Giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn của hệ thống thông tin quang sử dụng kết hợp WDM và EDFA

Trong chương này tập trung vào việcnghiên cứu các đặc điểm của bộ khuếch đại quang sợi kích thích đất hiếmEDFA. Chương 3 : Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang sửdụng

MỤC LỤC

NHI M V Đ ÁNỆ Ụ Ồ i

L I C M NỜ Ả Ơ ii

L I CAM ĐOANỜ iii

DANH M C HÌNH VẼỤ iv

DANH M C B NG BI UỤ Ả Ể vii

M C L CỤ Ụ viii

L I NÓI Đ UỜ Ầ 1

CHƯƠNG I: T NG QUAN V H TH NG WDMỔ Ề Ệ Ố 3

1.1 Gi i thi uớ ệ 3

1.2 Nguyên lý ghép kênh theo b c sóng quang (WDM)ướ 5

1.2.1 Đ nh nghĩaị 5

1.2.2 S đ ch c năngơ ồ ứ 5

1.2.3 Phân lo iạ 6

1.2.3.1 Truy n d n hai chi u trên hai s iề ẫ ề ợ 6

1.2.3.2 Truy n d n hai chi u trên m t s iề ẫ ề ộ ợ 7

1.2.4 L i ITUướ 7

1.3 M t s v n đ kỹ thu t c b n trong WDMộ ố ấ ề ậ ơ ả 8

1.3.1 Suy hao công su t và v n đ quỹ công su tấ ấ ề ấ 8

1.3.2 Tán s cắ 9

1.4 Các thông s đ c tr ng c a WDMố ặ ư ủ 10

1.4.1 Suy hao xen 11

1.4.2 Xuyên kênh 11

1.4.3 Đ r ng kênhộ ộ 12

1.5 Đ c đi m c a WDMặ ể ủ 13

1.5.1 u đi mƯ ể 13

1.5.2 Nh c đi mượ ể 13

1.5.3 ng d ngỨ ụ 13

CHƯƠNG 2: T NG QUAN V EDFAỔ Ề 14

2.1 Gi i thi u chung v b khu ch đ i quangớ ệ ề ộ ế ạ 14

2.1.1 Gi i thi u chungớ ệ 14

2.1.2 Nguyên lý khu ch đ i quangế ạ 15

2.1.3 Phân lo i khu ch đ i quangạ ế ạ 16

2.2 B khu ch đ i s i quang pha tr n ERBIUM (EDFA)ộ ế ạ ợ ộ 17

2.2.1 Các c u trúc EDFAấ 17

2.2.2 Lý thuy t khu ch đ i EDFAế ế ạ 18

2.2.2.1 Gi n đ phân b năng l ng c a Erả ồ ố ượ ủ 3+ 18

2.2.2.2 Nguyên lý ho t đ ng c a EDFAạ ộ ủ 20

2.2.3 Yêu c u đ i v i ngu n b mầ ố ớ ồ ơ 22

2.2.3.1 Đ i v i b c sóng b mố ớ ướ ơ 22

2.2.3.2 Công su t b mấ ơ 22

2.2.3.3 H ng b mướ ơ 22

2.2.4 Các thông s đ c tr ng c a EDFAố ặ ư ủ 22

2.2.4.1 Đ tăng íchộ 22

2.2.4.2 Ph tăng ích c a b khu ch đ iổ ủ ộ ế ạ 23

2.2.4.3 Nhi uễ 24

2.2.4.4 M c nhi u NFứ ễ 25

2.2.5 Đ c đi m c a EDFAặ ể ủ 25

2.2.5.1 u đi mƯ ể 25

2.2.5.2 Nh c đi mượ ể 26

2.3 ng d ng c a EDFA trong thông tin quang hi n nayỨ ụ ủ ệ 26

CHƯƠNG 3: GI I PHÁP NÂNG CAO CH T LẢ Ấ ƯỢNG H TH NG THÔNG TINỆ Ố QUANG S D NG K T H P WDM VÀ EDFAỬ Ụ Ế Ợ 27

3.1 Các v n đ g p ph i khi k t h p WDM và EDFAấ ề ặ ả ế ợ 27

3.1.1 Ph tăng ích không đ u gi a các kênh.ổ ề ữ 28

3.1.2 Kho ng cách kênh và phân b kênh trong d i t n EDFAả ổ ả ầ 29

3.1.3 V n đ băng t n h n ch c a EDFAấ ề ầ ạ ế ủ 30

3.1.4 V n đ nh h ng c a các hi u ng phi tuy n d n t i tăng xuyênấ ề ả ưở ủ ệ ứ ế ẫ ớ

âm 31

3.2 Gi i quy t v n đ ph tăng ích không đ u c a EDFAả ế ấ ề ổ ề ủ 31

3.2.1 Dùng b l c san ph ng ph tăng ích cho EDFAộ ọ ẳ ổ 31

3.2.2 Đi u khi n công su t phát đ t o ra đ c tính tăng ích b ng ph ngề ể ấ ể ạ ặ ằ ẳ cho h th ng WDM s d ng EDFAệ ố ử ụ 36

3.3 Gi i quy t v n đ băng t n h n ch , kho ng cách và phân b kênhả ế ấ ề ầ ạ ế ả ổ c a EDFAủ 37

3.3.1 M r ng băng t n b ng b khu ch đ i hai t ng băng C và băng Lở ộ ầ ằ ộ ế ạ ầ .38

3.3.2 M r ng băng t n EDFA b ng s i Telluriteở ộ ầ ằ ợ 40

CHƯƠNG 4: K T QU MÔ PH NGẾ Ả Ỏ 42

4.1 T ng quan v ph n m m OptiSystemổ ề ầ ề 42

4.1.1 L i íchợ 42

4.1.2 ng d ngỨ ụ 43

4.2 Đ c đi m và ch c năngặ ể ứ 43

4.2.1 C u t o th vi n (Component Library)ấ ạ ư ệ 43

4.2.2 Tích h p v i các công c ph n m m Optiwaveợ ớ ụ ầ ề 44

4.2.3 Hi n th các công cể ị ụ 45

4.3 Tóm t t h ng d n s d ng ph n m m OptiSystemắ ướ ẫ ử ụ ầ ề 45

4.3.1 Yêu c u chungầ 45

4.3.1.1 Yêu c u ph n c ng và ph n m mầ ầ ứ ầ ề 45

4.3.1.2 Cài đ t:ặ 47

4.3.2 H ng d n s d ng ph n m m OptiSystemướ ẫ ử ụ ầ ề 48

4.3.3 T o m t d án m iạ ộ ự ớ 51

4.3.4 Hi n th và thay đ i tham s c a các ph n t trong d ánể ị ổ ố ủ ầ ử ự 52

4.3.5 Mô ph ngỏ 56

4.3.5.1 Ch y mô ph ngạ ỏ 56

4.3.5.2 Hi n th k t qu mô ph ngể ị ế ả ỏ 58

4.4 Mô ph ng th c tỏ ự ế 58

4.4.1 H th ng WDM khi ch a k t h p b khu ch đ i EDFAệ ố ư ế ợ ộ ế ạ 58

4.4.2 H th ng WDM khi k t h p b khu ch đ i EDFAệ ố ế ợ ộ ế ạ 62

K T LU NẾ Ậ 65

PH L CỤ Ụ 66

THU T NG VI T T TẬ Ữ Ế Ắ 66

TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 67

NH N XÉTẬ 68

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm đầu của thập kỷ 90 của thế kỷ 20 thông tin quang đã dầntrở thành nền tảng của các mạng viễn thông của các quốc gia và là cơ sở chínhcho các mạng viễn thông xuyên quốc gia Ngày nay, các sợi quang trên bờ vàdưới biển đã chuyền tải trên 85% tổng dung lượng thông tin mà chúng ta tạo ra

Sở dĩ thông tin quang có được các bước cải tiến quan trọng như vậy là do sự pháttriển của các cơ sở kỹ thuật sau:

 Cơ sở của các thiết bị bán dẫn đã được nghiên cứu chế tạo ra các phần tửtrong các mạng quang mà quan trọng nhất là việc tạo ra các sợi quang cósuy hao thấp và tán sắc nhỏ và cửa sổ truyền dẫn lớn đã tạo ra sự hấp dẫncủa truyền thông tin băng sợi quang

 Cơ sở lý thuyết sóng điện từ và các cơ sở toán học đã được dùng để phântích sự lan truyền sóng trong sợi quang Việc phân tích dựa trên các cơ sởnày đã chỉ ra tiềm năng to lớn của các hệ thống thông tin quang và cũng là

cơ sở để tạo ra các công nghệ khách nhau trong thông tin quang

Sự phát triển mạnh mẽ trong thông tin quang đã thúc đẩy việc sáng tạo rarất nhiều kỹ thuật mới và các công nghệ mới Trong các công nghệ đó, thì côngnghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và công nghệ khuếch đại quangsợi (EDFA) được quan tâm nhất Các công nghệ này góp phần nâng cao năng lựccủa hệ thống thông tin quang Công nghệ WDM nâng cao dung lượng truyền dẫnthông tin của cáp quang Còn công nghệ khuếch đại quang sợi nhằm kéo dàikhoảng cách truyền dẫn của sợi quang Hai công nghệ WDM và khuếch đạiquang sợi chính là mục tiêu nghiên cứu của đồ án này

Mục đích của đồ án là nghiên cứu các giải pháp cho việc áp dụng đồng thờihai công nghệ trên vào các hệ thống thông tin quang Để trình bày được vấn đề

đó đồ án được bố cục thành bốn chương như sau:

 Chương 1 : Tổng quan về hệ thống WDM Trong chương này nghiên cứucác đặc điểm của công nghệ WDM, các yếu cầu chính (ví dụ yêu cầu vềbăng thông khoảng cách kênh…) và các nhược điểm cần khắc phục củaWDM (nhiều phi tuyến, xuyên âm…)

 Chương 2 : Tổng quan về EDFA Trong chương này tập trung vào việcnghiên cứu các đặc điểm của bộ khuếch đại quang sợi kích thích đất hiếmEDFA.

 Chương 3 : Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang sửdụng kết hợp WDM và EDFA Chương này chỉ ra các giải pháp cho vấn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM 1.1 Giới thiệu

Trong hệ thống thông tin quang bình thường sẽ có một luồng tín hiệu quangtruyền trên một sợi cho một hướng thông tin và để có chiều ngược lại thì cần cómột luồng tín hiệu quang trên sợi thứ hai Hệ thống như vậy được gọi là hệ thốngmột kênh quang (hay còn gọi là hệ thống đơn kênh quang) Trong vài năm trở lạiđây, công nghệ thông tin quang đã đạt được nhiều tiến bộ đáng chú ý và tạo racác hệ thống thông tin quang hiện đại với dung lượng cao và cự ly xa Nổi bậtnhất là các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang Trong hệthống này, cùng một lúc truyền nhiều luồng tín hiệu quang trên một sợi nhằmmục tiêu tăng dung lượng kênh truyền dẫn Các hệ thống này được gọi là hệthống thông tin quang nhiều kênh quang (hay hệ thống đa kênh quang) và để đơngiản còn gọi là hệ thống thông tin quang nhiều kênh

Trong thực tế của hệ thống đơn kênh, khi tốc độ đường truyền đạt đến mộtmức độ nào đó người ta thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng caotốc độ cũng như kéo dài cự ly truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s,khoảng cách truyền dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảmbảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giảipháp trên tuyến truyền dẫn trở nên tốn kém vì cấu trúc hệ thống quá phức tạp đòihỏi công nghệ rất cao Do đó, kỹ thuật ghép kênh quang đã ra đời nhằm khắcphục được những hạn chế trên Các phần tử quang trong hệ thống thiết bị sẽ đóngvai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị tríxung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh Kỹ thuật ghép kênh quang còntận dụng được phổ hẹp của laser, phát huy khả năng sử dụng băng tần rất lớn củasợi quang đơn mode, tạo ra các cấu trúc hệ thống và mạng thông tin quang hếtsức linh hoạt nhằm giúp cho mạng lưới viễn thông có những đóng góp to lớn chohiện tại và tương lai Các hệ thống thông tin quang nhiều kênh cũng đóng vai tòchủ đạo trong mạng truyền tải của mạng thế hệ sau NGN (Next GenerationNetworks)

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợiquang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phíathu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệukhác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng

sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải

sử dụng thêm sợi quang Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM sẽ chophép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền vàcũng dùng thêm sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền các luồng ánh sáng với cácbước sóng khác nhau trên cùng một sợi Lý do là ở chỗ, các nguồn phát có độrộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng phầnrất nhỏ băng tần truyền dẫn sẵn có Với hệ thống mạng như vậy, dải phổ của tínhiệu quang truyền dẫn qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyềndẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình 1.1):

Hình 1.1: Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang

Một ý tưởng hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiềutín hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng mộtsợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời từ ý tưởngnày

1.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)

1.2.1 Định nghĩa

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) làcông nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng khác nhauđược tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu

tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vàocác đầu cuối khác nhau

1.2.2 Sơ đồ chức năng

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh họa như ở hình1.2 giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở cácbước sóng khác nhau λ1, λ2,…, λn Các tín hiệu quang được phát ra ở các bướcsóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang Các tín hiệu có bướcsóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh quang, bộ ghépbước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ Tín hiệu quang sau khi được ghép sẽtruyền đồng thời dọc theo sợi để tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau

ở phía thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khichúng qua bộ giải ghép kênh bước sóng

 Ghép/tách tín hiệu: ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sángkhác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợiquang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành cácluồng ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Khi xét đến các bộ tách ghépWDM ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tầncủa các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, tính đồng đều của kênh,suy hao xen, suy phân phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa…

 Truyền dẫn tín hiệu: quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sựảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến,vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu… Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rấtnhiều vào yếu tố sợi quang(loại sợi quang, chất lượng sợi…)

 Khuếch đại tín hiệu: hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếchđại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đạiRaman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có 3 chế độ khuếch đại:khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại

 Thu tín hiệu: thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộtách sóng quang như trong các hệ thống thông tin quang thông thường: PIN,APD

1.2.3 Phân loại

1.2.3.1 Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùngtrên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầu phát cáctín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ1, λ2,…, λn thôngqua bộ ghép kênh tổng hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợiquang Vì các tín hiệu được mang thông tin qua các bước sóng khác nhau, do đó

sẽ không lẫn lộn Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóngkhác nhau hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh Ở chiều ngược lạitruyền dẫn qua một sợi quang khác nguyên lý giống như trên.

Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang

1.2.3.2 Truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi các kênhquang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2,…, λn qua bộ ghép/tách kênh được tổnghợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng về cácbước sóng λn+1, λn+2,…, λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 1.4).Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công)

Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang

1.2.4 Lưới ITU

Khi chuẩn hóa bước sóng, vấn đề cần xem xét đầu tiên là khoảng cách giữacác kênh phải dựa theo tần số hay bước sóng Khoảng cách tần số bằng nhau sẽlàm cho khoảng cách bước sóng hơi khác nhau Không có một tiêu chuẩn kỹthuật nào được ưu tiên để lựa chọn trong trường hợp này Trong khuyến cáoITU– G692 các kênh cách nhau một khoảng 50GHz (tương đương với khoảng

cách bước sóng là 0,4nm) với tần số trung tâm danh định là 193,1THz(1552,52nm) Tần số này ở gữa giải thông của sợi quang 1,55μm và bộ khuếchđại quang sợi EDFA (xem hình 1.4) Khoảng cách này phù hợp với khả năngphân giải của các bộ MUX/DEMUX, Khi công nghệ hoàn thiện hơn khoảngcách này sẽ phải giảm đi.

Một vấn đề khác khó khăn hơn là việc chọn lựa một bước sóng tiêu chuẩnđảm bảo cho các hệ thống cho 4, 8, 16, 32 bước sóng hoạt động tương thích vớinhau bởi vì các nhà sản xuất đều có các cấu hình kênh tối ưu riêng và các kếhoạch nâng cấp hệ thống từ ít kênh lên nhiều kênh khác nhau ITU đã chuẩn hóa(ITU – G959) bộ 16 bước sóng từ tần số 192.1 THz, rộng 200GHz mỗi bên giaodiện đa kênh giữa các thiết bị WDM

Cuối cùng là phải lưu ý không chỉ đảm bảo các tần số trung tâm mà cònphải đảm bảo độ lệch tần số tối đa cho phép Đối với ∆ f ≥ 200GHz, ITU quyđịnh độ lệch tần số là không vượt quá ± ∆ f/ 5 GHz Với ∆ f= 50GHz và ∆ f=100GHz thì đến thời điểm này ITU vẫn chưa chuẩn hóa

Hình 1.5: Lưới bước sóng theo ITU

1.3 Một số vấn đề kỹ thuật cơ bản trong WDM

1.3.1 Suy hao công suất và vấn đề quỹ công suất

Trong thiết kế các thông tin quang, suy hao là một tham số rất quan trọngquyết định khoảng cách truyền dẫn giữa hai phần tử trạm lặp (hoặc bộ khuếchđại) Có rất nhiều nguyên nhân gây ra suy hao công suất quang trên tuyến truyềndẫn nhưng ta có thể xem xét dưới hai góc độ do bản chất nội tại của sợi quang và

do các nguyên nhân bên ngoài (ví dụ như: do việc nối các sợi quang, do uốn congsợi )

Các suy hao do các nguyên nhân từ bên ngoài thì trên các tuyến cụ thể mới

có thể xác định được chi tiết Do vậy, ta chỉ xem xét suy hao ở góc độ do cácnguyên nhân nội tại Các suy hao do bản chất của sợi quang thì có các nguyênnhân chính sau đây: suy hao do hấp thụ tín hiệu trong sợi (bao gồm: hấp thụ củacác tạp chất, hấp thụ của các vật liệu làm sợi quang và hấp thụ điện tử) và suyhao do tán xạ

Để đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiều người ta đưa ra một giới hạn trên củatổng suy hao công suất cho phép Giới hạn đó được gọi là quỹ công suất của hệthống thông tin:

Ppb(dB) = Ptx(dB) – Prx(dB) (1.1)Trong đó Ptx, Prx: Là công suất phát và công suất thu nhỏ nhất

Quan hệ giữa quỹ công suất và tổng các suy hao công suất thể hiện như sau:

Trong đó:

αsoi, L: suy hao tổng do bản chất của sợi và độ dài của sợi

αnoi, N: suy hao do mối nối và số mối nối

αkhac: các suy hao khác

Với các hệ thống thống thông tin quang khác nhau thì quỹ công suất có cácphần phụ thêm khác nhau Trong hệ thống WDM thì ngoài các suy hao do sợi vàmối nối thì quỹ công suất quang còn có các thành phần phạt công suất của các tínhiệu ứng phi tuyến trên và phạt công suất của các bộ ghép, tách kênh

1.3.2 Tán sắc

Tán sắc là sự giãn xung của tín hiệu theo bước sóng có đơn vị là ps/nm km.Tán sắc bao gồm hai dạng là tán sắc trong một mode và tán sắc giữa các mode(tán sắc mode) Tán sắc mode tồn tại trên cơ sở đa mode vì các mode trong sợi sẽlan truyền theo các đường đi khác nhau làm cho cự ly đường đi cũng khác nhau

và do đó có thời gian lan truyền khác nhau Các sợi đơn mode không có tán sắcmode

Tán sắc bên trong mode bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng Tánsắc vật liệu là do chỉ số chiết suất trong sợi quang thay đổi theo bước sóng dẫntới các bước sóng khác nhau có vận tốc lan truyền khác nhau, và vì vậy gây ra trễnhóm các mode từ đó gây ra tán sắc Tán sắc ống dẫn đến sóng là do sợi modechỉ lan truyền 80% năng lượng của tín hiệu quang trong lõi còn 20% năng lượngcủa tín hiệu lan truyền ở ngoài vỏ Mà chiết suất của lõi và vỏ lại khác nhau do

đó khi tới đầu thu thì hai phần năng lượng này có trễ thời gian khác nhau dẫn tớitán sắc

Tán sắc là hạn chế lớn đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ cao hoặc

có cự ly truyền dẫn lớn Tuy nhiên, với cự ly truyền dẫn lớn thì suy hao là vấn đềkhó khăn nhất, khi vấn đề suy hao công suất được giải quyết (tức là khoảng cáchtruyền dẫn lớn) thì vấn đề tán sắc bắt đầu có tác động lớn tới hệ thống Với hệthống WDM thông thường thì ta không cần phải tăng tốc độ của các xung ánhsáng mà vẫn có thể tăng dung lượng của hệ thống Vì thế ở một khía cạnh nào đóWDM có thể được coi là hệ thống không phụ thuộc vào tán sắc mà chủ yếu phụthuộc vào suy hao của sợi

1.4 Các thông số đặc trưng của WDM

Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các cán bộ ghép/tách hỗn hợp làsuy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh Đề đơn giản, ta hãy phân biệt ra thànhcác thiết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bịhai hướng (bộ ghép/tách kênh hỗn hợp) Các kỹ hiệu I(λk) và O(λk) tương ứng làcác tín hiệu được ghép đang có mặt ở đường chung Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầuvào được ghép vào của thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn quang thứ k Kýhiệu Oi(λi) là tín hiệu có bước sóng λi đã được tách và đo ra cửa thứ i Nhìnchung, các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài

độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là khôngđáng lưu tâm ở đầu phát Bây giờ ta xem xét các thông số:

1.4.1 Suy hao xen

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyếntruyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị truyền dẫn quang WDM Suy hao

này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao

do bản thân thiết bị ghép gây ra Suy hao xen được diễn giải tương tự như suyhao đối với bộ ghép Coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở WDM là xét cho mộtbước sóng đặc trưng:

Di(λk) = -10log [Ui(λk)/I(λi)] (1-5)

Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 1.6a) thì Ui(λk) là lượng tínhiệu không mong muốn ở bước sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, màđúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi.Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ởhình 1.6b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách

Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh “Xuyên kênh đầu ra” là

do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền sinh ra ví dụ như I(λk) sinh raUi(λk) “Xuyên kênh đầu gần” là do các các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó đượcghép ở bên trong thiết bị như Ui(λj) Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạocũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị.

Hình 1.6a: Xuyên kênh ở bộ tách kênh.

Hình 1.6b: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp

Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: do đặc tính của bộlọc tạo ra thiết bị ghép không hoàn thiện, do phổ của các nguồn phát chồng lấnsang nhau, do các hiệu ứng phi tuyến nhất là đối với trường hợp công suất cáckênh bước sóng lớn

1.4.3 Độ rộng kênh

Độ rộng kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra cho từngnguồn phát quang riêng Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộngkênh được yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa cáckênh do sự bất ổn đinh của nguồn phát gây ra, ví dụ như khi nhiệt độ làm việcthay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh hoạt động Đối với nguồn phát quang làdiode phát quang LED, yêu cầu dộ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì

độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn Như vậy độ rộng kênh phải đảmbảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó được xác định tùy theo từngloại nguồn phát

 Quá trình khai thác bảo dưỡng phức tạp.

 Nếu hệ thống đang sử dụng sợi DSF thì rất khó có thể triển khai WDM vìxuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ EDFA 2.1 Giới thiệu chung về bộ khuếch đại quang

2.1.1 Giới thiệu chung

Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệthống thông tin quang Đối với các hệ thống truyền dẫn cự ly dài, giới hạn về suyhao được giới hạn bằng cách sử dụng các bộ lặp quang điện (OptielectronicRepeater) Đầu tiên, tín hiệu quang được biến đổi thành dòng điện bởi các bộ thuquang (Optical Receiver) sử dụng linh kiện tách sóng quang như PIN hay APD.Dòng quang điện thu được sẽ tái tạo lại dạng xung, định thời và khuếch đại bởicác mạch phục hồi tín hiệu và mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu điện được biếnđổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang trong bộ phát quang(Optical Transmitter) và được truyền đi trong sợi quang

Hình 2.1: Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (Optoelectronic epeater).Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫnquang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn SDH Tuy nhiên, khi sử dụng chocác hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạmlặp quang điện được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bướcsóng khác nhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như giá thành của hệ thốngWDM

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

bộ khuếch đại quang có các ưu điểm sau:

 Khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian haymạch phục hồi (bộ biến đổi E/O và O/E)

 Không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương pháp điều chế tín hiệu nênnâng cấp hệ thống dễ dàng hơn

 Khuếch đại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau truyền trên cùng mộtsợi

2.1.2 Nguyên lý khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiệndựa trên việc phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xẩy ra trong quátrình khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiệntượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượngđược minh họa trên hình 2.2

Hình 2.2: Các hiện tượng biến đổi quang điện

a Hấp thụ b Phát xạ tự phát c Phát xạ kích thíchTrong bộ khuếch đại quang ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tínhkết hợp nên phát xạ được xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong bộ khuếchđại quang

2.1.3 Phân loại khuếch đại quang

Cấu tạo bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình sau:

Hình 2.3: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn

ra trong môi trường gọi là vùng tích cực (active medium) Tùy theo cấu tạo vùngtích cực chia khuếch đại quang làm hai loại chính:

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

 Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):

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

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

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

 NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm,1065nm, 1400nmNgoài ra, còn loại khuếch đại Raman, hoạt động dựa trên ảnh hưởng phituyến của sợi quang hơn là hiện tượng phát xạ kích thích

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

2.2.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 2.4: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA

Cấu trúc của một bộ khuếch đại EDFA được minh họa như hình trên, baogồm:

 Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơixẩy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA Cấu tạo của sợi quangpha ion Er3+ được mô tả như hình sau:

Hình 2.5: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

 Vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 - 6μm) của EDF được pha trộn ion

Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+trong vùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với cácion Erbium dấn đến độ khuếch tán tốt hơn Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấphơn bao quanh vùng lõi Lớp phủ (coating) có sợi quang tạo bán kính sợi quang

là 250μm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ hết

ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang Nếu không kể đếnchất pha Erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông.EDF còn được cấu tạo bởi các vật liệu khác như sợi thủy tinh Flouride (Flouride-based glass fiber) hoặc sợi quang thủy tinh đa vật liệu.

 Laser bơm (Pumping Laser): Cung cấp năng lượng để tạo ra trạng tháinghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bướcsóng 980nm hoặc 1480nm

 WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laserbơm vào trong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM Coupler cho phépghép các tín hiệu có bước sóng từ (980nm – 1550nm) hoặc (1480nm - 1550nm)

 Bộ cách ly quang (Optical isolator): Ngăn không cho tín hiệu quang đượckhuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc tín hiệu quang trên đườngtruyền phản xạ ngược về phía EDFA

2.2.2 Lý thuyết khuếch đại EDFA

2.2.2.1 Giản đồ phân bố năng lượng của Er 3+

Hình 2.6: Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ trong sợi Silica

Giản đồ phân bố năng lượng của Er3+ trong sợi silica được mô tả trong hìnhtrên Các ion có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được kí hiệu:

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, gọi là vùng nền (ground-state band)

 Vùng 4I13/2 gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion Er3+ có thờigian sống (lifetime) tại vùng nay lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuốngvùng nền Thời gian này sống thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõicủa 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 (Pumping band) Thời gian các ion có trạng tháinăng lượng trong vùng này là rất ngắn (khoảng 1μs¿

 Sự chuyển đổi năng lượng của các ion Er3+ có thể xẩy ra trong các trườnghợp sau:

 Khi các ion Er3+ ở các vùng nền nhận một mức năng lượng bằng với độchênh lệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn Chúng sẽdịch chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng)

 Khi các ion Er3+ chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấphơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau:

 Phân ra không bức xạ (Nonradiative Decay): Năng lượng được giải phóngdưới dạng photon tạo ra sự dao động phân tử trong sợi quang

 Phát xạ ánh sáng (Radiation): Năng lượng được giải phóng dưới dạngphoton

 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 vùng nền

 0.814eV (1527nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đấy vùng nền

 0.841eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đấy vùng nền

Mật độ phân bố năng lượng của các ion Er3+ trong vùng giả bền là khôngđều nhau: Các ion Er3+ có khuynh hướng tập trung nhiều ở mức năng lượng thấp.Điều này dẫn đến khả năng hấp thụ và bức xạ photon của ion Er3+ phụ thuộc theo

bước sóng Phổ hấp thụ (Absortion spectrum) và phổ độ lợi (Gain spectrum) củaEDFA có lõi pha Ge biểu diễn dưới hình sau:

Hình 2.7: Phổ hấp thụ (Absortion spectrum) và phổ độ lợi (Gain

spectrum) của EDFA có lõi pha Ge

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý hoạt động của EDFA dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích.Quá trình khuếch đại quang trong EDFA có thể thực hiện theo các bướcsau: (xem hình 2.8)

 Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ sẽ hấp thụ năng lượng

từ các photon có năng lượng Ephoton = 1,27eV và chuyển lên trạng thái nănglượng cao hơn ở vùng bơm (Pumping band) (1 )

 Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 10μs

) và chuyển xuống vùng giả bền (2)

 Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ sẽ hấp thụ nănglượng từ các photon có năng lượng Ephoton = 0,841eV và chuyển sang trạng tháinăng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)

Hình 2.8: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước

 Các photon ánh sáng bị hấp thụ bởi các ion ở vùng nền (6) Tín hiệu ánhsáng bị suy hao

 Các photon tín hiệu kích thích ion Er3+ ở vùng giả bền (7) Khi hiệntượng phát xạ kích thích xẩy ra Các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng tháinăng lượng từ mức năng lượng cao ở mức giả bền về mức năng lượng thấp ởvùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùngpha và cùng bước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích(khuếch đại) trong khoảng bước sóng 1530nm – 1565nm Đây cũng là vùng bước

sóng hoạt động của EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bướcsóng lớn hơn 1565nm bằng 0dB tại bước sóng 1616nm.

2.2.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm

2.2.3.1 Đối với bước sóng bơm

Với các vùng năng lượng đã nêu thì bước sóng bơm có thể dùng là 650nm;800nm; 980nm; 1480nm Tuy nhiên thực tế thì thường sử dụng hai bước sóng là980nm và 1480nm, trong đó bước sóng 980nm dùng để bơm trực tiếp còn bướcsóng 1480nm để bơm gián tiếp

2.2.3.2 Công suất bơm

Công suất bơm càng cao thì sẽ có nhiều Erbium bị kích thích để trao đổinăng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng.Công suất bơm cũng có một giới hạn nhất định vì số lượng ion Erbium được cấyvào sợi dây là có giới hạn và công suất bơm tăng thì hệ số nhiễu sẽ giảm

2.2.3.3 Hướng bơm

Có ba hướng: bơm ngược, bơm thuận và bơm hai chiều, trong đó hướngbơm ngược dùng cho bước sóng 1480nm, khi này hiệu suất lượng tử và hệ số NFcao, hướng bơm thuận dùng cho bước sóng 980nm có hệ số NF gần với giới hạnlượng tử Thực tế đề nghị bơm theo hai bước sóng cùng hai hướng bơm khácnhau để tận dụng ưu điểm của cả hai

2.2.4 Các thông số đặc trưng của EDFA

PASE: Là công suất của phát xạ tự phát được tích lũy

Hệ số hấp thụ và hệ số phát xạ của sợi EDF phụ thuộc vào bước sóng nhưđược thể hiện ở hình 2.9

Hình 2.9: Đặc tính của hệ số hấp thụ và khuếch đại.

Như vậy, qua quá trình tăng ích trên ta thấy tăng ích của bộ khuếch đaị phụthuộc vào độ dài của sợi EDF, nồng độ nguyên tử Er và công suất bơm (tức làphụ thuộc vào độ dài của sợi vầ mật độ các điện tử ở trạng thái cơ bản và trạngthái kích thích của mỗi phân đoạn của sợi)

2.2.4.2 Phổ tăng ích của bộ khuếch đại

Băng tần tăng ích của các bộ khuếch đại EDFA thông thường sử dụng 1530– 1565 nm nằm trong băng C của sổ truyền dẫn của quang sợi Hình dáng của bộkhuếch đại EDFA có dạng như ví dụ hình 2.10:

Hình 2.10: Phổ tăng ích của tín hiệu

Như vậy, từ hình 2.10 ta có các nhận xét sau:

- Phổ tăng ích của bộ khuếch đại EDFA không bằng phẳng Nó có đỉnhkhuếch đại ở bước sóng 1530 nm và xung quanh bước sóng này hình dạng phổtăng ích tạo thành hình một cái bướu với điểm khuếch đại thấp nhất là ở bướcsóng 1538nm

- Khu vực tăng ích bằng phẳng nhất là 1548 – 1560nm

Ngoài ra, một số bộ khuếch đại cải tiến có tăng ích bằng phẳng hơn và phổkhuếch đại rộng hơn, tuy nhiên hình dạng tăng ích cũng có dạng tương tự nhưtrên

2.2.4.3 Nhiễu

Nhiễu trong bộ khuếch đại EDFA có thể nhìn nhận ở hai góc độ: nhiễutrường quang và nhiễu cường độ (nhiễu dòng photon) Nhiễu trường quang đượcđặc trưng qua băng tần của bộ khuếch đại EDFA còn nhiễu cường độ được đặctrưng bởi vài chục GHz trong băng tần

 Nhiễu trường quang

Nhiễu trường quang là nhiễu do phát xạ và nhiễu nhiệt gây ra Nhiễu này cóphạm vi ảnh hưởng là cả băng thông của bộ khuếch đại Tuy nhiên, nhiễu nhiệtảnh hưởng là không đáng kể vì vậy có thể coi nhiễu ASE chính là nhiễu trườngquang Và tổng công suất nhiễu ASE được xác định như sau:

Người ta thường sử dụng một giá trị để biểu thị cho nhiễu cường độ, đó là nhiễucường độ tương đối:

(2.3)

Trong đó :

: Mật độ phổ công suất của nhiễu

: Công suất quang ra trung bình

Nhiễu cường độ được phân thành: nhiễu lượng tử (shot), nhiễu phách tínhiệu – tự phát (Signal-spontaneous Beat Noise), nhiễu phách tự phát – tự phát vànhiễu do giao thoa nhiều đường

2.2.4.4 Mức nhiễu NF

Khi xét toàn bộ ảnh hưởng của nhiễu của một hệ thống hoặc một phần tửnào đó người ta đưa ra định nghĩa mức nhiễu NF (Noise Figure) NF được địnhnghĩa là tỉ số của tỉ số tín hiệu trên nhiễu đầu vào trên tỉ số tí hiệu trên nhiễu đầura

 Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao gọn và công suất cao

 Cấu hình đơn giản do đó hạ giá thành hệ thống

 Cấu trúc nhỏ gọn nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễvận chuyển và thay thế

 Công suất nguồn nuôi nhỏ thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tinquang vượt biển

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

2.2.5.2 Nhược điểm

 Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng

 Băng tần hiện nay bị giới hạn trong băng C và băng L

 Nhiễu được tích lũy qua nhiều giai đoạn khuếch đại gây hạn chế cự lytruyền dẫn

2.3 Ứng dụng của EDFA trong thông tin quang hiện nay

 Ứng dụng trên các hệ thống tuyến tính số: như trong bộ khuếch đại côngsuất quang (BA), bộ khuếch đại đường truyền (LA), các bộ tiền khuếchđại quang (OFA), các ứng dụng đơn kênh, đa kênh và trong các hệ thốngSoliton

 Các ứng dụng trong hệ thống analog ví dự như trong mạng tổng thể phátquảng bá CATV

 Những ứng dụng trong mạng nội hạt chủ yếu là trong mạng LAN, WAN,mạng quang thụ động và mạng quang hóa hoàn toàn…

Tóm lại là các EDFA có rất nhiều ứng dụng khác nhau tuy nhiên ứng dụngquan trọng nhất của nó là sử dụng trong điểm ghép nối, ghép kênh quang trong

hệ thống WDM

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG KẾT HỢP

WDM VÀ EDFA

Nhìn tổng thể quá trình phát triển của hê thống thông tin quang ta thấy:

 Các hệ thống WDM là để giải quyết vấn đề tăng dung lượng của hệ thống

 Các hệ thống sử dụng EDFA là để tăng khoảng cách truyền dẫn của hệthống

Như vậy việc kết hợp hai công nghệ này là đương nhiên để nâng cao nănglực truyền dẫn của các hệ thống thông tin quang Chương này của đồ án đi sâuvào phân tích của giải pháp cơ bản để có được một hệ thống kết hợp hoạt độngtốt, đồng thời cũng đưa ra các giải pháp để nâng cao năng lực của hệ thống đó.

3.1 Các vấn đề gặp phải khi kết hợp WDM và EDFA

Về mặt kỹ thuật, khi áp dụng bất kỳ một công nghệ nào hay kết hợp cáccông nghệ khác nhau vào một hệ thống cũng tạo ra các vấn đề cần phải khắcphục Rõ ràng rằng, khi sử dụng WDM thì các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởngnhiều hơn do tổng công suất ghép vào sợi bao giờ cũng lớn hơn, nhất là các hệthống WDM có nhiều kênh Việc sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA cũnglàm cho các hiệu ứng phi tuyến xẩy ra mạnh hơn và ảnh hưởng lớn hơn Bởi vì,công suất suy hao luôn được bù bởi tăng ích của bộ khuếch đại EDFA trên tuyến

và ảnh hưởng đó luôn được tích lũy trên tuyến Việc kết hợp hai công nghệ nàycũng làm nảy sinh các vấn đề cần khắc phục Các vấn đề đó là:

 Phổ tăng ích của EDFA không đồng đều giữa các kênh

 Mở rộng băng tần của EDFA để đáp ứng nhu cầu về số kênh này càng giatăng

 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến dẫn tới tăng xuyên âm giữa các kênh

 Khoảng cách kênh và phân bổ kênh trong dải tần của EDFA

Giải quyết được các vấn đề trên tức là ta đã đảm bảo chất lượng của hệthống kết hợp WDM và EDFA, đồng thời việc tìm kiếm các giải pháp để tối ưu

cho các vấn đề trên cũng tức là tìm cách giải quyết để nâng cao năng lực của hệthống kết hợp.

3.1.1 Phổ tăng ích không đều giữa các kênh.

Như trên đã đưa ra phổ tăng ích của EDFA là không được bằng phẳng (hình2.10) cho nên khi áp dụng vào hệ thống WDM thì xảy ra hiện tượng tăng íchgiữa các kênh là không đều nhau Các kênh có các bước sóng khác nhau sẽ có hệ

số khuếch đại khác nhau Khi sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA liên tiếp nhauthì ảnh hưởng này càng trở nên trầm trọng Những kênh có tăng ích khuếch đạicao của bộ khuếch đại trước sẽ càng được khuếch đại lớn hơn Ngược lại, cáckênh có độ khuếch đại yếu hơn ở bộ khuếch đại trước thì càng bị suy giảmkhuếch đại do kênh có độ khuếch đại cao chiếm mất photon Hay nói cách khác

là đã xảy ra sự tranh dành photon giữa các kênh Kết quả là có kênh có công suấtcực lớn còn có kênh sẽ bị mất hẳn sau một số bộ khuếch đại Thực thể cho thấykhi sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA thì phổ của hệ thống sẽ lại bị thu hẹp lại(hình 3.1) Vấn đề này đặt ra yêu cầu cần có các giải pháp nhằm làm bằng phẳngphổ của bộ khuếch đại EDFA

Hình 3.1: Phổ tăng ích của hệ thống nhiều bộ khuếch đại EDFA

bị thu hẹp

3.1.2 Khoảng cách kênh và phân bổ kênh trong dải tần EDFA

ITU-T đã đưa ra các khuyến nghị về khoảng cách kênh cho các hệ thốngWDM, từ các khuyến nghị đó ITU-T đã phân bố các kênh cho dải tần của bộkhuyến đại EDFA như sau:

Tần số trung tâm (THz) Bước sóng

tương ứng (nm)

Bảng 3.1: Phân bổ kênh trong dải tần của EDFA

3.1.3 Vấn đề băng tần hạn chế của EDFA

Băng tần của một khuếch đại EDFA thông thường là 1530 ÷1565nm quánhỏ so với băng tần của cửa sổ quang 1550 nm (1470÷ 1610 nm¿ Băng tần củacửa sổ 1550nm chia làm 3 băng nhỏ S: 1470 ÷1500, băng C: 1525÷1565, băng L:

1570÷ 1610 Như vậy băng tần của EDFA nằm trong băng C của cửa sổ quang

1550 nm Nếu sử dụng khoảng cách kênh tối thiểu theo khuyến nghị của ITU-Tthì tối đa cũng chỉ có thể có 43 kênh Với nhu cầu gia tăng như hiện nay thì dảitần này là không thỏa mãn và gây lãng phí băng tần của sổ quang Không nhữngthế, như trên đã phân tích thì khi sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA trên một

tuyến truyền dẫn WDM thì băng tần còn có thể bị co lại.Vấn đề này đặt ra yêucầu cần phải có biện pháp mở rộng băng tần của các bộ khuếch đại EDFA (khôngnhững mở rộng ra băng L mà còn phải mở rộng cả ra băng S).

3.1.4 Vấn đề ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến dẫn tới tăng xuyên âm

Với hệ thống kết hợp WDM và khuếch đại EDFA, ảnh hưởng của các hiệuứng phi tuyến tăng là do tổng hai ảnh hưởng của hai công nghệ khi áp dụng vào

hệ thống thông tin quang Tăng hiệu ứng phi tuyến không chỉ là do công suấttổng hệ thống WDM lớn mà còn do hệ thống luôn có sự bù công suất tổn hao làmcho công suất trong sợi luôn ở mức cao Không những thế, khi sử dụng đồng thờiEDFA và WDM thì các nhược điểm của dải dần tăng ích của EDFA không đồngđều làm cho có kênh thì công suất đỉnh rất lớn và có kênh thì công suất đỉnh lạinhỏ Có nghĩa là ảnh hưởng phi tuyến không những tăng lên mà còn có chiềuhướng phức tạp và khó kiểm soát hơn Các ảnh hưởng phi tuyến này trong hệthống nhiều EDFA thì luôn được tích lũy lại gây ra xuyên âm lớn Bởi vậy, cầnđòi hỏi có các biện pháp để tối ưu các tham số: công suất phát, khoảng cáchkênh, số bộ khuếch đại EDFA để cho các ảnh phi tuyến này là nhỏ nhất mà vấnđáp ứng yêu cầu về năng lực hệ thống

3.2 Giải quyết vấn đề phổ tăng ích không đều của EDFA

Giải quyết vấn đề này không những làm cho khoảng cách kênh được tănglên mà còn giữ cho phổ tăng ích của EDFA không bị thu hẹp lại sau một số bộkhuếch đại EDFA Người ta đã đề cập giải pháp cho vấn đề này :

3.2.1 Dùng bộ lọc san phẳng phổ tăng ích cho EDFA

- Cách thứ 1: Là sử dụng quá trình cân bằng trước như chỉ ra trên hình 3.2b

Hình 3.2: Ảnh hưởng của hiện tượng hệ số khuếch đại không đều và

các giải pháp hạn chế

Dựa vào đặc tính khuếch đại tổng của hai chuỗi khuếch đại điều chỉnh mứccông suất phát trong mỗi kênh sao cho bù lại được sự thay đổi của hệ số khuếchđại Bản chất của phương pháp này là đảm bảo tất cả các kênh tại đầu thu có tỷ

số tín hiệu trên tạp âm gần bằng nhau và rơi vào dải động cho phép của bộ thu

- Cách thứ 2: Dùng các bộ cân bằng tại các vị trí của bộ khuếch đại Tức là

cứ sau mỗi bộ khuếch đại hoặc một số bộ khuếch đại thì các kênh lại được cânbằng sao cho tối ưu nhất Các bộ cân bằng hấp thụ bớt công suất ở các bước sóng

có độ lợi cao và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợi nhỏ Đểthực hiện sử dụng các bộ tách và làm suy hao các kênh theo cách khác nhau rồighép chúng lại

- Cách thứ 3: Sử dụng các bộ lọc đa kênh, tuy nhiên giải pháp này gây ra

nhiễu và xuyên âm nên không dùng trong thực tế Ngoài ra có thể sử dụng các bộlọc quang

- Cách thứ 4: Có thể thay đổi thành phần trộn trong sợi, như có thể dùng

thêm nhôm, phốt pho… khi đó phổ sẽ phẳng hơn

Có rất nhiều giải pháp để khắc phục vấn đề này tuy nhiên trong phạm vi đồ

án này em tập trung vào giải pháp sử dụng bộ cân bằng – sử dụng bộ cân bằngđộng

 Nguyên lý của phương pháp dùng bộ cân bằng động