ứng dụng công nghệ DWDM và EDFA trên mạng đ-ờng trục 20 Gbit/s

ứng dụng DWDM, EDFA trên mạng 20Gbit/s, Khuếch đại EDFA, Khuếch đại EDFA

Mục lục

Lời nói đầu 1

Phần I Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM trong thông tin quang 1

Chương I Tổng quan về mạng ghép kênh theo bước sóng WDM 1

Chương II Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 5

2.1 Kỹ thuật ghép kênh quang 5

2.1.1 Kỹ thuật ghép kênh bước sóng ( WDM) 6

2.1.2 Kỹ thuật ghép kênh quang tần số (OFDM) 8

2.1.3 Kỹ thuật ghép kênh quang thời gian (OTDM) 9

2.2 Thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật WDM 12

2.2.1 Truyền dẫn ghép bước sóng quang một hướng 13

2.2.2 Truyền dẫn ghép bước sóng quang hai hướng 14

2.2.3 Thiết bị ghép bước sóng quang 14

2.3 Các tham số cơ bản của ghép bước sóng quang 15

2.3.1 Suy hao xen 15

2.3.2 Xuyên kênh 16

2.3.3 Độ rộng kênh 17

2.4 Các thiết bị ghép bước sóng quang 17

2.4.1 Các thiết bị WDM vi quang 18

2.4.2 Các thiết bị WDM ghép sợi 24

2.4.3 Cách tử dẫn sóng AWG 25

Phần II Khuếch đại quang sợi pha erbium (EDFA) 33

Chương I Tổng quan 33

Chương II khuếch đại quang sợi pha Erbium 35

2.1 Cơ sở nền tảng của EDFA 35

2.1.1 Quy luật chi phối các tương tác Phôtôn- nguyên tử 35

2.1.2 Các phương trình tốc độ đối với mô hình ba mức của Er3+ 38

2.1.3 Hoạt động bơm EDFA ở 1,48 àm và 0,98 àm 44

2.1.4 Cấu hình bơm EDFA 47

2.2 Vai trò của EDFA, các yêu cầu về mạng và dải rộng của EDFA đối với các ứng dụng WDM 50

2.2.1 Vai trò của EDFA trong mạng thông tin quang WDM 50

2.2.2 Các yêu cầu mạng đối với EDFA trong mạng WDM 50

2.2.3 Kiểm soát động bộ khuếch đại trong hệ thống WDM 51

2.3 Nhiễu trong EDFA 54

2.3.1 Nhiễu quang 55

2.3.2 Nhiễu cường độ 56

2.4 Các ảnh hưởng phản xạ và tán xạ ngược Rayleigh 64

2.4.1. ảnh hưởng phản xạ riêng biệt ở hai đầu EDFA 65

2.4.2 ảnh hưởng tán xạ ngược Rayleigh trong các hệ thống EDFA 66

Phần III ứng dụng dwdm và EDFA trong mạng đường trục Việt Nam 74

1.1 Tổng quan về mạng quang DWDM 74

1.1.1 Lớp mạng truyền tải 74

1.1.2 Các phần tử của lớp quang 74

1.1.3 Chức năng OAM&P lớp quang 76

1.1.4 Cấu trúc mạng DWDM song hướng 78

1.1.5 Lưới bước sóng DWDM tuân thủ theo ITU-T 79

1.1.6 Giải pháp kỹ thuật cho lớp quang 80

2.2 Mạng cáp quang đường trục 20 gbit/s 95

Các thuật ngữ viết tắt 117

Tài liệu tham khảo 119

Lời nói đầu



Sự ra đời của công nghệ DWDM đánh dấu một bước phát triển vượt bậc trong lĩnh vực truyền dẫn Với những ưu thế trong việc ghép kênh theo bước sóng đơn giản, linh hoạt, giảm thiết bị trên mạng, băng tần truyền dẫn rộng, tương thích với các giao diện SDH hiện có, tạo ra khả năng quản lý tập trung Công nghệ DWDM đáp ứng sự tăng trưởng nhanh của mạng viễn thông và các yêu cầu của mạng số hoá đa dịch vụ trong tương lai

Mạng DWDM ứng dụng công nghệ khuếch đại EDFA đã được ứng dụng trong mạng viễn thông Việt Nam: Mạng truyền dẫn đường trục tốc độ 20 Gbit/s vừa mới được triển khai và đã hoạt động ổn định, đáp ứng được nhu cầu tăng dung lượng truyền dẫn và các dịch vụ tốc độ cao trong tương lai Để từng bước áp dụng các kiến thức đã được học trong nhà trường với các hoạt

động của một hệ thống thực tế trên mạng lưới tôi đã chọn đề tài cho luận án

tốt nghiệp: " ứng dụng công nghệ DWDM và EDFA trên mạng đường trục

20 Gbit/s " Nội dung đề tài gồm 3 phần :

• Phần II: Khuếch đại EDFA

• Phần III: ứng dụng DWDM, EDFA trên mạng 20Gbit/s

Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS Phạm Công Hùng, sự

quan tâm giúp đỡ của tất cả các Thầy Cô giáo trong Khoa Điện Tử Viễn Thông-ĐHBK-HN, và sự cố gắng của bản thân, tôi đã từng bước nắm bắt

được những vấn đề cơ bản trong công nghệ DWDM và mạng truyền dẫn

đường trục 20 Gbit/s của Công ty Viễn Thông Liên tỉnh Tuy nhiên do khả năng còn hạn chế, thời gian nghiên cứu có hạn nên trong bản luận án này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý, giúp đỡ của các Thầy Cô giáo cùng toàn thể các bạn sinh viên để các nghiên cứu sau đạt kết quả cao hơn.

Hà Nội 10/2004

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyền dẫn quang SDH ( Ví dụ các hệ thống truyền dẫn SDH đang có trên mạng của VTN) có rất nhiều điểm tương tự Cả hai hệ thống đều có:

• Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX)

• Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier, Regenerator)

• Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM)

• Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment)

• Sợi quang

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyền dẫn SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn hệ thống WDM thì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làm việc của hệ thống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là các bước sóng

và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tín hiệu số Mỗi bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trường truyền tín hiệu cho hệ thống khác và vì vậy gọi là sợi “quang ảo”

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự phát triển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tập trung mọi nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết quả thu được không mang tính đột phá vì công nghệ sử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thân các mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp Thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới được sử dụng một phần nhỏ Tuy nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưng các hệ thống WDM chỉ được thương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đường truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman)

Các laser phổ hẹp có tác dụng giản tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của các bước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Các bộ lọc quang dùng để tách một bước sóng ra khỏi các bước sóng khác Các bộ khuếch đại đường truyền dải rộng cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều bước sóng, nếu không

có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng công suất tín hiệu người ta phải tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc là khuếch đại riêng rẽ từng bước sóng rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thực hiện các bước chuyển đổi quang- điện-quang trên từng bước sóng rồi mới ghép, và như vậy thì tốn kém và làm cho hệ thống trở nên kém tin cậy

Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những

ưu điểm nổi trội:

• Dung lượng lớn truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc

độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn

nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

• Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM

đơn kênh tốc độ cao

Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

• Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play)

• Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt

Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại

• Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:

• Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang

Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung l−ợng nh−ng nó cũng ch−a khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù công nghệ còn phát triển nh−ng dung l−ợng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

• Chi phí cho khai thác và bảo d−ỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn

WDM là công nghệ cơ bản cho mạng toàn quang

điện) và truyền tải trên cùng một sợi quang Tín hiệu quang ở bộ thu được tách thành những kênh riêng biệt nhờ sử dụng kỹ thuật quang WDM có tiềm năng to lớn để khai thác dải rộng băng của các sợi quang Ví dụ như có thể tới hàng trăm kênh 10 - 20 Gbit/s truyền tải trên cùng một sợi quang khi khoảng cách kênh giảm xuống dưới 1 nm, tương đương với 100 GHz Hình 1.1 cho thấy cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang ở gần bước sóng trung tâm 1,3 àm và 1,55 àm

Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu ba kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản đó là ghép kênh theo bước sóng (WDM), ghép kênh quang thời gian (OTDM) và ghép kênh quang tần số (OFDM)

2.1.1 Kỹ thuật ghép kênh bước sóng ( WDM)

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi sợi quang

sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang xác định riêng, bộ tách sóng quang tương ứng, sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy, muốn tăng dung lượng của hệ thống thì sẽ sử dụng thêm sợi quang Nhưng kỹ htuật ghép kênh theo bước sóng quang sẽ cho phép tăng dung lượng mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang Kỹ thuật này đã thực hiện truyền các luồng ánh sáng có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi Bởi lẽ các nguồn phát có độ rộng phổ khá hẹp, cho nên các

hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng phần nhỏ băng truyền dẫn của sợi quang Lý tưởng thì có thể truyền tải một lượng khổng lồ các kênh trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau, hoạt động ở các bước sóng khác nhau

một cách hợp lý ở đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này

Nguyên lý cơ bản của ký thuật ghép kênh theo bước sóng quang như thể hiện trên hình vẽ 2.2 Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau

λ1, λ2 , λ3, , λj, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau cùng ghép vào sợi quang ở phía phát nhờ bộ ghép kênh và tín hiệu ghép này sẽ truyền theo chiều dọc sợi quang để tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi qua bộ tách bước sóng

Nhìn chung các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào

ở ngoài dải rộng phổ kênh đã xác định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh không đáng lưu ý ở đầu phát Vấn đề cần quan tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao

Đối với bộ tách ghép kênh, vì các bộ tách sóng quang thường rất nhạy cảm trên một vùng rộng các bước sóng, cho nên có thể thu được toàn bộ các bước sóng phát đi Như vậy, để ngăn chặn tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện được điều này, cần phải thiết kế các bộ tách kênh quang thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt chuẩn xác Thông thường có ba loại thiết bị ghép bước sóng quang đó là: Các bộ ghép ( MUX), các bộ tách ghép ( DEMUX), các bộ ghép và tách hỗn hợp ( MUX-DEMUX) Các bộ MUX, DEMUX thường sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn bộ MUX-DEMUX sử dụng cho các phương án truyền dẫn trên cả hai hướng

2.1.2 Kỹ thuật ghép kênh quang tần số (OFDM)

Như đã biết, ghép kênh là một biện pháp nhằm tập hợp một số kênh thông tin lại thành một kênh chung mang lượng thông tin lớn hơn Trong các hệ thống thông tin trước đây, ghép kênh theo tần số được sử dụng trong các hệ thống analog Khi kỹ thuật thông tin quang phát triển, nhất là trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhảy vọt của công nghệ thông tin, lại xuất hiện các kỹ thuật WDM và OTDM Một kỹ thuật khác dùng để thông tin bằng ánh sáng là ghép kênh tần số Trong OFDM, băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt, mà ở đây các kênh có tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên một sợi quang

Các sóng ánh sáng có tiềm năng thông tin rất lớn và nó có tần số rất lớn tới hơn 200 000 GHz, hơn nữa, sợi quang vốn có suy hao rất nhỏ ở dải bước sóng từ 0,8

- 1,8 àm, cũng tương đương với băng tần 200 000 GHz Vì thế, một số lượng lớn các kênh quang FDM sẽ được truyền trên sợi, và mỗi kênh quang riêng biệt có thể có một băng tần đủ rộng Chẳng hạn, trên sợi dẫn quang tồn tại vùng có suy hao nhỏ nằm trong khoảng 1,5 - 1,6 àm Vùng này có băng tần là 12 000 GHz và như vậy có thể ghép tới hơn 1 000 kênh quang để mang thông tin cần truyền Vì vậy có thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn trên sợi quang khoảng 1 Tbit/s nhờ OFDM

Mặc dù công nghệ OFDM hiện nay mới chỉ ở mức triển khai thực nghiệm, nhưng người ta đã tiến hành ghép hệ thống lên tới 100 kênh quang Mặt khác, với công nghệ cáp sợi quang phát triển, các cáp có thể có tới 100 sợi đã làm cho hệ thống thông tin quang ghép kênh theo tần số không cần phải đạt hiệu suất sử dụng cao với mức khó thực hiện được như ở ghép kênh FDM đối với các hệ thống vô tuyến Hình 1.3 cho thấy một hệ thống OFDM, ở đây tín hiệu quang được ghép theo phương pháp giống như các kỹ thuật thông thường, nhưng quá trình ghép hoàn toàn thực hiện trên tín hiệu quang mà không có một quá trình biến đổi điện nào Tổng số các chùm bit ghép sẽ phụ thuộc vào tốc độ của mỗi luồng Tại đầu thu, tín hiệu quang sẽ được tách ra, công suất quang được chia và các kênh riêng rẽ sẽ được khôi phục lại Về thực chất, OFDM đã khai thác khả năng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách ghép các kênh ở các bước sóng khác nhau vào thành một luồng thông tin

lớn Như vậy, OFDM là chung cho ghép kênh theo bước sóng OFDM và WDM cho phép chúng ta tăng dung lượng kênh mà lại vượt qua được giới hạn của tán sắc sợi dẫn quang OFDM sẽ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin quang hiện tại và tương lai, nó là yếu tố quyết định thúc đẩy mục tiêu thực hiện quang hoá hoàn toàn

2.1.3 Kỹ thuật ghép kênh quang thời gian (OTDM)

Trong những năm gần đây, trước sự phát triển của mạng viễn thông, xu hướng tăng tốc độ đường truyền đã được thúc đẩy mạnh, cấc hệ thống thông tin truyền dẫn tốc độ cao ngày càng là nhu cầu thiết yếu trên mạng lưới Để xây dựng các tuyến tốc độ cao như vậy, cần phải lấy thông tin quang làm cơ sở để thực hiện vì

nó có môi trường truyền dẫn với băng tần khổng lồ Tuy nhiên, để có được thiết bị hoạt động ở tốc độ cao, công nghệ điện tử - thông tin phải sản xuất được các Chip

điện tử có khả năng đáp ứng được tốc độ chuyển mạch cao hoặc làm việc ở môi trường có băng tần rộng Cho đến nay, các thiết bị này đều đã được sản xuất và sẵn

có trên thị trường và thoả mãn được tốc độ 10-20 Gbit/s Các thiết bị như vậy trước

Cáp quang

∆f

∆f

C O M B I N

P O W E

R D I V I D E

LASER DETECTOR OPTICAL

Sn

S2

S1 Mix f1

PLL quang

Hình 1.3 : Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang OFDM

hết đã đáp ứng được cho các thiết bị phát và thu quang làm việc ở băng tần cao, mặt khác nó thoả mãn được các thiết bị ghép và tách kênh

Để tiếp tục tăng tốc độ bit lên 40 Gbit/s hoặc hơn nữa cho đến nay là rất khó vì vẫn phải dựa vào nền tảng cấu trúc công nghệ hỗn hợp InP Vì vậy, kỹ thuật OTDM có thể khắc phục được hạn chế này, quá trình ghép các luồng tín hiệu quang thành các luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn không qua một quá trình biến đổi điện nào OTDM hứa hẹn có nhiều khả năng thành công và tiến nhanh hơn bất kỳ một sản phẩm ghép kênh điện nào, vì nó sử dụng các kỹ thuật xử lý quang tiên tiến

Trong hình vẽ 1.4 mô tả hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật OTDM Trong OTDM, chuỗi xung quang hẹp phát ra từ nguồn phát thích hợp Các tín hiệu này được đưa vào khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu Sau đó, chia thành N luồng, mỗi luồng đưa vào điều chế nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh B Gbit/s Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải đưa qua bộ trễ quang Tuỳ theo vị trí từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng Thời gian trễ là một nửa tín hiệu Clock Như vậy, tín hiệu quang sau khi ghép sẽ có tốc độ là NxB Gbit/s Sau khi truyền tải trên

đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh, khôi phục xung Clock và đưa ra từng kênh quang riêng tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát Các hệ thống OTDM thường hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm, tại vùng bước sóng này, như đã biết có suy hao sợi quang nhỏ nhất, lại phù hợp với

bộ khuếch đại quang sợi trong hệ thống Các bộ khuếch đại quang sợi có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ( S/N) ở phía thu quang Nguyên lý hoạt động này có thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin quang với tốc độ 200 Gbit/s Tuy nhiên, ở tốc độ này cần phải xem xét tới vấn đề bù tán sắc cho hệ thống

2.1.4 Xác định kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong luận án : Như đã thảo luận ở

trên, mỗi kỹ thuật ghép kênh quang đều có nhứng thuận lợi và khó khăn riêng có

Đối với kỹ thuật OFDM, do dung lượng tăng lên chủ yếu dựa trên cơ sở tăng số lượng sợi quang, còn về tốc độ bít vẫn bị hạn chế bởi công nghệ chế tạo “Chip” và

đặc biệt là đối với tần số rất cao của ánh sáng Đối với kĩ thuật OTDM, mặc dù không bị hạn chế bởi tốc độ bít, nhưng lại phụ thuộc vào tín hiệu điều chế, các bộ trễ quang và bị hạn chế bởi tán sắc sợi Mặt khác, cho đến nay, các kĩ thuật OFDM/OTDM vẫn chưa đạt đến mức độ hoàn chỉnh để có thể ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang Trên thực tế, kỹ thuật WDM đã được ứng dụng rộng khắp trên hầu hết các hệ thống thông tin quang và ngày nay với những tiến bộ của khoa học công nghệ, thì các hệ thống thông tin quang trên cơ sở WDM hoàn toàn bảo đảm khả năng phát triển về cả dung lượng, tốc độ và khoảng cách truyền dẫn cũng như chất lượng và độ an toàn Do đó, trong phạm vi luận án sẽ tập trung hướng nghiên cứu đối với kỹ thuật WDM sử dụng trong hệ thống thông tin quang nhằm cải thiện hệ thống tốt hơn

Sợi quang

Tín hiệu

Nguồn

phát

Bộ chia quang

Bộ điều chế

Bộ điều chế

Bộ điều chế

Khối phát Clock

Bộ tách kênh EDFA

Bộ ghép quang

Trễ quang

Bộ điều chế EDFA

Hình 1.4 : Sơ đồ tuyến thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM

2.2 Thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật WDM

Ghép kênh bước sóng sử dụng để truyền số liệu đồng thời ở nhiều bước sóng mang thông qua một sợi quang riêng biệt Sự phân chia dải rộng băng các bước sóng

có khả năng sử dụng trong một số kênh bước sóng không chỉ đòi hỏi thiết bị phải tinh vi mà còn tăng khả năng giao thoa giữa các kênh Hệ thống truyền dẫn quang WDM điểm-điểm như thể hiện trên hình 1.5 a bao gồm bộ ghép kênh xen rẽ bước sóng( WADM) và bộ khuếch đại bước sóng ( WAMP) Mạng quang WADM sử dụng các hệ thống truyền dẫn WDM điểm-điểm và yêu cầu bộ kết nối chéo lựa chọn bước sóng( WSXC) có khả năng chuyển tín hiệu đầu vào tới sợi quang khác xảy ra ở tần số khác, ví dụ như mạng WDM vòng kép bốn bước sóng như thể hiện ở hình 1.5b

Trong mạng quang, WADM, WSXC, WAMP được biết đến như là các bộ ghép kênh xen rẽ quang ( OADM), bộ kết nối chéo quang( OXC) và bộ khuếch đại quang (OAMP) Các thuật ngữ WADM, WSXC, WAMP thường sử dụng để phân biệt các phần tử trong mạng quang WDM

Hình 1.5 a : Hệ thống truyền dẫn WDM điểm - điểm ghép 4 bước sóng

Có hai phương pháp cơ bản để thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật WDM đó là truyền dẫn ghép bước sóng quang một hướng và truyền dẫn ghép bước sóng quang hai hướng

2.2.1 Truyền dẫn ghép bước sóng quang một hướng

Hình vẽ 1.6 thể hiện sơ đồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM một hướng,

đó là sự kết hợp của các tín hiệu có các bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia Để thực hiện

hệ thống WDM một hướng, cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đưa vào sợi quang Tại đầu thu, cần phải

có bộ tách kênh để thực hiện tách riêng các kênh quang tương ứng Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên một vùng rộng các bước sóng, nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng phát đi Như vây, để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách ghép kênh thật chuẩn xác

WAMP

WAMP WAMP

Hình 1.5.b : Mạng WDM vòng kép bốn bước sóng

2.2.2 Truyền dẫn ghép bước sóng quang hai hướng

Hình vẽ 1.7 thể hiện sơ đồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM theo hai hướng Phương pháp này không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu, nghĩa là

có thể phát thông tin theo một hướng tại bước sóng λ1 và đồng thời cũng thu thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng λ2

2.2.3 Thiết bị ghép bước sóng quang

Thiết bị ghép bước sóng quang có ba loại là MUX, DEMUX và MUX- DEMUX Bộ MUX và DEMUX thường sử dụng cho hệ thống truyền dẫn một hướng Bộ MUX- DEMUX sử dụng cho phương pháp truyền dẫn hai hướng Hình vẽ 1.8 thể hiện sơ đồ mô tả thiết bị ghép và tách hỗn hợp Việc mô tả phân tích chính xác thiết bị ghép kênh phải dựa trên ma trận chuyển đổi đối với các phần tử của ma trận Aij(x) Các phần tử này là các hệ số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị tín hiệu quang đi vào của thứ i và ra cửa thứ j Cách tiếp cận này khá phức tạp khi ứng dụng để phân tích các hệ thống WDM

Kênh N Nguồn λ2

Nguồn λN

Thu λ1 Thu λ2

Thu λN

Thiết bị WDM

Thiết bị WDM

Nguồn λ1

λ1,λ2, ,λNMột sợi

Kênh 1

Kênh 2

Kênh N

Kênh 1 Kênh 2

Thiết bị WDM

Thiết bị WDM

Một sợi Kênh 2

2.3 Các tham số cơ bản của ghép bước sóng quang

Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép- tách kênh hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh Để đơn giản, hãy phân biệt thiết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh riêng biệt như thể hiện trên hình 1.6) và thiết bị hai hướng( bộ ghép tách hỗn hợp như thể hiện trên hình 1.7) Các kí hiệu I(λi), O(λk) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang có mặt ở đường chung Kí hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát ở nguồn thứ k Kí hiệu Oi(λi) là tín hiệu có bước sóng λi đã được ghép và đi ra ở cửa thứ i Sau đây sẽ xét các tham số: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh

2.3.1 Suy hao xen

Suy hao xen được xác định là lượng công suốt tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bước sóng quang WDM Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối thiết bị WDM với sợi và suy hao bởi bản thân các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trên thực tế thiết kế tuyến phải tính cho vài

dB ở mỗi đầu Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép nối chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng (với Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn):

( ) ( )i

i

i i

I

O L

λ

λ

log 10

( ) ( )i

i i

I

O L

λ

λ

log 10

bộ tách ghép kênh lý tưởng, sẽ không có hiện tượng dò tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang các kênh khác có bước sóng khác với λi Nhưng trong thực tế, luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và tính bằng dB như sau:

k

k i k

i

I

U D

λ

λ

Theo sơ đồ đơn giản mô tả tách kênh ở hình vẽ 1.9 a, thì Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng

ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi Trong thiết bị ghép - tách hỗn hợp như thể hiện trên hình vẽ 1.9b, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như một bộ tách kênh ở trường hợp này sẽ phải xem xét loại xuyên kênh “Xuyên kênh đầu xa”

là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra

Ui(λk) “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép

ở bên trong thiết bị ví dụ như Ui(λj)

Ii(λj)

b) MUX

2.3.3 Độ rộng kênh

Độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng biệt Nếu như nguồn phát quang là các điốt Laser thì các độ rộng kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nano mét (nm) để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra (ví dụ như khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh) Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn

2.4 Các thiết bị ghép bước sóng quang

Thiết bị ghép bước sóng quang rất đa dạng, theo sơ đồ phân loại như thể hiện trên hình vẽ 1.10, trong đó chú trọng nhiều nhất tới các thiết bị họat động theo phương pháp thụ động Để xem xét các thiết bị WDM, do nguyên lý của các thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, nên hoạt động của các bộ phận ghép kênh cũng được giải thích bằng cách đơn thuần là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào và đầu

Thiết bị quang

tổ hợp

Các thiết bị quang khác

Các nguồn phát quang và các bộ tách sóng quang nhiều bước sóng

Hình 1.10 : Phân loại các thiết bị ghép bước sóng quang WDM

Các bộ phận tách (hoặc các bộ ghép) được chia thành hai loại chính theo công nghệ chế tạo: (1) thiết bị WDM vi quang; (2) thiết bị WDM ghép sợi Các thiết

bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode, còn đối với sợi quang đơn mode thì chúng ít được sử dụng Loại thiết bị WDM ghép sợi dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong lõi sợi liền kề nhau Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn mode

2.4.1 Các thiết bị WDM vi quang

Các thiết bị WDM vi quang chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau đó là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc Sơ đồ hoạt động của hai loại này như thể hiện trên hình vẽ 1.11 Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng Để đạt được thiết bị hoàn chỉnh, thường phải tạo

ra cấu trúc lọc nhiều tầng Đối với cấu trúc phân tán góc lại đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng

Phần tử cơ bản để đạt được thiết bị WDM có lọc là bộ lọc điện môi giao thoa,

nó có cấu trúc đa lớp gồm nhiều các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đặt xen kẽ nhau Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong hốc Nếu độ dày của khoảng cách

là một số nguyên lần của nửa bước sóng chùm sáng tới, thì giao thoa sẽ xảy ra và

Thiết bị phân tán (b)

Bộ lọc (a)

λ2, , λn

λ1, λ2, , λn

λ1, λ2, , λn

Hình 1.11 : Nguyên lý hoạt động của thiết bị WDM vi quang đối với cấu trúc sử dụng :

(a) Bộ lọc giao thoa; (b) Các phần tử phân tán góc

bước sóng được truyền dẫn trong suốt Đường cong phổ truyền dẫn cho thiết bị hoạt

động như vậy như thể hiện trên hình vẽ 1.12a ở đây, các chùm ánh sáng tại các bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn Trong các

bộ lọc của thiết bị WDM, các gương là các vỏ bọc nhiều lớp được đặt trên các lớp

điện môi phân cách trong suốt như thể hiện trên hình vẽ 1.12b

Các bộ lọc màng mỏng thường có độ dày bằng một phần tư bước sóng truyền dẫn lớn nhất Chúng được cấu tạo từ các màng mỏng có chỉ số chiết suất thấp nhất (như MgF2 có n = 1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) và các màng có chỉ số chiết suất cao (như TiO2 có n = 2,2) được đặt xen kẽ nhau Theo đặc tính phổ thì có thể phân các

bộ lọc giao thoa thành hai họ: (1) các bộ lọc cắt chuẩn được đặc trưng bởi tần số cắt

λc và có đáp ứng phổ thông thấp nhất hoặc thông cao (hình vẽ 1.13a,b); (2) các bộ lọc băng thông được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm băng λ0 và có độ rộng băng

(a) (b) (c)

Bộ cắt chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hai kênh để ghép hoặc tách hai bước sóng hoàn toàn phân cách, chẳng hạn bước sóng thuộc dải 850nm và 1300nm, hoặc 1300nm và 1550nm Các thiết bị này được sử dụng khá hiệu quả cho cả nguồn có phổ rộng như (LED) chẳng hạn Các thiết bị bị lọc băng sử dụng tốt cho các thiết bị WDM, nó rất phù hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như Laser Hơn thế nữa, nó cho phép sử dụng khi có sự dịch bước sóng của nguồn phát do ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy mà đường cong phổ truyền dẫn của bộ lọc băng thông (hình vẽ 1.13c) phải có dạng vuông, có vùng xung quanh bước sóng trung tâm phẳng Cạnh của đường cong phổ truyền dẫn phải càng sắc nét càng tốt để ngăn ngừa xuyên kênh

từ các kênh lân cận

Cấu trúc cơ bản của bộ tách kênh như thể hiện ở hình vẽ 1.14a, nhưng cấu trúc thực tế chỉ đơn giản như thể hiện ở hình vẽ 1.14b Các phần tử chuẩn mực và hội tụ là các lăng kính GRIN-rod 1/4 bước sóng Bộ lọc được thiết kế để phát đi λ1

và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính Các thiết bị tách kênh này đã được thương mại hoá và sử dụng rộng rãi ở các thế hệ thông tin quang sử dụng nguồn phát LED ở dải bước sóng 850nm và 1300nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng (như 800nm và 830nm; 800nm và 890nm; 1200nm và 1300nm; 1300nm và 1550nm; ), với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp), suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB

λ

λc

Thông thấp (λ>λ c ) Thông thấp (λ<λ c )

λc

λc ∆λ Thông băng (λc-∆λ/2< λ<λc+∆λ/2)

Hình 1.13: Các đặc tính phổ truyền dẫn của các bộ lọc giao thoa cắt (a),(b) và băng thông (c)

Các thiết bị WDM có nhiều hơn hai kênh sẽ được cấu tạo dựa trên cấu trúc

bộ lọc tầng ở đây mỗi bước sóng trong tầng sẽ lựa chọn một bước sóng, hình vẽ 1.15a minh họa về thiết bị này Trên thực tế thiết bị ghép và tách kênh nhiều kênh như hình vẽ 1.15b Đôi khi cũng có thể thực hiện tạo ra một bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực Ví dụ như trên hình vẽ 1.13, thiết bị không

có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được đánh bóng

Một kỹ thuật vi quang khác để tách các bước sóng khác nhau tương đối tin cậy là phương pháp sử dụng các phần tử phân tán góc (như thể hiện ở hình vẽ 1.11b) Các chùm tín hiệu đầu vào chuẩn trực sẽ đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tùy theo bước sóng của chúng thành các chùm hướng theo các góc khác nhau Các chùm đầu ra đã được tách sẽ hội tụ nhờ một hoặc một số các lăng kính và được đưa vào các sợi dẫn quang riêng rẽ Các phần tử phân tán góc được sử dụng trong thiết bị WDM hầu hết là cách tử nhiễu xạ Các thiết bị WDM sử dụng các cách tử này có thể được thiết kế theo hai kiểu cấu trúc cơ bản là: (1) cách tử tuyến tính kết hợp với phần tử hội tụ; (2) cách tử hội tụ

(a)

Lăng kính Grin (1/4 p)

Bộ lọc (b)

Hình 1.14 : Cấu trúc hai bộ tách kênh sử dụng bộ lọc giao thoa :

(a) Cấu trúc cơ bản;(b) Bộ tách kênh sử dụng hai lăng kính 1/4 bước sóng Grin-rod

Nguyên lý hoạt động của các cấu trúc cách tử như thể hiện trên hình vẽ 1.17a,b Trường hợp cách tử truyến tính kết hợp với các phần tử hội tụ, cấu hình theo kiểu Littrow như thể hiện trên hình vẽ 1.18a,b được sử dụng nhiều bởi vì cấu trúc của nó chỉ có một lăng kính và nó giảm tới mức tối thiểu tính lọan thị của hệ thống

Bộ tách ghép Littrow đặc trưng có cấu trúc sử dụng các lăng kính GRIN-rod 1/4 bước sóng, ở đây cách phần tử được đặt với một góc thích hợp tại đầu của lăng kính

Khối trong suốt

Hình 1.16 : Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc

giao thoa gắn trực tiếp vào sợi

Cách tử

Cách tử lòng chảo

Hình 1.17 : (a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cách tử nhiễu xạ Planar;

(b) Sơ đồ cấu trúc tự hội tụ sử dụng cách tử lòng chảo

2.4.2 Các thiết bị WDM ghép sợi

Như thảo luận ở trên các thiết bị vi quang đã được sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode, nhưng lại rất khó sử dụng cho sợi đơn mode bởi vì quá trình xử lý chùm ánh sáng phải trải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực, hội tụ, từ đó dẫn tới quang sai và các vấn đề trễ khác tạo ra suy hao tín hiệu quá lớn ở trong thiết

bị Hiện nay, các bộ ghép hướng sợi đã có sẵn, chúng tồn tại dưới dạng các bộ chia quang và kết hợp quang Các bộ ghép hướng sợi thường có bốn cửa với 3 cửa vào và

2 cửa ra Cấu trúc của chúng dựa trên cơ sở ghép hai trường ánh sáng phía ngoài lõi Các bộ ghép nối này có tính lựa chọn bước sóng ở trong nó, vì vậy nếu thiết kế cẩn thận các bộ ghép này thì hoàn toàn có thể sử dụng chúng để kết hợp hoặc tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau Hệ số ghép k có liên quan đến lượng ánh sáng đi qua lại từ sợi này đến sợi kia Chùm ánh sáng xuất hiện ở cả hai đầu sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố đó là khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ số chiết suất vật liệu ở giữa,

đường kính các lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng

Các bộ ghép hướng sợi đơn mode dùng cho WDM có thể ở hai dạng như thể hiện trên hình vẽ 1.19 Dạng thứ nhất là bộ ghép xoắn nóng chảy, có cấu trúc hai sợi xoắn vào nhau ở điều kiện đốt nóng để sao cho hai lõi đủ gần tới mức có thể ghép với nhau Dạng thứ hai là bộ ghép dựa trên cơ sở mài bóng khi các lõi của chúng gần như lộ ra Sau đó tiến hành ghép tiếp xúc vào nhau để tạo ra bộ ghép, dạng này gọi là bộ ghép khối

Trong trường hợp bộ ghép nóng chảy sợi xoắn, chu kỳ nửa bước sóng làm giảm chậm vì độ dài đoạn vuốt thon tăng lên, vì thế nên đưa ra cho thiết bị các bước sóng đã được tách Ví dụ như bộ ghép xoắn sợi nóng chảy 1300/1550 nm có độ dài

vuốt thon khoảng 20 nm, suy hao xen nhỏ hơn 0,05 dB và độ cách ly bước sóng tốt hơn - 30dB Bằng cách tăng độ dài vuốt thon tới vài trăm milimet sẽ giảm được chu

kỳ nửa bước sóng tới 2m hoặc ít hơn Nhưng nếu như vậy thì thiết bị sẽ khó thực hiện ghép băng hẹp được, bởi vì bộ ghép dài sẽ không ổn định, nhạy cảm với tác

động bên ngoài và dễ nhạy cảm phân cực Đối với bất kỳ bằng cách di chuyển các lõi sơi thích ứng với nhau, hoặc tạo ra các vật liệu có chỉ số chiết suất khác nhau ở giữa các khối Chúng thường có dáng to hơn bộ ghép xoắn sợi Băng thông của các

bộ ghép sợi như có dạng gần như hình sin làm hạn chế việc lựa chọn nguồn phát Rõ ràng rằng các LED không thể sử dụng trong bộ ghép đồng bộ đơn mode vì phổ của

nó rộng Như vậy, chỉ có các điốt Laser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng nếu như tránh được suy hao xen và xuyên kênh lớn Cho đến nay, chỉ có các bộ ghép đồng

bộ là được thảo luận xem xét, đây là các bộ ghép sợi sử dụng các sợi đồng nhất Các

bộ ghép sử dụng các sợi không đồng nhất gọi là bộ ghép không đồng bộ Các bộ ghép sợi chỉ có thể một lúc hoạt động được với hai bước sóng nếu như số kênh cần ghép lớn hơn hai thì phải xử lý bằng cấu hình rẽ nhánh Hình vẽ 1.20 thể hiện cấu trúc bộ ghép bốn kênh sử dụng ba thiết bị WDM sợi đơn mode

2.4.3 Cách tử dẫn sóng AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM

Nhìn lại suốt quá trình phát triển của WDM, ta thấy những tiến bộ vượt bậc

về mặt công nghệ trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị WDM Mới đầu chỉ là các

thiết bị tách /ghép kênh sử dụng lăng kính hoặc cách tử đơn giản với số kênh cho phép là bốn Đến nay, các sản phẩm thương mại của một số hãng chào mời với số kênh bước sóng là 80, trong phòng thí nghiệm người ta đã tiến hành ghép 170 bước sóng cho một tuyến WDM dung lượng 1 Tbit/s qua một sợi đơn mode chuẩn (SSMF) Khoảng cách kênh bước sóng, cũng vì thế đã giảm đi từ con số lúc đầu là

400 GHz nay chỉ còn 50 GHz

Một trong những ý tưởng để đạt được chi phí thấp nhất cho một chức năng quang là công nghệ vi mạch quang PLC (Planar Lighwave Circuit), giống như ý tưởng về IC, thực hiện tích hợp hàng loạt chức năng quang trên một đế, tạo ra một vi mạch quang Vi mạch quang bao gồm nhiều mạch quang (optical circuits) trên một

đế Silic, được sản xuất nhờ các công nghệ cực kỳ tiên tiến trong lĩnh vực công nghiệp quang bán dẫn Nhờ vậy rất nhiều các thành phần quang có thể được chế tạo

và tích hợp với nhau thành một chip có những chức năng quang hoàn chỉnh

Hình 1.21 chỉ ra quá trình chế tạo được sử dụng trong công nghiệp PLC Đầu tiên một lớp phủ có chiết suất ncl (cladding) được lắng đọng trên đế (kỹ thuật được

sử dụng trong công nghiệp bán dẫn); sau đó lắng đọng tiếp một lớp được gọi là lớp lõi (core) có chiết suất nco , thường nco nhở hơn 1% của ncl Sau đó lớp lõi này được

in mẫu theo kỹ thuật in quang lito; mẫu dẫn sóng (waveguide) được chế tạo trên lớp lõi đó bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, ví dụ trên hình 1.22 “vệt” waveguide được tạo

ra bằng kỹ thuật quang khắc; có thể tạo ra nhiều waveguide như vậy bằng việc phân

Hình 1.21 Các bước chế tạo AWG

bố hình học và tạo lớp hoặc sử dụng các kỹ thuật khắc khác nhau Sau cùng, một lớp cladding khác sẽ được phủ lên lớp có khắc các mẫu waveguide , lớp phủ trên cùng này cũng có chiết suất như lớp cladding dưới, có chiết suất ncl Để đánh giá sản phẩm, người ta căn cứ vào chỉ số hiệu dụng β (là hằng số truyền lan) của phần tử dẫn bước sóng waveguide Waveguide còn tồn tại một số những nhược điểm như: bề mặt quang khắc không phẳng; do sự dao động của nhiều chỉ số như chiết suất, độ sâu quang khắc

Từ một cấu trúc dẫn sóng waveguide như đề cập ở trên, có thể chế tạo được rất nhiều các vi mạch quang phức tạp với các chức năng khác nhau Các chức năng

đó có thể là: phần tử tách/ghép bước sóng; các coupler quang; phần tử chuyển mạch; các bộ suy giảm điều chỉnh được; các phần tử khuếch đại, hay bất cứ một phần tử cần thiết nào của một module như OADM hoặc các bộ bù tán sắc động (Dynamic Dispersion Compensator)

Hình 1.22 Cấu tạo của một waveguide trên nền đế Silic

Các sản phẩm AWG thương mại có thể xử lý tới 40 bước sóng với khoảng cách giữa chúng là 100 GHz hoặc 50 GHz Một ưu thế của AWG là suy hao xen của nó không tăng tuyến tính theo số kênh bước sóng giống như hiện tượng đã xảy ra đối với các bộ tách/ghép sử dụng bộ lọc màng mỏng hay dùng cách tử Bragg Tại thời

điểm hiện nay, AWG đang là giải pháp tốt nhất cho các sản phẩm WDM mật độ kênh cao

Từ sơ đồ hoạt động của AWG ở trên, tín hiệu quang được dẫn bởi các phần tử dẫn sóng “waveguide” (1) tới vùng thấu kính “lens region” (2), các thấu kính trong

Hình 1.24 Cấu tạo và hoạt động của một AWG Hình 1.23 Các phần tử cơ bản của một AWG

vùng 2 này thực hiện chia công suất quang và đưa vào vùng ma trận cách tử

“grating array” (3) Mỗi waveguide trong miền grating array có sai lệnh về độ dài một khoảng chính xác ∆L so với các waveguide lân cận Do đó, tín hiệu quang trong mỗi waveguide sẽ cực đại tại mỗi thời điểm trễ pha khác nhau tại đầu ra (4) Gọi ∆Φ là độ trễ pha của tín hiệu, ta có:

Bình thường dạng của bộ lọc băng thông của AWG thay đổi theo bước sóng làm việc, điều này có thể hiệu chỉnh bởi việc thiết kế các waveguide tại đầu ra và

đầu vào của AWG Hai dạng phổ của biến của bộ lọc thông của AWG được vẽ trên hình 1.25 dạng đầu là dạng thông thường hay còn gọi là dạng bộ lọc thông dải Gaussian, dạng này cho suy hao xen của AWG thấp, xong nó lại đòi hỏi phổ của Laser nguồn thật hẹp và ổn định tránh ra khỏi đỉnh của phổ Hơn nữa với các ứng dụng mà tín hiệu phải qua nhiều AWG như thiết bị OADM chẳng hạn thì hiệu ứng nhân nhiều lần chức năng của bộ lọc làm giảm giải thông đi rất nhiều Một ví dụ về phổ tín hiệu sau khi qua AWG với bộ lọc Gaussian được trình bày trên hình 1.26

Hình 1.25 Dạng băng thông của AWG

AWG dạng Flat-top Gaussian

Dạng phổ lọc thứ hai của AWG là loại “flat-top” có phổ rộng và phẳng hơn ( dải bước sóng làm việc rộng ra ) Với AWG có phổ vùng bước sóng công tác như vậy thì suy hao xen đối với mọi bước sóng trong dải sẽ như nhau nên Laser nguồn lúc này có thể có dung sai lớn hơn tại bước sóng làm việc, vả lại hiệu ứng nhân bộ lọc cũng không gây ảnh hưởng như đối với trường hợp bộ lọc dạng Gaussian Tuy nhiên suy hao xen của AWG băng flat-top này thường cao hơn mức suy hao xen của AWG băng Gaussian khoảng 2 đến 3 dB Hình 1.27 cho thấy phổ của 16 bước sóng với khoảng cách kênh 100 GHz được ghép bởi AWG loại flat-top

Hình 1.26 AWG và băng thông dạng Flat-Top

Hình 1.27 AWG và băng thông dạng Gaussian

+ Bản chất suy hao và xuyên kênh đối với AWG

Cũng giống như mọi thiết bị lọc tách - ghép bước sóng khác đã được đề cập, AWG tách - ghép không thể hoàn toàn lý tưởng , có thể thấy rõ điều này qua hai ẩnh phổ ở trên Nếu khoảng cách kênh quá hẹp sẽ gây xuyên âm, phổ tín hiệu từ kênh quang này sẽ lấn sang phổ của kênh lân cận Càng ở mức công suất thấp thì phổ của kênh càng rộng ra tạo nên vùng nhiễu nền, một số các tham số đánh giá chất lượng của AWG là: suy hao xen, dải bước sóng làm việc, khoảng cách kênh giũa các bước sóng, độ gợn sóng, tán sắc và các hiệu ứng phân cực (suy hao phụ thuộc phân cực PDL và tán sắc phân cực PMD) Tất cả các tham số trên phải được tính toán tối ưu cả khi thiết kế AWG và trong quá trình sản xuất

Trên hình 1.28 trình bày sơ đồ tính toán độ cách ly Isolation và xuyên âm (crosstalk) trong một AWG Đôi khi hai khái niệm này có thể đổi lẫn cho nhau nhưng độ cách ly thường được dùng để chỉ hiệu giữa công suất tín hiệu và mức nhiễu trong dải làm việc của AWG, trong khi đó xuyên âm là tổng công suất nhiễu trong toàn dải làm việc đó, nó liên quan đến mức công suất vào AWG hay nói cách khác xuyên âm bao gồm cả suy hao của thiết bị, còn Isolation là mức công suất tại

đỉnh trong dải làm việc, Isolation đôi khi được đánh giá giữa hai kênh kề nhau hoặc giữa hai kênh không kề nhau nó phụ thuộc vào mức nhiễu đem so sánh bắt nguồn từ kênh nào Xuyên âm giữa hai kênh kề nhau phụ thuộc vào hình dạng phổ của đỉnh kênh bước sóng, trong khi xuyên âm giữa các kênh không kề nhau phụ thuộc vào mức nhiễu nền, hai loại xuyên âm này có nguồn gốc khác nhau Tuy nhiên từ quan

điểm thiết kế hệ thống người ta quan tâm nhiều đến một tham số quan trọng khác đó

là tổng mức xuyên âm tích luỹ từ tất cả các kênh bước sóng, nó cho biết tổng mức nhiễu NF mà người thiết kế hệ thống phải tính đến và khi đánh giá thiết bị trường hợp xấu nhất phải được thử nghiệm Tổng Isolation tích luỹ là tổng isolation xấu

Hình 1.28 AWG và băng thông dạng Flat-top

nhất của tất cả các kênh tại bước sóng tồi nhất trong dải làm việc và tại trường hợp phân cực xấu nhất, nó cho biết NF lớn nhất mà thiết bị có thể gặp phải, giá trị NF xấu nhất này phải được loại trừ trong khai thác bằng cách nào đó.Để khống chế và cải thiện NF cần phải hiểu bản chất của vấn đề nhiễu và xuyên âm gây ra bởi hiện tượng tán xạ ánh sáng do cấu trúc và các thông số của AWG chưa hoàn hảo Sự không hoàn hảo này gây ra sự sai lệch về pha của tín hiệu quang cực đại trong waveguide grating làm cho các tín hiệu quan bước sóng waveguide thích hợp, những

sự sai pha này có thể bị gây ra bởi sự biến thiên các chỉ số hiệu dụng do những thay

đổi bất thường của hệ số tán xạ hoặc những thay đổi bất thường của kích thước waveguide grating

Hình 1.29 trình bày một ví dụ về kết quả tính toán hàm của bộ lọc của kênh của AWG khi có sự sai pha khác nhau xảy ra Phổ phía trên cùng bên trái là phổ của kênh đang xét khi các chỉ số của waveguide hoàn hảo Phổ truyền dẫn của kênh này rất hẹp và giảm xuống hai bên sườn tạo nên nền nhiễu rất thấp nếu có nhiều kênhh như vậy ảnh trên cùng bên phải cho thấy phổ của kênh khi có sự sai pha ngẫu nhiên trong waveguide grating, mức nhiễu nền nay đã ở mức - 30 dB loại sai pha này được xét đến đối với các kênh không kề nhau, hai ảnh phổ phía dưới được xét với sai pha

có chu kỳ trong trường hợp này mức nhiễu nền thì thấp song phổ của kênh bị rộng ra

đay là ví dụ cho xuyên kênh kề nhau

Hình 1.29 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của sai pha ngẫu nhiên và tương quan lên xuyên kênh

Phần II Khuếch đại quang sợi pha erbium

( EDFA)

Chương I Tổng quan

Khuếch đại quang trong sợi pha tạp đất hiếm (Rare-earth-doped Fiber Amplifer) là một thành tựu lớn của công nghệ thông tin quang trong những năm cuối thế kỷ XX Có thể nói rằng chưa có một công nghệ nào được ứng dụng vào thực tiễn nhanh như khuếch đại quang pha tạp Er+3 ( Erbrium Doped Fiber Amplifier

- EDFA ): Năm 1987 thành công trong việc chế tạo sợi quang pha tạp Erbrium và các kết quả đầu tiên về khuếch đại quang tại bước sóng 1550nm khi bơm bằng laser Argon thì năm 1992 đã đưa vào sử dụng trong hệ thống thông tin quang đường dài

Đến nay các bộ khuếch đại quang EDFA đã sử dụng hết sức rộng rãi trong mạng truyền thông cáp quang và đặc biệt trong các hệ thống thông tin quang đa bước sóng WDM Trong những năm gần đây, công nghệ WDM đã có đột phá rất lớn, hệ thống thương phẩm mới có trình độ cao không ngừng xuất hiện Hệ thống ghép kênh bước sóng thương phẩm đã đạt được tốc độ 40x10 Gbit/s Sở dĩ công nghệ WDM phát triển nhanh chóng vì việc nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại quang trộn Erbium đã thành công và được ứng dụng Khuếch đại quang sợi EDFA có băng tần khá rộng,

có thể khuếch đại đồng thời hàng trăm bước sóng trong dải 1525-1600nm Cho đến nay, hầu hết tất cả các hệ thống WDM, dù là hệ thống thử nghiệm hay hệ thống thương phẩm đều sử dụng bộ khuếch đại quang sợi

Cho đến nay, các bộ khuếch đại quang được nghiên cứu, phát triển gồm:

•••• Bộ khuếch đại Laser - SLA

•••• Bộ khuếch đại Raman - FRA

•••• Bộ khuếch đại Brillouin - RBA

•••• Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium - EDFA

Mạng viễn thông Việt Nam hiện nay hoàn toàn sử dụng loại khuếch đại sợi quang có pha tạp chất đất hiếm Erbium (Erbium-Doped Fiber Amplifier - EDFA) bởi vì nó có các ưu điểm nổi bật như sau:



 EDFA có hệ số khuếch đại quang cao (cỡ 20 - 30dB), ổn định Công suất lối ra lớn (P > 30mw) với mức ồn nhỏ, hoạt động tại cửa sổ quang thứ ba (1530 nm-1565nm)



 EDFA dễ hàn nối với sợi quang truyền dẫn thông thường và hệ số khuếch đại quang không bị ảnh hưởng bởi độ phân cực tín hiệu Trạng thái bão hoà trong EDFA xảy ra chậm cho nên EDFA không gây ra hiện tượng xuyên kênh giữa các kênh ghép theo bước sóng và làm méo dạng xung ở các hệ thống tốc độ cao Do

đó, EDFA thường được sử dụng cho hệ thống thông tin cáp biển để giảm chi phí cho thiết kế, lắp đặt trạm lặp, bảo dưỡng sửa chữa

Sử dụng EDFA làm tăng dung lượng thông tin, tăng khoảng cách truyền dẫn giữa các trạm lặp, giảm giá thành, nâng cao chất lượng truyền dẫn mạng thông tin quốc gia và hạ giá cước dịch vụ viễn thông

Chương II khuếch đại quang sợi pha Erbium

2.1 Cơ sở nền tảng của EDFA

Trong thời gian gần đây, nhờ những tiến bộ vượt bậc của công nghệ, nên đã chế tạo được các bộ khuếch đại quang sợi EDFA băng rộng để ứng dụng trong các

hệ thống thông tin quang dung lượng cao Giải pháp mở rộng dải băng EDFA ban

đầu là sử dụng các bộ lọc cân bằng độ khuếch đại Sau đó lại dựa trên cơ sở cấu trúc hai băng gồm các phần khuếch đại đối với dải băng C và dải băng L, do đó đã thu

được dải rộng băng kép Như đã biết, EDFA có khả năng cung cấp độ khuếch đại cao, công suất cao, hệ số nhiễu thấp và quan trọng hơn nữa là tất cả các kênh tín hiệu quang để có thể được khuếch đại đồng thời Vì vậy, EDFA cho phép khả năng ứng dụng hiệu quả đối với hệ thống thông tin quang ghép bước sóng (WDM) Ngày nay, các thành phần Erbium (EDF), các Laser bơm bán dẫn, các thành phần thụ

động và các công nghệ hàn cũng như kỹ thuật lắp ráp Do đó, các bộ khuếch đại quang và công nghệ WDM đã gia tăng hiệu quả chi phí theo nghĩa dung lượng truyền dẫn tăng lên, nâng cao chức năng mạng và tính linh hoạt trong vận hành Như vậy, bộ khuếch đại quang sợi EDFA ứng dụng trong các hệ thống thông tin quang WDM được chọn là đối tượng nghiên cứu chủ yếu trong luận án

EDFA là một đoạn sợi quang ngắn có lõi được pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium Trong các sản phẩm thương mại của một số hãng cung cấp thiết bị lớn trên thế giới như Nortel, Lucent và Fujitsu thì bộ khuếch đại quang được tích hợp trên một card giúp cho quá trình thay thế, sửa chữa thuận tiện và linh hoạt

2.1.1 Quy luật chi phối các tương tác Phôtôn- nguyên tử

Theo lý thuyết nguyên tử, một nguyên tử có thể bức xạ (tạo ra) hoặc hấp thụ (tiêu huỷ) một Photon nhờ trải qua các chuyển dịch hướng xuống hoặc hướng lên giữa các mức năng lượng của nó Trong đó quan tâm đặc biệt tới sự tương tác giữa nguyên tử và các Photon của mode bức xạ xác định có tần số ν ≈ ν0 ở đây hν0 = E2 -

E1, vì các Photon có năng lượng này phù hợp với chênh lệch mức năng lượng nguyên tử Những tương tác như vậy thường nghiên cứu bằng cách sử dụng mô hình

điện động lực lượng tử Ba dạng tương tác có thể xảy ra là : bức xạ tự phát, hấp thụ

và bức xạ cưỡng bức

• Bức xạ tự phát:

Nếu nguyên tử ban đầu ở mức năng lượng cao, nó có thể tự phát giảm xuống tới mức năng lượng thấp hơn và giải phóng ra năng lượng dưới dạng Photon Năng lượng Photon hν sẽ thêm vào năng lượng của mode điện từ trường Quá trình này gọi là bức xạ tự phát, bởi vì chuyển dịch không phụ thuộc vào số lượng Photon Trong lỗ hổng khối lượng V, mật độ xác suất (trên giây), hoặc tốc độ chuyển dịch tự phát phụ thuộc vào ν như sau:

Hàm σ(ν) là một hàm hẹp của ν đựoc tập trung về tần số cộng hưởng ν0 , đó

là phần chồng lấn chuyển dịch σ(ν) có thể tính toán từ phương trình Schrodinger, những tính toán thường rất phức tạp, tuy nhiên, σ(ν) thường xác định bằng thực nghiệm Phương trình (2.4) ứng dụng riêng với mỗi mode có thể có cùng tần số ν Thuật ngữ " mật độ xác suất" có nghĩa là khả năng bức xạ trong khoảng thời gian t

t sp

N t N

ρ

= (0))

( phân rã theo hàm mũ với hằng số thời gian

ρ1spnhư minh hoạ trên hình 2.2

Hình 2.1c: Bức xạ cưỡng bức là quá trình ở đó một Photon hνννν kích thích nguyên tử phát xạ Photon vô tính vì nó trải qua chuyển tiếp hướng xuống

) (νσ

ρ V c

Tuy nhiên, nếu có n Photon trong mode, thì mật độ xác suất mà ở đó nguyên

tử hấp thụ một Photon sẽ lớn hơn gấp n lần ( bởi vì các khả năng xảy ra loại trừ lẫn nhau), nghĩa là:

) (νσ

V

c n