Cach tu soi bragg trong he thong DWDM

Kỹ thuật ghép các tín hiệu có bước sóng khác nhau lại và truyền đi trên một sợi quang duy nhất làm tăng được dung lượng truyền dẫn mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bư

MỞ ĐẦU

Thông tin sợi quang đã có những bước phát triển nhảy vọt trong vài thập kỷ gần đây và đã có những vai trò quang trọng trong lĩnh vực viễn thông Đặc biệt trong truyền dẫn thông tin , thông tin quang đã đóng một vai trò quan trọng chủ đạo đáp ứng nhu cầu về băng thông cũng như chất lượng truyền dẫn

Trong thông tin quang học sử dụng phương pháp ghép kênh theo bước sóng mật độ cao ( DWDM ) để tăng dung lượng của hệ thống Kỹ thuật ghép các tín hiệu

có bước sóng khác nhau lại và truyền đi trên một sợi quang duy nhất làm tăng được dung lượng truyền dẫn mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng Trên lí thuyết các bước sóng khác nhau hoạt động với tốc độ khác nhau

DWDM linh hoạt về dung lượng Kết hợp với bộ tách ghép quang OADM ,

và bộ đấu chéo quang đem lại hiệu quả cao , dung lượng lớn.trong truyền dẫn

Trong quá trình ghép việc lựa chọn bước sóng để ghép là một vấn đề rất quan trọng Mặt khác trong quá trình truyền dẫn có khi cần lấy thông tin từ trong sợi quang

và ghép thông tin khác vào sợi để truyền dẫn Khi truyền dẫn , phổ tín hiệu thường bị giãn rộng ra nên việc cần một bộ lọc tín hiệu là rất quan trọng Qua quá trình nghiên cứu , thực nghiệm cho thấy cách tử sợi Bragg đã đáp ứng được yêu cầu nên đã được ứng dụng nhiều trong hệ thống DWDM

Sợi cách tử FBG thường được ứng dụng trong DWDM và bộ OADM Các ứng dụng bao gồm có bước sóng ổn định , bù tán sắc và gain phẳng So sánh với các

bộ lọc khác cách tử sợi Bragg có tính năng vượt trội hơn hẳn vì nó có thể tách được bất kì bước sóng nào trong dải bước sóng Nhờ đó có thể đưa được nhiều thông tin vào sợi quang truyền trên một sợi có thể tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ truyền

Sợi cách tử Bragg chu kỳ thay đổi tuyến tính còn được dùng để bù tán sắc trong mạng thông tin quang tốc độ cao Thiết bị nhỏ gọn , dễ chế tạo và hoạt động có hiệu quả cao Bên cạnh đó sợi cách tử Bragg FBG còn được ứng dụng trong các hệ thống bảo mật , hệ thống cáp quang dưới biển

Bản khoá luận có 3 chương :

Chương 1 : Khái quát chung về hệ thống DWDM

Đề cập đến các tính năng , đặc điểm của hệ thống WDM và DWDM , các thiết

bị được ứng dụng trong hệ thống gồm có bộ tách./ghép OADM , bộ đấu chéo quang OXC , bộ khuyếch đại EDFA cùng với vai trò nhiệm vụ và ứng dụng trong hệ thống DWDM

Chương 2 : Cách tử sợi Bragg trong hệ thống ghép kênh DWDM

Đề cập đến cách tử sợi Bragg , đặc điểm vai trò , phương pháp chế tạo , các tính năng điều kiện và ảnh hưỏng của yếu tố nhiệt độ và sức căng đến hoạt động của FBG , các ứng dụng trong hệ thống DWDM nói riêng và trong thông tin quang nói chung

Chương 3 : FBG trong hệ thống ghép 8 bước sóng

Đề cập đến vấn đề FBG trong hệ thống ghép 8 bước sóng và tính toán về khả năng bù tán sắc trong truyền dẫn

Chương 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG DWDM

1.1 Tổng quan về WDM

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ( wavelength Division Multiplexing ) là một giải pháp lí tưởng để mở rộng dung lượng mạng quang mà không cần thay đổi quá nhiều cơ sở hạ tầng Bằng cách dùng phương thức ghép kênh theo bước sóng để làm tăng dung lượng kênh truyền dẫn và có khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao đem lại hiệu quả kinh tế Xét trên phạm vi thế giới, hệ thống thông tin sợi quang thương mại đã hoặc sẽ xây dựng, về cơ bản đều là

hệ thống thông tin sợi quang WDM , hệ thống thông tin sợi quang hiện có cũng sẽ lần lượt cải tạo thành hệ thống WDM như ở Việt Nam

1.1.1 Khái niệm hệ thống WDM

Ghép kênh phân chia theo bước sóng quang WDM là công nghệ ghép nhiều bước sóng vào cùng một sợi quang Tín hiệu có bước sóng khác nhau ở đầu phát được tổ hợp lại (ghép kênh) nhờ bộ ghép kênh MUX Bộ ghép kênh MUX phải đảm bảo ít suy hao và không gây xuyên nhiễu giữa các luồng Các luồng tín hiệu sau khi ghép được truyền trên một sợi quang tới phía thu Trên một tuyến đường có cự ly dài thì chùm sóng quang được khuếch đại nhờ các bộ khuếch đại.Ở đầu thu tín hiệu các bước sóng tổ hợp

đó được phân tách ra (phân kênh) nhờ bộ tách kênh DEMUX , và tín hiệu được khôi phục lại như tín hiệu ban đầu rồi đưa ra các đầu cuối khác nhau.Do đó độ rộng dải của sợi tăng tới tổng tốc độ bit của mỗi bước sóng

Hình vẽ mô tả quá trình ghép kênh :

Hình vẽ mô tả quá trình tách kênh :

Ta có thể mô tả cấu hình của hệ thống WDM như sau :

Hình 1.1 : Cấu hình hệ thống WDM

Phương thức truyền dẫn cơ bản của hệ thống WDM

Gồm có hai phương thức truyền dẫn cơ bản :

Truyền dẫn một chiều hai sợi

Phương thức truyền dẫn một chiều hai sợi của hệ thống WDM là phương thức

mà tất cả các kênh quang trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều

Các hệ thống WDM một chiều truyền thống sẽ cho phép phát huy đặc trưng của các bộ khuếch đại để tối ưu quá trình truyền dẫn Người ta dùng một sợi để truyền tín hiệu theo một hướng từ đầu này tới đầu kia trong hệ thống WDM Các bộ khuếch đại một chiều được đặt tại các nút ở giữa nhằm đảm bảo các mức công suất thích hợp Còn sợi thứ hai khi đó được dùng để truyền tín hiệu theo chiều ngược lại Để đơn giản, một số điểm WDM và thiết bị cần thiết cũng như các bộ khuếch đại cho cả hai chiều sẽ được gộp vào cùng một nút WDM Như vậy truyền dẫn song công hoàn toàn trên hệ thống WDM một chiều sẽ được thực hiện bởi một đôi sợi và các bộ khuếch đại một chiều Tại các nút đầu cuối, một sợi sẽ được dùng để truyền và sợi kia để thu Hiểu theo cách đơn giản có nghĩa là :

Tại đầu phát, các tín hiệu được chuyển đổi từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang, các tín hiệu quang có bước sóng λ1, λ2, được tổ hợp lại với nhau và truyền

Tại đầu thu , các tín hiệu sẽ được tách ra thành các tín hiệu riêng lẻ và quá trình truyền dẫn quang được hoàn thành

Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang

Máy thu quang n

λ 1… λnλn

Bộ tách kênh

λ1 1

n

n n

Bộ khuyếch đại sợi quang Bộ khép kênh

Máy phát quang

Máy phát quangλn

λ1 1

Hình 1.2 : Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang

Phương thức này được phát triển và ứng dụng tương đối rộng rãi

Phương thức Truyền dẫn hai chiều một sợi

Phương thức truyền dẫn hai chiều một sợi của hệ thống WDM là phương thức

mà kênh quang trên mỗi sợi truyền dẫn theo hai chiều khác nhau, dùng các bước sóng khác nhau để thông tin hai chiều ( song song )

Cho đến nay đã có nhiều giải pháp để truyền song công với một sợi Về cơ bản, các tín hiệu truyền hai chiều ngược nhau trên cùng một sợi sẽ được cách ly bằng những thiết bị thích hợp

Kiểu cách ly đầu tiên được biết là tách băng Đây là giải pháp được sử dụng đầu tiên do những đòi hỏi về đặc tính của các linh kiện quang ít khắt khe hơn Các kênh truyền đi được chia thành 2 hoặc 4 nhóm (gọi là băng nhỏ - sub-bands) truyền ngược nhau Các băng được tách và hợp nhờ các thiết bị quang học được đưa dọc theo môi trường truyền Để ngăn ngừa các băng lân cận gây nhiễu lẫn nhau và nhằm cho phép tách băng dễ hơn, một khe trống gọi là khe phòng vệ (guard band) được đặt vào giữa chúng Yêu cầu về khe phòng vệ này là nguyên nhân càng làm giảm hiệu quả phổ tần hữu dụng đối với các hệ thống WDM hai chiều và làm hạn chế về cơ bản số lượng kênh truyền

Để giảm bớt khó khăn của việc tách băng, một số hãng đã cố tìm cách đưa ra một kiểu truyền hai chiều khác Thay vì nhóm các kênh từ các sub-band kề nhau, họ dùng các kênh xen vào nhau trên hai chiều truyền, nghĩa là các kênh chẵn sẽ truyền theo hướng từ đông sang tây còn các kênh lẻ thì ngược lại Kết quả là giãn cách kênh cho bước sóng trên cùng một chiều được tăng gấp đôi Nhưng thêm vào đó cần có các

bộ lọc xen mới, làm tăng thêm suy hao hệ thống, giảm độ tin cậy và tăng giá thành Cuối cùng, việc cần thêm các phần tử quang thụ động trên đường dây sẽ đi kèm với những ảnh hướng xấu đến quỹ công suất khả dụng của hệ thống

Cả hai kiểu truyền này đã được dùng trước tiên cho hệ thống WDM đường

dài, tuy nhiên chúng chưa bao giờ thành công khi đối chọi với các cấu hình một chiều truyền thống.Vì làm giảm đáng kể đặc tính hệ thống , do đó một số hãng sản xuất WDM đang chấp nhận dùng một kiểu truyền hai chiều thứ ba Thay vì dùng các băng khác nhau hay các kênh xen kẽ, họ dùng cùng một bước sóng cho cả hai chiều truyền Tuy nhiên cũng gặp rất nhiều khó khăn như xuyên nhiễu , can nhiễu rộng hơn do tán

xạ ngược Như đã biết, khi một tín hiệu quang đi vào một sợi quang dài gần như vô hạn nó sẽ tạo ra hiệu ứng tán xạ ngược gây ra bởi chính chất liệu thuỷ tinh và thuộc tính dẫn sáng của sợi Hơn nữa, không thể bỏ qua các vấn đề về vận hành Bất kỳ nguồn phản xạ ngược nào được tích luỹ lại (như sự gián đoạn sợi cáp, việc nối cáp, các đầu nối, việc uốn cong) sẽ tác động lên đặc tính tổng thể của các hệ thống Ví dụ việc nối lại sợi quang khi đứt: Ngoài suy hao phụ thêm do hàn nối, việc này cũng gây ra những phản xạ ngược nào đó của tín hiệu tới, đưa đến những bất lợi tất yếu về mặt tạp

Như vậy phuơng thức truyền dẫn hai chiều chịu ảnh hưởng của các nhân tố như : can nhiễu giữa các kênh , ảnh hưởng của các phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều , công suất truyền dẫn trên hai chiều và sự phụ thuộc vào nhau giữa chúng…Đồng thời phải sử dụng bộ khuyếch đại hai chiều Làm suy giảm đặc tính hệ thống từ các hoạt động bảo dưỡng, các hệ thống WDM hai chiều sẽ không đảm bảo được sự vận hành dài hạn

Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Bộ khuyếch đại sợi quang

Bộ ghép / tách kênh

Máy thu quang

Máy thu quang

Máy phát quang

Máy phát quang

1

1n1

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

Trên quan điểm kỹ thuật, các hệ thống kiểu một chiều rõ ràng tỏ ra trội hơn kiểu hai chiều , nhưng có thể thay đổi khi mặt kinh tế được tính đến Với hạ tầng sẵn

có khá dư sợi sẽ chẳng cần đến ưu thế đáng kể về mặt tiết kiệm sợi của các hệ thống hai hướng

Trên thực tế so với phương thức truyền dẫn một chiều của hệ thống WDM thì phương thức truyền dẫn hai chiều của hệ thống WDM làm giảm được số lượng khuếch đại sợi quang và đường dây

1.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ ghép kênh WDM

Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

Do công nghệ khép kênh WDM là công nghệ truyền dẫn nhiều bước sóng trên một sợi quang nên nó tận dụng tài nguyên băng rộng của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang tăng từ vài lần tới vài chục lần so với truyền dẫn bước sóng đơn , nhờ đó giá thành giảm , có giá trị ứng dụng và hiệu quả kinh tế rất lớn

Bản thân sợi quang trong khoảng giới hạn bước sóng có khu vực suy hao thấp rất rộng , trong đó có thể sử dụng rất nhiều bước sóng nhưng hiện nay mới sử dụng một phần nhỏ trong khu vực đó Mặc dù sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) (1530 – 1565) cũng chỉ chiếm 1/6 dải tần của nó Cho nên công nghệ WDM tận dụng độ rộng bằng tần rất lớn của sợi quang Nhờ đó có thể giải quyết được vấn đề dải tần truyền dẫn

Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong công nghệ WDM ghép các tín hiệu có các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, nên dễ dàng thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu của dịch vụ viễn thông gồm: tín hiệu

số, tương tự , truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phương tiện (như số liệu, văn bản, đồ hoạ )

Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Do nhiều phương tiện thông tin đều dùng phương thức truyền song công (như điện thoại) , hoặc khắc phục vấn đề thiếu sợi truyền dẫn Vì vậy dùng công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dây

Nhiều ứng dụng

Công nghệ WDM được sử dụng nhiều trong mạng đường trục, mạng quảng bá , mạng cục bộ (LAN), cho tốc độ cao , băng thông rộng , đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng Do đó rất quang trọng đối với các ứng dụng mạng

Tiết kiệm đầu tư cho đường dây

Dùng công nghệ WDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn chống được tổn hao do phân cực Các hệ thống thông tin quang hiện đại có sử dụng bộ khuếch đại quang để ghép nhiều kênh theo WDM Nếu với lưu lượng là 2,5Gbit/s,

với lưu lượng là 20Gbit/s đến 40Gbit/s trên một sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được các thiết bị ghép kênh và phân kênh hiện có Nói một cách khác, WDM cho phép tăng tích số lưu lượng nhân với cự ly trên một sợi quang

Như vậy khi truyền dẫn đường dài sẽ tiết kiệm được số lượng lớn sợi quang

Ngoài ra thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ sư công suất tương đối lớn thì có thể tăng dung lượng

hệ thống mà không cần thay đổi nhiều hệ thống cũ

Giảm yêu cầu về tốc độ đối với các linh kiện

Vì tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, tốc độ của các linh kiện quang sẽ không thể đáp ứng được Sử dụng công nghệ WDM có thể giảm rất cao yêu cầu về tốc

độ đối với một số linh kiện mà lại truyền dẫn được dung lượng lớn

Ngoài ra cho phép khai thác một cách đơn giản và kinh tế lượng thông tin vào một sợi quang đơn mode trên cự ly dài và tăng độ mềm dẻo của cấu trúc phân phối Những đường truyền dẫn thử nghiệm đã đạt được tốc độ 160Gbit/s trên hệ thống ghép

8 kênh theo bước sóng

Tính linh hoạt, kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng

Sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục

mạng từ đó sẽ có mạng trong suốt , linh hoạt, kinh tế

Ngoài ra do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng khúc xạ , hiệu ứng phi tuyến làm ảnh hưởng đến công suất đưa vào sợi quang

Mặc dù các vấn đề then chốt đó đã được giải quyết như dựa vào trị số đỉnh để tiến hành chốt các bước sóng trung tâm để giữ bước sóng ổn định , hay dùng bộ

khuyếch đại EDFA để khắc phục việc suy giảm , rồi bù tán sắc phân cực để tránh ảnh hưởng của tán sắc phân cực Tuy nhiên nó vẫn phải đối mặt với một loạt công nghệ tương ứng như công nghệ tách / ghép kênh , công nghệ khuyếch đại …

1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM

là hệ thống truyền dẫn DWDM Các tín hiệu như : âm thanh, hình ảnh , dữ liệu cùng được truyền trên một sợi quang

Hình 1.4 : ghép kênh DWDM

Ngày nay, có nhiều vật liệu mới ra đời, và sợi thuỷ tinh được chọn làm môi trường truyền dẫn cho các hệ truyền thông có tốc độ cao, độ tin cậy cao với khoảng cách dài ,lắp đặt trên mặt đất hay chôn ngầm dưới biển Theo đó tốc độ bit có thể đạt tới 40Gbps trong sợi đơn Trong ghép kênh theo bước sóng, ghép kênh nhân chia theo bước sóng mật độ cao, dải thông có thể đạt tới Tbps Đã có hệ thống DWDM với 128 bước sóng và DWDM 40 bước sóng, mỗi bước sóng có tốc độ 10Gbps có độ rộng lên tới 400Gbps dải thông có thể truyền trên sợi quang đơn nội dung của trên 1000 cuốn

sách bách khoa toàn thư chỉ trong 1 sec Các hệ thống DWDM tốc độ 40 Gbps cho mỗi bước sóng đã được giới thiệu và tiếp tục gia tăng về cả mật độ bước sóng và tốc

độ bit

1.2.2 Các tính năng của hệ thống DWDM

Công nghệ DWDM được xây dựng trên cơ sở một số thiết bị quang Các thiết

bị này nhỏ , chất lượng tốt , có thể thương mại hoá và giá không cao Để công nghệ DWDM hoàn thiện thì cần phải có các tính năng cơ bản sau :

+ Sợi quang cho suy hao thấp và hiệu suất truyền dẫn tốt hơn ở phổ có bước sóng 1,3µm và 1,55µm

+ Bộ khuyếch đại quang có hệ số khuếch đại là như nhau cho mọi bước sóng và được ghép trên đường truyền để làm tăng tín hiệu do đó hạn chế số lượng bộ tái tạo + Sợi quang rất nhỏ nhẹ có thể tích hợp với các linh kiện quang học khác trên cùng một bản mạch

+ Nguồn laser và các bộ tách sóng quang bán dẫn được tích hợp thiết kế nhỏ gọn + Các bộ ghép và bộ phân kênh được thiết kế dựa trên sự nhiễu xạ ánh sáng + Các bộ lọc lựa bước sóng có thể được sử dụng trong bộ ghép kênh quang OADM ( optical add drop multiplexer )

+ Các thành phần của OADM sử dụng trong DWDM cho các mạng đường dài và mạng MAN loại ring

+ Các bộ kết nối OXC ( optical cross connect ) cùng với các công nghệ sử dụng trong chuyển mạch quang

1.2.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống DWDM

Hình vẽ biểu thị sự hoạt động của DWDM :

Hình 1.5 : Nguyên lí hoạt động của DWDM

Chúng ta sẽ từng bước mô tả về hệ thống DWDM :

Bộ phát đáp chấp nhận tín hiệu vào ở dạng đơn mode hay laser đa mode

Tín hiệu vào có thể bằng các phương tiện vật lý khác nhau và các giao

thức khác nhau với các kiểu chuyển động khác nhau

Tín hiệu vào có các bước sóng khác nhau đuợc sắp xếp thành một bước

sóng DWDM

Các bước sóng DWDM từ bộ phát đáp được ghép thành một tín hiệu

quang đơn và chuyển dần vào sợi quang Hệ thống có khả năng chầp

nhận tín hiệu quang trực tiếp tới bộ ghép kênh , như thể tín hiệu có thể

đến trực tiếp, ví dụ đơn giản là từ node vệ tinh

Bộ khuyếch đại có nhiệm vụ làm tăng thế tín hiệu của chiều dài tín hiệu

quang vì rời khỏi hệ thống ( bộ quang )

Bộ khuyếch đại quang được dùng trong cả sợi quang như khẩu độ ( bộ

quang học )

Bộ khuyếch đại làm tăng thế tín hiệu trước khi nó đến hệ thống cuối ( bộ

Tín hiệu đến bộ phát đáp sẽ được tách thành các bước sóng λ riêng lẻ (

hay buớc sóng )

Các bước sóng λ riêng lẻ được sắp xếp phù hợp với từng lối ra ( ví dụ đơn

giản như , 48 sợi đơn mode ) và được gửi ra bộ nhận

1.2.4 Vấn đề suy hao trong sợi quang ở trong DWDM

Sự suy hao trong sợi quang học là do nguyên nhân từ bên trong của sợi mà đầu tiên là tán xạ và hấp thụ Bởi các nguyên nhân bên trong bao gồm quá trình xử lí , các tác động của môi trường , và tính mềm dẻo của chúng Một số dạng tán xạ phổ biến là tán xạ Releigh , nguyên nhân do tính không đồng nhất của môi trường bởi tạp chất và chênh lệch chiết suất làm lệch phương truyền gây ra việc phân tán vật thể ( hình vẽ )

Sự tán xạ ảnh hưởng đến bước sóng ngắn hơn là bước sóng dài

Hình 1.6 :Suy hao trong sợi quang

Dựa vào suy hao quang, phổ có suy hao thấp được chia thành các phần nhỏ hơn Dải S hoặc của sổ quang học thứ 2 từ 1,2 µm đến 1,3µm Dải C hoặc cửa sổ quang học thứ 3 từ 1,51µm đến 1,561 µm gồm dải xanh và dải đỏ Dải L hoặc cửa sổ thứ 4 từ 1,561 đến 1,620 µm và cửa sổ thứ 5 từ 1,350 đến 1,450 µm

Cửa sổ quang học trong khoảng 1,450 đến 1,528 µm được sử dụng trong các mạng cự ly ngắn với sợi quang truyền dẫn đơn mode như mạng LAN Do đó không dùng được bộ khuếch đại pha tạp Erbium – EDFA không hoạt động trong vùng bước

sóng dưới 1,530 µm (EDFA hoạt động trong vùng 1,530 đến 1,560 µm có độ suy hao nhỏ nhất là vùng 1,500 đến 1,560 µm), nhưng có thể sử dụng các bộ khuếch đại pha tạp praseodymium để làm tăng các ứng dụng của dải này trong các mạng cự ly xa Dải

C và S được ứng dụng trong mạng Metropolitan WDM Dải S và L đang được nghiên cứu và phát triển Dải C được ứng dụng rộng rãi hơn nằm trong vùng khuếch đại của

bộ khuếch đại EDFA

Hệ thống WDM sử dụng các bước sóng trong 2 vùng 1,310 và 1,550 µm Một

số sợi quang được chế tạo có độ rộng phổ từ 1,310 đến 1,6 µm Tuy nhiên , trong công nghệ tiên tiến hiện nay chỉ sử dụng các bước sóng trong cửa sổ quang , không phải mọi thành phần quang đều có tần suất như nhau trong toàn bộ phổ VD: Với sợi quang pha tạp Eb+3 hoạt động tốt nhất tại bước sóng 1,550 µm DWDM sử dụng những

ưu điểm của công nghệ quang tiên tiến (các laser điều chỉnh được, các bộ lọc lựa giải hẹp ) để tạo ra nhiều bước sóng lân cận bước sóng 1,550 µm ITU-T đưa ra chuẩn G.692 với 43 kênh có các bước sóng trong khoảng 1,530 đến 1,560 µm cách nhau 100GHz Tuy nhiên đã xuất hiện hệ thống với hơn 43 bước sóng được ghép và hệ thống ghép rất nhiều bước sóng đang được thử nghiệm

Sự suy hao trên sợi quang được bù thông qua việc sử dụng bộ khuyếch đại quang

Sự pha tạp vật liệu như Cu , Fe … làm cho một số bước sóng nhất định bị hấp thụ Do đó phải tiến hành làm sạch vật liệu , trong đó có tạp chất gốc OH rất khó làm sạch hết tức là chúng luôn còn lại một lượng dù là rất nhỏ Gốc OH trong cáp quang làm tăng hấp thụ các bước sóng Cho nên tại khoảng giữa 1,4 µm bị hấp thụ nhiều nhất

1.2.5 Một số thiết bị quang học trong hệ thống DWDM

Công nghệ DWDM đòi hỏi nhiều thiết bị quang đặc biệt được xây dựng dựa trên các tính chất của ánh sáng ,tính quang , và điện cơ của các vật liệu bán dẫn

Mô tả mô hình truyền dẫn DWDM

Hình 1.7 :Mô hình truyền dẫn DWDM

Bao gồm các bộ thu/phát quang , OADM , OXC , EDFA … Giữa bộ tách và ghép hệ thống DWDM , có 1 vùng mà trong đó thực hiện việc trộn

các bước sóng tồn tại Nó thường được mô tả bằng khả năng bớt đi hay thêm vào một

hay nhiều bước sóng tại bất cứ một điểm nào dọc theo khẩu độ số Một bộ tách / ghép

quang ( OADM ) thực hiện chức năng này Hơn là việc kết hợp hay tách tất cả các

bước sóng , bộ OADM có thể bớt đi một vài bước sóng trong khi chuyển qua các bộ

quang khác OADM là 1 vùng khoá trong mối quan hệ giữa tất cả các bộ trong mạng

quang học

Mô hình giữa OADM và OXC :

Hình 1.8 : Mô hình giữa OADM và OXC

1.2.5.1 Bộ đấu chéo OXC

Bộ đấu chéo OXC được dùng để chọn bước sóng phù hợp Ở trong miền quang học , nơi mà có thể có tới 40 kênh quang được ghép vào một sợi quang , một yếu tố trong mạng yêu cầu có thể chấp nhận những bước sóng thay đổi ở cổng vào và chuyển chúng đến cổng ra phù hợp với phần tử mạng Để hoàn thành được quá trình này thì bộ đấu chéo quang OXC cần 3 yếu tố :

Sợi chuyển mạch là sợi có khả năng chuyển tất cả các bước sóng trên một sợi

quang tới lối ra của sợi khác nhau

Dịch chuyển bước sóng là khả năng chuyển các bước sóng riêng từ lối vào

sợi quang tới lối ra bộ ghép sợi

Sự chuyển đổi bước sóng là khả năng lấy các bước sóng và chuyển đổi chúng

tới tần số quang học khác nhau phù hợp với cổng ra , đây là điều cần thiết hoàn thành trong cấu trúc khối khi sử dụng bước sóng chuyển

Sơ đồ bộ đấu chéo quang OXC :

Hình 1.9 : Mô hình bộ đấu chéo quang OXC

1.2.5.2 Bộ ghép kênh quang OADM

OADM có vai trò rất quan trọng trong thông tin quang OADM tách một bước sóng từ nhiều bước sóng truyền dẫn trong sợi, thông tin được truyền trên bước sóng này được tách ra, còn các bước sóng khác thì được truyền qua Sau đó bước sóng

bị tách ra lại được ghép vào nhưng mang thông tin khác thông tin ban đầu

lựa chọn bước sóng nào được thêm và bớt

OADM được sử dụng phổ biến trong các mạng truyền dẫn :

Hình 1.11 : Mạng truyền dẫn OADM

Trong mạng đường trục OADM gồm có 3 loại cấu trúc Mỗi loại được sử dụng với các mục đích khác nhau :

Sử dụng OADM giữ nguyên số lượng kênh truyền

Có N bước sóng truyền dẫn trong sợi, khi đi qua OADM thì vẫn thu được N bước sóng truyền trong sợi Bước sóng được tách ra, khi ghép vào sẽ mang thông tin khác

Hệ thống truyền dẫn đồng bộ OADM :

Hình 1.12 : Hệ thống truyền dẫn đồng bộ OADM

Sử dụng OADM để thay đổi số lượng kênh truyền

Khi có N bước sóng truyền dẫn trong sợi, khi đi qua OADM thì chỉ có (N-2) bước sóng truyền tiếp trong sợi, còn một bước sóng bị tách ra khỏi sợi, đồng thời sẽ ghép vào sợi một bước sóng (từ bên ngoài) trong N bước sóng để truyền ngược lại

Như vậy, có thể giảm dung lượng đường truyền , tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng

N bước sóng

Đầu cuối DWDM

Đầu cuối

DWDM

OADM

N- 2 bướcsóng

N bước sóng

Đầu cuối DWDM

Hình 1.13 : Hệ thống không đồng bộ OADM

Sử dụng OADM thay đổi số lượng kênh truyền trong quá trình truyền dẫn

Xét có (N-2) bước sóng truyền dẫn trong sợi Hệ thống có 2 bộ OADM, mỗi

bộ này sẽ ghép 1 bước sóng để truyền dẫn trong sợi nên giữa 2 OADM truyền N bước sóng Như vậy ở giữa OADM và đầu cuối DWDM sẽ truyền (N-2) bước sóng

N bước sóng

N- 2 bước sóng

Đầu cuối DWDM

Hình 1.14 : Hệ thống không đồng bộ OADM

Như vậy, có thể tăng dung lượng đường truyền trên một khoảng cách nào đó tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng Trong mạng đường trục, OADM được sử dụng rất

linh hoạt để xen/rẽ các bước sóng trong quá trình truyền

1.2.5.3 Bộ khuyếch đại EDFA

Bộ khuyếch đại quang là thiết bị khuyếch đại vào bộ ghép kênh tín hiệu quang

mà không cần việc chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

Hình vẽ mô tả :

Bộ khuếch đại erbium còn được gọi là bộ khuếch đại quang, bộ khuếch đại quang Erbium hoặc EDFA là một bộ lặp IR quang có thể khuếch đại một tia laser đã được điều chế một cách trực tiếp, mà không cần đến các bộ chuyển đổi điện quang hoặc bộ chuyển đổi quang điện

Bộ khuếch đại này sử dụng một khoảng ngắn của sợi quang được nhúng với nguyên tố erbium đất hiếm Khi các tia laser mang tín hiệu đi qua sợi quang thì năng lượng bên ngoài được ghép vào thường là tại các bước sóng IR

Bộ khuyếch đại được đánh dấu bằng khả năng mang tải rộng đó là trong DWDM cáp truyền trong khoảng cách rất lớn , EDFA đã trở thành một công nghệ có vai trò chủ đạo Tại cùng thời điểm như nhau , EDFA đã thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ mạng và trong kĩ thuật

Hình 1.15 : EDFA

Hiệu suất đo của bộ khuyếch đại là các tham số gain , gain phẳng , mức ồn ,

công suất đầu ra EDFA có gain đặc thù bằng 30 dB hay nhiều hơn và công suất đầu

ra là +17dB hay nhiều hơn Đó là chỉ tiêu của các tham số khi dùng bộ EDFA , tuy nhiên , ồn thấp hay gain phẳng Hệ số gain nên là gain phẳng vì tất cả các tín hiệu phải được khuyếch đại một cách thống nhất Trong khi điều kiện của tín hiệu gain trong công nghệ EDFA là dựa vào bước sóng sẵn có , nó có thể đúng với bộ lọc gain phẳng Như vậy bộ lọc thường xuyên được thiết kế vào trong EDFA hiện đại

Tại khoảng cách lớn khoảng từ 600 dến 1000 km tín hiệu được phục hồi Đó

là nguyên nhân bộ khuyếch đại quang chỉ khuyếch đại tín hiệu và không thực hiện được 3 chức năng ( tạo lại dạng , định lại thời điểm , truyền ngược lại ) EDFA có dải tần biến thiên trong dải C và dải L

Như vậy bộ lặp sợi quang hiện nay được gọi là bộ khuếch đại EDFA đảm bảo cho WDM trở thành một công nghệ có chi phí hợp lý

Như vậy hệ thống DWDM là công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao , bao gồm cả bộ tách / ghép , EDFA , OADM … tuy nhiên trong quá trình truyền dẫn với khoảng cách xa sẽ xảy ra hiện tượng giãn phổ của tín hiệu , gây

nghiệm cho thấy dùng cách tử Bragg sẽ khắc phuc được khó khăn đó Vấn đề đó

sẽ đề cập đến ở chương sau

Chương 2 CÁCH TỬ SỢI BRAGG TRONG HỆ THỐNG

DWDM 2.1 Khái quát chung về cách tử

Trong hệ thống thông tin quang , khi số lượng kênh truyền quá lớn hoặc khoảng cách giữa các bước sóng quá gần nhau nếu dùng các bộ lọc khác để tách bước sóng thì không chính xác Để khắc phục điều này có thể dùng cách tử vì nó có thể tách được bất kì bước sóng nào miễn là thoả mãn điều kiện cách tử và độ chính xác cao

2.1.1 Khái niệm chung

Cách tử nhiễu xạ là tập hợp các khe hẹp giống nhau song song cách đều và

nằm trong cùng một mặt phẳng

Cách tử phản xạ là một bề mặt kim loại và nhẵn bóng trên đó người ta dùng

mũi dao kim cương vạch nên những rãnh nhỏ cách đều nhau Khi ta rọi ánh sáng lên mặt cách tử ánh sáng sẽ nhiễu xạ trên những dải bằng phẳng giữa các rãnh và gây ra nhiễu xạ Còn các rãnh sẽ tán xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau và như vậy cách

tử tách chùm sáng thành các tia khác nhau tương ứng với bước sóng khác nhau , ngược lại các bước sóng khác nhau đến từ các hướng khác nhau có thể tập trung theo một hướng

Cách tử truyền là một thiết bị có hai bề mặt , khi rọi ánh sáng qua cách tử ,

những khoảng bằng phẳng giữa các rãnh để cho ánh sáng truyền qua và nhiễu xạ về mọi phương chúng đóng vai trò các khe của cách tử , còn các rãnh là những phần không trong suốt của cách tử nhiễu xạ Mỗi rãnh được coi như là một lăng kính

Sợi cách tử được tạo bởi chu kỳ phản xạ thay đổi trên lõi sợi thuỷ tinh Sự phản xạ thay đổi nhờ vào việc chiếu chùm tia UV vào sợi gây ra hiện tượng giao thoa

Khi tia sáng tới bề mặt cách tử , nó sẽ bị khúc xạ theo cách hướng khác nhau Khoảng cách giữa hai khe liên tiếp gọi là chu kỳ cách tử Λ

Ta có hình vẽ mô tả :

Hình 2.1 : Cách tử sợi Bragg

2.1.2 Nhiệm vụ của cách tử

Cách tử được sử dụng để tách chùm sáng gồm nhiều bước sóng thành các bước sóng riêng lẻ và ngược lại kết hợp nhiều bước sóng riêng lẻ thành một chùm sáng

Cách tử truyền dùng để nghiên cứu các ánh sáng nhìn thấy được Còn cách tử phản xạ được dùng để nghiên cứu các tia tử ngoại vì các tia tử ngoại bị thuỷ tinh hấp thụ mạnh

Cũng giống như lăng kính khi ánh sáng qua cách tử thì ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Tuy nhiên có điểm khác với lăng kính là qua cách tử nhiễu xạ sẽ cho tán sắc góc lớn hơn Vì vậy cách tử nhiễu xạ dùng để ghép / tách các bước sóng trong cùng một cửa

sổ truyền dẫn Góc nhiễu xạ sẽ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới

Để tính toán chính xác , sử dụng cách tử nhiễu xạ và mặt sóng có góc tới của mặt sóng là α , góc khúc xạ β và chu kỳ cách tử Λ

Ta có hình vẽ mô tả cách tử nhiễu xạ sau :

Pháp tuyến cách tử

βα

Λ

Mặt sóng khúc xạ

Mặt sóng

tới

Λsinα Λsinβ

λ là bước sóng của ánh sáng tới

Từ công thức (2-1) ta suy ra bước sóng phù hợp phải thoả mãn điều kiện sau :

+ Cách tử sợi Bragg thuộc loại bộ lọc phản xạ Không giống như các loại bộ lọc khác , bộ lọc này phản xạ bước sóng cần dùng thay cho sự truyền qua như các bộ lọc truyền thống

+ ổn định qua quá trình sử dụng và cho hiệu suất cao

+ Cách chế tạo tương đối đơn giản

+ Có kích thước nhỏ , dễ sử dụng và gỡ bỏ khi cần thiết

+ Có khả năng tách chính xác bước sóng với độ đơn sắc cao

+ Suy hao thấp , tại bước sóng 1,55µm suy hao thấp nhất

+ FBG dễ tích hợp với các sợi quang đã được sử dụng trong mạng truyền thông

2.2.2 Điều kiện bước sóng cách tử Bragg

2.2.2.1 Điều kiện phản xạ Bragg

Phản xạ Bragg xảy ra trên bề mặt tiếp giáp của hai môi trường có chiết suất khác nhau , khi được chiếu quang sẽ xuất hiện phản xạ có tính chu kỳ và gọi là phản

xạ Bragg

Tia phản xạ

a

Λ θ

Hình 2.3 : Phản xạ Bragg

Gọi khoảng cách giữa hai rãnh cách tử là Λ

Gọi khoảng chênh lệch giữa hai tia phản xạ liên tiếp nhau là a

Góc hợp bởi giữa tia tới và tia vuông góc là θ

Hiệu quang trình bằng một số nguyên lần bước sóng ta có :

Trong đó :

m là bậc nhiễu xạ và là số nguyên

λn = λ /n là bước sóng của môi trường

λ là bước sóng trong không khí

n là chiết suất của môi trường

Ta có :

sinθ = a / Λ

Thay vào công thức trên ta có :

Λ ( 1 + sinθ ) = mλ n ( 2-4 )

Công thức này được gọi là điều kiện phản xạ Bragg

2.2.2.2 Điều kiện bước sóng Bragg

λr = 2n eff Λ

K

Bước sóng Bragg phải thỏa mãn hai định luật sau :

Bảo toàn năng lượng: Tần số của tia tới và tia phản xạ bằng nhau vì năng

lượng F = hf ( h là hằng số Plăng, f là tần số của tia sáng)

Bảo toàn xung lượng: Véc tơ sóng tới cách tử bằng véc tơ sóng ra khỏi

Gọi :

λB là bước sóng Bragg bị phản xạ

Λ là bước cách tử từ 223- 535 nm neff là chiết suất của môi trường truyền

Khi đi vào môi trường của sợi quang có chiết suất thay đổi thì tốc độ của tia đó

sẽ giảm theo công thức sau:

V = c/n eff = λ B f/n eff

Ta được điều kiện Bragg là :

λB = 2 Λ n eff ( 2-6 ) 2.2.3 Hệ số phản xạ

Tính theo công suất ta có :

Gọi :

Công suất của tín hiệu tới FBG là : Pinc

Công suất tín hiệu sau khi qua FBG ( phản xạ ) : Prefl

Khi đó ta có hệ số suy hao là :10 log

2.2.4 Cách chế tạo FBG

FBG được chế tạo dựa trên cơ sở vật liệu nhạy quang Ge , sự ảnh hưởng của lõi sợi quang dưới tác dụng của chùm tia laser có bước sóng 244nm làm thay đổi hệ số khúc xạ của phần bị chiếu sáng

Nếu có chùm sáng rộng qua sợi quang có một chu kỳ cấu trúc , sẽ có nhiễu xạ của dải bước sóng hẹp phản xạ

2.2.4.1 Qúa trình chế tạo

Gồm có hai quá trình chính :

Chuẩn bị sợi quang : loại bỏ phần lớp phủ của sợi nhạy quang để thực hiện

chiếu chùm UV Để FBG chính xác, tin cậy thì bước này cần đựơc thể hiện trong phòng sạch Ví dụ: Dùng H2SO4 ăn mòn lớp phủ

Tạo cách tử : FBG được tạo trong sợi, dựa vào giao thoa của hai chùm tia

chiếu vào sợi

2.2.4.2 Phương pháp chế tạo

Phương pháp chế tạo FBG đã từng là vấn đề được quan tâm nghiên cứu Về cơ bản , có hai phương pháp chế tạo FBG , cụ thể là phương pháp hai chùm tia giao thoa

và phương pháp mặt nạ pha

Phương pháp 1: Dựa trên cơ sở giao thoa kế Mach- Zehnder

Khi hai chùm sáng chiếu vào sợi quang thì hiệu pha bằng 0,Π , 2Π ,3Π,… sẽ