nghiên cứu giải pháp tăng dung lượng của hệ thống thông tin quang bằng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng wdm

Điều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển mạng quang mới dung lượng cao.Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang Wavelength Division Multiplexing -WDM là một giải pháp hoàn hảo cho ph

MụC LụC

35 5

8

1313

13

80356

LỜI Mở ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức, trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội Do đó, nhu cầu truyền thông ngàycàng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu

Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung

lượng lớn Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng rộng với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao.

Điều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển mạng quang mới dung lượng cao.Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (Wavelength Division Multiplexing -WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn củasợi quang, nâng cao rừ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm

Lí tưởng về WDM xuất hiện vào năm 1958 Cho tới năm 1977 khi mà công nghệquang sợi bắt đầu có nhiều tiến bộ thỡ người ta mới có được giải pháp thực tế đầu tiên.Sau đó ít lâu, vào đầu thập niên 80, các thiết bị WDM đó được thương mại hóa Tại ViệtNam, năm 1998 bắt đầu triển khai xây dựng tuyến cáp quang biển sử dụng kỹ thuậtWDM với dung lượng 40 Gbps nối liền các nước Đông Nam Á, Trung Đông và Tây Âu.Đây cũng là hệ thống t hông tin quang ghép kênh theo bước sóng (hay nói một cách ngắngọn là hệ thống WDM) đầu tiên tại Việt Nam Sau đó không lâu chúng ta tiếp tục xâyđựng hệ thống WDM ứng dụng vào mạng đường trục Bắc – Nam Cho đến nay cả hai hệthống đó đều hoạt động ổn định và giữ một vai trũ quan trọng đối với nền an ninh quốcgia và sự phát triển kinh tế, xã hội của đất nước

Mặc dự cỏc hệ thống WDM tới bõy giờ khụng cũn mới nữa, nhưng nó vẫn đang vàvẫn sẽ giữ vai trũ chiến lược trong việc truyền tải thông tin từ xa, đặc biệt là ở Việt Nam

Trên cơ sở những kiến thức tích luỹ trong những năm học tập chuyên ngành Điện

Tử - Viễn Thông tại Viện đại học Mở Hà Nội,cùng với ý tưởng tìm hiểu về công nghệ

ghép kênh theo bước sóng trong thông tin quang em muốn thông qua đồ án “ Nghiên cứu giải pháp tăng dung lượng của hệ thống thông tin quang bằng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM “ để nâng cao hiểu biết của mình về công nghệ WDM

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS Trần Đức Hân đó tạo mọi điều kiện và

tận tỡnh hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trỡnh thực hiện đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa CN Điện Tử và ThụngTin- Viện Đại Học Mở Hà Nội, gia đỡnh, bạn bố người thân - những người đó luụn cổ

vũ động viên giúp đỡ em trong suốt thời gian qua

Hà Nội, tháng năm Sinh viờn thực hiện

Lê Phúc Sâm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

I Giới thiệu hệ thống thông tin quang

Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu Vào năm 1960, việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đó mở ra một thời kỳ

mới cú ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thụng tin sử dụng dải tần số ỏnh sỏng Sự kiện này gõy ra một sự cuốn hỳt đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu hàng đầu

về thông tin trên thế giới, và tạo ra cỏc ý tưởng tập trung tỡm tũi giải phỏp sử dụng ỏnh sỏng Laser cho thụng tin quang Đó là điểm xuất phát của sự ra đời các hệ thống thông tin quang.Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽcác nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợpvới các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn cótiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tincậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang.

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phầnthu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điệnđiều khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọ cxung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài Phần thuquang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoàicác thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector),các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quanghoàn chỉnh

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suyhao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm Ba vùngbước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổthứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổthứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suyhao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếuhoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặcLaser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tinquang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòngđiều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự

Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và côngsuất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến Bước sónglàm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra(pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trêntuyến.

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theosợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sángthường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóngquang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới.Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Các photodiode PIN vàphotodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệthống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyểnđổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sónglàm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phùhợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng nhất củathiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thuđược ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trongsợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến Cấu trúc củathiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau.Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệuđiện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phátquang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đườngtruyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế mộtphần các thiết bị trạm lặp quang

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

sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Cácnguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau vàphát 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.

Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp sovới dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình1.2):

Hình 1.2 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 nhiều tínhiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang

Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời từ ý tưởng này

1.2 Hệ thống WDM

1.2.1 Định nghĩa hệ thống WDM

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng – WDM (Wavelength Devision Multiplexing)

là công nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều bước sóng khác nhau” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau

được 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 vào các đầu cuốikhác nhau WDM cũng chính là ghép kênh phân chia theo tần số – FDM (FrequencyDivision Multiplexing)

Một hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng đượcgọi là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng hay cũn được gọi một cáchđơn giản là hệ thống WDM

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tậndụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quangđơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thànhcủa kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quátrình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượngtruyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng cáctuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào

đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độtruyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thểđảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháptrở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuậtghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống WDM được minh họa trong hỡnh 1.3

Hỡnh 1.3 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Các phần tử cơ bản của hệ thống WDM bao gồm: Bộ phát tín hiệu quang, bộ ghéptín hiệu (MUX), sợi quang, bộ tách tín hiệu (DEMUX) và bộ thu tín hiệu quang Các phần tử này sẽ được nghiên cứu cụ thể ở phần sau

1.1.2 Phân loại hệ thống WDM

Có 3 cách để phân loại hệ thống WDM: Phân loại theo hướng truyền dẫn, phânlọai theo phương pháp ghép kênh và phân loại theo cấu trúc hệ thống

Phõn loại hệ thống WDM theo hướng truyền dẫn

Theo cách phân loại này hệ thống WDM được chia làm 2 loại: Hệ thống đơn

hướng và hệ thống song hướng như minh hoạ trên hình 1.4 Hệ thống đơn hướng chỉ

truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi

quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên

chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

Hỡnh 1.4 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉcho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

 Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấpđôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệthống song hướng

 Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn và cũng phải xétthêm các yếu tố như: Vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợiquang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quangkhông dùng chung một bước sóng…

 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong

hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống songhướng giảm một nửa theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại

sẽ cho công suất quang ngừ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

Phân loại hệ thống WDM theo phương pháp ghép kênh

Theo cỏch này cú thể chia hệ thống WDM thành 2 loại: Hệ thống DWDM (DenseWavelength Division Multiplexing) và hệ thống CWDM (Coarse Wavelength DivisionMultiplexing)

 Hệ thống DWDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống ghépkênh theo bước sóng với mật độ dày đặc Khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhautrong một hệ thống DWDM điển hỡnh là 0,8 nm hay tương đương với 100 GHz(ngoài ra cũng có các hệ thống DWDM khác với khoảng cách giữa 2 bước sóng kềnhau là 12,5 GHz, 25 Ghz và 50 GHz) Dải bước sóng hoạt động của hệ thốngDWDM là băng C (1530 nm – 1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm) Vớikhoảng cách kênh là 0,8 nm thì số kênh tối đa có thể được ghép theo lý thuyết là 119kênh Tốc độ điển hành của 1 kênh trong hệ thống DWDM là 2,5 – 10 Gbps Nhưvậy dung lượng của 1 hệ thống WDM là rất lớn, có thể lên đến cỡ Tbps Công nghệWDM hiện nay đó đạt được dung lượng 5,12 Tbps với 32 kênh bước sóng, mỗi kênh

có tốc độ 160 Gbps Tuy nhiên đó chỉ là hệ thống được tạo ra trong phòng thínghiệm Trên thực tế hệ thống DWDM được sử dụng rộng rãi hiện nay thường làmạng đường trục quốc gia và các tuyến cáp quang biển xuyên quốc gia có thể đạtdung lượng cỡ hàng trăm Gbps Hiện tại ở nước ta công ty Truyền dẫn Viettel đang

sử dụng hệ thống DWDM cho mạng mạng đường trục Bắc - Nam với dung lượng 40Gbps (4 kênh bước sóng, tốc độ mỗi kênh 10 Gbps) và có thể nâng cấp lên 400 Gbps(ghép 40 bước sóng)

 Hệ thống CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống ghépkênh theo bước sóng với mật độ thưa Khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau trongmột hệ thống CWDM điển hỡnh là 20 nm Dải bước sóng hoạt động của hệ thốngCWDM là băng O (1260 nm – 1360 nm), băng E (1360nm – 1460 nm), băng S (1460

nm – 1530 nm), băng C (1530 nm – 1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm) Nhưvậy một hệ thống CWDM điển hỡnh chỉ cú thể ghộp tối đa 18 kênh bước sóng, íthơn rất nhiều so với hệ thống DWDM Mặt khác tốc độ của 1 kênh đơn được sử dụngcũng khá thấp (chỉ từ 50 Mbps – 2,5 Gbps) do vậy dung lượng của hệ thống CWDM

là rất nhỏ so với hệ thống DWDM Tuy nhiên hệ thống CWDM lại có ưu điểm hơn

hệ thống DWDM ở chỗ sử dụng các thiết bị đơn giản hơn, công suất tiêu thụ thấphơn, chi phí triển khai, vận hành và mở rộng ít hơn Do vậy hệ thống CWDM manglại hiệu quả kinh tế cao đối với những yêu cầu về dung lượng không qúa lớn

1.1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đó rỳt ra được những ưu nhược điểm củacông nghệ WDM như sau:

Ưu điểm của hệ thống WDM:

 Tăng băng thông truyền trên sợi quang theo số lần tương ứng với số bước sóng đượcghép vào để truyền trên một sợi quang

 Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nờn nú cú thể

hỗ trợ cỏc định dạng số liệu và thoại như: Chuyển mạch kênh, ATM, GigabitEthernet, IP

 Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thôngtruyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiềucấp độ khác nhau

Nhược điểm của hệ thống WDM:

 Số lượng kênh bước sóng được ghép vẫn cũn hạn chế

 Quỏ trỡnh khai thỏc, bảo dưỡng phức tạp

 Quỹ công suất quang bị giảm đi do tuyến truyền dẫn phải sử dụng cỏc thiết bị WDM

 Do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến nên số kênh bước sóng truyền trên sợi làhạn chế và do đó sẽ hạn chế việc tăng dung lượng của hệ thống, nhất là đối với các hệ

thống cự ly xa

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

Laser là từ viết tắt của tờn gọi bằng tiếng Anh: Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation, cú nghĩa là "khuếch đại Ánh sáng bằng phát xạ kích thước".Nguyên lý hoạt động cơ bản của Laser là kết quả của 3 quá trình chủ yếu: Quá trình hấpthụ photon, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích

Như đó biết, theo lý thuyết dải năng lượng của vật chất, thỡ thụng thường các hạtđều tồn tại ở mức cơ bản Ek vỡ mức này cú năng lượng thấp nhất nên cũng bền vữngnhất Chỉ cần kích thích một năng lượng nào đó, ví dụ như quang năng, điện năng, nhiệtnăng thỡ cỏc hạt ở mức cơ bản sẽ di chuyển lên mức năng lượng cao hơn, gọi là cỏcmức kớch thớch (Ei ) Cỏc hạt chỉ tồn tại ở cỏc mức kớch thớch một thời gian rất ngắnkhoảng 10-8 giây rồi nó lại dịch chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánhsáng, hay cũn gọi là cỏc photon Photon phỏt ra theo định luật bảo toàn năng lượng:

hớ = Ei - Ek (2 1)

Từ đó tính được tần số bức xạ của ánh sáng:

ớ = (Ei - Ek)/h (2.2)Trong đó h là hằng số Plank, h = 6,625.10-34 J.s = 4,16.10-15 eV.s

Ta cũng tính được bước sóng ở của ánh sáng phát ra khi đó biết tần số ớ:

ở = c/ớ (2.3)

Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 299792458 m/s ≈ 3.108 m/s.

Quỏ trỡnh hấp thụ là quỏ trỡnh mà tại đó khi có một photon tương tác với vậtchất thỡ một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon(quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei

Bức xạ tự phỏt là quỏ trỡnh mà cỏc điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích

Ei, nhưng chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản Ek và phát ra photon cónăng lượng hớ Mỗi một bức xạ tự phát ta thu được một photon Hiện tượng này xảy rakhông có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là quá trỡnh bức xạ tự phỏt Bức xạnày đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên

Nếu có một photon có năng lượng hớ tới tương tác với vật chất mà trong lúc đó cómột điện tử đang cũn ở trạng thỏi kớch thớch Ei, thỡ điện tử này được kích thích và ngaylập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản Ek và bức xạ ra một photon khác cónăng lượng cũng đúng bằng ớh Photon mới bức xạ ra này cú cựng pha với photon điđến và được gọi là bức xạ kích thích (hay bức xạ cảm ứng)

Cấu tạo chung của một máy Laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chấtLaser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng là bộ phận chủyếu Trên hỡnh 2.1 là cấu tạo cơ bản của một Laser điển hỡnh: 1 là buồng cộng hưởng(vùng bị kích thích), 2 là nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích), 3 làgương phản xạ toàn phần, 4 là gương bán mạ, 5 là tia Laser

Hỡnh 2.1 Cấu tạo cơ bản của Laser

Cơ chế hoạt động của Laser có thể được miêu tả như sau: Dưới sự tác động củahiệu điện thế cao, các electron của hoạt chất Laser di chuyển từ mức năng lượng thấp lênmức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ của electron; ở mức nănglượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng cáchạt photon; các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, vaphải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinhthêm các photon cùng tần số, cựng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dâychuyền khuyếch đại dũng ỏnh sỏng; cỏc hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trongbuồng cộng hưởng, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng; một số photon

ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu,tia sáng đi ra chính là tia Laser

2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của Diode Laser

Diode Laser một loại Laser cú cấu tạo tương tự như một Diode Nó có môi trườngkích thích là chất bỏn dẫn dạng p-n nối tiếp của Diode Diode Laser hoạt động gần giốngvới Diode phỏt quang Nó cũng được gọi là đèn Diode nội xạ và được viết tắt là LD hayILD

Khi ống Diode được kích ứng, ví dụ như được đặt dưới hiệu điện thế, cỏc lỗ trốngtrong phần bỏn dẫn loại p chuyển qua phần bỏn dẫn loại n và cỏc electron trong phầnbỏn dẫn loại n sang phần bỏn dẫn loại p Khi các electron gặp các lỗ trống, chúng rớixuống mức năng lượng thấp (và bền) hơn, giải phóng năng lượng dư thừa qua photon vớinăng lượng bằng với chênh lệch năng lượng trong và ngoài lỗ trống Trong điều kiệnthích hợp, các electron và các lỗ trống có thể cùng tồn tại trong cùng một diện tớch trongmột khoảng thời gian (tính trên phần triệu giây) trước khi chúng sát nhập Nếu photon cócùng tần số được phát ra trong khoảng thời gian trên, nó sẽ kích thích sự phát xạ củaphoton khác, cùng một hướng, cùng độ phõn cực và đồng pha với photon đầu tiên

Quỏ trỡnh bức xạ kớch thớch sẽ chỉ trội hơn quá trỡnh hấp thụ nếu độ chiếm giữcủa các trạng thái kích thích lớn hơn độ bị chiếm giữ của các trạng thái cơ bản Điều kiệnnày được gọi là sự đảo mật độ chiếm giữ trong chất bán dẫn Trong Diode Laser, sự đảo

mật độ chiếm giữ xảy ra trong trường hợp các hạt dẫn đa số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúcP-N Điều này chỉ xảy ra khi dũng điện thuận qua Diode phải vượt quá trị số dũng điệnngưỡng như chỉ ra ở hỡnh 2.2 Hỡnh 2.2 biểu thị sự phụ thuộc của cụng suất phỏt củaLaser vào dũng điện chạy qua Diode.

Hỡnh 2.2 Đặc tuyến bức xạ của Diode Laser

Vật liệu bán dẫn của Diode Laser phải là bán dẫn có sự tái hợp trực tiếp và nănglượng photon gần bằng độ rộng vùng cấm (hớ ≈ EG) Để tăng độ phát sáng của Laserphải sử dụng chất bán dẫn được pha tạp với nồng độ tạp chất rất cao (hay cũn gọi là sựpha tạp suy biến)

Trong thụng tin quang, cỏc Laser phải bức xạ ra ỏnh sỏng thuộc 3 cửa sổ cụng tỏccủa sợi quang là ở = 850 nm, 1300 nm, và 1550 nm Vật liệu bán dẫn thường được chọntrên nền GaAs Chất Galium Asenid cho bức xạ ở nhiệt độ 3000K với ở = 900 nm, muốn

cú bức xạ ở = 800 nm ta cần phải thay đổi độ rộng vùng cấm của nó bằng cách pha thêmnhôm vào để có chất bán dẫn GaAlAs Để có bức xạ bước sóng từ ở = 1200 nm đến 1600

nm thỡ sử dụng hợp chất 4 thành phần InGaAsP

Bức xạ kích thích trong Laser bán dẫn được sinh ra bên trong một hốc cộnghưởng Fabry- Perot Hỡnh 2.3 mụ tả một cấu trỳc cơ bản của hầu hết các loại Diode

Laser Tuy nhiên hốc cộng hưởng rất nhỏ, kích thước chiều dài khoảng từ 250 đến500ỡm, chiều rộng khoảng từ 5 đến 15ỡm và bề dày khoảng từ 0,1 đến 0,2ỡm Các kíchthước này được gọi chung là kích thước chiều dọc, cạnh bên và chiều ngang của hốccộng hưởng.

Hỡnh 2.3 Cấu trỳc của một Diode Laser với hốc cộng hưởng Fabry- Perot

Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot của Diode Laser, có một bộ phận các gươngphản chiếu được định hướng Các mặt gương được tạo ra bằng 2 mặt chẻ tách tự nhiêncủa tinh thể bán dẫn (mặt 110) Mục đích của các gương này là để cung cấp sự hồi tiếpquang theo hướng chiều dài, và sẽ biến cấu kiện thành một máy phát với hệ số tăng ích

để bù lại sự tổn thất quang trong hốc cộng hưởng Hốc cộng hưởng của Laser có thể cónhiều tần số cộng hưởng Cấu kiện sẽ phát ra ánh sáng tại các tần số cộng hưởng mà tại

đó hệ số tăng ích của nó đủ để vượt qua được sự mất mát Các cạnh bên của hốc cộnghưởng được hỡnh thành bởi cỏc cạnh thụ, xự xỡ của cấu kiện để hạn chế các bức xạkhông mong muốn trong các hướng này

2.1.3 Diode Laser trong hệ thống WDM

2.1.3.1 Diode Laser hồi tiếp phân tán

Trong hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDMcần có những Laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, cũn lại cỏc mode bờn cầnđược loại bỏ Laser đơn mode có nhiều loại, điển hỡnh là Laser hồi tiếp phõn tỏn(Distributed Feedback )

Cấu tạo

Đây là một loại Diode Laser không cần các mặt tách bóc tinh thể để tạo gươngphản xạ quang Ở DFB gần như tạo được độ chọn lọc mốt ánh sáng rất tốt dựa trên sự lantruyền sóng trong một cấu trúc tuần hoàn Một Diode Laser loại DFB tiêu biểu được mô

tả trong hỡnh 2.4 Cấu tạo của Laser loại này cũng giống như loại Fabry Perot nhưng sựhoạt động bức xạ được thực hiện nhờ bộ gương phản chiếu Bragg, đó là các cách tử tuầnhoàn, hoặc nhờ sự thay đổi theo chu kỳ của chiết suất mà nó được hợp thành trong cấutrúc nhiều lớp dọc theo chiều dài của Diode Laser

Hỡnh 2.4 Cấu trỳc của một Diode Laser phản hồi- phõn tỏn

Nguyờn lý hoạt động

Laser DFB gồm có một lớp cách tử nhiễu xạ có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạttính để tạo ra ánh sáng suốt chiều dài khoang cộng hưởng với mục đích nén các modebên trong và chọn lọc tần số như hỡnh 2.5.

Hỡnh 2.5 Nguyờn lý hoạt động Diode Laser hồi tiếp phân tán

Sóng quang lan truyền song song với cách tử, do cách tử có cấu trúc hoàn toàntheo chu kỳ tạo hiện tượng giao thoa giữa hai sóng ghép lan truyền ngược nhau Để hiệntượng giao thoa này xảy ra thỡ sau một chu kỳ cỏch tử pha thay đổi 2ðm (m là số nguyênđược gọi là bậc của nhiễu xạ Bragg), tức là:

2ðm = 2ậðn/ởB (2.4) Trong đó: n triết xuất hiệu dụng của mode, ậ là chu kỳ cỏch tử, hệ số 2 suất hiệntrong biểu thức vỡ ỏnh sỏng phản xạ hai lần để cùng pha với sóng tới Những điều kiệntrên không thoả món thỡ ỏnh sỏng tỏn xạ cỏch tử sẽ triệt tiờu nhau, kết quả là chỉ cú cúbước sóng thoả món là ởB Khi m = 1 thỡ ởB được gọi là bước sóng bậc một và ởB = 2ận

Nói chung, tín hiệu quang hoàn toàn lấy ra từ mặt trước của Laser, có nghĩa là,một mặt của nó được đặt thẳng hàng với sợi quang Trong trường hợp này, một gươngphản chiếu bằng chất cách điện có thể được lắng đọng trên mặt sau của Laser để giảm sựmất mát quang trong hốc cộng hưởng, để giảm mật độ dũng điện ngưỡng, và để tănghiệu suất lượng tử ngoài Với gương phản chiếu 6 lớp, độ phản xạ có thể đạt tới trên 98%

2.1.3.2 Diode Laser dùng buồng cộng hưởng ngoài

Diode Laser có thể điều chỉnh được bước sóng là linh kiện quang then chốt của hệthống WDM và mạng chuyển mạch quang Một phương pháp đơn giản để chế tạo Laser

có thể điều chỉnh được bước sóng phát ra là sử dụng bộ chọn lọc bước sóng ngoài, tức làkết hợp Laser và một bộ lọc bước sóng Đó chính là Diode Laser dùng buồng cộnghưởng ngoài Bộ lọc ngoài sẽ chọn lọc một mode sóng phù hợp với bước sóng của mộtmode sóng Fabry Perot nào đó bằng cách điều chỉnh các tham số của bộ lọc

Có rất nhiều cấu trúc của bộ lọc ngoài được áp dụng nhưng chủ yếu vẫn làphương pháp dùng cách tử nhiễu xạ có cầu trúc như hình 2.6

Hỡnh 2.6 Cấu trỳc Diode Laser dựng buồng cộng hưởng ngoài

Một trong những mặt cuối của Laser được phủ một lớp chống phản xạ Các tiasáng từ Laser đi qua lớp chống phản xạ, qua thấu kính biến thành chùm tia sáng songsong đập vào cách tử Cách tử đóng vai trũ vừa là gương phản xạ vừa là bộ lọc bướcsóng hẹp Khi qua cách tử tia sáng sẽ được chọn lọc bước sóng và phản xạ ngược trở lạivào thấu kính sau đó quay trở về Laser để tạo ra tia sáng co bước sóng mong muốn Mọithay đổi của cách tử đều dẫn đến thay đổi bước sóng lựa chọn Nếu ta quay cách tử thỡ

cú thể điều chỉnh thô bước sóng quang đầu ra Cũn nếu ta điều chỉnh cách tử theo chiềudọc thỡ cú thể tinh chỉnh được bước sóng quang đầu ra Với công nghệ này có thể điềuchỉnh được bước sóng trong khoảng 50-240 nm tại bước sóng 1550 nm

Ưu điểm chính của loại phát quang này là độ rộng phổ phát cực hẹp và có thể điềuchỉnh bước sóng trong phạm vi rộng Cũn nhược điểm chính là tốc độ điều chỉnh thấp,thể tích tương đối lớn, độ ổn định về cơ không cao

2.1.4 Ổn định bước sóng và yêu cầu độ rộng phổ của Diode Laser

Trong Diode Laser chỉ có một số sóng ánh sáng có bước sóng nhất định mới cóthể lan truyền được trong bộ cộng hưởng, cụ thể là những bước sóng thừa món điều kiệnsau:

ở = 2nL/m (2.5)Trong đó m là một số nguyên, n là chiết suất của chất bán dẫn, L là chiều dài hộp cộnghưởng

Laser chỉ khuyếch đại những bước sóng thỏa món điều kiện (2.5) Mỗi bước sóng

đó gọi là một mode dọc, hay đơn giản là mode Tập hợp đỉnh của các mode này tạothành đường bao phổ bức xạ của Diode Laser

Hỡnh 2.7 a, Các mode trong Diode Laser b, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động duới mức ngưỡng c, Đường bao vạch phổ khi Laser hoạt động trên mức ngưỡng d, Phổ

phát xạ của Diode Laser

Từ công thức (2.5) xác định tần số cộng hưởng, cũng chính là tần số phát của Laser:

ớ = cm/(2Ln) (2.6)Cũng từ (2.6) ta cú khoảng cỏch tần số giữa 2 mode liờn tiếp:

Äớ = c/(2Ln) (2.7)Mặt khỏc do c = ớở nờn:

Äớ/ớ = Äở/ở (2.8)

Từ đây suy ra khoảng cách bước sóng giữa 2 mode liên tiếp:

Äở = ở2/(2Ln) (2.9)Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng củaDiode Laser, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thốngkhông ổn định hay kém tin cậy Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiểnDiode Laser : Thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của

bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bướcsóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việcgiám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự trênh lệnh trị số giữa điện áp đầu

ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hỡnhthành kết cấu khộp kớn chốt vào bước sóng trung tâm

Việc chọn độ rộng phổ của Diode Laser nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt độngmột cách độc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thugiữa các kênh lân cận Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép đượcrất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn) Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường

đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băngtần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến

1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L) Như vậy một vấn đề đặt ra khighép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả món được yêu cầu tránh chồngphổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ củanguồn phát, tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến

2.2 Bộ ghộp/tách tín hiệu

Ghộp tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồngtín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phânchia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu racủa bộ tách Hiện nay, đó cú cỏc bộ tỏch/ghộp tớn hiệu WDM như: Bộ lọc màng mỏngđiện môi, cách tử Bragg, linh kiện quang tổ hợp, bộ lọc Fabry-Perot

2.2.1 Bộ lọc màng mỏng điện môi

Trong kỹ thuật WDM loại bộ lọc quang được sử dụng phổ biến nhất là bộ lọc

màng mỏng điện môi (Thin Film Filter - TFF) TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín

hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ cũn lại đi qua Bộ lọc này thuộc loại bộlọc bước sóng cố định Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môitrong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được cấu tạo từ nhiều lớp màng mỏngđiện môi có chiết suất cao (TiO2 cú n = 2,2) và chiết suất thấp (MgF2 cú n = 1,35 hoặcSiO2 cú n = 1,46) xen kẽ nhau Mỗi lớp cú bề dày ne = ở0/4 (đối với bộ lọc bậc 0) hoặc ne

= 3ở0/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với ở0 là bước sóng trung tâm Hỡnh 2.8 mụ tả cấu tạo bộlọc màng mỏng điện môi

Hỡnh 2.8 Cấu trỳc bộ lọc màng mỏng điện môi

Các bộ lọc này hoạt động dựa trên nguyên tắc của buồng cộng hưởng Perot Đây là bộ lọc cộng hưởng có tính chọn lọc bước sóng Sóng ánh sáng nào có thểtạo ra trong khoang cộng hưởng một sóng đứng (chiều dài khoang cộng hưởng bằng bội

Fabry-số nguyên lần nửa bước sóng) thỡ sẽ lọt qua được bộ lọc và có công suất cực đại tại đầura

Trên cơ sở đó người ta chế tạo bộ lọc màng mỏng nhiều khoang cộng hưởng vớicác đặc tính phổ khác nhau Bộ lọc này có thể gồm hai hoặc nhiều khoang tách biệt nhaubởi các lớp màng mỏng điện môi phản xạ ảnh hưởng của nhiều khoang đến đặc tínhcộng hưởng của bộ lọc được thể hiện trong hỡnh 2.9 Số khoang càng nhiều thỡ đỉnhhàm truyền đạt càng phẳng và sườn càng dốc Cả hai đặc tính này của bộ lọc đều rất cầnthiết

Hỡnh 2.9 Hàm truyền đạt của bộ lọc điện môi màng mỏng

Để tách được nhiều bước sóng người ta sử dụng nhiều bộ lọc nối với nhau theocấu trúc tầng như hỡnh 2.10

Hỡnh 2.10 Bộ lọc quang tỏch bước sóng

2.2.2 Các thông số cơ bản của bộ ghép/tách kênh

Các thông số cơ bản miêu tả đặc tính của các bộ ghép/tách kênh là suy hao xen,

Số lượng kênh xử lý, Băng thông (độ rộng kờnh), Khoảng cỏch kờnh và tần số trungtõm

 Suy hao xen:Là suy hao của công suất tín hiệu ra so với công suất tín hiệu vào

tính bằng dB khi tín hiệu quang đi qua thiết bị MUX/DEMUX

 Số lượng kênh xử lý: Là số lượng kênh bước sóng ở đầu vào và đầu ra của bộ

ghép/tách kênh Thông số này đặc trưng cho dung lượng của thiết bị

 Băng thông: Là độ rộng phổ (linewidth) của kênh bước sóng trên thực tế.

Băng thông thường được tính là độ rộng của hàm truyền đạt công suất ở các

mức cách đỉnh 1dB, 3dB, 20dB

 Khoảng cách kênh và tần số trung tâm

Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau Việc phân

bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sửdụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau Sửdụng khoảng cách kênh không đều nhau để hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợiquang

Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thóng thống WDM khác nhau, cần phảichuẩn hoá khoảng cách kênh và tần số trung tâm của các kênh Đối với hệ thống

DWDM, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách các kênh là 100 GHz, 50 GHz, 25 Ghz

và 12,5 Ghz với tần số chuẩn là 193,1 THz

Hỡnh 2.11 Tần số trung tõm và bước sóng tương ứng của hệ thống DWDM với khoảng

cách giữa các kênh kề nhau là 100 GHz theo khuyến nghị của ITU-T

2.3 Sợi quang

2.3.1 Tổng quan về sợi quang

Sợi quang là loại sợi điện môi có thể cho ánh sáng truyền qua dọc theo chiều dàicủa sợi (giống như ống đẫn sóng) Sợi có cấu trúc hình trụ, gồm lõi (core) có chiết suất

n1 và bao quanh lõi là vỏ (cladding) có chỉ số chiết suất n2 nhỏ hơn chỉ số chiết suất củalừi Điều kiện cần để ánh sáng truyền được trong lừi là n1 > n2 Vỏ còn có tác dụng bảo

vệ lõi Vật liệu cơ bản để chế tạo lừi và vỏ là Silica (SiO2) Thường dùng Germanidioxide (GeO2) bổ sung vào Silica để làm tăng chỉ số chiết xuất của lừi Muốn làmgiảmchỉ số chiết xuất của vỏ phải dựng chất bổ sung là Fluorine Để tránh trầy xước vỏ

và tăng độ bền cơ học, sợi quang thường được bao bọc thêm một lớp chất dẻo tổng hợpgọi là lớp áo (coating) Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, giacường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị nứt do kéo dón hoặc xước do cọ xát bề mặt;mặt khác tạo điều kiện bọc sợi thành cáp sau này Cấu trúc cơ bản của một sợi quangđược minh họa trong hỡnh 2.12

Hỡnh 2.12 Cấu trỳc cơ bản của sợi quang

Ánh sáng truyền dẫn trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần Dolừi bờn trong của sợi quang cú chiết suất cao hơn lớp vỏ bao quanh, ánh sáng đến mặtbiên giữa lừi và vỏ với một gúc tới ố lớn hơn góc tới hạn ốc (ốc = arcsin (n2/n1)) sẽ phản

xạ toàn phần Phản xạ xảy ra tại biên (nơi bắt đầu của lớp vỏ) được lặp đi lặp lại và ánhsáng được truyền trong lõi mà không bị thoát ra ngoài

Hỡnh 2.13 Truyền ánh sáng trong sợi quang

Khi thực hiện ghép ánh sáng vào trong sợi quang, các tia sáng có góc tới lớn hơngóc tới hạn là có thể truyền trong sợi quang Có một số tia sáng nhất định thoả món điềukiện này Đường đi của một tia sáng như vậy qua sợi quang gọi là mode truyền dẫn Sốmode truyền dẫn của ánh sáng qua sợi quang phụ thuộc vào đường kính lừi, chiết suấtlừi, chiết suất vỏ và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi Điều kiện để chỉ có một mode

cơ bản được truyền trong sợi quang là tần số chuẩn hoá V phải thoả món:

V = (2ða/ở).(n1 – n2 )1/2 ≤ 2,405 (2.10)

Với 2a là đường kính lừi sợi quang, ở là bước sóng ánh sáng truyền trong sợiquang Từ đó có thể tính được đường kính sợi quang tối đa để đảm bảo điều kiện truyềnđẫn đơn mode.

Trong hệ thống WDM, sợi quang được sử dụng phổ biến là loại sợi đơn mode.Sợi quang đơn mode điển hỡnh bao gồm lớp lừi (core) cú đường kính 9 m, lớp vỏ(cladding) có đường kính 125 m và lớp áo (coating) có đường kính 250 m

2.3.2 Suy hao sợi

Suy hao là hiện tượng mà cường độ ánh sáng bị suy giảm khi truyền qua môitrường sợi quang Mức suy hao trung bỡnh của sợi quang được đo hệ số suy hao ỏ(dB/km)

ỏ [dB.km-1] = 0

10logP T

μmm

Hỡnh 2.14 Phổ tổn hao của sợi quang đơn mode silica

Cỏc nguyờn nhõn gõy suy hao trờn sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao dotỏn xạ và suy hao do bị uốn cong

Suy hao do hấp thụ

Sự hấp thụ ỏnh sỏng xảy ra do cỏc nguyờn nhõn sau gõy ra: suy hao do sự hấp thụcủa cỏc tạp chất kim loại, sự hấp thụ của ion OH, sự hấp thu bằng cực tớm và hồngngoại

 Sự hấp thụ của cỏc tạp chất kim loại: Cỏc tạp chất kim loại trong thuỷ tinh làmột trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp

là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan (Mn), chromium (Cr), coban (Co), niken (Ni).Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bướcsóng ánh sáng truyền qua nó Để có sợi quang có dộ suy hao nhỏ hơn 1dB/kmcần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần

tỷ (10-9)

 Sự hấp thụ của ion OH hay cũn gọi là sự cộng hưởng OH: Các liên kết giữaSiO2 và các ion OH của nước cũn sút lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quangcũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở cácbước sóng gần 950nm, 1240nm và 1400 nm

 Sự hấp thu cực tím và hồng ngoại: Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thuỷtinh có độ tinh khiết cao thỡ sự hấp thụ vẫn xảy ra Bản thân thuỷ tinh tinhkhiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và hồng ngoại Sự hấp thụ trongvùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dàitrong thông tin quang.

lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của bước sóng

 Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo: Khi tia sỏngtruyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lừi và lớp bọc tia sỏng bị tỏn xạ.Lỳc đó 1 tia tới có nhiều tia phản xạ với nhiều góc phản xạ khác nhau

Suy hao do bị uốn cong

Suy hao do bị uốn cong bao gồm suy hao do vi uốn cong và do uốn cong

 Suy hao do vi uốn cong: sợi quang bị chốn ộp tạo nờn những chỗ uốn congnhỏ thỡ suy hao của sợi cũng tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bịlệch trục đi qua những chỗ vi uốn cong đó Sợi đơn mode rất nhạy với nhữngchỗ vi uốn cong nhất là về phía bước sóng dài

 Suy hao do uốn cong: Khi sợi quang bị uốn cong với bỏn kớnh cong càng nhỏthỡ suy hao càng tăng

2.3.3 Tán sắc trong sợi quang đơn mode

 Nguyên nhân gây ra tán sắc

Tán sắc là hiện tượng dón phổ tín hiệu quang đầu ra khi truyền qua sợi Tán sắc

xảy ra do tốc độ truyền của ánh sáng qua sợi phụ thuộc vào bước sóng và mode truyềndẫn Sự khác nhau về tốc độ là không đáng kể, nhưng tán sắc có tính tích lũy theokhoảng cách

Cũng giống như suy hao, tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn của tín hiệuqua sợi quang, nhưng theo các khác nhau Tán sắc không làm yếu tín hiệu, nó chỉ làm

mờ tín hiệu, gây méo xung Tín hiệu vẫn thu được ở phía đầu cuối nhưng nó bị mờ vềmặt thời gian đến mức phía thu không thể hiểu được

Có 2 loại tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống WDM, đặc biệt là đối vớicác hệ thống tốc độ cao là tán sắc vận tốc nhóm (group velocity dispersion - GVD) vàtán sắc mode phân cực (polarization mode dispersion - PMD)

Hỡnh 2.15 Ảnh hưởng của tán sắc

 Tỏn sắc vận tốc nhúm GVD

Cỏc bước sóng khác nhau sẽ lan truyền trong sợi quang với những vận tốc nhómkhác nhau Hệ quả là dón rộng cỏc xung đơn và giao thao giữa các xung lân cận (cũnđược gọi là nhiễu giữa các kí hiệu - ISI)

Tốc độ nhóm ừg là được cho bởi:

g = 1/(d/d) = c/ng (2.12)

Với hệ số truyền lan õ được cho như:

g

D d

2 2

2 2 1

Với ự i là tần số cộng hưởng thứ i và S i là thụng số Sellmeier biểu diễn cường độ cộng

hưởng Sự giải thích đầy đủ của n có thể đạt được nếu K=3 (2 cực tím và 1 hồng ngoại

cộng hưởng) Bước sóng phụ thuộc sự thay đổi của n dẫn đến thay đổi chỉ số mode nhóm

n g Tỏn sắc vật liệu D M có thể được cho như sau:

DM = dng/cd (2.19)

Độ dốc của n g bằng khụng tại =1,276m Các bước sóng này được gọi là bước sóng tánsắc không (ZD) và phụ thuộc vào chất kớch thớch của lớp lừi và lớp vỏ, nú biển đổi giữa1,27-1,29m DM là õm (-) khi < ZD và là dương (+) khi > ZD (hỡnh 2.16a)

Tỏn sắc ống dẫn súng :

Hỡnh 2.16 Một số loại tỏn sắc: a) Tỏn sắc vật liệu - chiết suất n và chỉ số nhúm n g thay đổi theo bước sóng b) Tán sắc ống dẫn sóng - hằng số truyền lan thay đổi theo tần số góc.

Tán sắc ống đẫn sóng là hệ quả của sự phụ thuộc hằng số lan truyền mode vào tần

số tại bề mặt của lớp vỏ và lớp lừi Ta xem xột đến hằng số lan truyền của lừi õ 1 =k 0 n 1 và

lớp vỏ õ 2 =k 0 n 2 với k0 là hằng số truyền súng (k0 = 2ð/ở) Trường quang tại tần số thấp lantruyền trong lớp vỏ và với tần số cao hơn trong lớp lừi Trong vựng tần số, ở đó sự quá

độ giữa lớp vỏ và lớp lừi diễn ra, tần số phụ thuộc hằng số truyền lan mode õ mode cho biết

sự uốn cong trong chỳng, sự phõn bố của chỳng thể hiện nguồn gốc của tỏn sắc ống dẫn

súng D W (hỡnh 2.16b) Theo đó số lượng D W là phụ thuộc vào thuộc tính sợi quang và

chúng được biểu diễn bởi tham số sợi quang V:

Thừa nhận là bước sóng phụ thuộc vào chiết suất của n 1 và n 2

V là tần số chuẩn húa Ä là chỉ số chiết suất tương đối (Ä = (n1 – n2)/n1) và b là hằng số

truyền lan thông thường:

2 0

1 2

n k b

Hỡnh 2.17 PMD do sự khụng hoàn hảo của lừi sợi quang

Xem xét đến sự truyền lan xung trong sợi quang, nó có thể được phân biệt hai trụcphân cực trực giao được gọi là nguyên lý trạng thỏi phõn cực (PSPs- hỡnh 2.16) Cỏctrục đó là không nhất thiết trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang Trong thực tế, sựđịnh hướng ngẫu nhiên của chúng phụ thuộc theo áp lực trong sợi quang Ánh sáng đượcphân cực dọc theo một trong hai trục và chiết suất của một trong hai cực này là khácnhau Hiệu ứng này được biết như là truyền dẫn phân cực vuông góc Khi chiết suất làmột sự đo ánh sáng di chuyển nhanh như thế nào qua vật liệu truyền lan, ánh sáng phâncực tuyến tính là được đưa vào một trục di chuyển nhanh hơn ánh sáng đưa vào một trụckhác, nó cũng có ý nghĩa liờn hệ với pha của ỏnh sỏng trong hai trục Sự thay khỏc biệtpha này thay đổi tổng thể trạng thái phân cực (SOP) của ánh sáng trong sợi quang.Chomột xung với phân cực định hướng ngẫu nhiên, một phần của xung là được truyền dọctheo một trục chính và một phần khác là được truyền dọc theo một trục chính khác Cácxung thu được trở nên dón rộng bởi vỡ hai phần đến với một trễ thời gian  và được gọi

là trễ nhúm vi sai (DGD-hỡnh 2.17) Tổng phần dón rộng xung do bởi PMD cú thể ướclượng từ  Trong một sợi quang với một chiều dài L,  là được cho bởi:

   D PMD L (2.22)

Ở đây: Chuẩn D PMD cho thông số PMD sợi quang, được đo bằng ps/km1/2 và L là chiều dài sợi quang Gía trị điển hỡnh của D PMD là trong giải từ 0,1-1 ps/km1/2 , mặc dự trongsợi quang cũ >1 ps/km1/2 có thể xảy ra Ngày nay, các nhà máy sản xuất sợi quang đưa ra

sợi quang với D PMD <0,5 ps/km1/2 Cho chiều dài sợi quang vượt quá vài km với sự hợplại mode phân cực ngẫu nhiên mạnh, DGD có thể được làm mô hỡnh như một sự phân

bố Maxwellian (hỡnh 1.1.10) với hàm mật độ xác suất (PDF) được xác định như sau:

160 Gbps, bắt buộc phải sử dụng các bộ bù PMD cho khoảng cách lớn hơn 100 km.

Hỡnh 2.18 Tác động của PMD trên khoảng cách truyền cực đại

2.3.4 Bự tỏn sắc

Các phương pháp chính có thể sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc là làmhẹp độ rộng phổ nguồn phát hoặc sử dụng phương pháp bù tán sắc bằng các module bùtán sắc DCM (Dispersion Compensating Module), sợi bù tán sắc DCF (DispersionCompensating Fiber) hoặc các thiết bị dịch tần trước (Pre-chirp) DCF được sử dụngnhiều nhất trong kỹ thuật bù tán sắc trong các hệ thống WDM ngày nay

Sợi quang đơn mốt silica chuẩn SSMF hiện nay là loại sợi không được bù tán sắcNDSF (non-dispersion-shifted fiber) Loại sợi NDSF thường được dùng nhất là SMF-28sản xuất bởi Corning Các sợi NDSF có hệ số tán sắc bằng không nằm trong vùng bướcsóng 1310 nm (gọi là ZD) Các hệ thống WDM hoạt động ở 1550 nm chịu độ tán sắc khálớn với loại sợi này và cần được bù tán sắc (khoảng 17 ps/nm/km) Độ ảnh hưởng củatán sắc càng lớn khi tốc độ truyền dữ liệu càng lớn, đặc biệt là với tốc độ truyền từ 10Gbit/s trở lên

DSF: (Dipersion Shifted Fiber), sợi quang dịch chuyển tán sắc Để giảm thiểu độ

tán sắc cho vùng quang phổ 1550 nm, một loại sợi mới được phát minh vào đầu nhữngnăm 80 của thế kỉ trước Bằng cách thiết kế lại cấu trúc của sợi, ZD có thể được dịchchuyển từ vùng quang phổ 1310 nm đến vùng quang phổ của EDFA là từ 1540 đến 1560

nm Độ tán sắc của loại sợi này được giảm thiểu, xuống cũn khoảng 0,5 ps/nm/km ở 1550

nm Tuy nhiờn , việc đưa ZD vào gần bước sóng làm việc cũng gây hậu quả xấu, đó là sựtăng hiệu suất của các hiện tượng phi tuyến làm biến dạng tín hiệu, đặc biệt là trộn bốnsóng (FWM).

NZ-DSF (Non Zero - Dipersion Shifted Fiber), sợi quang dịch chuyển tán sắc

khác không, là loại sợi được phát triển để giảm thiểu hiệu suất của các hiện tượng phituyến trong sợi DSF í tưởng để thực hiện điều này là đưa ZD ra ngoài rỡa của băng tần

C Các loại sợi phổ biến loại này là TrueWave Classic (ZD < 1530 nm), TrueWave Plus(ZD = 1497 nm), TrueWave RS (ZD < 1452 nm) bởi Lucent, và SMF-LS (ZD > 1560nm) sản xuất bởi Corning Các loại sợi này được coi là giải pháp hữu hiệu cho việc giảm

độ tán sắc đồng thời hạn chế được những bất lợi của loại sợi DSF NZ-DSF có hai loạitương đương với hai hướng tán sắc khác nhau: tán sắc dương (+D) NZ-DSF, và tán sắc

âm (-D) NZ-DSF

Hỡnh 2.19 miêu tả đường biến đổi độ tán sắc của các loại sợi quang theo bước sóng:

Hỡnh 2.19 Độ tán sắc của các loại sợi quang theo bước sóng

2.3.5 Cỏc hiệu ứng phi tuyến

 Tổng quan về cỏc hiệu ứng phi tuyến

Nếu ta giả sử rằng chiết suất sợi quang khụng phụ thuộc vào mật độ công suất vàgiả sử bước sóng tín hiệu khi truyền qua sợi quang không đổi (hoặc không sinh ra cácbước sóng mới) thỡ sợi quang cú chức năng truyền dẫn tuyến tính, tức là ánh sáng lantruyền trong sợi quang tuân theo các định luật truyền sóng cơ học thông thường Tuynhiên khi công suất phát lớn (P > 10 mW) điều đó không cũn đúng nữa, bởi vỡ lỳc nàycụng suất của nguồn Laser quỏ mạnh đó làm ion húa mụi trường truyền, từ đó sinh ra cácbước sóng mới, mặt khác cũng làm cho chiết suất của sợi thay đổi phụ thuộc vào côngsuất của nguồn phát, vỡ vậy ỏnh sỏng lan truyền trong sợi khụng tuõn theo những quyluật thụng thường nữa Hiện tượng này gọi là hiệu ứng phi tuyến Đối với hệ thống

WDM truyền dẫn nhiều kênh với nhiều bước sóng và truyền qua cự ly dài yờu cầu cụngsuất lớn thỡ việc xử lý cỏc hiệu ứng phi tuyến là vấn đề rất cần thiết.

Cỏc hiệu ứng phi tuyến cú thể chia ra làm 2 loại: Các hiệu ứng phi tuyến đàn hồi

và các hiệu ứng phi tuyến không đàn hồi.

Loại thứ nhất sinh ra do chiết suất của mụi trường truyền dẫn thay đổi theo cường

độ điện trường hoạt động Các hiệu ứng phi tuyến này làm dịch pha và dịch tần

(chirping) gây ra các hiện tượng như điều chế tự dịch pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế pha chéo (XMP - Cross-Phase Modulation), hiệu ứng trộn bốn súng (FWM - Four-Wave Mixing) Loại hiệu ứng này cũn được gọi là các hiệu

ứng phi tuyến KERR

Loại thứ hai phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon

(rung động phân tử) trong môi trường silica Hai hiệu ứng chớnh trong loại này là tỏn xạ

do kớch thớch Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering - SBS) và tỏn xạ do kớch thớch Raman (Stimulated Raman Scattering - SRS) Sự mô tả thể hiện của hai loại tán xạ là

này có sự chuyển đổi một phần năng lượng trường quang (gọi là sóng bơm) cho môitrường phi tuyến ở trạng thái kích thích, làm mạnh tín hiệu sóng của môi trượng bị kíchthích (gọi là sóng Stokes) Mô tả bằng phương trỡnh toỏn học như sau:

Khi đánh giá ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến đến hệ thống WDM, chúng ta

cũng thường sử dụng chiều dài hiệu dụng và diện tớch hiệu dụng của sợi quang Sau đây

chúng ta sẽ tỡm hiểu hai khỏi niệm này

Sự tác động phi tuyến phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn và mặt cắt ngang của sợiquang Tuyến càng dài, sự tác động qua lại giữa ánh sáng và vật liệu sợi quang càng lớn

và ảnh hưởng của phi tuyến càng xấu Tuy nhiên, khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang,