh và Pháp

1.1.3 Ứng dụng quang học vào hệ thống

Khi hệ thống 560Mbps được phát triển hoàn thiện và công nghiệp hóa thì hầuhết các nhà khai thác đều cho rằng hệ thống này có thể cung cấp đầy đủ nhu cầu củacon người trong một thời gian dài và do đó đã không có hướng phát triển về một hệthống mới có hiệu suất cao hơn Điều này trở nên rõ ràng hơn khi hệ thống 2,5Gbps

được quan tâm thực sự trong đề án hệ thống phân cấp kĩ thuật số đồng bộ SDH nhằmđáp ứng cho nhu cầu truyền dẫn ngày càng tăng Vì vậy, câu hỏi đặt ra là: Chúng ta cónên dựa vào khái niệm truyền thống về bộ lặp để phát triển hệ thống hay nên có mộtbước nhảy về tiếp cận các phương pháp khuếch đại?

Các giải pháp tái sinh truyền thống đã được đưa ra với những lợi ích và tồn tạinhững hạn chế của các mạch 2,5Gbps với độ tin cậy cần thiết Một hệ thống(CANTAT3) đã được phát triển theo hướng này và được lắp đặt bởi STC nhưng nó chỉ

là tạm thời Khả năng thứ hai đầy tham vọng là tiếp cận phương pháp khuếch đạiquang học

Trong vòng vài năm, có nhiều phòng thí nghiệm đã nghiên cứu về “dự án tựnhiên” (natural scheme) của bộ khuếch đại bán dẫn Tuy nhiên, người ta phát hiện rarằng một số tính chất vật lý của các bộ khuếch đại không tương thích với các yêu cầucủa các hệ thống có khoảng cách xa nhau, đặc biệt là khi tính đến các khả năng củaWDM Trong khi đó, khuếch đại sợi pha tạp Erbium đã được biết đến từ lâu với độsiêu bền vượt qua mong đợi và bây giờ nó được xem như một công nghệ quan trọngcủa truyền thông quang học hiện đại Khuếch đại quang sợi Erbium được cho là cótriển vọng khi áp dụng nó vào hệ thống TAT12/13 cũng như cho TPC5 vào nhữngnăm 1994 và 1995 Chúng cung cấp dung lượng lên tới 5Gbps ở mỗi sợi trên một bướcsóng đơn mode, cao gấp hai lần hệ thống tái sinh

1.3 Mô hìnhhệ thống truyền thông dưới biển và chức năng từng thiết bị

Kể từ khi xuất hiện trong ngành công nghiệp viễn thông, mô hình hệ thống dướibiển rất ít khi thay đổi, nhưng trong thực tế công nghệ sợi WDM được sử dụng đã dẫnđến một cuộc cách mạng sâu sắc.Hình 1.3 cho ta một cái nhìn tổng quát về các thiết bịchính có trong hệ thống

Dữ liệu được truyền trong mô hình toàn quang thông qua các sợi silica trongdây cáp biển ở tốc độ bit 1-2 Tbps trên một sợi sử dụng công nghệ truyền dẫn DWDM.Tuy nhiên, bản thân các sợi cũng có suy hao do sự suy giảm tín hiệu đường truyền trênmột khoảng cách dài Sự suy giảm công suất tín hiệu quang xảy ra khi khoảng cách lantruyền tăng đến mức khoảng cách truyền dẫn vượt quá 400 km, các tín hiệu phải đượckhuếch đại ở các cự li chính xác, thường là cự li 40-60 km để quá trình thu tín hiệu ởtrạm thu được thành công

Các bộ lọc làm phẳng phổ khuếch đại (GFT) được sử dụng cho mỗi bộ lặp đểđảm bảo rằng mỗi kênh quang đều được gửi tới bộ lặp tiếp theo trong chuỗi mà vẫngiữ nguyên mức công suất Tuy nhiên, các mạch lọc bộ lặp không hoàn hảo và cónhiều lỗi nhỏ ảnh hưởng tới sự phân tán của độ phẳng phổ tín hiệu sau khi truyền dẫnqua các thiết bị Các bộ cân bằng được lắp đặt vào mạng sau khi qua 12 bộ lặp để đảmbảo giữ nguyên công cuất của kênh truyền trên mạng lưới, nói cách khác bộ cân bằng

có tác dụng cân bằng yêu cầu về đảm bảo các lỗi phát sinh ít nhất trên mỗi kênh

Các bộ lặp và bộ cân bằng cùng làm việc với nhau trong hệ thống truyền thôngdưới biển Nhưng nhiều mạng lại yêu cầu các đặc điểm khác để đơn giản trong truyềndẫn điểm-điểm mà các bộ lặp và bộ cân bằng không thể đáp ứng Mạng quang kết nối

và công suất tiêu thụ linh hoạt cần thiết để thoải mãn các đặc điểm bổ sung này đượccung cấp bởi các bộ phân nhánh (BUs) ở các node mạng

Môi trường hoạt động của hệ thống ngầm dưới nước đặt ra nhiều yêu cầu caokhi thiết kế máy móc Độ sâu lắp đặt cho các bộ lặp và bộ cân bằng có bán kính hoạtđộng khoảng 8 km Ngoài ra còn yêu cầu thêm về độ bền cơ học khi chịu tác động của

áp suất nước bên ngoài Hệ thống cần được hoạt động ở điện áp trên 15 kV, cao hơnđiện áp nước biển xung quanh, phải được thiết kế mà tất cả các thiết bị giới hạn điệnphải được cách nhiệt

Hệ thống dưới nước phải được cấp nguồn từ các trạm đầu cuối hay còn gọi làtrạm cấp nguồn điện (PFE) Dòng điện này cung cấp công suất cho các bộ lặp, các bộcân bằng hoạt động và cho BUs trong một đoạn được phân phối dọc theo dây dẫn đồngbọc ngoài sợi quang trong dây cáp biển Trạm cấp nguồn không chỉ cung cấp nguồnđiện tới các thiết bị dưới biển mà còn được sử dụng để giới hạn các dây cáp trên mặtđất và dưới biển, ngoài ra còn để cung cấp các kết nối trên đất liền, phân bố công suất

và kiểm tra các trạng thái điện năng trên mạng Cấu trúc một mạng đơn giản chỉ ratrong hình 1.3 có thể được cấp nguồn theo nhiều cách khác nhau Các khoảng cáchgiữa các trạm đầu cuối dài nhất, các bộ lặp, các bộ cân bằng, và các BUs trên cápđường trục có thể được cấp nguồn từ trạm đầu cuối A hoặc trạm B PFE và cũng làmỗi công suất cuối ở các nguồn phân cực trái ngược nhau có một nguồn nối đất ảo ởgiữa trục cáp hoặc giữa nhánh Giới hạn điện áp cao làm cho PFE bắt buộc phải cócông suất rất lớn ở các trục với công suất được chia giữa các trạm đầu cuối Dây cápthứ hai hay dây cáp nhánh là dây nối nút BU tới trạm đầu cuối thứ 3 (trạm C) tronghình 1.3, dây cáp này được cấp nguồn từ trạm tiếp đất ngoài khơi ở BU và quá trình táisinh dòng điện ở biển Ỡ mỗi thời gian, BU có thể được yêu cầu để cấu hình lại để tạothành một trong các route trục A-C hoặc B-C, trong thời gian đó dây cáp bị đứt gãy cóthể được sửa tại route A-B

Hình 1.3: Mô hình hệ thống truyền thông dưới biển

Hệ thống mạng lưới biển được thiết kế sử dụng trong thời gian 25 năm.Mục tiêuvới độ tin cậy khi thiết kế thời gian hoạt động của hệ thống là không được sửa quá mộtlần nên để duy trì thời gian làm việc này cần một cặp sợi trên cáp truyền dẫn trên biển(7000km hoặc 175 bộ lặp) Độ tin cậy cao được đảm bảo khi thiết kế, với việc sử dụngcác điện tử có độ tin cậy cao và việc áp dụng của các thành phần phụ mà tốc độ hiểnthị lỗi cao hơn, các thao tác đặc trưng chính xác lẫn nhau trong quá trình chọn lọc,kiểm tra, thử nóng, thông tin về các thành phần và việc sử dụng các bộ phận chế tạosiêu sạch

1.3.1 Sợi cáp

Sợi cáp bao gồm một lõi quang bảo vệ các sợi quang học, bao quanh bởi mộtdây dẫn đồng nằm dưới nước, được cấp nguồn từ bờ biển và chất cách điện để cô lậpvới môi trường nước bên ngoài Sức bền cơ học được thực hiện bằng dây thép với cáclớp dây bổ sung quan trọng trong vùng nước nông mà ở đó sợi quang có thể bị ảnhhưởng như từ việc thả neo hay hoạt động đánh bắt cả của người dân Các sợi quanghọc bản thân nó là một yếu tố quan trọng, được tối ưu hóa để thích nghi hoàn toàn vớidung lượng truyền dẫn mới nhất

1.3.2 Bộ lặp

Bộ lặp có chức năng tái sinh các tín hiệu quang học sau khi đã bị suy giảm dokhoảng cách truyền dẫn ở mỗi tuyến Chúng được đặt tại các vị trí cách đều nhau dọctuyến cáp và thường là 50km Các bộ lặp chứa các bộ khuếch đại quang học dựa trênkhuếch đại tia laser của sợi quang, hoạt động này được thực hiện bằng cách máy bơmlaser bán dẫn cấp điện cho sợi pha tạp bơm quang học Thiết bị cân bằng quang học

cũng được đưa vào thường xuyên để kiểm soát các phản ứng quang phổ của hệ thống.Bởi vì sự phát triển không ngừng trong công nghệ khuếch đại quang học đã hướng tới

sự phát triển của băng thông và có nhiều bộ khuếch đại hơn trong một bộ lặp để hỗ trợmột lượng lớn các sợi

Các bộ lặp sử dụng trong truyền dẫn quang biển là các bộ khuếch đại sợi phatạp erbium (EDFA) để khuếch đại công suất của các tín hiệu trong các kênh ở băng C(1525-1565 nm) của phổ truyền dẫn tia hồng ngoại Kĩ thuật tương tự có thể được ứngdụng để khuếch đại các kênh ở băng L (1570-1610 nm) Tất cả các thành phần ngậpnước đều được thiết kế trên cặp sợi cáp cơ bản để hoạt động song hướng (mỗi sợi sửdụng cho một hướng), và các cặp khuếch đại là các khối xây dựng cơ bản của bộ lặp.Mặc dù có một EDFA trên một sợi cáp nhưng các máy bơm laser diode (LD), bộ điềukhiển và mạch điện giám sát được chia giữa các EDFA của cặp khuếch đại Một bộ lặpđơn lẻ có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu lên trên 12 cặp sợi cáp trong khi đómột mạng điển hình sẽ bao gồm 4 hoặc 6 cặp sợi cáp Mô hình tổng quát của bộ lặpđược biểu diễn trong hình 1.4

Công nghệ quang là công nghệ được sử dụng chủ yếu của bộ khuếch đại EDFAđược sử dụng trong các bộ lặp dưới biển ở một cặp sợi cáp.Các máy bơm laser diodeđược cung cấp bởi một cặp hoặc bộ bốn bước sóng có độ lớn 1480 nm hoặc 980 nm

Hình 1.4: Sơ đồ quang của bộ lặp EDFA dưới biển

Các bộ lặp quang đầu tiên sử dụng LDs có bước sóng 1480 nm Sau đó các thiết

bị sử dụng nguồn công suất cao ở 980 nm trở nên phổ biến hơn do hiệu suất bơm caohơn với nhiễu tín hiệu đầu ra thấp hơn , vì vậy ngày nay nó đã được sử dụng cùng vớinguồn công suất ở bước sóng 1480 nm Ở cả hai nguồn LDs 980 nm và 1480 nm đềuđược sử dụng, đầu tiên để cung cấp nguồn cho hệ thống máy bơm tín hiệu và thứ hai

để cung cấp nguồn cho các máy bơm ngược

Nguồn laser diode sử dụng ở bước sóng 980 nm trong hình 1.4 có mạng lướicác bước sóng của chúng được điều chỉnh và công suất đầu ra của chúng kết hợp ở 2bước, trước khi được chia ra và bơm vào hai sợi pha tạp erbium trong cặp khuếch đại.Trong mỗi bộ khuếch đại EDFA, bức xạ bơm được phun vào sợi mang tín hiệu bằng

bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), bộ này thường cung cấp các tín hiệutruyền dẫn ở 1550 nm với suy hao thấp nhất Bức xạ bơm sau đó được đưa vào lõi sợipha tạp erbium có chiều dài từ 10 m tới 20 m, chiều dài và nồng độ tạp chất của sợiđược lựa chọn trên mạng chuẩn để khuếch đại các bước sóng tín hiệu với các mứccông suất và hệ số khuếch đại tương ứng Sau khi qua sợi pha tạp erbium, tín hiệu điqua bộ cách ly với mức suy hao thấp để ngăn cản sự phản xạ ngược trở lại của ánhsáng tín hiệu từ các thiết bị quang tiếp theo trên đường truyền

Bộ lọc làm phẳng phổ khuếch đại được sử dụng để cân bằng công suất trên mỗikênh tín hiệu ra, và đảm bảo rằng tốc độ lỗi bit của tín hiệu thu là nhỏ nhất ở tất cả cáckênh Nguyên nhân chính của sự mất cân bằng công suất kênh là do sự phân cực bướcsóng của bộ khuếch đại sợi EDF Các bộ GFF điều chỉnh sự phân cực bước sóng củahình dạng khuếch đại ở bộ khuếch đại sợi EDF, và có thể đưa vào một góc nghiêngphía trước đối lập với góc nghiêng bắt nguồn từ sự lan truyền trên đoạn sợi tiếp theo

Do hình dạng khuếch đại phụ thuộc vào sự phân bố công suất vào, công suất bơm và độnghiêng được gây ra bởi quá trình tán xạ Raman kích thích trên sợi là độ nhạy công suấttín hiệu, nên công suất ra của mỗi bộ EDFA và suy hao nhánh sợi cần phải được kiểmtra cẩn thận nếu GFF hoạt động hiệu quả Hình dạng khuếch đại phụ thuộc vào bướcsóng bơm, nhiệt độ, và các quá trình không đồng nhất như SHB.Bước sóng bơm LDthường được điều khiển bằng cách sử dụng mạng lưới bước sóng như trong hình 1.4

Nếu có sự khác nhau về công suất vào của tín hiệu ở giá trị thiết kế danh địnhthì phổ công suất ra của bộ khuếch đại EDFA sẽ hiển thị độ dốc hoặc độ nghiêng tuyếntính Vì lý do đó mà tất cả các bộ lọc có suy hao đầu ra đều được điều chỉnh ở thờiđiểm bắt đầu làm việc để có công suất tín hiệu ra cố định (đưa ra công suất vào cố địnhtới bộ lặp tiếp theo) tương ứng với hệ số khuếch đại cố định Dựa vào hình 1.4 ta thấyđiều này dễ dàng thực hiện được bằng cách đưa đường ra của tín hiệu vào một bộ suygiảm để lựa chọn giá trị trong lần kiểm tra cuối cùng ở nhà mạng

1.3.3 Bộ cân bằng

Thiết bị cân bằng dưới biển được đặt trong các hệ thống để đảm bảo công suấttín hiệu được phân bố đều giữa các kênh sao cho tốc độ lỗi bit đạt nhỏ nhất Các bộ lọcsan bằng khuếch đại (GFF) được sử dụng trong mỗi bộ lặp để điều chỉnh sự biến dạngcủa phổ công suất đầu ra Tuy nhiên việc điểu chỉnh để cung cấp phổ đầu ra hợp lýtrên tất cả các kênh là không thể thực hiện được: không có sự ăn khớp trong quá trìnhchế tạo cũng như đặc điểm của các thành phần; độ lệch từ các thiết bị truyền dẫn củamột mạng thay đổi do tuổi thọ của sợi cáp hoặc do sự sửa chữa dây cáp Loại đầu tiêncủa biến thiên độ phẳng được điều khiển với các bộ cân bằng động, trong khi đó bộ

cân bằng động làm độ lệch được tăng lên tuy nhiên thay đổi khá chậm trong suốt thờigian hoạt động Theo như đặc điểm của bộ cân bằng thì chúng có thể được sử dụng đểđiều chỉnh độ dốc hoặc độ nghiêng của phân bố công suất kênh (khi ta có bộ cân bằngtheo độ nghiêng hoặc TEQs), hoặc để điều chỉnh đoạn phi tuyến tính thặng dư của quátrình phân cực (bộ cân bằng hình dạng hoặc SEQs).

Các bộ cân bằng tĩnh dùng để điều chỉnh các lỗi còn tồn đọng do quá trình biếnthiên gây ra trong mỗi bộ lặp Bộ cân bằng động này được đặt sau 10-15 bộ lặp giốngnhư một khối cân bằng Chúng thực hiện chỉnh sửa các bộ lọc truyền dẫn Các bộ cânbằng tĩnh bao gồm các bộ lọc truyền dẫn được hiệu chỉnh được ghép nối vào các sợiquang được định tuyến Sự khác nhau giữa các bộ cân bằng theo độ nghiêng thụ động

và bộ cân bằng hình dạng thụ động là chỉ được sử dụng trong sự phân cực bước sóngcủa các sợi Các bộ lọc có thể là các thiết bị màng điện môi đa lớp hoặc mạng lưới sợiBragg Thông thường suy hao chèn từ 3-7 dB ở dải cân bằng trung bình và dải cânbằng thường là 1-6 dB Các thành phần truyền dẫn của bộ lọc cần thiết để cân bằng cáccông suất kênh trên băng thông tín hiệu xác định sau khi mặt cắt khuếch đại của một

bộ phận được định rõ từ các quá trình đo trực tiếp Các bộ cân bằng tĩnh không yêucầu công suất nhưng cần có trở DC nhỏ hơn 0,5 ohm

Bộ lặp với mức điều khiển tự động của công suất ra, độ giảm ở công suất tínhiệu vào sẽ làm cho hệ số khuếch đại EDFA tăng lên ở bước sóng ngắn hơn so vớibước sóng dài hơn,

1.3.4 Bộ chia nhánh (BU)

Bộ chia nhánh được đặt dưới nước cho phép chia cáp ra thành nhiều nhánh nhỏ

để tới các địa điểm khác nhau trên bờ biển hoặc phân phối một phần lưu lượng truycập tới một điểm nào đó trên mặt đất.Bộ chia nhánh gồm nhiều thành phần phức tạpkhông chỉ ở mức độ quang học mà còn ở mức điện học vì chúng là yếu tố then chốt đểcấu hình lại năng lượng

Bộ chia nhánh thực hiện định tuyến đường đi cho các sợi hoặc các kênh quangriêng lẻ ở các nút mạng dưới biển mà ở đó có ba dây cáp nối với nhau.Chúng giốngnhau về kích thước nhưng ở điểm cuối của BU có hai sự kết nối dây cáp như tronghình 1.5 Bộ chia nhánh thực hiện định tuyến cho các sợi quang theo hai cách: bộ chianhánh toàn sợi pha tạp và ngược lại là bộ chia nhánh pha/thêm bước sóng thực hiệnlựa chọn lại các kênh riêng biệt được thêm hoặc trộn vào

Hình 1.5: Bộ chia nhánh

Việc cấu hình lại các liên kết điện ở BU được điều khiển từ các trạm đầu cuốitrên mạng và là cần thiết nếu các yêu cầu về đường đi của nguồn điện được thay đổibởi nhiều nguyên nhân, bao gồm quá trình bảo dưỡng và khôi phục những chỗ bị đứtgẫy trên dây cáp

Bộ chia nhánh rẽ sợi (FFD) cung cấp khả năng định tuyến các sợi theo sốnguyên giữa cáp đồng trục trên đường truyền dẫn quang và nhánh cáp trên trạm đầucuối nhánh ở gần đất liền Quá trình khuếch đại có thể được cung cấp trên một hoặcnhiều cặp sợi, BU được thiết kế một cách bị động, tức là nó chỉ thực hiện việc thíchnghi của các sợi ghép nối và đổi hướng chúng mà không cần khuếch đại tín hiệutruyền dẫn

Bộ chia nhánh xen/rẽ bước sóng được sử dụng để xen/rẽ từ một tới bố kênh tínhiệu Cấu hình này phù hợp với các hệ thống được giới hạn số lượng cặp sợi và ở đósợi pha tạp sẽ định tuyến lại nhiều kênh hơn cần thiết Xen/rẽ bước sóng được thựchiện bằng cách sử dụng một kĩ thuật quang để chia các bước sóng thành các bước sóngđược điều khiển và kết hợp chúng để sử dụng trong mạng lưới sợi Bragg (FBG), cácbảng mạch quang và các bộ ghép nối Các kênh được xen hoặc (và) được tách và cáckênh truyền dẫn được khuếch đại trong BU để bù cho lượng suy hao bằng các thànhphần quang bị động thêm/pha tạp

1.3.5 Trạm cấp nguồn cho hệ thống dưới nước

Trạm cấp nguồn (PFE) được thiết kế để cung cấp một dòng điện DC ổn định tớicác thiết bị dưới nước PFE cấp nguồn cho các bộ lặp, bộ cân bằng và bộ chia nhánh,PFE được đặt tại các trạm đầu cuối Mô hình tổng quát của PFE được chỉ ra ở hình 1.6.PFE sẽ được thu gọn để tối giản số khối trong trạm đầu cuối, sẽ hiệu quả và tin cậy, có

báo hiệu tín hiệu khi xuất hiện sự xuất phát của một mạng từ cửa sổ chờ ở các chu kìdài hoặc ngắn, và cung cấp thông tin công suất của hệ thống tới nhà điều hành mạng.Các phương pháp cấp nguồn và ngắt nguồn phải được thực hiện liên tục chính xác vàyêu cầu mức độ phối hợp giữa các trạm đầu cuối phải cao.

Hình 1.6: Mô hình tổng quát của PFE

Toàn bộ trạm dưới biển phải hoạt động ở dòng điện giống nhau và PFE phảicung cấp đầy đủ điện áp tới tất cả các thiết bị nguồn ở cùng dòng điện đó.Các dòngđiện áp và các điện áp hệ thống có độ lớn trên 2000 mA và 15 kV Ví dụ với mạngtruyền dẫn có khoảng cách 7000 km với 6 cặp sợi, 175 bộ lặp, 15 bộ cân bằng và giả

sử trở kháng của dây cáp là 1,0 ohm/km, hệ thống có điện áp là 16 kV sẽ cần mộtcường độ dòng điện là 1000 mA, bao gồm một dung sai điện áp cho dòng điện cực(200 mA) PFE có khả năng cung cấp điện áp từ 1-2 kV, cao hơn so với điện áp danhđịnh của toàn mạng để thực hiện truyền dẫn tín hiệu Công suất được phóng tới trạmdưới biển trong dây dẫn đồng của dây cáp có trở kháng từ 0,5-1,0 ohm/km Phần lớncông suất được cung cấp bởi các PFE bị hao hụt do sự nung nóng thuần trở trong dâycáp Ví dụ với hệ thống có công suất 16 kW thì có 7kW sẽ bị mất do sự nung nóngthuần trở

PFE phải được biến đổi để phù hợp với các mạng riêng lẻ, vì vậy thiết bị đượcthiết kế thường là một modul Các MOSFET công suất có hiệu suất 80-90 % của tổngcông suất HV ở tần số 20 kHz và chuyển mạch không mối nối giữa các mode điện áp

cố định và dòng điện cố định là hoàn toàn có thể xảy ra

Trạm cấp nguồn sẽ cung cấp một bộ dự phòng ở mỗi trạm đầu cuối để đảm bảo

hệ thống luôn sẵn sàng hoạt động Mặc dù mỗi PFE có khả năng cung cấp mức công

suất theo yêu cầu nhưng hai bộ này sẽ chia sẻ dữ liệu giữa chúng, bắt nguồn từ các tínhiệu điều khiển phản hồi từ sự kết hợp giữa công suất ra hệ thống và công suất PFEriêng lẻ Khi một PFE bị hỏng thì bộ dự phòng sẽ tự động lấy toàn bộ dữ liệu tải từPFE đó.

Tất cả các thiết bị ngập nước đều được thiết kế cho các điều kiện khắc nghiệtcủa độ sâu lên đến 8000m, khả năng chống ăn mòn và độ tin cậy là 25 năm nếu không

có lỗi xảy ra

Cáp quang thường được đưa ra bờ biển và các sợi quang đến một trạm cápquang với:

 Thiết bị cấp nguồn sẽ cấp điện cho tất cả các thiết bị dưới nước hoạtđộng, đặc biệt là các bộ lặp

 Thiết bị truyền dẫn đầu cuối vừa có chức năng phát ra ánh sáng laserđược điều chế bằng tín hiệu truyền thông vừa đảm nhận tín hiệu truyền thông từ cáclục địa khác tới Máy phát hoạt động từ sự điều chế của một laser bán dẫn được nhuộmmàu chất lượng cao có đầu ra được kết hợp (được ghép) thông qua cáp truyền dẫn.Ánh sáng quang học được điều chế để tạo thành các bit thông tin Máy thu bao gồmcác bộ cảm biến bán dẫn cho mỗi bước sóng tới sau khi tách sóng Các bit thông tin sẽđược sắp xếp lại và truyền về mặt đất

 Một hệ thống quản lý mạng cho phép các nhà điều hành giám sát cácthông tin qua một máy tính bằng cách nhận các thông tin trạng thái và báo động trongtrường hợp xảy ra lỗi

Trong trạm cáp, hệ thống dưới biển được kết nối với mạng mặt đất và thông tinđược phân bố tới các nút truyền thông khác nhau trên mặt đất để truyền tới kháchhàng

1.4 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang biển trong tương lai

Sự phát triển về dung lượng ở mỗi sợi quang dường như đang dừng lại và thayvào đó là sự đa dạng hóa các sản phẩm được cung cấp:

 Số lượng lớn cáp được cài đặt đều không dùng hết dung lượng của nó Nó

có thể được nâng cấp bằng cách sử dụng hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

 Mạng lưới công suất khu vực thấp hơn là nhu cầu cần thiết để hoàn thànhđường trục liên lục địa Chúng dựa trên sự kết hợp của các hệ thống lặp và không lặp

 Các hệ thống mạng có sẵn được kết nối với nhau bởi các sợi dây cáp tạothành một hệ thống liên mạng, giúp nâng cao chức năng mạng mà hiệu quả về chi phí

 Hệ thống liên mạng thành phố tới thành phố là cách có hiệu quả về chi phí

để tránh quá tải lưu lượng ở những nơi có nhu cầu cao

 Nghiên cứu về các hệ thống có dung lượng cao hơn vẫn đang được tiếp tục,với các giải pháp cung cấp một sự lựa chọn giữa mở rộng băng thông bằng cách bổsung các băng thông khuếch đại (bước sóng dài được gọi là L-band) và tăng băngthông khuếch đại thông qua khuếch đại Raman Sự gia tăng tốc độ bit kênh tới 40Gbps

vẫn là một vấn đề mở, đòi hỏi có các giải pháp để phù hợp với khoảng cách truyền dẫnxuyên đại đương.

Trong những năm qua, độ rộng băng thông của bộ lặp đã tăng lên từ 3 tới 4 lần.Các bộ khuếch đại EDFA được sử dụng trong các bộ lặp dưới biển chỉ hoạt động ởbăng C (1525-1565 nm), tuy nhiên băng L (1570-1610 nm) cũng đã được đưa vào sửdụng ở sợi pha tạp erbium giống như băng C Điều này làm cho tốc độ truyền dẫn cóthể đạt tới 3,65 Tbps (365 kênh) với khoảng cách 6850 km khi sử dụng bộ khuếch đạiEDFA kết hợp băng L và băng C Bộ ghép khuếch đại EDFA/Raman sử dụng băngC+L trên khoảng cách 1200 km có tốc độ >40 Gbps trên một kênh Việc mở rộng băng

S (1450-1520 nm) yêu cầu khai thác các kĩ thuật như bộ khuếch đại sợi florua pha tạptuli Tốc độ truyền dẫn ở 10,9 Tbps (273 kênh) đã được chứng minh khi sử dụng kếthợp cả ba băng thông S+C+L Các bộ khuếch đại Raman băng thông rộng có thể được

sử dụng để bảo vệ hai dải phổ của băng C và L với nhau hoặc của dải phổ S+C+L.Điều này hoàn toàn có thể đạt được với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật trong nhữngnăm tiếp theo

Theo như kết quả về yêu cầu cho các băng thông rộng và các băng thông bổsung, đặc biệt là nếu công nghệ Raman trở nên phổ biến trong hệ thống truyền dẫndưới biển thì các thế hệ mới của PFE sẽ cần thiết phải phát triển để hỗ trợ các nhu cầunăng lượng gia tăng công suất bơm Một yếu tố khác được xem xét mà có thể làmchậm sự gia tăng của dung lượng là có những giới hạn thực tế cho kích thước và trọnglượng của một bộ lặp Ngoài những cải tiến trong công nghệ quang học, những tiến bộcần phải được thực hiện bởi các kĩ sư cơ khí Sự nhỏ gọn có thể là lý do để lựa chọncho một giải pháp băng thông rộng Raman để nâng cao dung lượng bộ lặp

Việc mở rộng tốc độ bit kênh từ 10 Gbps lên 40 Gbps được xem là sự phát triểnmạnh mẽ của hệ thống thông tin quang biển Hệ thống với tốc độ bit cao và có giá trị

về mặt kinh tế sẽ đem lại lợi nhuận lớn cho các nhà đầu tư

Độ rộng kênh hiện tại được sử dụng khá thấp xấp xỉ 50 GHz, tuy nhiên các nhànghiên cứu đã chứng minh rằng quá trình truyền dẫn dữ liệu với một độ rộng kênh là22,2 GHz ở khoảng cách 6850 km

1.5 Kết luận

Giữa năm 1860 đến nay, mạng lưới cáp biển có thể cung cấp đầy đủ một loạtcác dịch vụ bao gồm điện báo, điện thoại, fax, dữ liệu, video và giờ đây là đa phươngtiện qua internet Khả năng cung cấp cho khách hàng trong thời gian qua của hệ thốngthông tin quang biển là khởi đầu của kỉ nguyên công nghệ mới

Việc mở rộng song song mạng lưới quốc tế dựa trên truyền hình cáp và vệ tinh

từ năm 1960 tới năm 1990 đã dần được bổ sung và được quản lý một cách cẩn thậncủa các nhà trách Mỹ Sự ra đời của truyền thông vệ tinh, cung cấp các dịch vụ trên

TV và điên thoại, đã được đánh giá cao hơn so với truyền thông dưới nước

Ngày nay, với sợi quang, một cáp quang biển có thể truyền dẫn dung lượng caogấp 100 lần so với một kênh vệ tinh.Các dây cáp biển giờ đây chiếm vai trò quan trọngtrong truyền tiếng nói, dữ liệu và mạng quốc tế Internet.

Tự do hóa trong viễn thông góp phần mở rộng mạng lưới đã khiến số lượng cácnhà khai thác, các nhà đầu tư tài chính cao cấp tăng lên đáng kể Dịch vụ internet vàdịch vụ truyền hình giờ đây phụ thuộc hoàn toàn vào mạng lưới thông tin quang biển.Mạng lưới thông tin quang biển trên thế giới được chỉ ra ở hình 1.4

Hình 1.4: Mạng lưới hệ thống thông tin quang trên thế giới

CHƯƠNG II: KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TẠP ERBIUM-EDFA

2.1 Giới thiệu sơ lược về khuếch đại quang

Như ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly tryền dẫn dàitới mức phân bố suy hao không thỏa mãn, suy hao vượt quá tuyến công suất dự phòngthì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền Các trạm lặp ởđây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các quá trình biến đổi quang – điện vàđiện – quang Như vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa đượcnữa sẽ được các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hànhkhuếch đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi vềtín hiệu quang đủ lớn để truyền lên đường truyền Với sự phát triển của khoa học côngnghệ, người ta thực hiện được quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà khôngcần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kĩ thuật khuếch đạiquang Kĩ thuật khuếch đại quang vừa ra đời đã khắc phục được nhiều hạn chế củatrạm lặp như băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh hưởng của nhiễu điện… Việcphát triển và ứng dụng các bộ khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang còn đưa

ra một ý tưởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn dùng khuếchđại quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn quang Khuếch đại quang có thể đượcđặt ở các phần khác nhau của hệ thống thông tin Tùy thuộc vào vùng lắp đặt khuếchđại trên tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang có thể được sử dụng như:

- Khuếch đại công suất

- Khuếch đại đường truyền

- Khuếch đại thuKhuếch đại công suất: Bộ khuếch đại này được đặt sau nguồn sáng để khuếchđại công suất tín hiệu truyền Nó được sử dụng khi nguồn sáng có công suất ra bị giớihạn

Khuếch đại thu: Ngược với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại côn suất tínhiệu thu bị yếu trước khi đi vào bộ tách sóng

Khuếch đại đường truyền: Khi khoảng cách truyền quá dài thì một số bộ khuếchđại đường truyền phải được sử dụng Trong trường hợp này, các bộ khuếch đại quangđược đặt có chu kì trên tuyến truyền dẫn Đối với sợi quang Soliton, xung ánh sángđược truyền đi không cần mở rộng, khuếch đại đường truyền được sử dụng để cungcấp một mức công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyến

Có nhiều xu hướng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang và thành công chủ yếutập trung vào hai loại chính:

- Các bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA

- Các bộ khuếch đại quang sợi OFA

Bộ khuếch đại quang được đưa vào sử dụng cho các kênh WDM Khuếch đạiRaman được khảo sát đầu tiên Quá trình phi tuyến đã được chứng minh vào nhữngnăm 1970 và cũng trong thời gian đó nghiên cứu về thủy tinh silica được hoàn thành

để lắp đặt vào các sợi liên kết silica có suy hao thấp Khuếch đại Raman yêu cầukhoảng cách thoại dài để cung cấp một hệ số khuếch đại.Khuếch đại Raman xuất hiện

và trở thành phương pháp được sử dụng chủ yếu để bù cho lượng tín hiệu bị suy haotrong các sợi quang Vào cuối những năm 1980, khi bộ tái sinh điện được coi là có tầmảnh hưởng lớn nhất mà loài người tìm thấy thì họ lại chờ đợi sự phát triển tiếp theo củatruyền dẫn coherent, việc chứng minh khả năng ứng dụng của bộ khuếch đại sợi phatạp erbium đã thay đổi cách suy nghĩ của họ Bộ khuếch đại này không yêu cầu đườngtruyền dài và công suất bơm như ở bộ khuếch đại Raman, các yêu cầu đó đã được làmgiảm đi bằng hệ số 10 là hệ số nhỏ nhất Điều này cho hiệu quả khuếch đại cao ở các

bộ khuếch đại EDFA và liên kết mức suy hao do sự va đập các sợi liên kết trên bộkhuếch đại Raman Các bộ khuếch đại EDFA sau đó đã được sử dụng và là công nghệquan trọng bậc nhất để phát triển mạng lưới quang và các hệ thống truyền thông kếtiếp Đơn vị hệ số suy hao nền là dB/km Bù suy hao của sợi liên kết bằng từng bộkhuếch đại là khối khai thác để quản lý công suất tín hiệu Bởi vì bộ khuếch đại quang

là công nghệ chính để phát triển mô hình các hệ thống thông tin quang dưới biển

2.2 Sơ lược về bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)

2.2.1 Khuếch đại quang sợi

Việc sử dụng các sợi quang có pha tạp đất hiếm làm bộ khuếch đại tín hiệuquang cho các tuyến truyền dẫn quang đã có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng tốc độ và

cự ly truyền dẫn Các sợi này được xem như là sợi quang tích cực, chúng có khả năngkhuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu có kích thích phù hợp Cơ chế hoạt động của sợiquang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại được mô tả như hình vẽ sau:

b Cơ chế bức xạ trong 4 mức

Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 được kích thích từ một nguồn bức xạ cóbước sóng phù hợp nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển đổi tới mức cao hơn E2 Từmức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ hoặc nếunhư có một mức năng lượng thấp hơn (E3) nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó Từ đâyđiện tử có thể phân rã xuống mức E1 (hình 2.1a) hoặc E4 (hình 2.1b) thông qua quátrình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bướcsóng dài hơn bước sóng kích thích Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để các điện

tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra nghịch đảo mật độ tích lũy.Đây là điềukiện để các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn ở mức tới (E1 hoặc E4) Có nhiềucác ion đất hiếm có các dải huỳnh quang cho khả năng bức xạ kích thích và khuếch đạitín hiệu như Nd+3 (Neodium), Er+3 (Erbium), Ho+3 (Holmi), Trong các sợi pha các tạpchất này thì sợi quang pha tạp Erbium được phát triển mạnh nhất trong truyền dẫn sợiquang vì nó phát ra tín hiệu ở bước sóng phù hợp với bước sóng có suy hao nhỏ sẵn cócủa sợi dẫn quang – vùng bước sóng 1550nm Các bộ khuếch đại sử dụng sợi pha tạpErbium được gọi là EDFA

2.2.2 Sự ra đời của hệ thống khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA)

Khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA) được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1987

và sau đó nó được đưa vào ứng dụng trong truyền dẫn thông tin quang Trước khi tiếntới các bộ khuếch đại quang, hệ thống truyền dẫn quang bao gồm một bộ truyền dẫn kĩthuật số và một máy thu phân chia bằng các đoạn cáp truyền dẫn quang học xen kẽ vớicác đoạn cáp quang điện tử tái sinh Các thiết bị tái sinh quang điện tử sẽ điều chỉnh sựsuy giảm, tán sắc và sự suy hao truyền dẫn khác của tín hiệu quang bằng cách pháthiện các xung tín hiệu bị suy giảm và méo, tái sinh điện tử chúng và sau đó truyền dẫntín hiệu tái sinh vào khoảng truyền dẫn tiếp theo

EDFA là bộ khuếch đại quang, nó thực hiện khuếch đại hoàn toàn tín hiệu sóngánh sáng trong miền quang học Các bộ khuếch đại EDFA có thể được sử dụng vớinhiều chức năng trong hệ thống truyền dẫn quang như: bộ khuếch đại công suất đểtăng công suất đường truyền, bộ lặp hoặc bộ khuếch đại nội đường để tăng khả nănghoạt động của hệ thống, hoặc bộ tiền khuếch đại để nâng cao độ nhạy thu Tác dụnglớn nhất của các bộ EDFA là chúng làm việc với vai trò là bộ lặp, chúng sẽ thực hiệntái sinh quang điện thông thường để bù đắp cho những tổn thất khi truyền tải và mởrộng khoảng giữa các đầu cuối số.Được sử dụng như một bộ lặp, các bộ khuếch đạiquang cung cấp khả năng chuyển đổi những đường dây truyền tải quang vào mộtđường ống dẫn quang trong suốt để hỗ trợ tín hiệu độc lập cho định dạng điều chếhoặc tốc độ dữ liệu kênh của các bộ khuếch đại Ngoài ra, các bộ khuếch đại quang hỗtrợ việc sử dụng các bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), theo đó các tínhiệu của các bước sóng khác nhau được kết hợp và truyền trên cùng một cáp truyềndẫn

Với các ứng dụng quan trọng, EDFA đã được phát triển ở các hệ thống đườngdài, truyền tải trên mặt đất và các hệ thống truyền dẫn dưới biển Liên hợp hệ thốngdưới biển AT&T đã quyết định phát triển các bộ lặp dựa trên EDFA từ đầu những năm

1990 (chứ không phải bộ tái sinh quang điện thông thường) cho cáp ngầm dưới biểntrong tương lai và bắt đầu phát triển thương mại đầu tiên với dung lượng cao ở hệthống truyền thông được khuếch đại quang học Hệ thống dưới biển đầu tiên đã đượcAT&T phát triển vào năm 1994, kết nối Florida đến St Thomas ở vùng biển Caribe

Hệ thống khuếch đại quang sợi vượt đại dương đầu tiên được lắp đặt để vượt qua ĐạiTây Dương vào năm 1995 (được xây dựng bởi AT&T và Alcatel), và vượt qua TháiBình Dương vào năm 1996 ( được xây dựng bởi AT&T và KDD) Hệ thống khuếchđại quang mặt đất với DWDM lần đầu tiên được triển khai trong mạng đường dài củaAT&T vào năm 1996.Ngày nay EDFA đã thay thế cho máy tái sinh quang điện tửtrong hai hệ thống mặt đất và dưới biển

2.3 Cấu trúc modul EDFA và nguyên lý hoạt động của modul

2.3.1 Cấu trúc modul EDFA

Cấu trúc đơn giản của EDFA được thể hiện trong hình 2.1, bao gồm một sợipha tạp erbium ghép vào đường truyền dẫn tín hiệu của hệ thống truyền thông tinquang, laser bơm, các bộ ghép bước sóng và các bộ cách ly quang Có 2 loại laserbơm: laser bơm thuận và laser bơm ngược

b Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA với laser bơm ngược

Phần tử quan trọng nhất của modul EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạpErbium (EDF) có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét, sợi này được xem là sợi tíchcực vì chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu như có kích thích phùhợp Đoạn sợi có lõi S i O2 hoặc S i O2-Al2O3pha trộn thêm Er3+ ¿ ¿ với nồng độ từ100÷2000ppm Các sợi EDF này thường có lõi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn sovới sợi tiêu chuẩn Ngoài sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc của EDFA làgiống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu chuẩn hay sợi tán sắc dịch chuyển DSFtương ứng với các khuyến nghị G.652 hay G.653 ITU-T, đang sử dụng trên các hệthống truyền dẫn quang.

Để thu được độ khuếch đại phải cung cấp năng lượng quang cho sợi pha tạpErbium, các laser công suất cao được dùng làm laser bơm để cung cấp năng lượngquang (năng lượng bơm) cho EDF Bước sóng hoạt động của laser bơm là 980nm hoặc1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10mW÷80mW

Bộ ghép bước sóng WDM dùng để ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vàoEFA hoặc trong một số trường hợp nó lại tách tín hiệu này Các bộ cách ly quang cótác dụng làm giảm ánh sáng phải xạ từ hệ thống chẳng hạn như phản xạ Rayleich từcác bộ nối quang, ngược lại từ các bộ khuếch đại quang tới mức chấp nhận được Sợipha tạp Erbium là thành phần quan trọng nhất của modul EDFA

Hình 2.3: Mặt cắt ngang của sợi quang pha ion Erbium

Các ion Erbium được đặt ở vùng lõi trung tâm của EDF.Vùng lõi trung tâm(đường kính 5µm) của EDF là nơi mà cường độ sóng tín hiệu và bơm là cao nhất.Sựsắp xếp của các ion Er3+ ¿ ¿ trong vùng này là cung cấp sự chồng lấn năng lượng tín hiệu

và bơm lớn nhất cho các ion, kết quả là khuếch đại tốt hơn Một lớp vỏ thủy tinh chỉ sốthấp hơn bao quanh vùng lõi tạo thành cấu trúc ống dẫn sóng và làm tăng độ bền cơhọc Một lớp vỏ bảo vệ được thêm vào, đường kính tổng cộng là 250µm Lớp vỏ bọcnày với chỉ số khúc xạ tăng tập trung ở vỏ để loại bỏ các ánh sáng không mong muốntruyền trong vỏ Cấu trúc sợi pha tạp Erbium cũng giống như các sợi đơn mode tiêuchuẩn Đặc tính quan trọng của EDF là khuếch đại/suy hao trên một đơn vị chiều dài ởcác bước sóng tín hiệu và bước sóng bơm Điều này có được là do các mặt cắt ngangthu hút vật phát xạ và hệ số giam cầm đối với ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu.

Các nguyên tử Erbium hóa trị 3 là những nguyên tố tích cực trong bộ khuếchđại có nhiệm vụ khuếch đại quang.Sự chuyển tiếp quang thích hợp được chỉ ra ở hình2.4 Theo đó, các ion Er3+ ¿ ¿ có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được kíhiệu: 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2,4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 Trong đó:

- Vùng 4I15/2 có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền

- Vùng 4I13/2 được gọi là vùng giả bền vì các ion Er3+ ¿ ¿ có thời gian sống tạivùng này lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vùng nền Thời gian sốngnày thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi của EDF

- Vùng 4I11/2,4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 2H11/2 là các vùng năng lượng cao, được gọi làvùng kích thích hay vùng bơm Thời gian các ion Er3+ ¿ ¿ có trạng thái nănglượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1µs)

Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er3+ ¿ ¿ có thể xảy ra trong các trường hợp sau:

- Khi các ion Er3+ ¿ ¿ ở vùng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chênhlệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyểnlên vùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng)

- Khi các ion Er3+ ¿ ¿ chuyển từ các vùng năng lượng cao xuống vùng nănglượng thấp hơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau:

 Phân rã không bức xạ: năng lượng được giải phóng dưới dạng photon tạo

ra sự dao động phân tử trong sợi quang

 Phát xạ ánh sáng: năng lượng được giải phóng dưới dạng photon

Hình 2.4: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ ¿ ¿ trong sợi silica.

Độ chênh lệch năng lượng giữa vùng giả bền (4I13/2) và vùng nền (4I15/2):

- 0,775eV (tương ứng với năng lượng của photon có bước sóng 1600nm)tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh của vùng nền

- 0,814eV (1527nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy của vùng nền

- 0,841eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy của vùng nền

Mật độ phân bố năng lượng của các ion Er+3 trong vùng giả bền không đềunhau: các ion Er+3 có khuynh hướng tập trung nhiều ở các mức năng lượng thấp Điềunày dẫn đến khả năng hấp thụ và phát xạ photon của ion Erbium thay đổi theo bướcsóng

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thànhbức xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi các ion Erbium Er3+ ¿ ¿ được kích thích từ trạngthái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức