Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang wdm

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Tổng quan về công nghệ WDM

Với sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ thông tin, nhu cầu về tốc độ và chất lượng truyền dẫn ngày càng cao Để đáp ứng những yêu cầu này, nhiều công nghệ truyền dẫn đã được nghiên cứu và triển khai, trong đó nổi bật là công nghệ TDM, WDM, OTDM và Soliton.

Công nghệ TDM có khả năng đạt dung lượng hệ thống lên đến 5 Gbps, tuy nhiên đây cũng là giới hạn tối đa của công nghệ này.

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO

14 hệ thống TDM về mặt dung lƣợng thì hệ thống thông tin quang dựa trên công nghệ WDM lại đáp ứng đƣợc.

Hình 1 2 Hệ thống (mạng) WDM.

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) cho phép truyền đồng thời nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang, với dung lượng lên đến 2,5 Gbps cho mỗi bước sóng Số lượng bước sóng ghép có thể lên tới 16 hoặc nhiều hơn Tại phía phát, các bước sóng mang thông tin được ghép lại và truyền đến phía thu, nơi chúng được tách ra bằng các bộ tách kênh quang Ngoài ra, trên tuyến truyền dẫn có thể sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù đắp cho suy hao, giúp công nghệ này đạt hiệu quả truyền dẫn cao mà không quá phức tạp.

Công nghệ WDM (Multiplexing Wavelength Division) trong truyền dẫn sợi quang cho thấy tiềm năng lớn, đặc biệt trong cửa sổ quang 1550 nm Dải bước sóng khả dụng từ 1500 nm đến 1600 nm tương ứng với băng tần rộng khoảng 15 THz, mang lại hiệu suất truyền tải cao và khả năng mở rộng mạng lưới.

Hình 1 3 Sự suy giảm của ánh sáng trong sợi Silic (thạch anh)

Hệ thống WDM cho phép truyền dẫn với tốc độ 10 Gbps chỉ sử dụng một phần nhỏ băng tần, đồng thời có khả năng đáp ứng dung lượng hàng trăm C Gbps Ngoài ra, hệ thống này còn rất linh hoạt nhờ vào các thành phần như bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang và các bộ lọc quang, giúp thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh.

Công nghệ OTDM và truyền dẫn Soliton cung cấp khả năng đáp ứng dung lượng rất tốt, tuy nhiên, độ phức tạp của hệ thống lại dẫn đến chi phí cao, trở thành một vấn đề cần được chú ý.

Truyền dẫn WDM đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cấp dung lượng dịch vụ băng rộng, tối ưu hóa tài nguyên băng thông của sợi quang và thực hiện truyền dẫn thông tin siêu tốc Công nghệ WDM không chỉ có ý nghĩa lớn trong truyền dẫn cáp sợi quang mà còn trong ngành viễn thông, do đó, cần được nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.

1.2 Quá 2 trình phát triển mạng truyền dẫn

Công nghệ mạng truyền dẫn đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ công nghệ tương tự sang số, từ PDH sang SDH, và gần đây là WDM Để đảm bảo tính tương thích với các công nghệ trước, công nghệ chuyển mạch mới cần phù hợp với công nghệ truyền dẫn cũ Công nghệ PCM cho phép chuyển mạch ở mức 64 Kbps với tốc độ truyền dẫn 2 Mbps; PDH đạt tốc độ nối chéo 2 Mbps và truyền dẫn 140 Mbps; SDH có tốc độ nối chéo 155 Mbps và truyền dẫn lên đến 10 Gbps Dự đoán, công nghệ WDM sẽ có tốc độ chuyển mạch cơ sở khoảng 300 pGb/s, tương ứng với dung lượng truyền dẫn 10 pTb/s Trong tương lai, WDM có khả năng kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang như OTDM và chuyển mạch gói quang, cùng với các trạm lặp quang 3R, nhằm mở rộng độ trong suốt của mạng và tiến tới mạng toàn quang.

SONET level Electrical level Line Rate (Mb/s) SDH equivalent

Để xây dựng một mạng truyền dẫn photonic hiệu quả và kinh tế, cần phải vượt qua nhiều thách thức, bao gồm công nghệ đường truyền quang chất lượng cao, các bộ nối chéo và nút chuyển mạch quang Một trong những yêu cầu quan trọng nhất là cấu trúc mạng phải được thiết kế hợp lý để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Cấu trúc mạng 17 trúc tốt yêu cầu tương tự như mạng SDH, với các thành phần cơ bản bao gồm topo Ring và Mesh Các cấu trúc này có thể được kết hợp linh hoạt, như Ring, Mesh hoặc phân cấp đa Ring, để tối ưu hóa hiệu suất mạng.

Trong quá trình xây dựng mạng, việc giám sát mạng là rất cần thiết để phát hiện các sự kiện đã được dự đoán cũng như những sự kiện không mong muốn Do đó, việc thiết lập hệ thống báo hiệu và giám sát cho mạng là điều quan trọng Cần lưu ý nhiều vấn đề trong mạng WDM so với SDH, chẳng hạn như giám sát tỷ lệ lỗi bit quang, điều này giúp tối ưu hóa hoạt động của mạng WDM Hơn nữa, cần có các tiêu chuẩn về mào đầu và báo hiệu để phát triển các thiết bị mạng WDM một cách hiệu quả.

Thách thức quan trọng tiếp theo là phát triển một mô hình thông tin hiệu quả để trích xuất và xử lý tất cả các trường thông tin từ mạng Các thử nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng mô hình phân lớp phát triển cho mạng SDH gặp phải một số vấn đề khi áp dụng vào mạng WDM, với nhiều hiệu ứng phức tạp, và vẫn chưa xác định rõ các thách thức mới cho nghiên cứu.

1.2.3.1 Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ƣu điểm nổi trội:

Dung lƣợng truyền dẫn lớn.

Hệ thống WDM (Wavelength Division Multiplexing) có khả năng mang nhiều kênh quang, mỗi kênh tương ứng với một tốc độ TDM, cho phép nó có dung lượng truyền dẫn vượt trội so với các hệ thống TDM truyền thống Hiện nay, hệ thống WDM đã được thử nghiệm thành công với 80 bước sóng, mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM với tốc độ 2,5 Gbps, dẫn đến tổng dung lượng hệ thống đạt 200 Tbps Trong khi đó, hệ thống TDM hiện tại chỉ đạt tốc độ tối đa STM-256, tương đương 40 Gbps.

Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng nhƣ những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao.

Khác với TDM, WDM không cần tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, mà chỉ cần mang một vài tín hiệu, mỗi tín hiệu tương ứng với một bước sóng riêng biệt (kênh quang) Điều này dẫn đến tốc độ của từng kênh thấp hơn, từ đó giảm thiểu đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc Nhờ vậy, các thiết bị TDM tốc độ cao trở nên đơn giản hơn.

Linh hoạt trong việc nâng cấp dung lƣợng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM giúp tăng dung lượng mạng hiện có mà không cần lắp đặt thêm sợi quang hay cáp mới Ngoài ra, nó tạo ra một thị trường mới cho thuê kênh quang mà không nhất thiết phải thuê sợi hoặc cáp quang Việc nâng cấp hệ thống trở nên đơn giản với việc cắm thêm các Card mới trong khi vẫn duy trì hoạt động của mạng.

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

CÁC CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

Nguyên lý khuếch đại quang

Khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và trong quá trình khuếch đại không xảy ra cộng hưởng.

Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện quan trọng trong thông tin quang, bao gồm hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích Các hiện tượng này đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện hiệu suất và khả năng truyền tải thông tin quang.

Hình 2 3 Các hiện tƣợng biến đổi quang điện

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi ánh sáng có năng lượng E v = hf tác động vào vật liệu với độ rộng vùng cấm E g = E2 - E1 Khi đó, điện tử nhận năng lượng và nhảy lên mức năng lượng cao hơn, gây ra hiện tượng suy hao cho tín hiệu quang.

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, phát ra một photon có năng lượng E v bằng độ lớn dải cấm E g Mỗi vật liệu có thời gian sống khác nhau, và khi hết thời gian sống, nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát Điều này chính là nguyên nhân gây ra nhiễu trong bộ khuếch đại.

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi ánh sáng có năng lượng photon Ev tương đương với năng lượng dải cấm Eg Khi đó, một điện tử sẽ được kích thích từ mức năng lượng thấp lên mức cao hơn.

Khi lượng năng lượng cao bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn, quá trình này sẽ phát ra photon có cùng pha với ánh sáng kích thích, tạo thành nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại quang.

Hiện tượng bức xạ tự phát xảy ra bất cứ lúc nào và gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát (ASE) Hấp thụ trong vật liệu khuếch đại dẫn đến suy yếu hiệu suất Khi mật độ năng lượng trong vật liệu khuếch đại thấp, hiện tượng hấp thụ sẽ gia tăng Do đó, để đạt được mức khuếch đại lớn, cần thực hiện đảo mật độ hạt.

Các thông số chính của sợi quang

2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại

Hầu hết các bộ khuếch đại quang hoạt động dựa trên hiệu ứng bức xạ kích thích, trong đó quá trình khuếch đại diễn ra khi bộ khuếch đại thực hiện bơm quang hoặc bơm điện để làm đảo lộn mật độ Khuếch đại quang không chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn bị ảnh hưởng bởi cường độ bơm và mật độ hạt trong vật liệu Nếu coi vật liệu là đồng nhất, ta có thể áp dụng công thức sau:

Trong hệ thống khuếch đại quang, g0 đại diện cho giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang, và ω0 là tần số truyền trung tâm Công suất của tín hiệu được khuếch đại là P, trong khi Ps là công suất bão hoà, phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại Thời gian hồi phục phân cực, được ký hiệu là T2, thường nhỏ hơn 1 ps và là yếu tố quan trọng trong công thức (2.1) Công thức này không chỉ mô tả băng tần độ lợi mà còn thể hiện hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà Ở chế độ chưa bão hoà, khi P/Ps 3, tăng ích của bộ khuếch đại sẽ bão hòa, dẫn đến công suất bơm tăng mạnh nhưng tăng ích không thay đổi Lúc này, hiệu suất tăng ích của bộ khuếch đại sẽ giảm khi công suất bơm tăng.

Quan hệ giữa tăng ích và chiều dài sợi quang pha Erbium

Hình 2 12 Quan hệ giữa và chiều dài sợi quang trộn Erbium tại bước sóng G bơm 1480 nm

Tăng ích trong sợi quang pha tạp erbium ban đầu tăng theo chiều dài sợi, nhưng khi vượt quá một độ dài nhất định, tăng ích sẽ giảm dần Do đó, có một độ dài tối ưu để đạt được tăng ích tối đa, tuy nhiên độ dài này không phải là độ dài tốt nhất cho sợi quang pha tạp erbium vì còn phụ thuộc vào nhiều đặc tính khác như đặc tính tạp âm Bên cạnh đó, tăng ích cũng bị ảnh hưởng bởi điều kiện bơm, bao gồm bước sóng và công suất bơm, với bước sóng bơm phổ biến hiện nay là 980 nm và 1480 nm.

Hình 2 13 Hệ số khuếch đại phụ thuộc chiều dài sợi và phương thức bơm 2.5 2 Đặc tính công suất ra

Bộ khuếch đại quang lý tưởng sẽ khuếch đại tín hiệu quang theo tỷ lệ đồng nhất, bất kể công suất vào là bao nhiêu Tuy nhiên, bộ khuếch đại EDFA lại không hoạt động theo cách này Khi công suất vào tăng, hiện tượng bức xạ kích thích xảy ra, ảnh hưởng đến hiệu suất khuếch đại.

Để đạt được công suất đầu ra lớn nhất từ EDFA, cần sử dụng công suất đầu vào 3 dB, tương ứng với việc giảm 3 dB ở mức tăng ích bão hòa Đặc tính đầu ra bão hòa của EDFA phụ thuộc vào công suất bơm quang và chiều dài sợi quang pha tạp erbium; công suất bơm càng lớn thì công suất đầu ra bão hòa 3 dB càng cao Sự giảm nồng độ hạt và quang bức xạ bị kích yếu đi sẽ dẫn đến sự ổn định của công suất ra.

Tại đầu ra của bộ khuếch đại EDFA, tín hiệu quang bị ảnh hưởng bởi bức xạ tự phát, tạo ra nguồn tạp âm Có bốn loại tạp âm chính của EDFA: tạp âm tan hạt từ tín hiệu quang, tạp âm tan hạt từ bức xạ tự phát, tạp âm phách giữa các quang phổ ASE và tín hiệu, cùng tạp âm phách giữa các quang phổ ASE Trong số này, tạp âm phách giữa các quang phổ ASE có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt là tạp âm thứ ba, quyết định tính năng quan trọng của EDFA Để đánh giá đặc tính tạp âm của EDFA, cần xem xét hệ số tạp âm và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR).

Tần phổ ASE truyền cùng chiều có mối liên hệ chặt chẽ với hiệu suất của bộ khuếch đại quang Khi công suất tín hiệu quang gia tăng nhanh chóng, dẫn đến sự chuyển ngược số hạt cao hơn, thì mức độ ASE đầu ra sẽ giảm Điều này cho thấy ảnh hưởng của các phương thức bơm khác nhau đến hệ số tạp âm trong hệ thống khuếch đại quang.

Hệ số tạp âm của EDFA bị ảnh hưởng bởi các phương thức bơm khác nhau, với bơm ở bước sóng 980 nm cho hệ số tạp âm tốt hơn so với bơm 1480 nm, chênh lệch khoảng 1 - 2 dB Theo lý thuyết, giá trị hệ số tạp âm tối thiểu cho bộ khuếch đại quang sợi là 3 dB, được gọi là giới hạn lượng tử Đối với bơm ở bước sóng 980 nm, hệ số tạp âm đạt khoảng 3.2 - 3.4 dB, trong khi bơm 1480 nm có hệ số tạp âm tối thiểu khoảng 4 dB Khi công suất đầu ra tăng, số hạt chuyển ngược giảm, dẫn đến hệ số tạp âm của EDFA kiểu bơm cùng chiều thấp nhất trong khu vực chưa bão hòa, nhưng có sự thay đổi trong khu vực bão hòa NF của bộ khuếch đại quang ổn định nhất khi tăng chiều dài đối với bơm cùng chiều.

Hiện nay trên thị trường đã có EDFA đạt tăng ích trên 30 dB Hệ số tạp âm là

3 - 4 dB, công suất đầu ra của EDFA là 10 17 dBm, tại cửa sổ 1550 nm có băng - tần 20 40 nm, do đó đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống nhiều kên - h

Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA

2.6 Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA

2.6.1 Kết cấu cơ bản của EDFA

Căn cứ theo phương thức bơm của EDFA chia thành 3 kết cấu cơ bản: bơm cùng chiều, bơm ngƣợc chiều và bơm hai chiều.

Tín hiệu quang và bơm quang đƣa vào sợi quang trộn erbium trên cùng một chiều, hay còn gọi là bơm phía trước

Pumping light Pump laser coupler WDM WDM coupler

Hình 2 15 Kết cấu của EDFA bơm cùng chiều 2.6.1.2 Bơm ngƣợc chiều

Tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn erbium từ hai hướng khác nhau

Residual pumping light coupler WDM Pumping light Pump laser

Hình 2 16 Kết cấu EDFA bơm ngƣợc chiều 2.6.1.3 Bơm hai chiều Đây là kết cấu đồng thời bơm ngƣợc chiều và cùng chiều

Pumping light Pumping light Pump laser

Hình 2 17 Kết cấu EDFA bơm hai chiều 2.6 So sánh 2 các đặc tính của ba phương thức bơm

2.6.2.1 Công suất của tín hiệu đầu ra và công suất bơm

Hình 2 18 Quan hệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất bơm

Trong hình vẽ, độ dốc tương ứng của bơm cùng chiều, ngược chiều và hai chiều lần lượt là 61%, 76% và 77% Do đó, trong điều kiện bơm giống nhau, bơm cùng chiều có công suất ra thấp nhất.

2.6.2.2 Đặc tính bão hòa ở đầu ra

Bộ khuếch đại EDFA bơm cùng chiều có đầu ra bão hòa nhỏ nhất, trong khi EDFA bơm hai chiều cho công suất đầu ra lớn nhất Tuy nhiên, tính năng của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào chiều của tín hiệu đầu vào Mặc dù vậy, tổn hao phối ghép tương đối lớn và việc thêm một nguồn bơm sẽ làm tăng chi phí.

2.6.3 Kết cấu EDFA tối ƣu

Các ứng dụng đa dạng yêu cầu những tính năng khác nhau, do đó các nhà khoa học đã tiến hành cải tiến và tối ưu hóa dựa trên kết cấu cơ bản.

Hình 2 19 Sơ đồ EDFA bơm kiểu phản xạ

Tín hiệu quang tại đầu vào được truyền qua bộ tách chùm vào EDF, sau đó được khuếch đại lần thứ nhất bằng kính phản xạ và tiếp tục khuếch đại lần thứ hai bởi EDF trước khi được đưa ra ngoài Bộ mạch vòng quang đảm bảo tín hiệu quang chỉ truyền theo một hướng và có độ cách ly cao Phương pháp này sử dụng công suất bơm tương đối nhỏ để đạt được tăng ích cao.

Để giải quyết vấn đề tăng ích không đồng đều của EDFA trong khuếch đại và ứng dụng WDM, các nhà khoa học đã cải tiến thành phần sợi quang, giúp các tín hiệu nhiều bước sóng được khuếch đại đồng đều Một phương pháp khác là sử dụng bộ cách ly sóng, nhằm hấp thụ giá trị đỉnh công suất tại điểm tăng ích lớn nhất, từ đó đạt được mục tiêu làm phẳng tăng ích và mở rộng băng tần.

2.6.4 EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều

Hình 2 20 Sơ đồ của EDFA hai chiều

EDFA là thiết bị khuếch đại quang hoạt động theo hai chiều, được cấu tạo từ hai nhánh EDF mắc song song Hai nhánh này khuếch đại tín hiệu theo hai chiều ngược nhau, tùy thuộc vào hướng của hai bộ truyền tín hiệu ở hai phía.

Các bộ khuếch đại quang sợi băng rộng

E-Band S-Band C-Band L-Band U-Band

Dist Raman Fluoride EDFA 83 + nm Dist Raman Fluoride EDFA 80 + nm TDFA 35 nm

Tellurite EDFA 76 nm Tellurite EDFA 62 nm EDFA 52 nm EDFA 47 nm

Hình 2 21 Sơ đồ vùng bước sóng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang

2.7.1 Bộ khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium (Pr) PDFA

PDFA hoạt động ở bước sóng 1310 nm đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng dung lượng và nâng cấp các đường dây thông tin hiện có Mặc dù đã có nghiên cứu về PDFA với tạp âm thấp và hiệu suất cao, nhưng hiệu suất bơm của chúng vẫn chưa đạt yêu cầu, dẫn đến sự không ổn định và nhạy cảm với nhiệt độ, làm cho chúng chưa được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, đã chế tạo thành công PDFA với tạp âm nhỏ, công suất cao, đạt được tăng ích tín hiệu lớn nhất với hệ số tạp là 40,6 dB và 5 dB Khi công suất đầu vào là 0 dBm, công suất đầu ra đạt 20,1 dBm.

2.7.2 EDFA trộn nhôm(Al) Để đạt được tăng ích bằng phẳng của EDFA, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là pha tạp nhôm cùng với Ebrium trong lõi Nhƣ vậy có thể thay đổi thành

Việc sử dụng 51 phần thủy tinh trong thiết kế khuếch đại năng lượng đã làm thay đổi sự phân bố cấp năng lượng, từ đó mở rộng tần số có thể khuếch đại Thêm vào đó, việc trộn nhôm vào sợi quang Erbium Doped Fiber (EDF) giúp mở rộng khu bước sóng, nâng cao hiệu suất khuếch đại.

Việc nâng cao nồng độ trộn nhôm ở 1550 nm sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất tăng ích tại 1540 nm, bất kể công suất tín hiệu nhỏ hay lớn Điều này giúp giảm sai số tăng ích và tạo ra một đường tăng ích phẳng hơn.

Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium-Flo (F-EDFA) sử dụng chất Flo làm vật liệu chính và sợi quang trộn Ebrium làm chủ thể, với công suất ASE dao động trong khoảng sóng 1530-1560 nm, đảm bảo cân bằng tăng ích ở 30 nm F-EDFA được ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn nhờ vào khả năng tăng ích bằng phẳng rất tốt, mở ra tiềm năng lớn cho hệ thống truyền dẫn nhiều bước sóng Tuy nhiên, tính bền vững lâu dài của bộ khuếch đại sợi quang trộn Ebrium thạch anh vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, cùng với đó là vấn đề hút nước của chất Flo và việc cần phải nối bằng phương pháp cơ học do không thể kết nối nóng chảy với sợi quang thạch anh.

Hình 2 22 Công suất ASE theo bước sóng trong bộ EDFA sợi quang Flo

Bộ khuếch đại sợi quang Flo chỉ có thể được bơm ở bước sóng 1480 nm, mang lại hệ số tạp âm thấp hơn so với bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium bơm ở 980 nm, với sự khác biệt lớn hơn 1 dB Một số thiết kế đã sử dụng bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium bơm quang 980 nm như một tầng trong hệ thống khuếch đại nhiều tầng để giải quyết các vấn đề liên quan.

52 đề này hắc phục nhƣợc điểm trên thì bộ huếch đại sợi quang trộn Flo có tiềm lực K k lớn.

2.7.4 EDFA băng rộng trộn tellurium.

Sợi quang tellurium có hiệu suất khúc xạ cao, cung cấp tiết diện phát xạ kích thích lớn hơn so với Flo và thạch anh Ở bước sóng 1600 nm, tiết diện phát xạ kích thích của Er3+ trong tellurium gấp đôi so với Flo và thạch anh Tuy nhiên, tuổi thọ bức xạ của vật liệu tellurium ngắn, chưa đến 1/2 giá trị tương ứng của sợi quang Flo và thạch anh, và tiết diện phản xạ bị kích thích của nó cũng nhỏ Do đó, bộ khuếch đại ứng dụng sợi quang Erbium tellurium có khả năng khuếch đại băng rộng.

Sợi quang được sử dụng để chế tạo bộ huếch đại quang tăng ích bằng phẳng, không băng tần, với khả năng khuếch đại rộng Nghiên cứu và chế tạo EDFA tellurium cho phép khuếch đại tín hiệu băng rộng tại bước sóng 1550nm, đạt băng rộng lớn nhất lên đến 80nm, gấp đôi giá trị tốt nhất của EDFA hiện có Trong dải bước sóng 1530-1610nm, độ tăng ích vượt quá 20 dB, với tăng ích bằng phẳng đạt 1,5dB Đặc tính băng rộng của bộ khuếch đại tellurium rất hấp dẫn cho hệ thống WDM.

EDFA pha tạp Si và Flo không thể khuếch đại tín hiệu ở bước sóng 1627nm, trong khi EDFA tellurium có khả năng hoạt động hiệu quả với bước sóng 1634nm, cho thấy ưu điểm vượt trội của EDFA tellurium trong các ứng dụng quang học.

Hình 2 23 Phổ khuếch đại của EDFA tellurium

2.7.5 Bộ khuếch đại quang sợi Raman

Giai đoạn nghiên cứu tiếp theo của bộ khuếch đại sợi quang là bộ khuếch đại Raman, trong đó hiệu ứng Raman là tác dụng tương hỗ phi tuyến xảy ra khi truyền dẫn tín hiệu công suất cao trong sợi quang Hiệu ứng này là tán xạ quang tử phi đàn hồi do kích thích phân tử của môi chất, dẫn đến sự di tần của dây Stockes Bằng cách chọn sợi quang và tần số bơm phù hợp, có thể điều chỉnh dây Stockes đến tần số tín hiệu được khuếch đại Một thách thức lớn của bộ khuếch đại Raman là lựa chọn bơm thích hợp và đạt được hiệu ứng Raman ở cấp số lượng cao khi dây khuếch đại hoạt động như một khoang cộng hưởng Hiện nay, bộ khuếch đại sợi quang có tăng ích cho tín hiệu nhỏ đạt 30dB, với công suất ra bão hòa là +25dBm, rất phù hợp để sử dụng làm bộ khuếch đại công suất.

2.7.6 Bộ khuếch đại sợi quang bán dẫn SOA.

EDFA là công nghệ khuếch đại quang chủ yếu hiện nay, trong khi SOA đã được nghiên cứu từ sớm nhưng gặp khó khăn do tạp âm và phân cực SOA có nhiều ưu điểm như cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, tuổi thọ cao và tiêu hao công suất nhỏ Nó cũng dễ dàng kết hợp với các bộ phận khác, cho phép chế tạo bộ khuếch đại băng rộng ở các bước sóng 1310 và 1550nm, phù hợp với ứng dụng của EDFA và PDFA Hiện nay, nghiên cứu về cấu trúc của SOA đang được chú trọng và dự kiến sẽ được ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

Hình 2 24 Sơ đồkết cấu song song của EDFA

Sử dụng hai EDFA như trong sơ đồ trên cho phép mở rộng băng tần khuếch đại về phía bước sóng dài, với dải tần rộng lên tới 60-80 nm, rất phù hợp cho các hệ thống WDM với tốc độ rất cao.

EDFA nhánh thứ nhất có phổ khuếch đại nằm ở băng C (1350-1560nm), EDFA nhánh thứ hai có phổ khuếch đại nằm ở băng sóng l (1570-1600nm)

Bộ khuếch đại sợi quang hai tầng EDFA được thiết kế với tầng đầu tiên bơm ở bước sóng 980nm để tạo ra nhiều ASE ban đầu và độ khuếch đại cao Tầng thứ hai, bơm ở bước sóng 1480nm, giúp tăng cường độ ổn định và công suất ra Đặc biệt, tầng này sử dụng sợi quang trộn Flo trên nền EDF và chỉ bơm với bước sóng 980nm để duy trì nhiễu ASE ban đầu thấp Thiết kế này cho phép tạo ra phổ khuếch đại băng C khá bằng phẳng.

Tầng thứ hai sử dụng sợi quang EDF trộn silica, cũng đƣợc thiết kế theo kiểu hai tầng kế tiếp.

Hình 2 25 Phổ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA song song

Giải pháp kĩ thuật cho tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại quang sợi

Thiết bị khuếch đại quang sợi mang lại khả năng thiết lập các tuyến truyền dẫn quang linh hoạt với quỹ công suất quang cao và khoảng cách truyền dẫn dài hơn Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, cần lưu ý đến các hiệu ứng phi tuyến, tán sắc hiệu ứng phân cực và nhiễu tích lũy Việc ứng dụng công nghệ này vào các tuyến truyền dẫn phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng và chất lượng truyền dẫn trong từng trường hợp cụ thể Hiện nay, nghiên cứu tập trung vào hai vấn đề chính của khuếch đại quang.

Nhiễu tích lũy (noise acummlation) Điều chỉnh tán sắc (dispersion accommodate)

Khả năng tối ưu hóa hiệu suất của bộ khuếch đại quang sợi phụ thuộc vào các giải pháp kỹ thuật tiên tiến, nhằm khắc phục hai vấn đề chính.

Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang OFA, nhiễu tự phát ASE từ các bộ OFA được khuếch đại lên nhiều lần như tín hiệu ánh sáng Bức xạ ASE được khuếch đại tại mỗi bộ OFA, dẫn đến việc công suất tín hiệu giảm tương ứng với mức nhiễu Do đó, công suất nhiễu có thể vượt qua công suất tín hiệu.

Nhiễu ASE tích lũy có mặt cả trong và ngoài dải tần tín hiệu, gây giảm hệ số khuếch đại của OSA và tỷ số S/N của hệ thống Thực tế cho thấy, nhiễu phách (beat noise) liên quan đến ASE là yếu tố chính làm suy giảm tỷ số S/N Hơn nữa, nhiễu phách tăng theo số lượng bộ OFA, dẫn đến lỗi bít BER cũng gia tăng khi số lượng bộ OFA tăng lên.

Nhiễu tích lũy trong các hệ thống sử dụng bộ lọc sẽ giảm khi qua các bộ lọc, tuy nhiên bức xạ ASE trong băng tần tín hiệu vẫn tăng theo số lượng bộ OFA Để hạn chế ảnh hưởng của nhiễu tích lũy, cần giảm khoảng cách giữa các bộ OFA trong khi vẫn duy trì khuếch đại để bù đắp cho suy hao trên đường truyền.

Có hai giải pháp làm giảm bức xạ ASE:

Sử dụng hiệu ứng tự lọc

Hiệu ứng tự lọc được áp dụng trong các hệ thống truyền dẫn sử dụng từ vài chục bộ OFA trở lên, giúp điều chỉnh bước sóng tín hiệu thành bước sóng tự lọc để giảm thiểu nhiễu ASE tại bộ tách sóng, tương tự như bộ lọc băng hẹp Để tối ưu hóa phương pháp này, khoảng cách giữa các bộ OFA cần được rút ngắn và hệ số khuếch đại OFA nên được chọn nhỏ để giảm mức nhiễu ASE ban đầu Tuy nhiên, trong các hệ thống chỉ sử dụng một vài bộ OFA, hiệu quả của phương pháp tự lọc sẽ không cao.

Hiệu ứng tự lọc phụ thuộc vào dạng phổ tín hiệu, tiết diện ngang bức xạ và hấp thụ, cũng như mức độ nghịch đảo độ tích lũy của OFA Bước sóng tự lọc có thể thay đổi khi điều chỉnh thành phần chế tạo EDFA, công suất quang nối vào, suy hao giữa các bộ khuếch đại, bước sóng bơm và chiều dài sợi EDFA Để đạt hiệu quả tối ưu, cần trùng ba bước sóng: bước sóng tín hiệu, bước sóng với hệ số tán sắc tối ưu và bước sóng tự lọc Một phương pháp khác để cải thiện tỉ số S/N ở phía thu là sử dụng phương pháp sửa lỗi trước FEC (Forward error correcting), nhằm giảm tỉ lệ lỗi bit BER trong truyền số liệu, với mối quan hệ giữa tỉ lệ lỗi bit và S/N được xác định rõ.

Trên cơ sở đã biết tỉ số S/N, ta có thể tính đƣợc độ nhạy thu đƣợc cải thiện trong trường hợp dùng FEC theo công thức sau.

Với giả thiết ta chỉ tính nhiễu nhiệt của bộ thu quang: p = (1/p) {4.K.T f(S/N)/R1} 1/2

P là công suất quang thu đƣợc W f là giải thông

Rt là giải điện trở tải

Vấn đề tán sắc trong đường truyền đã ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của OFA trong mạng lưới viễn thông Bài viết này sẽ tập trung nghiên cứu và đề xuất một số giải pháp hiệu quả để khắc phục tình trạng tán sắc.

Dùng cáp quang có độ tán sắc dịch chuyển theo khuyến nghị G.653 của CCITT, trong đó hệ số tán sắc là 3ps/nm/km tại bước sóng = 1550nm

Sử dụng cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của CCITT với hệ số tán sắc 20 ps/nm/km tại bước sóng 1550nm là giải pháp khả thi và hiệu quả kinh tế cao Cần lưu ý các điều kiện giao diện quang theo khuyến nghị G.957 của ITU-T, như độ rộng phổ nguồn laser nhỏ hơn 1nm Giải pháp này cho phép khai thác tuyến cáp quang đã lắp đặt sẵn, loại sợi quang đơn mode G.652 hiện đang phổ biến và có chi phí thấp hơn so với cáp quang theo khuyến nghị G.653.

Sử dụng thiết bị tán sắc thụ động (PDC) là giải pháp quan trọng để kiểm soát hệ số tán sắc trong dải bước sóng lựa chọn Hệ thống truyền dẫn SDH với tốc độ 165 Mbps kết hợp PDC và EDFA giúp tăng cường khoảng cách đầu cuối lên 120 km, vượt trội hơn so với khoảng cách thông thường chỉ 40 km.

Một giải pháp khắc phục tối ưu đang trong giai đoạn thử nghiệm là sử dụng hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang để bù tán sắc, được gọi là truyền dẫn soliton Phương pháp này cho phép các xung ánh sáng truyền đi mà không thay đổi hình dạng ban đầu nhờ vào kỹ thuật nén xung Để phát huy hiệu quả trong việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các nhà nghiên cứu cần giải quyết một số vấn đề quan trọng.

Nhiễu tích lũy do các bộ khuếch đại gây ra Điều chỉnh tán sắc

Các hiệu ứng phi tuyến và các hiệu ứng phân cực

Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống cáp quang biển dài, cần phân bố khoảng cách giữa các EDFA và hệ số khuếch đại một cách hợp lý Theo phân loại của ITU, đối với tuyến cáp quang dài trên 5.000 km, khoảng cách giữa các bộ OFA được xác định là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống.

Tốc độ tối đa đạt được là 45 km, bị hạn chế bởi hiệu ứng phi tuyến phân cực chiếm ưu thế Đối với các tuyến dài dưới 3.000 km, khoảng cách giữa các bộ OFA là khoảng 90 km, cũng bị hạn chế do hiệu ứng nhiễu tích lũy và khả năng công suất bơm laser chiếm ưu thế.

Hệ số khuếch đại của các bộ OFA trên từng tuyến cũng phụ thuộc vào chiều dài tuyến lắp đặt Cụ thể nhƣ:

G 12 dB đối với khoảng cách tuyến 9.000 km

G 14dB đối với khoảng cách tuyến 6.500 km

G 21 dB đối với khoảng cách tuyến 2.000 km

PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH, THAM SỐ KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

Phương trình cơ bản

Hoạt động của sợi quang có thể được chia thành các đoạn nhỏ, dẫn đến việc công suất bơm giảm dần theo chiều dài của sợi quang.

Công suất vào sẽ tăng dần theo chiều dài sợi quang đƣợc khuếch đại khi đi qua mỗi đoạn dz s s a s s e s s s z s P z N z N z dz dP , , 2 , 1 , 2) (3

Hệ số với = a đối với hấp thụ và = e cho phát xạ sẽ nhận giá trị khác

0 khi nằm trong băng tần từ 1400 đến 1650 nm.

Công suất P s (0, s) là công suất tín hiệu đƣợc đƣa vào đầu sợi.

PP (0, P) là công suất bơm ở đầu sợi quang.

Tính toán hệ số tạp âm

Ta có: NF = ( SRN out / SNR IN)

NF là sự suy giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu do truyền tín hiệu qua bộ khuếch đại quang sợi, đƣợc tính bằng dB.

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR OUT) được phân tích ở đầu ra của bộ tách sóng quang lý tưởng, có khả năng chuyển đổi từng photon ánh sáng thành dòng điện với hiệu suất lượng tử tối đa (h = 1).

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu vào SNR in đƣợc xác định là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ nguồn nhiễu lƣợng tử.

Ta có: sig-shot 2 = 2q(Pin.G.R) B

60 sp-shot 2 = 2q(Pase.R) B sig-sp 2 = 4q.Pin.G.R.Nsp (G 1).B – sp sp - 2 = 2q.R.Nsp (G 1) P– ase B

Nếu coi thành phần nhiễu lƣợng tử do tín hiệu và nhiễu phách tín hiệu tự phát là chủ yếu thì ta có:

Từ đó ta tính đƣợc hệ số tạp âm NF

Trong trường hợp hệ số khuếch đại cao thì có thể coi gần đúng

Trong đó (R.Pin) 2 là bình phương của dòng quang trung bình

R = q/(h ) là độ nhạy của bộ tách lí tưởng. q là điện tích electron f là dải tần của bộ tách

NF bé nhất của mỗi bộ khuếch đại quang sợi là 3dB.

Hệ số khuếch đại

Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang đƣợc xác định nhƣ sau:

G = ( Pout Ps Psp ) (3.5) Trong đó:

Pout là công suất đầu ra của bộ khuếch đại

Psp là công suất nhiễu đƣợc phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang

Pin là công suất tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại Việc xác định bộ khuếch đại trong hệ thống khuếch đại quang sợi chính xác là một quá trình phức tạp do tính chất phân bố hai chiều của nó.

Để đạt được khuếch đại thực của bộ khuếch đại, cần xác định tiết diện bức xạ kích thước e và tiết diện hấp thụ a, có thể thực hiện qua việc đo huỳnh quang và hấp thụ của một đoạn sợi Các tiết diện này là thông số cơ bản quan trọng của sợi EDF và phụ thuộc vào bước sóng Độ khuếch đại cũng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác như chiều dài, công suất tín hiệu vào, nồng độ pha tạp Erbium, và cấu trúc của bộ khuếch đại (bơm cùng chiều, một chiều, hai chiều) Đặc biệt, phổ khuếch đại không đồng nhất ở hai cửa sổ bước sóng 1550 nm.

Tính toán độ khuếch đại của EDFA theo phương pháp số có thể được thực hiện bằng cách coi EDFA như một chuỗi các bộ khuếch đại quang nhỏ ghép liền với nhau, với độ dài tăng dần Độ khuếch đại thực G được xác định từ toàn bộ các phần tử g(z) dọc theo trục z của EDFA, và được tính toán theo công thức cụ thể.

) (zdz g (3.6) Ở đây L là độ dài của EDF

Với g(z) tính thông qua phổ khuếch đại đƣợc đo g * (z) và phổ suy hao ( ): g * ( ) = e( ) ( ).Nt ( 3.7) ( ) = a( ) ( ).Nt ( 3.8) Ở đây e ( ) là tiết diện bức xạ, a( ) là tiết diện hấp thụ

( ) = 1 –exp(-b 2 /a 2 ) là hệ số hạn chế giữa trường mode quang và tích luỹ ion erbium a là bán kính lõi sợi b là bán kính phủ er 3+

Nt là mật đọ ion erbium.

Khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu di chuyển cùng hướng trong sợi quang, và bức xạ tự phát được khuếch đại không đáng kể, công suất tín hiệu Ps sau khi đi qua EDF có thể được mô tả bằng công thức cụ thể.

Hệ số suy hao tín hiệu của sợi được ký hiệu là s, trong khi hệ số khuếch đại g(z) thể hiện sự khác biệt giữa các mức tích lũy ion ở mức trên và mức dưới Công thức tính toán cho g(z) được mô tả trong phương trình (3.9).

N2 là mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền (hoặc tích luỹ mức trên

N1 là mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái nền (mức cơ bản 4 I15/2)

Nt là mật độ ion er 3+ Nt = N1 + N2 Với mô hình hai mức.

Công suất bơm ngƣỡng

Là mức công suất bơm cần thiết bé nhất để tạo nên khuếch đại

Pth = h p A / ( a p ( p) ) (3.11) Trong đó là thời gian tồn tại tự phát của ion ở trạng thái bền vững tạm thời.

Công suất bão hòa tín hiệu

Đặc tính khuếch đại bão hòa là một tham số quan trọng trong bộ khuếch đại quang Sự bão hòa độ khuếch đại được xem là quá trình khuếch đại khi tín hiệu tăng Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang có thể được diễn đạt dưới dạng hàm số của tỷ số công suất quang đầu ra Pout so với công suất bão hòa Psat.

G = Go.exp[(1 G)Psat Pin ] Goexp[ G G 1 Psat Pout] ( 3.12) Psat là công suất bão hoà

Tại bước sóng xác định, Psat là công suất cần thiết để nghịch đảo một lớp sợi pha tạp erbium, đảm bảo độ khuếch đại đạt 0dB Psat được xác định là công suất tại điểm mà độ khuếch đại quang giảm 3dB so với giá trị không bão hòa.

Tính toán công suất bơm ngƣỡng, công suất tới hạn, công suất bão hoà, hệ số khuếch đại của EDFA

số khuếch đại của EDFA.

Dựa vào các tham số bảng trên, ta có thể tính công suất bơm ngưỡng ở bước sóng bơm 980nm là:

Công suất bơm ngưỡng ở bước sóng bơm 1480nm là:

Công suất bão hoà Psat

Tính khi trường hợp nghịch đảo môi trường hoàn toàn (khi tốc độ bơm lớn hơn tín hiệu vào) N2 ~ Nt và N1 ~ 0 thì theo (3.10) ta có: g(z) = ( g * ( ) 2 ( ) 1) g*( )

Theo (3.7) g * ( ) = e( ) ( ).Nt g * = 7,9.10 -25 ( 1 –exp(-1,2 2 /2 2 )).4,5.10 24 ,7.10 -1 Độ khuếch đại tính theo chiều dài L = 10m theo (3.6)

Trường hợp khi N2 = N1 = Nt/2 g(z) = ( g*( ) 2 ( ) Nt 1 ) * g ( ) ( )) 1 / 2

Nhƣ vậy: g(z) = (10,7 – 7,85).10 -1 1/2 = 1,425.10 -1 Độ khuếch đại tính theo chiều dài L = 10m theo (3.6)

Các ứng dụng PA, BA, LA

Hình 3 1 Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại

Ptx là công suất phát.

Ps là công suất đầu vào pin

Pin là công suất quang đầu vào bộ khuếch đại

Pout là công suất quang đầu ra

L là khoảng cách cho nhƣ hình vẽ tot là hệ số suy hao trung bình của sợi quang (lần)

Tính tổng các loại tạp âm: sp sp p ss th sh tot 2 2 2 2

Be Rl mtIsp kTBe Is eBe tot (3.15)

Be Rl mtPsp kTBe Ptx

Tiền khuếch đại là thiết bị khuếch đại quang sợi với nhiễu thấp, được sử dụng trước bộ thu quang để cải thiện độ nhạy thu Thiết bị này thường hoạt động trong trạng thái tín hiệu nhỏ, với hệ số khuếch đại PA hoạt động ở chế độ tuyến tính, dựa trên công suất đầu vào và bước sóng tín hiệu đã định.

Các chức năng OAM cho các bộ khuếch đại công suất (PA) có thể được điều hành đồng thời với bộ thu quang Để đảm bảo mức nhiễu ASE thấp, việc sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp là cần thiết Hơn nữa, khi thiết kế hệ thống, cần xem xét các tham số chỉ tiêu để lựa chọn PA phù hợp.

Dải công suất quang vào

Dải công suất phát ra.

Dải bước sóng công tác.

Mức nhiễu NF: Đặc trƣng cho sự suy giảm tín hiệu trên nhiễu (S/N) tại lối ra của bộ khuếch đại Sự suy giảm đƣợc tính theo dB

Mức công suất nhiễu là mức công suất quang tại bước sóng xác định, được phát ra do tự phát được khuếch đại (ASE) ở PA trong điều kiện hoạt động danh định Thông số này rất quan trọng và phụ thuộc vào bộ lọc được sử dụng.

Suy hao phản xạ lối vào là tỷ lệ giữa công suất quang tới và công suất phản xạ tại cửa vào của bộ khuếch đại công suất (PA) trong điều kiện hoạt động danh định.

3.7 2 Khuếch đại công suất (BA).

Hình 3 2 Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm khuếch đại công suất.

Be Rl mtIsp kTBe Is eBe tot

Be Rl mtPsp kTBe Ptx

Khuếch đại công suất là thiết bị quang sợi có công suất bão hòa cao, được lắp đặt ngay sau bộ phát quang nhằm tăng cường mức độ công suất tín hiệu Thiết bị này không yêu cầu nghiêm ngặt về nhiễu và lọc quang.

Các chức năng OMA cho BA có thể hoạt động đồng thời với bộ phát quang Với công suất đầu ra cao, BA dễ dàng gặp phải nhiễu ASE do quá trình bức xạ tự phát của các photon trong OFA Tuy nhiên, các thành phần nhiễu ngoài băng tín hiệu có thể được loại bỏ hiệu quả nhờ vào bộ lọc quang.

Việc sử dụng nhiều bộ bộ khuếch đại quang (BA) có thể dẫn đến hiện tượng phi tuyến trong các sợi quang Khi đánh giá và thiết kế hệ thống, cần lưu ý các chỉ tiêu quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Dải công suất phát vào bộ BA

Dải công suất phát ra từ bộ BA.

Dải bước sóng công tác.

Mức nhiễu NF (tính theo dB)

Suy hao phản xạ lối vào

Việc kết hợp bộ khuếch đại công suất và tiền khuếch đại mang lại lợi ích lớn cho các nhà khai thác, đặc biệt khi không thể hoặc không nên lắp đặt các vị trí trung gian với thiết bị tích cực, như trong hệ thống cáp quang biển Số lượng trạm trung gian càng ít thì việc bảo trì càng dễ dàng, đồng thời nâng cao độ tin cậy cho các tuyến truyền dẫn.

3.7.3 Khuếch đại đường truyền (LA)

Hình 3 3 Sơ đồ tuyến sủ dụng EDFA làm khuếch đại đường truyền

Ptx là công suất phát.

Ps là công suất đầu vào PIN.

PIN công suất quang đầu vào bộ khuếch đại

Pout công suất quang đầu ra.

Khoảng cách cho nhƣ hình vẽ. totlà hệ số suy hao trung bình của sợi quang (lần)

Tính tổng các loại tạp âm: sp

Bo Be ( mt 2 Psp Ptx ) p (

Trong các biểu thức trên: đƣợc tính là lần.

Khuếch đại đường truyền là thiết bị quang sợi với tạp âm thấp, được sử dụng như thiết bị thụ động để tăng khoảng cách giữa hai trạm lắp trong mạng thuê bao quang theo cấu hình điểm đa điểm Thiết bị này giúp bù suy hao tín hiệu giữa các điểm nhánh, có khả năng thay thế một vài hoặc tất cả các trạm lặp thông thường trên các tuyến đường trục Ưu điểm lớn của khuếch đại đường truyền là giảm số lượng thiết bị trên các tuyến truyền dẫn, chỉ cần thực hiện chức năng bù suy hao tín hiệu mà không cần sửa méo tín hiệu như các trạm lặp.

Trên các hệ thống truyền dẫn sử dụng nhiều bộ LA, cần thiết phải thiết lập các kênh thông tin riêng biệt nhằm mục đích cảnh báo và giám sát hiệu quả các bộ điều khiển cũng như các bộ khuếch đại đường truyền xa.

Theo lý thuyết, khoảng cách tuyến truyền dẫn có thể được mở rộng lên đến hàng nghìn km bằng cách lắp đặt đều đặn các bộ khuếch đại tín hiệu (LA) với khoảng cách đã được tính toán trước.

Quá nhiều bộ LA có thể làm giảm chất lượng hệ thống do hiệu ứng tích lũy, phân cực tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến khác.

Các chỉ tiêu để đánh giá, thiết kế LA:

Dải công suất phát vào bộ LA.

Dải công suất phát ra bộ LA

Công suất quang bão hòa là mức công suất quang phát ra của tín hiệu từ LA, giảm đi 3dB so với hệ số khuếch đại tuyến tính tại bước sóng tín hiệu.

Dải bước sóng công tác

Suy hao phản xạ lối vào.

Hệ số khuếch đại tuyến tính của LA hoạt động trong chế độ tuyến tính, với công suất phát ra tỷ lệ thuận với công suất đầu vào Điều này áp dụng cho mức công suất bơm và bước sóng tín hiệu đã được xác định trước.

Chú ý rằng tính chất này đƣợc nghiên cứu với từng sóng riêng biệt, hay nói các khác là hàm số của bước sóng.

Tán sắc mode phân cực: Độ trễ nhóm cực đại giữa các trạng thái phân cực bất kì lan truyền qua bộ LA.

3.7.4 Tính số tín hiệu trên tạp âm

3.7.5 Tính công suất bù trong từng trường hợp BA, LA, PA để đạt được một tỷ số lỗi bit cho trước.

Công suất bù PBER là giá trị công suất cần thiết để cải thiện độ tin cậy của hệ thống bằng cách điều chỉnh lỗi bit BER từ một mức ban đầu, chẳng hạn như từ BER = 10^-9 lên 10^-10.

Ta thấy các công thức trên eSNR của PA, BA, LA đều có dạng:

) Ptx A eSNR ( 2 giả sử ứng với eSNR Bây giờ ta muốn tỷ số tăng lên đến một tỷ số eSNR cao hơn: eSNR B ( A Ptx Ptx ) C

Nhƣ vậy sẽ tính đƣợc tỷ số.

N N Đặt Ptx t Ptx N thì công suất bù BER đƣợc định nghĩa là:

PBER[dB]=PtxN[dB] - Ptx[dB] = 10 logk

Giải phương trình này với điều kiện K>0 ta được:

B ( eSNR eSNR 4 ) B eSNR ( B log( eSNR

Các tham số của sợi EDF thông dụng

Tham số Kí hiệu Giá trị

Loại sợi pha tạp erbium - Thuỷ tinh Ge/er

Bán kính kích cỡ tín hiệu s 2 m m

Bán kính kích cỡ bơm 980nm p(980) 1,6 m m

Bán kính kích cỡ bơm 1480nm p(1480) 2 m m

Bán kính lõi pha tạp erbium B 1,2 m m

Suy hao của sợi s 0,3dB/m

Bước sóng tín hiệu s 1536nm

Mật độ ion Er Nt 4,5.10 18 ions/cm 3

Mặt cắt bức xạ tín hiệu e ( s) 7,9.10 -25 m 2

Mặt cắt hấp thụ tín hiệu a ( s) 5,8.10 -25 m 2

Mặt cắt bức xạ bơm 980nm e ( p-1) 0,1.10 -25 m 2

Mặt cắt hấp thụ bơm 980nm a ( p-1 ) 3,1.10 -25 m 2

Mặt cắt bức xạ bơm 1480nm e ( p-2) 0,2.10 -25 m 2

Mặt cắt hấp thụ bơm 1480nm a ( p-2) 2,8.10 -25 m 2

Mức công suất bơm đầu vào Ps -35dBm

Các sơ đồ ứng dụng của EDFA

Theo sự phân loại thiết bị quang sợi OFA nhƣ đã trình bày ở phần trên (gồm

Cấu hình ứng dụng OFA theo khuyến nghị G.611 của CCITT được thiết lập dựa trên sơ đồ tham chiếu lắp đặt EDFA trên đường truyền, bao gồm các thành phần BA, LA, PA.

Tx + BA + LA + PA + Rx (*)

Trong đó: Tx là bộ phát quang

Rx là bộ thu quang

LA có thể là một hay nhiều bộ khuếch đại đường dây

BA là bộ khuếch đại công suất

PA là bộ tiền khuếch đại.

Các tham số thiết kế hệ thống làm việc ở bước sóng 1550nm

Khi lựa chọn hệ thống thông tin quang hoạt động ở bước sóng 1550nm, hai tham số quan trọng cần lưu ý là tốc độ truyền dẫn và khoảng cách truyền dẫn Các laser FP LD tại bước sóng 1550nm có khả năng truyền với tốc độ tối đa 50 Mbps và khoảng cách lên đến 100 Km khi sử dụng sợi quang đơn mode (SMF) Ngoài ra, các hệ thống này cũng có giải pháp tích hợp giữa thiết bị đầu cuối và sợi dẫn quang để đáp ứng yêu cầu của tổng tuyến.

Với hệ thống IM-DD:

* Với tốc độ truyền dẫn nhỏ và vừa:

- Dùng laser DFB kết hợp với sợi đơn mode thông thường SMF

- Dùng laser DFB kết hợp với sợi DSF hoặc NZ-DSF

* Với tốc độ truyền dẫn dung lƣợng lớn:

- Dùng laser DFB kết hợp với sợi tán sắc dịch chuyển DSF.

- Dùng laser DFB kết hợp với sợi tán sắc phẳng DSF, hoặc NZ-DSF

* Với tốc độ truyền dẫn dung lƣợng rất lớn:

Sử dụng laser DFB kết hợp với EXT-MOD và sợi đơn mode thông thường, cần áp dụng biện pháp bù tán sắc phù hợp khi truyền tải ở cự li xa.

- Dùng laser DFB điều chế ngoàI (DFB-LD + EXT-MOD) kết hợp với DSF.

Tốc độ tín hiệu đƣợc tính bằng bps, Mbps, psGb Hay kí hiệu trong truyền dẫn đồng bộ SDH bằng các luồng:

Tuyến thông tin quang có thể sử dụng nhiều loại mã tín hiệu khác nhau Trong đó, hai loại tín hiệu đơn cực tính:

NRZ (Non return to zero)

Suy hao nối (Connector Loss) là mức suy hao công suất quang xảy ra khi hai sợi quang được kết nối thông qua một bộ nối, được đo bằng đơn vị dB Giá trị suy hao nối thường rơi vào khoảng 0,5 dB cho mỗi bộ nối.

Suy hao ghép (Coupling Lo :ss)

Là suy hao công suất quang khi nguồn quang đƣợc ghép vào sợi đo bằng dB.

Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, nó có thể ảnh hưởng đến các tham số của thiết bị thu, bao gồm nhiễu nhiệt, thời gian đáp ứng và tăng ích của bội quang Nhiệt độ cũng có thể gây lệch các thành phần trong băng tần xác định, dẫn đến méo tín hiệu, giao thoa giữa các ký hiệu và tăng băng nhiễu Hơn nữa, nhiệt độ ảnh hưởng đến độ ghép vật lý của sợi thiết bị, mặc dù ảnh hưởng này thường bị bỏ qua Giả thiết hệ thống hoạt động ở nhiệt độ phòng 293 K.

Suy hao do hàn nối giữa hai sợi quang với nhau đƣợc đo bằng đơn vị dB

Sau một thời gian sử dụng, bộ tách quang sẽ giảm đáp ứng quang thu do sự già hoá của diot và các phần tử khác trong mạch khuếch đại Vì vậy, trong thiết kế hệ thống, người ta thường coi đáp ứng quang của diot giảm khoảng 5% mỗi năm Thêm vào đó, thường sử dụng 1.5 đến 2 dB dự trữ công suất để bù đắp cho sự lão hóa của bộ tách quang Dự trữ hệ thống này là công suất quang dự phòng nhằm phục vụ cho việc sửa chữa, thay thế, nâng cấp trong tương lai và để đối phó với sự lão hóa của linh kiện.

Tỷ số lỗi bit (BER):

Các tuyến thông tin quang hiện nay yêu cầu tỷ lệ lỗi bít BER khoảng 10 -10 đến 10 -12 , đặc biệt mạng LAN cần có BER là 10 -14 Độ nhạy thu:

Là công suất quang yêu cầu tối thiểu của bộ thu quang để đảm bảo tỷ số BER cho trước.

3.10.1 Tham số của sợi quang

Các thông số kĩ thuật của sợi quang đơn mode:

Hai tham số đƣợc quan tâm là hệ số suy hao và hệ số tán sắc.

Sự lựa chọn sợi quang tuyến truyền dẫn SDH đơn bước sóng:

Nhu cầu tăng dung lượng truyền dẫn trong hệ thống mạng viễn thông ngày càng trở nên cấp thiết Hệ thống SDH đã sử dụng một lượng lớn sợi quang đơn mode G652, với ưu điểm hoạt động ở khu vực tổn hao thấp tại cửa sổ 1310 nm và hệ số tán sắc rất thấp Tuy nhiên, sợi quang G652 có hạn chế về tán sắc (20ps/nm.km) khi hoạt động ở cửa sổ 1550 nm, do đó cần bù tán sắc, dẫn đến chi phí cao Một giải pháp khác là sử dụng sợi quang G653 (DSF), loại sợi quang đơn mode có hiệu suất tốt nhất tại bước sóng 1550 nm, nhờ vào khả năng thay đổi vị trí tán sắc, giúp điểm tán sắc bằng không từ 1310 nm đến 1550 nm.

Tuyến đơn kênh quang truyền dẫn ở bước sóng 1550nm có thể sử dụng sợi quang G654 và NZ-DSF, tuy nhiên, giá thành cao và công nghệ chế tạo phức tạp là những hạn chế cần lưu ý.

Lựa chọn sợi quang cho tuyến WDM:

Lựa chọn sợi quang phù hợp cho hệ thống WDM luôn là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu Sợi G653 (DSF) nổi bật nhờ tính chất ưu việt ở bước sóng 1550 nm, tuy nhiên, khi áp dụng trong hệ thống WDM, sợi này gặp phải vấn đề phi tuyến tính nghiêm trọng tại vùng bước sóng có tán sắc bằng không Điều này đã hạn chế khả năng ứng dụng của WDM và trở thành nhược điểm chính của DSF Từ đó, các nhà khoa học đã phát triển sợi quang biến đổi tán sắc bằng không (NZ-DSF) để khắc phục những hạn chế này Bài viết sẽ trình bày chi tiết về nhược điểm của DSF và nguyên lý ứng dụng của NZ-DSF.

Sự xuất hiện hiệu ứng phi tuyến tính khi dùng DSF và EDFA

Khi sử dụng EDFA trong đường dây DSF để kéo dài cự li truyền dẫn, mật độ công suất quang tăng cao dẫn đến hiệu ứng phi tuyến tính, làm giảm chất lượng hệ thống, đặc biệt trong hệ thống WDM với hiện tượng FWM (trộn tần 4 bước sóng) Hiện tượng này không chỉ làm suy giảm công suất quang trong kênh tín hiệu mà còn gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh Đối với DSF, bước sóng có tán sắc bằng không là 1550 nm, và EDFA hoạt động hiệu quả tại bước sóng này Tuy nhiên, trong hệ thống WDM, các sóng quang truyền cùng pha sẽ làm tăng nghiêm trọng hiện tượng trộn tần bốn sóng, dẫn đến việc các bước sóng sinh ra tương tự như bước sóng truyền dẫn, từ đó giảm đáng kể chất lượng truyền dẫn của hệ thống WDM.

3.10.2 Nguyên lí làm việc của NZ –DSF Để ngăn cản tốt FWM, cho phép đưa ra công suất tương đối lớn và nhiều kênh bước sóng trên sợi quang, ra đời sợi quang biến đổi vị trí tán sắc khác không (NZ – DSF) Đặc điểm của sợi quang này là di chuyển điểm tán sắc bằng không của DSF, làm cho trị số tán sắc ở phạm vi 1548 – 1565 tương đối nhỏ duy trì ở 1 – 4ps/nm.km, tránh khỏi khu tán sắc bằng không, nhưng lại có trị số tán sắc tương đối

76 nhỏ Có thể đạt tán sắc bằng không trong phạm vi tương đối nhỏ trên hoặc dưới

Sợi quang NZ-DSF, với bước sóng 1550 nm, kết hợp ưu điểm của sợi G652 và DSF, đồng thời khắc phục nhược điểm tán sắc của G652 So với DSF, NZ-DSF có điểm tán sắc dịch chuyển bằng không, nhưng vẫn duy trì các đặc tính tương tự, với tổn hao và tán sắc ở 1550 nm là nhỏ nhất Mặc dù hệ số tán sắc của NZ-DSF khác không, nhưng đã giảm đáng kể so với G652, cho phép mở rộng khoảng cách truyền dẫn nhờ khai thác hiệu quả hệ thống WDM nhiều bước sóng trong điều kiện tán sắc và tổn hao thấp, mà không bị ảnh hưởng bởi FWM.

Tốc độ truyền dẫn của sợi quang NZ-DSF có thể đạt ít nhất 80 Gbps, và việc nâng cấp hệ thống cũng linh hoạt, cho phép xây dựng hệ thống WDM mà không cần bù, là lựa chọn lý tưởng cho tốc độ cao và khoảng cách dài Khi thiết kế và chế tạo NZ-DSF để ứng dụng rộng rãi trong hệ thống EDFA/WDM, cần chú ý đến một số điểm quan trọng.

Trong khu vực bước sóng 1540 - 1565 nm cần điều chỉnh tán sắc ở 1- 4ps/nm.km

Tăng cường đường kính trường mode của sợi quang (MFD) để giảm mật độ công suất giảm hiệu ứng phi tuyến.

Trong khu vực bước sóng công tác vẫn phải duy trì tổn hao thấp xấp xỉ 0,2 dB/Km

Tán sắc của phân cực phải nhỏ hơn 0,5ps/ km nm

Phân bố hiệu suất khúc xạ trong lõi sợi quang theo hình tam giác hoặc hình thang

Tăng MFD và dịch chuyển điểm tán sắc bằng không của bước sóng sẽ làm tăng tổn hao uốn cong cho nên phải cần thiết kế tối ƣu.

Hiện nay, nghiên cứu về NZ DSF đang thu hút sự chú ý của nhiều công ty viễn thông toàn cầu Dự đoán cho thấy, trong hệ thống sợi quang trên đất liền với khoảng cách truyền dẫn 1.000 km, việc sử dụng cửa sổ truyền dẫn tán sắc dương và cửa sổ tán sắc bằng không sẽ mang lại lợi ích cho việc bù tán sắc Tuy nhiên, đối với các khoảng cách truyền dẫn dài như cáp quang dưới biển 9.000 km, việc áp dụng cửa sổ truyền dẫn tán sắc âm và cửa sổ tán sắc bằng không là cần thiết để đảm bảo ổn định trong điều chế.

3.10.3 1 Phân tích quỹ thời gian lên cho hệ thống

Thiết lập quỹ thời gian là quá trình xác định giới hạn băng thông của hệ thống, được tính bằng công thức t sys = (t i) 1/2, trong đó t sys là căn bậc hai của tổng bình phương của từng thành phần Cụ thể, t system được tính bằng công thức t system = (t ls^2 + t F^2 + t PD^2) 1/2, với tls, tF, và tPD lần lượt là thời gian lên của nguồn quang, thiết bị thu quang, và hệ thống.

Sự suy giảm thời gian dịch chuyển của tổng truyền dẫn số không nên vượt quá 70% một chu kỳ bit với NRZ hoặc 35% của một chu kỳ đối với RZ Chu kỳ bit được xác định là hàm thuận nghịch của tốc độ số Thông số tán sắc cực đại TS[ps/nm] được sử dụng để xác định giới hạn khoảng cách của tuyến theo quỹ thời gian.

Với là độ rộng phổ của tín hiệu Khi đó L< dis

3.10.3 2 Thiết lập tính toán cho quỹ công suất của tuyến

Tiêu đề	Nghiên Cứu Ứng Dụng Khuếch Đại Quang Sợi Trong Truyền Dẫn Quang WDM
Tác giả	Nguyễn Hữu Sơn
Người hướng dẫn	PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Truyền Thông
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	12,23 MB