Khuếch đại quang trong hệ thống dwdm lh_1600g nortel tại vthcm (vtn2)

LỜI MỞ ĐẦUCông nghệ truyền dẫn quang đã có những bước phát triển mạnh mẽ trong thời gian qua trên cả hai hướng ghép kênh phân chia thời gian TDM và ghép kênh quang WDM. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu phát triển TDM có những hạn chế nhất định về công nghệ, đồng thời những khó khăn công nghệ của WDM được giải quyết thành công với bộ khuếch đại quang EDFA đã thúc đẩy WDM phát triển hơn nữa với công nghệ ghép kênh quang mật độ cao DWDM. Công nghệ DWDM được ứng dụng trong hầu hết các mạng đường trục của các nước trên thế giới.Cùng với sự phát triển của nền kinh tế xã hội, nhu cầu phát triển về thông tin liên lạc ngày càng đòi hỏi cấp bách. Hiện tại và trong thời gian tới, nhu cầu phát triển các loại hình dịch vụ thoại, các dịch vụ băng rộng và đặc biệt là Internet sẽ rất lớn. Sự bùng nổ thông tin kích thích sự tăng trưởng như vũ bão của dịch vụ thông tin toàn cầu, mà ảnh hưởng trực tiếp là hiện tượng cạn kiệt sợi quang. Đối với tiền vốn xây dựng, đầu tư ban đầu của hệ thống thông tin quang là rất lớn do chi phí lắp đặt thiết bị cũng như cơ sở hạ tầng đáp ứng.Phương pháp mở rộng dung lượng truyền thống là dùng phương thức ghép kênh phân chia theo thời gian TDM. Dùng phương pháp này sẽ nâng cao hiệu quả truyền dẫn, là biện pháp hữu hiệu để hạ thấp giá thành truyền dẫn. Nhưng theo sự tăng lên nhanh chóng nhu cầu dung lượng truyền dẫn của mạng viễn thông hiện đại, phương thức TDM đã ngày càng đến gần giới hạn của các mạch điện tử trong điều kiện hiện nay. Theo lý thuyết, băng thông của sợi đơn mốt có suy hao thấp khoảng 50THz, trong khi tốc độ thu phát điện chỉ có thể đạt 10GHz nghĩa là mới chỉ khai thác 15000 băng thông truyền dẫn rộng lớn của sợi quang. Giải pháp cho vấn đề này trở thành công nghệ then chốt cho truyền dẫn quang: “Ghép kênh bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplex) – truyền dẫn nhiều kênh bước sóng trên một sợi quang”.Các kênh bước sóng được truyền đồng thời trên một sợi quang sẽ cải tiến hiệu suất truyền dẫn và nâng cao tốc độ ghép kênh. Như vậy công nghệ ghép kênh theo bước sóng tận dụng được hiệu quả tài nguyênbăng rộng của sợi quang, tăng thêm dung lượng truyền dẫn của hệ thống, nâng cao lợi ích kinh tế.Để hệ thống DWDM hoạt động hiệu quả cần phải có sự phối hợp của nhiều thiết bị mạng như bộ đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal), bộ xenrớt quang OADM (Optical AddDrop Multiplexer), bộ kết nối chéo quang OXC (Optical Crossconnect) và bộ khuếch đại đường truyền OLA (Optical Line Amplifier). Mỗi thiết bị đều có vai trò quan trọng đối với hệ thống trong đó bộ khuếch đại đường truyền được đặc biệt quan tâm. Mục đích của việc khuếch đại là bù các suy hao trên đường truyền để tín hiệu được thu đúng. Để khuếch đại trong thực tế người ta sử dụng khuếch đại quang là phổ biến vì những ưu điểm của nó về băng thông, nhiễu, sự trong suốt đối với tín hiệu.Hiện nay, công nghệ WDM đã và đang được triển khai rộng rãi trên mạng lưới của công ty viễn thông liên tỉnh (VTN). Công nghệ này được xác định là nền tảng cho việc triển khai mạng thế hệ sau NGN tại Việt Nam của công ty VTN. Hệ thống thiết bị DWDM OPTera Long Haul 1600 (LH1600) của hãng Nortel Networks đã được công ty VTN lựa chọn và đưa vào lắp đặt khai thác.Từ những điều đã trình bày ở trên, qua đồ án này, tôi muốn đưa ra một cái nhìn sơ lược về công nghệ WDM và sẽ tập trung chủ yếu vào kỹ thuật khuếch đại quang cũng như ứng dụng của khuếch đại quang trong các hệ thống WDM, đặc biệt là các bộ khuếch đại quang – một thành phần cực kỳ quan trọng – được sử dụng trong hệ thống DWDM LH1600 của Nortel Networks.Với một công nghệ tiên tiến như thế, mà kiến thức và thời gian làm đồ án thì có hạn nên không tránh được những thiếu sót, kính mong sự đóng góp của quý Thầy Cô và các bạn sinh viên có quan tâm về vấn đề này. Xin chân thành cám ơn

Trang 1

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG

-oOo -Hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ trong các mạng viễn thôngtrên thế giới cũng như tại Việt Nam Việc tăng khả năng truyền dẫn và mở rộng khoảngcách truyền dẫn là vấn đề cần được giải quyết khi triễn khai hệ thống thông tin quang.Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thống thông tinquang Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suy hao được khắcphục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater) và bộ khuếchđại Các trạm lặp quang điện đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫnquang một bước sóng như hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, khi sử dụng chocác hệ thống truyền dẫn quang đa bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặpquang điện cần được sử dụng để khuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khácnhau Điều này làm tăng độ phức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫnquang WDM Cho nên mặc dù có những đặc điểm hấp dẫn nhưng bộ lặp không thể sửdụng cho các tuyến và mạng WDM Vì vậy sự dịch chuyển từ TDM sang WDM trongmạng truyền dẫn quang không thể thực hiện mà không có bộ khuếch đại quang

Bộ khuếch đại quang có nhiều ưu điểm hơn so với bộ lặp như : không phụ thuộc vàotốc độ bit, phương thức điều chế tín hiệu, khả năng khuếch đại các tín hiệu trên nhiềubước sóng cùng truyền trên một sợi quang (trong khi đó mỗi bộ lặp chỉ hoạt động với mộtkênh bước sóng mà thôi) Tuy nhiên, bộ khuếch đại quang cũng có khuyết điểm là gâynhiễu cho tín hiệu được khuếch đại, nhiễu này có thể được tích hợp qua nhiều chặngkhuếch đại, có thể làm nhận sai tín hiệu

Có hai loại khuếch đại quang là: bán dẫn và sợi Bộ khuếch đại quang phổ biến nhất là

bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium (Erbium-doped fiber amplifier_EDFA), nó mở racánh cửa cho việc sử dụng hệ thống truyền dẫn quang WDM Trong chương này chúng ta

sẽ tìm hiểu về định nghĩa chung của khuếch đại quang (chủ yếu đi vào khuếch đại quangsợi EDFA và khuếch đại Raman vì đây là hai loại khuếch đại quang chủ lực trong hệ

SV:Tống Hoàng Vũ 1 GVHD:Trần Xuân Trường

Trang 2

thống DWDM LH-1600G của Nortel sử dụng tại VTN2), và ứng dụng của khuếch đạiquang trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM.

1.1 Tổng quan về khuếch đại quang

1.1.1 Nguyên lý khuếch đại quang

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trênhiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếchđại

Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emission) là một trong ba hiện tượng biếnđổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này được minh họatrên hình 1.1

Hình 1.1 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát

xạ kích thích

Hiện tượng phát xạ kích thích, hình 1.1(c), xảy ra khi một điện tử đang ở trạng tháinăng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf12 bằng với độ chênhlệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử(Eg= E2 – E1) Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng tháinăng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photonkích thích ban đầu Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạkích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) có cùngphương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số (tính kết hợp, coherent, của ánhsáng) Hay nói cách khác, quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện Hiện tượng nàyđược ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (OSA) và khuếch đại quang sợi(OFA) Hiện tượng phát xạ kích thích cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuynhiên, điểm khác biệt chính giữa laser và các bộ khuếch đại quang là trong các bộ khuếch

Trang 3

đại quang không xảy hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Vì nếu xảy ra quá trình hồi tiếp

và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra các ánh sáng kết hợp củariêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào Nguồn ánh sáng này được xem lànhiễu xảy ra trong bộ khuếch đại Do vậy, khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tínhiệu ánh sáng được đưa vào ngõ vào bộ khuếch đại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kếthợp của riêng nó ở ngõ ra

Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 1.1(a), xảy ra khi một photon có năng lượng

hf12 bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Quá trình này chỉ xảy ra khinăng lượng hf12 của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượngcao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1) Khi xảy ra hiện tượng hấpthụ, điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao Haynói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi điqua bộ khuếch đại quang Quá trình này xảy ra đồng thời với hai hiện tượng phát xạ tựphát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực (active medium) của bộ khuếch đại.Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 1.1(b), xảy ra khi một điện tửchuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1

và phát ra một năng lượng Eg= E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy

ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượngbền vững của điện tử Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống (life time) củađiện tử ở mức năng lượng cao, các điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượngthấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu khác nhau, thời giansống của điện tử sẽ khác nhau

Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch đạiquang, phát xạ tự phát không tạo ra độ lợi khuếch đại Nguyên nhân là do hiện tượng nàyxảy ra một cách tự phát không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đưa vào bộ khuếch đại.Nếu không có ánh sáng tín hiệu đưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng được tạo ra ở ngõ

ra của bộ khuếch đại Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợpnhư hiện tượng phát xạ kích thích Do vậy, phát xạ tự phát được xem là nguyên nhânchính gây nhiễu trong các bộ khuếch đại quang Loại nhiễu này được gọi là nhiễu phát xạ

tự phát được khếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission noise)

1.1.2 Các kỹ thuật khuếch đại quang

Trang 4

Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình 1.2.

Tín hiệu

quang vào

Tín hiệu quang ra

đã khuếch đại Vùng tích cực

Nguồn bơm

Bộ ghép

Hình 1.2 Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ra trongtrong một môi trường được gọi vùng tích cực (active medium) Các tín hiệu quang đượckhuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượng đượccung cấp từ một nguồn bên ngoài gọi chung là nguồn bơm (Pump Source) Các nguồnbơm này có tính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khácphụ thuộc vào cấu tạo của vùng tích cực Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chiakhuếch đại quang thành hai loại chính:

Khu ế ch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier):

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn

- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn.Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡngphát xạ

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện

Khu ế ch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, OFA còn được gọi là DFA(Doped-Fiber Amplifier)

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phátquang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

- Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm của nguồnbơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi Một số loại OFA tiêu biểu:+ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm

Trang 5

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

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

+ NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm hoặc 1400nm

Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưu điểm vềđặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm-1565nm) thíchhợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)

1.1.3 Các kỹ thuật khuếch đại quang khác

Có một số loại khuếch đại quang khác bên cạnh SOA và OFA Các loại này sử dụngcác hiệu ứng phi tuyến để khuếch đại hơn là phát xạ kích thích Hai loại khuếch đạiquang sử dụng hiệu ứng này là Raman và Brillouin Sử dụng các hiệu ứng trên có thể xâydựng phân tán, chứ không phải gom lại, sự khuếch đại quang của tín hiệu quang Chúng

có ưu điểm sau: các thành phần giống nhau của sợi quang có thể truyền dẫn và khuếchđại đồng thời Thêm nữa, ta có thể thay thế thành phần này tại vị trí rất xa nguồn bơm, do

đó chúng ta có thể điều khiển và cung cấp sự khuếch đại từ trung tâm quản lý Nhữnglinh kiện trên hứa hẹn mở ra nhiều viễn cảnh tươi sáng cho kỹ thuật khuếch đại quang.Một bộ khuếch đại Raman có ba dạng : tập trung ,phân phối và rời rạc Cấu hình phổ biếnngày nay là các bộ khuếch đại lai EDFA/Raman, một thiết bị mà bộ khuếch đại Ramanđền bù cho phần thiếu sót của độ lợi bước sóng trong khoảng từ 1570nm đến 1630nm.Một ứng dụng quan trọng của bộ khuếch đại Raman phân tán là tránh các hiệu ứng cóhại được tạo ra bởi độ lợi cao của bộ khuếch đại EDFA Như là độ lợi cần được tăngkhoảng cách giữa hai bộ khuếch đại gần nhau, nhưng nó là kết quả của việc bơm ánhsáng công suất cao vào sợi quang ngay sau khi được khuếch đại Điều này là nguyênnhân của một vài hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Sự thay thế của khuếch đại Ramankết thúc mỗi khoảng cách giữa các EDFA cho phép

1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier)

1.2.1 Nguyên lý và sơ đồ khối của EDFA

1.2.1.a Sơ đồ khối

Hình 1.3a và 1.3b mô tả hai đặc điểm chính của khuếch đại quang sợi Một sợi quangđóng vai trò như một vùng tích cực là trộn một số lượng lớn ion Erbium (Er) Năng lượngngoài được cung cấp là ánh sáng, chứ không phải điện tích, như các SOA

Trang 6

Qúa trình bơm được thực hiện với một laser diode phát xạ công suất ánh sáng tại mộtbước sóng khác chứ không phải là ánh sáng của tín hiệu thông tin nào đó Đặc biệt, mộttín hiệu thông tin được truyền dẫn trong vùng lân cận của 1550nm nhưng laser bơm phát

xạ tại bước sóng 980nm hay 1480nm hoặc cả hai Cả hai tín hiệu thông tin và ánh sángbơm vào được đặt vào cùng một sợi quang bởi một coupler Hai ánh sáng này lan truyềncùng trên sợi quang trộn Erbium, nơi mà tín hiệu thông tin được khuếch đại trong khi đótín hiệu bơm bị mất đi Ta có thể tưởng tượng rằng, ánh sáng bơm vào cung cấp nănglượng cho tín hiệu và sau đó “chết”

Tín hiệu bơm có thể được bơm cùng chiều (bơm thuận) với tín hiệu thông tin, nhưhình 1.3a minh hoạ, hoặc có thể được bơm ngược chiều (bơm nghịch), như quá trình thựchiện trong hình 1.3b Trường hợp bơm ngược chiều có các đặc điểm là nhiễu thấp vàcông suất ra thấp, trong khi đó bơm cùng chiều cung cấp công suất quang ra cao nhưngcũng tạo ra nhiễu cao Trong các loại khuếch đại quang thương mại, chúng ta có thể bơmsong hướng với bơm thuận và bơm nghịch đồng thời

Một coupler thứ hai loại bỏ phần ánh sáng bơm dư từ sợi quang Một bộ cách ly(isolator) ngăn ngừa ánh sáng phản hồi lan truyền trong sợi quang; nếu không, ánh sángnày sẽ được khuếch đại, một đại lượng khá lớn bởi vì sự khuếch đại có thể chỉnh như một

bộ khuếch đại vào laser, không cần đề cập sự tăng nhiễu không mong muốn Một bộ lọc

sẽ tách các bước sóng còn lại khác với tín hiệu thông tin

Trang 7

Bộ ghép WDM

Bộ ghép

Mối nối

Tín hiệu đã khuếch đại

EDFA

Sợi

quang

Sợi quang

a Bơm thuận

Ánh sáng

bơm

Bộ ghép WDM

Bộ ghép

Laser bơm

Mối nối

Tín hiệu đã khuếch đại

EDFA

Sợi

quang

Sợi quang

b Bơm ngược

Ánh sáng bơm

c Kênh khuếch đại WDM

Nhiễu

Tín hiệu

Nhiễu

d Tín hiệu và nhiễu trong EDFA

Hình 1.3 Khuếch đại quang sợi EDFA

Trang 8

Sự khuếch đại trong EDFA xảy ra qua quá trình phát xạ kích thích Năng lượng trongquá trình bơm sẽ kích thích các ion Erbium lên vùng năng lượng cao hơn Tín hiệu thôngtin kích thích sự di chuyển của các ion được kích thích xuống vùng năng lượng thấp hơn.Quá trình dịch chuyển này sẽ phát xạ ra các photon có cùng mức năng lượng- điều này cónghĩa là cùng bước sóng- chúng ta có tín hiệu ra Bởi vì EDFA có một mối quan hệ vớichiều rộng của độ lợi băng thông, nó có thể khuếch đại nhiều bước sóng (nhiều kênh)đồng thời Những tín hiệu được khuếch đại (các kênh bước sóng riêng biệt) có thể kếthợp với nhiễu trong bộ EDFA như trên hình 1.3c.

Một bộ khuếch đại quang sợi thông thường là một thiết bị đơn hướng, như trên hình1.3d minh hoạ Tuy nhiên, một bộ khuếch đại phát sinh ra nhiễu của chính nó (thêm vàokhuếch đại nhiễu với tín hiệu đến) và nhiễu này lan truyền cả hai hướng với sợi quang.Đặc tính của EDFA này khắc phục sự sử dụng một bộ cách ly trong cổng vào của bộkhuếch đại quang sợi

1.2.1.b Lược đồ các mức năng lượng

Hình 1.4 Lược đồ các mức năng lượng của các ion Erbium trong sợi silica

Bởi vì sự hoạt động của một bộ EDFA được dựa vào hiện tượng phát xạ kích thích, do

đó chúng ta nên thảo luận về lược đồ các mức năng lượng của một vùng tích cực liênquan đến sự khuếch đại này Các ion tự do nằm ở các mức năng lượng rời rạc Khi cácion Erbium được kết hợp chặt chẽ vào một sợi quang silica, mỗi mức năng lượng của

Trang 9

chúng chia thành các mức năng lượng có quan hệ gần gũi với nhau vì thế chúng ta gọi làvùng hoá trị.

Trong EDFA, chia các mức năng lượng thành một mức năng lượng là có lợi Đầu tiên

và trước nhất, nó cung cấp cho EDFA khả năng khuếch đại không chỉ một kênh mà tậphợp các kênh Thứ hai, nó loại đi sự cần thiết để tinh chỉnh bước sóng bơm

Mức năng lượng quan trọng nhất của ion Erbium đã kết hợp chặt chẽ vào sợi quangsilica được minh hoạ như trên hình 1.4 Nó là một món quà của tự nhiên mà sự chuyểndịch giữa mức 2 (trạng thái trung gian) và mức 1 (trạng thái thấp) xảy ra tại một tập cácbước sóng xung quanh 1550nm, nơi mà sợi quang silica thể hiện mức suy hao thấp nhất

Sự may mắn trùng hợp ngẫu nhiên này là lý do tại sao EDFA được sử dụng rộng rãi Nhưchúng ta xem trên hình, lưu ý độ rộng của dải năng lượng, nó xác định khả năng củaEDFA để khuếch đại khoảng bước sóng từ 1500nm đến hơn 1600nm

1.2.1.c Các bước sóng bơm

Mục tiêu của chúng ta là đạt được sự nghịch đảo nồng độ, như chúng ta đã biết, điềunày có ý nghĩa phải tập trung các ion Erbium nhiều tại mức trung gian (mức 2) hơn làmức thấp (mức 1) Để đạt được sự nghịch đảo nồng độ, chúng ta cần phải bơm các ionErbium tại mức trung gian Có hai các thực hiện điều này: bơm chúng trực tiếp tại bướcsóng 1480nm hay gián tiếp tại bước sóng 980nm

Bây giờ ta thảo luận phương pháp bơm gián tiếp (bơm tại bước sóng 980nm) trước.Trong trường hợp này, các ion Erbium tiếp tục chuyển từ mức thấp (mức 1) lên mức cao(mức 3); ở đây chúng không phát xạ đến mức năng lượng trung gian (mức 2), mà chúngchuyển xuống mức năng lượng thấp (mức 1), phát xạ các bước sóng yêu cầu từ 1500nmđến 1600nm Đây là nguyên lý của 3 mức năng lượng Đặc điểm chính của nguyên lý 3mức năng lượng chính là thời gian sống của hai mức trên Thời gian sống hay thời giancủa phát xạ tự phát ((σsp), là khoảng thời gian tồn tại trung bình tại các mức năng lượngxác định trước khi chúng chuyển một cách tự phát xuống các mức năng lượng tiếp theo.Thời gian sống của các ion Erbium tại mức năng lượng cao (mức 3) khoảng 1µs, trongkhi đó thời gian sống của các ion Erbium tại các mức năng lượng trung gian (mức 2) làhơn 10ms (với thời gian sống của chúng dài, như mức trên gọi là metastable) Do đó, cácion Erbium bơm tại các mức cao sẽ đi xuống mức năng lượng trung gian một cách rất

Trang 10

nhanh và ở mức năng lượng đó trong khoảng thời gian nhiều hơn Hay nói cách khác, cácion Erbium sẽ tích luỹ tại mức năng lượng trung gian, tạo ra sự nghịch đảo nồng độ.Khi quá trình bơm được thực hiện một cách trực tiếp (tại 1480nm), chỉ bao gồm 2mức năng lượng Các ion Erbium được chuyển một cách liên tục từ mức năng lượng thấpbằng năng lượng quang bên ngoài tại 1480nm và lên mức năng lượng trung gian Từ thờigian sống của các ion Erbium là dài, chúng tích luỹ ở đây, tạo ra nghịch đảo nồng độ.Kết quả của hai quá trình là tại mức năng lượng trung gian được tập trung nhiều ionErbium hơn mức năng lượng thấp Khi tín hiệu ánh sáng thông tin hoạt động tại mộttrong các bước sóng của hệ thống WDM với một sợi quang bơm Erbium nghịch đảonồng độ, nó sẽ kích thích sự chuyển dịch của các ion Erbium từ mức 2 xuống mức 1 Sựchuyển dịch kích thích này sẽ xảy ra cùng với phát xạ kích thích của các photon có cùngbước sóng, hướng, và pha giống như photon vào Do đó, sự khuếch đại tín hiệu vào xảyra.

1.2.2 Các EDFA cho dải bước sóng Băng-L

Bộ EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565nm) Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp cóđuôi trải rộng đến khoảng 1605nm Điều này kích thích sự phát triển của các hệ thốnghoạt động ở băng L từ 1565nm đến 1625nm Lưu ý hiện tại các EDFA cho băng L hiệnnay không bao phủ phần đỉnh của băng này từ 1610->1625nm

Nguyên lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C Tuy nhiên, có sựkhác nhau đáng kể trong việc thiết kế EDFA cho băng L và băng C Phổ độ lợi củaErbium ở băng L phẳng hơn băng C Điều này làm cho việc thiết kế các bộ lọc làm phẳng

độ lợi ở băng L dễ dàng hơn Tuy nhiên, hệ số độ lợi Erbium ở băng L nhỏ hơn khoảng 3lần so với băng C Điều này đòi hỏi phải sử dụng sợi pha tạp dài hơn hoặc sợi có nồng độpha tạp Erbium nhiều hơn Hoặc công suất bơm cho EDFA băng L đòi hỏi phải cao hơn

so với EDFA băng C Do sự hấp thụ qua đoạn băng L nhỏ hơn nên các bộ khuếch đại nàycũng có nhiễu ASE cao hơn Cuối cùng các phần tử khác sử dụng bên trong bộ khuếchđại như isolator và coupler là phụ thuộc vào bước sóng nên cũng sẽ khác nhau cho băng

C và băng L

Do các yếu tố trên các bộ khuếch đại băng C và băng L được sản xuất riêng biệt

Trang 11

Băng-C Băng-L

Độ lợi

(nm)

Hình 1.5 Băng-C và Băng-L của băng thông một EDFA

1.2.3 Nhiễu và độ lợi của EDFA

1.2.3.a Độ lợi của EDFA

Độ lợi: đó là đặc điểm đầu tiên khi chúng ta đánh giá một bộ khuếch đại Chúng tathảo luận đặc điểm này đối với một sợi quang tích cực

Khi công suất đo bằng watt Thông thường chúng ta đo độ lợi bằng dB, điều này cónghĩa:

) 2 1 ( log

10 )

Gain

Nếu chúng ta nhìn lại hình 1.3c, chúng ta sẽ nhận ra rằng công suất ra bao gồm côngsuất của tín hiệu ra và nhiễu Kết quả, chúng ta cần tách công suất nhiễu khi tính toán độlợi:

) 3 1 (

in

ASE out

P

P P Gain 

Hay

) 4 1 ( log

10 )

P

P P dB

Gain

Độ lợi của EDFA hiện đại ngày nay có giá trị trong khoảng 20 đến 40 dB, dựa vàochức năng của nó, người ta có thể thiết kế chúng như bộ khuếch đại công suất, khuếch đạiđường dây hay tiền khuếch đại

Trang 12

b) Tính phẳng của độ lợi

Vì các mức nồng độ ở các mức khác nhau trong một giải năng lượng là khác nhau, độlợi của EDFA trở thành một hàm của bước sóng Khi EDFA được sử dụng trong hệ thốngWDM, các kênh WDM khác nhau sẽ có độ khuếch đại khác nhau

Một cách cải thiện tính phẳng của độ lợi bộ khuếch đại là sử dụng sợi fluoride thay thếcho sợi silica, được pha tạp với Erbium Các bộ khuếch đại này được gọi là bộ khuếch đạiEDFFA Sợi fluoride cho độ lợi phẳng hơn sợi silica Tuy nhiên, EDFFA lại có một sốnhược điểm sau:

o Chất lượng tạp âm của EDFFA kém hơn EDFA Đó là lý do mà chúng phải đượcbơm ở 1480nm mà không bơm được ở 980nm Bởi vì sợi fluoride có mức năng lượngE4>E3 và độ chênh lệch về năng lượng giữa hai mức này là tương ứng với 980nm Điềunày làm cho công suất bơm ở 980nm sẽ bị hấp thụ bởi vì sự chuyển tiết E3->E4, và do đókhông tạo độ lợi hữu ích Hiện tượng này gọi là hấp thụ ở trạng thái bị kích thích

o Sợi fluoride rất khó xử lý Nó giòn, dễ vỡ, khó ghép nối với sợi quy ước, nhạycảm với độ ẩm

Một cách khác để làm phẳng độ lợi cho EDFA là sử dụng bộ lọc bên trong bộ khuếchđại

c) Sự bão hoà độ lợi

Độ lợi có phụ thuộc vào công suất của tín hiệu vào ? Dựa vào điều sau: một tín hiệucông suất cao có nghĩa là một số lượng rất lớn các photon trên mỗi đơn vị thời gian sẽ đivào sợi quang trộn Erbium Các photon này sẽ kích thích một số lượng vô cùng lớn cácphoton chuyển dịch từ mức trung gian (mức 2) xuống mức thấp (mức 1) Điều này có ýnghĩa mức năng lượng trung gian sẽ nhanh chóng mất đi các photon (hình 1.4) Hay nóicách khác công suất ánh sáng vào càng lớn thì mật độ tại mức năng lượng trung giancàng thấp Nhưng theo nguyên lý của hiện tượng phát xạ kích thích, độ lợi là tương ứngvới sự khác nhau về mật độ của mức 2 và mức 1 Từ đó, làm nghèo mức 2 có ý nghĩa làmgiảm độ lợi Hiện tượng này được gọi là sự bão hoà độ lợi

Sự bão hoà độ lợi là một đặc tính quan trọng của EDFA, đặc biệt trong khuếch đạicông suất, nơi mà tín hiệu vào hầu như đến trực tiếp từ bộ phát quang và do đó rất lớn Sựbão hoà độ lợi xác định công suất ra một cách lớn nhất, thường được gọi là công suất rabão hoà, mà EDFA có thể đạt được

Trang 13

d) Công suất bơm

Công suất bơm vào cao, số lượng lớn hơn các ion Erbium từ mức năng lượng thấp sẽđược kích thích lên mức trung gian và độ lợi cao hơn cho EDFA Nhưng chúng ta khôngnên nghĩ như vậy, công suất bơm cao sẽ quét sạch tất cả các ion từ mức năng lượng thấp

và làm cho sự nghịch đảo nồng độ chuyển sang trạng thái bão hoà

Chúng ta cũng cần phải tính toán rằng một bộ EDFA khuếch đại bao nhiêu kênh đồngthời và công suất bơm được chia cho tất cả các bước sóng được khuếch đại Nhiều bướcsóng được ghép cho tuyến truyền dẫn, nhiều công suất bơm được yêu cầu để thoả mãnhoạt động của EDFA

Laser diode bơm với công suất lên đến 165mW tại bước sóng 980nm và 140mW tạibước sóng 1480nm Đó là công suất đủ cho các hệ thống WDM 8 kênh và 16 kênh Tuynhiên, ngay cả với hệ thống WDM 16 kênh bắt đầu trải qua sự thiếu hụt trong độ lợi bởi

vì không đủ công suất bơm; với hệ thống WDM 32 kênh và 40 kênh đang trong quá trìnhchế tạo, vấn đề trở nên ngày càng nghiêm trọng Như chúng ta đã biết, khi chúng ta tăng

số lượng kênh được ghép thì yêu cầu công suất bơm cao hơn

1.2.3.b Nhiễu của EDFA

Nhiễu là một thông số quan trọng thứ hai của một bộ khuếch đại quang (hay bất kỳloại khuếch đại nào) Nếu chúng ta nhìn lại hình 1.3c, chúng ta thấy rằng độ lợi của một

bộ EDFA thường được sử dụng để khuếch đại bước sóng xác định Do đó, rất quan trọng

để tính toán độ lợi và nhiễu trong băng thông của một kênh riêng biệt Nhiễu quan trọngtrong EDFA được gọi là nhiễu phát xạ tự phát (Amplifier Spontaneous noise_ASE) Sựgiảm sút tín hiệu thực sự đến từ biến đổi tín hiệu tạo ra giao thoa nhiễu-nhiễu và giaothoa nhiễu-tín hiệu Như trong hình 1.6 mỗi “slice” có thể giao thoa với một “slice” kháctạo ra tín hiệu biến đổi Tuy nhiên, sự giao thoa nhiễu-nhiễu có thể dễ dàng loại bỏ bằngcách sử dụng bộ lọc băng hẹp Thực sự các bộ EDFA thường bao gồm một bộ lọc ASE(ASE filter) để làm nhiệm vụ này Sự thiệt hại thực sự đến từ sự giao thoa nhiễu-tín hiệu.Nhiễu như thế không thể bị lọc bởi vì nó nằm trong băng thông của tín hiệu như hình 1.6chỉ ra Đây là phần đóng góp thực sự vào hệ số nhiễu của một bộ EDFA

Trang 14

1530 1540 1550 1560 λ(nm) -20

Hình 1.6 Các loại giao thoa nhiễu-tín hiệu và nhiễu-nhiễu

Hệ số nhiễu dựa vào giao thoa tín hiệu-nhiễu được cho bởi:

) 5 1 ( )

(

n

BW G hf P F



Với λS là bước sóng tín hiệu

hf là năng lượng của kênh riêng

G là độ lợi khuếch đại

BW là băng thông của bộ khuếch đại

Ta cũng biết tổng công suất trung bình của nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại là:

) 6 1 (

.

P ASE  sp

Với nsp là hệ số phát xạ tự phát hay hệ số nghịch đảo nồng độ

Từ (1.5)&(1.6) ta có thể dễ dàng tính được hệ số nhiễu của bộ EDFA:

Từ công thức (1.7) ta thấy đối với bộ khuếch đại lý tưởng, khi nsp=1, SNR của một tínhiệu được khuếch đại giảm hai lần (3dB) Công thức (1.7) chỉ ra rằng, EDFA khuếch đạitín hiệu nhưng cũng làm tăng mức nhiễu Thông thường giá trị nsp thay đổi từ 1.4 đến 4nên Fn thay đổi từ 3.5dB đến 9dB cho EDFA

Trang 15

1.2.4 Các thành phần chính trong một bộ EDFA

Sợi quang pha tạp Erbium là trái tim của một bộ khuếch đại EDFA nhưng nó khôngphải là thành phần duy nhất Để EDFA làm việc và cải tiến độ lợi cùng với hạn chế nhiễuthì cần phải có thêm các thành phần khác Sơ đồ khối chung của EDFA được minh hoạnhư trên hình 1.3a và 1.3b Chúng bao gồm: một sợi quang tích cực, một laser bơm, mộtcoupler, và một bộ cách ly và lọc quang

1.2.4.a Sợi trộn Erbium

Một sợi quang trộn Erbium là vùng tích cực của một bộ EDFA Nó được chế tạo nhưcác sợi quang thông thường, nhưng lõi của nó được trộn nhiều ion Erbium Vì sự khuếchđại thực sự được thực hiện bởi các ion Erbium nên mật độ các ion này trong sợi silicacàng cao càng tốt Để tăng mật độ của các ion Erbium – số lượng các ion Erbium trongmột đơn vị sợi quang – các nhà sản xuất giảm đường kính lõi của sợi silica, điều này có ýnghĩa là giảm đường kính trường mode của nó (mode-field diameter_MFD) Đường kínhtrường mode của sợi quang trộn Erbium là khoảng từ 3µm đến 6µm, trong khi đó MFDcủa sợi quang thông thường thường là từ 9µm đến 11µm Chính vì vậy, MFD của sợiquang trộn là nhỏ, xác xuất của sự va chạm giữa các ion Erbium và các photon của tínhiệu thông tin (tức là tín hiệu được khuếch đại) tăng Hay nói cách khác, đường kính lõinhỏ làm tăng hiệu suất của quá trình khuếch đại

Để đạt được hệ số khuếch đại cao, các nhà sản xuất không những giảm đường kính lõi

mà còn tập trung hầu hết các ion Erbium trong vùng trung tâm của lõi nhỏ (Xem hình1.7) Sự tập trung của các ion Erbium trong vùng trung tâm từ 100 đến 2000 phần triệu,như minh hoạ trên hình 1.7 Một sợi quang tích cực với sự tập trung cao khoảng5000ppm đã xuất hiện trên thị trường

Kích thước của cả lớp phủ (cladding) và lớp phủ ngoài (coating) của sợi quang trộnErbium là rất quan trọng Các kích thước này là tiêu chuẩn đối với sợi quang đơn mode

và đa mode Tuy nhiên, kích thước lõi của sợi quang tiêu chuẩn và sợi quang trộn Erbium

là khác nhau: 62.5µm hay 50 µm đối với sợi đa mode, 8.3 µm cho sợi quang đơn mode,

và từ 2.8 µm đến 5.2 µm cho sợi quang khuếch đại

Trang 16

Hình 1.7 Cấu trúc hình học của sợi quang trộn Erbium

Sợi quang trộn Erbium với khẩu độ số (NA) cao được sử dụng để xây dựng các bộEDFA với độ lợi cao và công suất quang ra cao Dựa vào các ứng dụng, sợi quang sẽkhác nhau về khẩu độ số Sợi quang trong bộ tiền khuếch đại và khuếch đại đường dây cókhẩu độ số cao hơn (0.24) so với khuếch đại công suất (0.22) Sự thay đổi NA cho phépcác nhà sản xuất thay đổi hệ số nhiễu Nguyên tắc là: khẩu độ số cao thì nhiễu thấp Đểgiảm nhiễu, các nhà sản xuất chế tạo sợi quang trộn Erbium với NA lên đến 0.29

1.2.4.b Laser diode bơm

Laser bơm là các laser diode bán dẫn phát xạ tại bước sóng 980nm hay 1480nm Đặcđiểm cơ bản nhất của chúng là công suất phát xạ cao Như đã đề cấp ở trên, một laserdiode có thể phát xạ công suất ánh sáng lên đến 165mW

Một bộ laser diode bơm bao gồm: một laser diode (LD) phát xạ ra ánh sáng bơm, mộtbackfaced photodiode (PD) để giám sát hiệu suất của LD, và một bộ trermoelectric cooler(TEC) với một thermistor để điều khiển và ổn định nhiệt độ của laser Sơ đồ khối củalaser bơm như hình vẽ 1.8

Trang 17

LD Bảo vệ

ESD

Sợi quang đơn mode

Đấu nối quang +

_

Điện trở nhiệt

Bộ làm lạnh hiệu ứng nhiệt

Hình 1.8 Sơ đồ khối chức năng của một module laser bơm

Như chúng ta đã biết, ngày càng có nhiều bước sóng được ghép vào, chúng ta cần phải

có công suất bơm lớn hơn Có 3 cách cơ bản để tăng công suất bơm:

1. Tăng công suất của laser diode bơm đơn (lên đến 250nm)

2. Bơm một EDFA với các laser riêng biệt theo các trạng thái phân cực của sựphát xạ của laser

3. Sử dụng một vài laser bơm riêng rẽ bằng các bước sóng khác nhau, kết quả làcông suất tổng của chúng Nhưng cách bơm như thế này chúng ta gọi là ghép laser bơm

Để ghép laser bơm, chúng ta sử dụng hai hay bốn laser diode hoạt động xung quanhbước sóng 1480nm với khoảng cách 10 nm hay 15 nm Do đó chúng ta có 4 nguồn laserbơm, các bước sóng hoạt động là 1460nm, 1470nm, 1480nm và 1490nm Khoảng cáchnày có thể hoạt động được bởi vì khoảng hấp thu xung quanh bước sóng 1480nm là80nm Bước sóng của các photon này thay đổi không nhiều trong khoảng 1480nm sẽ bịhấp thu và năng lượng của chúng sử dụng cho bơm các ion Erbium lên trạng thái kíchthích Một coupler WDM kết hợp các tín hiệu riêng biệt lại với nhau vào một sợi quang.Kết quả là một bộ laser bơm sử dụng một vài laser diode sinh ra công suất quang cao

1.2.5 Ưu khuyết điểm của EDFA

a) Ưu điểm:

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

- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống

- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vậnchuyển và thay thế

- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quangvượt biển

Trang 18

- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếchđại quang bán dẫn.

- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu

Nhờ những ưu điểm nổi bật này mà EDFA là loại khuếch đại quang được sử dụng phổbiến trong các hệ thống WDM

b) Khuyết điểm:

- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng

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

- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn

1.3 Bộ khuếch đại quang Raman

1.3.1 Tán xạ do kích thích Raman (SRS)

Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì SRSgây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóngcao hơn Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có bước sóng thấp sang kênh tín hiệu cóbước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang Năng lượng củaphoton ở bước sóng λ là hc/ λ với h là hằng số Planck (6.63x10-34Js) Do đó, photon củabước sóng thấp có năng lượng cao hơn Sự chuyển năng lượng từ tín hiệu bước sóng thấpsang tín hiệu bước sóng cao tương ứng với sự sinh ra các photon năng lượng thấp từ cácphoton năng lượng cao hơn

Độ lợi là một hàm của khoảng cách bước sóng Các kênh cách nhau đến 15Thz(125nm) sẽ bị tác động của SRS SRS gây ảnh hưởng trên cả hướng truyền và hướngngược lại Mặc dù SRS giữa các kênh trong hệ thống WDM ảnh hưởng xấu cho hệ thống,SRS vẫn có thể được dùng để khuếch đại hệ thống

1.3.2 Bộ khuếch đại Raman

Hiện tượng tán xạ do kích thích Raman SRS cũng thường dùng để khuếch đại tín hiệuquang Phổ độ lợi Raman tương đối rộng và đỉnh của độ lợi tập trung quanh 13Thz dướitần số sử dụng cho tín hiệu bơm Đáng chú ý là ở gần vùng hồng ngoại, tương ứng vớikhoảng cách bước sóng là 100nm Vì vậy, sử dụng nguồn laser bơm với công suất cao sẽcung cấp độ lợi cho các tín hiệu khác với đỉnh độ lợi đạt được 13Thz dưới tần số bơm Ví

dụ, sử dụng bơm quanh 1460-1480nm cung cấp độ lợi Raman trong cửa sổ 1600nm

Trang 19

1550-Bộ khuếch đại Raman khác bộ EDFA ở một số điểm cơ bản sau:

 Không giống như EDFA, hiệu ứng Raman có thể được sử dụng để cung cấp độlợi cho bất kỳ bước sóng nào EDFA cung cấp độ lợi trong băng C và L (1528-1605nm)

Vì vậy, bộ khuếch đại Raman có thể mở rộng cho các băng khác của WDM, như cửa sổ1310nm hay băng S nằm dưới 1528nm Có thể bơm đồng thời nhiều bước sóng khácnhau với công suất khác nhau để biến đổi toàn bộ dạng độ lợi Raman

 Bộ khuếch đại Raman dựa vào cách bơm đơn giản chính sợi silica sử dụng chotruyền dẫn các tín hiệu dữ liệu, vì vậy nó có thể được sử dụng để chế tạo bộ khuếch đạitập trung (lumped) hoặc rời rạc (discrete) cũng như bộ khuếch đại phân phối(distributed) Bộ khuếch đại tập trung bao gồm một cuộn sợi quang dài đi kèm với nguồnlaser bơm tương ứng

Hiện nay bộ khuếch đại quang Raman được sử dụng phổ biến như là thành phần bổsung cho EDFA bằng cách cung cấp thêm độ lợi theo dạng phân bố trong các hệ thốngđường cực dài Khó khăn lớn nhất để chế tạo bộ khuếch đại Raman là nguồn bơm cho nó.Các bộ khuếch đại này đòi hỏi các nguồn bơm có công suất khoảng 1W

Nguồn nhiễu trong bộ khuếch đại Raman hơi khác so với EDFA Độ lợi Raman đápứng tức thời đối với nguồn bơm Do đó, sự dao động của nguồn bơm sẽ làm cho độ lợibiến động và sẽ xuất hiện như là nhiễu xuyên kênh đối với tín hiệu mong muốn Điều nàykhông có ở EDFA Đáp tuyến thời gian của độ lợi trong các thiết bị này chậm hơnkhoảng mili giây Do đó, đối với khuếch đại Raman, quan trọng nhất là giữ bơm tại côngsuất cố định Có thể giảm đáng kể được hiện tượng này bằng cách bơm ngược chiều vớihướng truyền dẫn tín hiệu vì sự biến động của nguồn bơm trong trường hợp này đượctrung bình hoá theo thời gian lan truyền trên toàn sợi Để hiểu điều này trước tiên xem xéttrường hợp sóng bơm lan truyền cùng hướng với tín hiệu Hai sóng này lan truyền vớivận tốc xấp xỉ bằng nhau Trong trường hợp này, khi công suất bơm ở ngõ vào cao, thì tínhiệu có độ lợi cao và ngược lại Xét trường hợp sóng bơm và tín hiệu lan truyền theohướng ngược nhau Để dễ hiểu, giả sử công suất bơm biến đổi giữa hai trạng thái: cao vàthấp Khi tín hiệu lan truyền qua sợi, bất cứ khi nó chồng với tín hiệu bơm ở trạng tháicông suất cao thì nó có độ lợi cao Khi nó chồng với tín hiệu bơm ở trạng thái công suấtthấp thì nó có độ lợi thấp Nếu như sự biến thiên của sóng bơm nhanh hơn so với thời

Trang 20

gian lan truyền của tín hiệu qua sợi, các sự biến thiên của độ lợi được trung bình hoá ởngõ ra, và theo thời gian tín hiệu trong sợi quang có độ lợi cố định.

Một nguồn nhiễu khác trong bộ khuếch đại Raman là nhiễu xuyên kênh giữa các tínhiệu WDM do khuếch đại Raman Tín hiệu được điều chế ở bước sóng đặc biệt làm suyyếu công suất bơm, gây ra điều chế tương tự cho tín hiệu bơm Điều chế tín hiệu bơm làmảnh hưởng đến độ lợi dành cho bước sóng kế, xuất hiện dưới dạng nhiễu xuyên kênh trênbước sóng đó Một lần nữa, bơm ngược chiều với tín hiệu sẽ giảm được ảnh hưởng này

Do những nguyên nhân đó mà phần lớn các bộ khuếch đại Raman đều sử dụng cấu hìnhbơm ngược chiều

Ngoài ra còn có một nguồn nhiễu khác liên quan tới sự phản xạ ngược tín hiệu bơm dotán xạ Rayleigh trong sợi Nhiễu bức xạ tự phát trong bộ khuếch đại Raman tương đốithấp Đây là nguồn nhiễu chủ yếu bởi vì nếu thiết kế cẩn thận có thể hạn chế phần lớn cácnguồn nhiễu khác

1.3.3 Cấu tạo bộ khuếch đại Raman

Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman được thể hiện trong hình 1.9gồm:

- Sợi quang silic

- Bộ ghép (Coupler): dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với sóng bơm

- Laser bơm (Pump laser): dùng để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử củasợi quang chuyển lên trạng thái kích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ

- Bộ cách ly (Isolator): đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tínhiệu phản xạ ở 2 đầu bộ khuếch đại Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theohướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào

Bộ ghép

Bộ cách li

Laser bơm

Trang 21

Hình 1.9 Cấu tạo của bộ khuếch đại Raman

1.3.4 Hệ số khuếch đại

Hình 1.10biểu diễn sự thay đổi của độ lợi khuếch đại Raman theo độ chênh lệch bướcsóng giữa tín hiệu và nguồn bơm Qua đó cho thấy, hệ số khuếch đại Raman tăng hầu nhưtuyến tính với độ chênh lệch bước sóng giữa tín hiệu và nguồn bơm, đạt giá trị đỉnh tại100nm và giảm nhanh chóng sau đó Trong hình cũng cho thấy, băng thông độ lợi củakhuếch đại Raman có thể đạt từ 45-50nm

Hình 1.10 Hệ số độ lợi Raman thay đổi theo độ chênh lệch bước sóng của tín hiệu

và của nguồn bơm

1.3.5 Ưu khuyết điểm của khuếch đại Raman:

Trang 22

Như vậy, khuếch đại Raman không hiệu quả bằng khuếch đại EDFA Do hạn chế về công suất phát của laser bơm trong bộ khuếch đại Raman nên người ta thường sử dụng ghép giữa EDFA và Raman Cấu hình kết hợp này thường gặp ở các bộ khuếch đại đường truyền Bộ khuếch đại Raman giúp nâng cấp các liên kết đang tồn tại lên nhiều kênh hơn mà không phải thay thế các EDFA đã lắp đặt.

Bộ khuếch đại EDFA có hệ số nhiễu thấp cùng với băng tần tuy không rộng bằng hai

bộ khuếch đại SOA và Raman nhưng nó cũng đủ cung cấp cho nhu cầu băng thông hiện nay và trong tương lai có thể hoạt động tốt trong băng L khi được sử dụng kết hợp với bộ khuếch đại Raman Vì thế mà hiện nay bộ khuếch đại EDFA được sử dụng phổ biến và hầu như có mặt trong tất cả các hệ thống truyền dẫn quang.

1.4 Khuếch đại quang trong hệ thống WDM

1.4.1 Sơ lược về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

1.4.1.a Định nghĩa

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ

“trong một sợ quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát,nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đitrên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôiphục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bướcsóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm trong giới hạn cho phép

 Ghép / tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn quangkhác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Táchtín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng

Trang 23

riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như:

bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, bộ lọc Febry-Perot…

 Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnhhưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liênquan đến khuếch đại tín hiệu…

 Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đạiquang EDFA Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực

tế Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệchkhông quá 1dB)

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đếnmức công suất đầu ra của các kênh

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các

hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả cáckênh

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

Trang 24

Hình 1.12 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng nhưminh họa trên hình 1.12 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang

Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM songhướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để cóthể trao đổi thông tin giữa hai điểm

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tạichỉ cho 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 caogấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệthống song hướng

 Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyểnmạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kếtđều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

 Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì cònphải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên mộtsợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợi quangkhông dùng chung một bước sóng

 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơntrong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song

Tx2

TxN

Tx1

Trang 25

hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại sẽ cho công

suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

1.4.1.d Các phần tử cơ bản của mạng WDM

Hình 1.13 Các phần tử cơ bản của mạng quang WDM

Mạng gồm có một bộ đầu cuối đường quang OLT(Optical Line Terminal), bộ xen rớtquang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) và bộ kết nối cho OXC (OpticalCrossconnect) kết nối với nhau qua các sợi quang Trong mô hình mạng trên không có bộ

Đầu cuối ATM

OXC

OLT OLT

OADM

OADM OADM

OXC: Optical Cross-connect

OLT: Optical Line Terminal

OADM: Optical Add-Drop Multiplexer

1, 2, 3: Các bước sóng quang

OADM OADM

Trang 26

khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) được đặt dọc theo tuyến quangtại những khoảng cách đều nhau để khuếch đại tín hiệu Thay vào đó, các bộ OLT,OADM và OXC có thể kết hợp thêm chức năng khuếch đại tín hiệu quang để bù suy hao.Kiến trúc mạng trên hỗ trợ nhiều topo mạng khác nhau, gồm có mạng vòng (Ring) vàmạng mắt lưới (Mesh) Trong đó:

- OLT thực hiện chức năng ghép nhiều tín hiệu bước sóng khác nhau vào mộtsợi quang và truyền đi, đồng thời theo chiều ngược lại, thực hiện giải ghép tín hiệu WDMthành các tín hiệu bước sóng thành phần OLT thường được dùng ở 2 đầu của liên kếtđiểm – điểm

- OADM được dùng khi cần một số kênh bước sóng còn lại cần phải định tuyếnqua nút mạng khác OADM thường được dùng trong mô hình mạng tuyến tính và mạngvòng Ring

- OXC cũng thực hiện chức năng tương tự như OADM nhưng với số lượng cổng

và số lượng cổng bước sóng xử lý nhiều hơn OXC thường được dùng trong cấu hìnhmạng mắt lưới (Mesh) hoặc để nối các mạng vòng Ring với nhau

Các khách hàng của kiến trúc mạng mà ta đang trình bày sẽ được nối đến các nútmạng như OLT, OADM hoặc OXC để xử lý tín hiệu, chuyển thành dạng thích hợp, ghépvào tín hiệu WDM và truyền đi Các mô hình khách hàng mà kiến trúc mạng hỗ trợ rất đadạng, gồm có bộ định tuyến IP, bộ chuyển mạch ATM, các đầu cuối hoặc bộ xen/rớtSDH… Kiến trúc mạng WDM phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Tái sử dụng bước sóng: như ta thấy trên hình 1.13, nhiều đường quang (lightpath) khác nhau trong mạng không trùng với nhau để có thể cùng sử dụng một bướcsóng Khả năng tái sử dụng bước sóng giúp cho số lượng đường quang trong mạng có thểtriển khai nhiều chỉ với số lượng bước sóng giới hạn Ta phải hiểu rằng điều kiện này hếtsức quan trọng trong điều kiện băng thông của thiết bị WDM hiện tại còn hạn chế

- Chuyển đổi bước sóng một đường quang khi được định tuyến trong mạng cóthể dùng nhiều bước sóng khác nhau để truyền tín hiệu Khả năng chuyển đổi bước sóng

là hết sức cần thiết để có một mạng truyền tải quang linh hoạt do hiệu quả sử dụng bướcsóng cao hơn Hơn nữa, chuyển đổi bước sóng còn phải thực hiện tại các giao diện vớiphía mạng khách hàng để chuyển đổi tín hiệu bước sóng chuẩn WDM sang tín hiệu bướcsóng của mạng lớp khách hàng

Trang 27

- Trong suốt: có nghĩa là kiến trúc mạng phải có khả năng truyền tải các tín hiệukhách hàng với nhiều tốc độ bit khác nhau, giao thức khác nhau.

- Chuyển mạch kênh: đối với lớp kênh quang , cơ chế thiết lập và xóa bỏ đườngquang tương tự như chuyển mạch kênh Tuy rằng qua thực tế, quá trình tồn tại đườngquang giữa 2 điểm nút mạng có thể trong thời gian khá dài: vài tháng hoặc vài năm Cơchế chuyển mạch gói đối với lớp kênh quang hiện tại vẫn chưa được phát triển do đápứng chậm và khả năng linh hoạt của thiết bị hoạt động trong lớp kênh quang Chuyểnmạch gói có thể được áp dụng ở mạng lớp trên, mạng lớp khách hàng như IP, ATM…,trong khi đường quang vẫn giữ nguyên trạng thái thiết lập

- Khả năng tồn tại khi mạng gặp sự cố: mạng phải được cấu hình sao cho khimột liên kết đường quang của mạng gặp sự cố, đường quang vẫn phải được duy trì bằngcách định tuyến lại Đây cũng là yếu tố hết sức quan trọng đối với kiến trúc mạng

Mô hình đường quang: mô hình đường quang là đồ thị các điểm nút mạng, với cácgiao diện giao tiếp với lớp mạng khách hàng tại mỗi nút Như vậy mô hình đường quangđược sử dụng bởi lớp mạng khách hàng ở trên , và được thiết kế sao cho đáp ứng nhu cầutruyền tải thông tin của lớp mạng khách hàng

1.4.2 Khuếch đại quang trong hệ thống WDM

1.4.2.a Chức năng của khuếch đại quang trong WDM

Các bộ khuếch đại quang được phân loại theo chức năng hoạt động của nó Có 3 loại

cơ bản là: khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây và bộ tiền khuếch đại (Xem hình1.14)

Trang 28

Hình 1.14 Các loại chức năng của khuếch đại quang.

Một bộ khuếch đại công suất, cũng được gọi là post-amplifier, khuếch đại tín hiệutrước khi nó được truyền trên sợi quang như hình 1.14.a Bộ khuếch đại công suất khuếchđại công suất của tín hiệu quang lên mức cao nhất để truyền tín hiệu ở khoảng cách xanhất Yêu cầu chính của bộ khuếch đại này là phát ra công suất tín hiệu cao nhất, chứkhông phải độ lợi cao nhất, bởi vì tín hiệu vào có độ lớn giới hạn do tín hiệu ngõ vàotương đối lớn vì nó được đưa đến ngay từ bộ phát quang Thêm một thuận lợi khi sử dụng

bộ khuếch đại công suất là giảm nhẹ công suất tín hiệu quang cao nhất cho bộ phátquang, nó cho phép người thiết kế mạng tập trung và cải tiến các đặc điểm kỹ thuật của

bộ phát quang hơn là luôn lo lắng về công suất yêu cầu

Một bộ khuếch đại đường dây hoạt động với tín hiệu ở giữa tuyến truyền dẫn quang,như hình 1.14.b minh họa Chức năng chính của nó là phục hồi công suất tín hiệu bị suygiảm do suy hao sợi quang, mối nối, và sự phân tán tín hiệu trong mạng Yêu cầu chínhcủa bộ khuếch đại này là tính ổn định của toàn bộ giải thông trong mạng WDM Do đó cóthể sử dụng nhiều bộ khuếch đại đường dây mắc nối tiếp nhau với điều kiện rằng chúng

có các đặc tính về độ lợi đồng nhất nhau Các yêu cầu chính của bộ khuếch đại loại này làgiữ nhiễu tại mức thấp nhất và hoạt động ổn định khi kết nối với sợi quang

Bộ tiền khuếch đại thực hiện việc khuếch đại tín hiệu ngay trước khi nó đưa vào bộthu quang Xem hình 1.14.c, bộ khuếch đại này hoạt động với mức tín hiệu yếu do đó nóđòi hỏi phải có độ nhạy tốt, độ lợi cao và nhiễu thấp Nhiễu là đặc tính cực kỳ quan trọngcủa bộ tiền khuếch đại bởi vì chất lượng của bộ thu bị giới hạn không chỉ do nhiễu của nó

Trang 29

mà còn do nhiễu của bộ tiền khuếch đại Sử dụng bộ tiền khuếch đại giảm được yêu cầunghiêm ngặt về độ nhạy của máy thu và cho phép mạng hoạt động với tốc độ bit cao hơn.

Hình 1.15 Cách sử dụng của các bộ khuếch đại đường dây

Số lượng bộ khuếch đại công suất và bộ tiền khuếch đại yêu cầu trong mạng được tínhtoán dựa trên số lượng bộ phát quang và bộ thu quang hiện diện trên hệ thống Nhưng sốlượng của các bộ khuếch đại đường dây dựa trên chiều dài tuyến truyền dẫn quang và cấuhình của mạng Đối với các tuyến đường dài, như xuyên đại dương và xuyên lục địa, các

bộ khuếch đại đường dây được sử dụng trong khoảng cách từ 80km đến 100km các bộkhuếch đại này phục hồi tín hiệu gây ra bởi suy hao của sợi quang và mối nối Tuy nhiên,

bộ khuếch đại đường dây cũng cần thiết cho các mạng cự ly ngắn để phục hồi tín hiệumất mát do sự phân tán tín hiệu trong mạng nội bộ như trên hình 1.15

Khi chúng ta bàn về bộ khuếch đại đường dây, khuếch đại công suất hay tiền khuếchđại, chúng ta thường sử dụng bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium (EDFA) và đôi khi là

bộ khuếch đại Raman dùng để bổ sung cho khuếch đại EDFA

1.4.2.b Chức năng khuếch đại tín hiệu trong bộ OLT

Chức năng khuếch đại tín hiệu là tùy chọn tại OLT Để thực hiện được chức năngkhuếch đại tín hiệu, có thể dùng hai cấu hình EDFA khác nhau Cấu hình EDFA khuếchđại công suất cho hướng phát (booster amplifier) và cấu hình tiền khuếch đại

a Sự bù suy hao của sợi quang và mối nối

b Sự bù tín hiệu bị phân tán

Trang 30

(Preamplifier) cho hướng thu Hiện nay, các nút mạng WDM có thể hoạt động ở các bướcsóng băng C (1530 -1565nm) và băng L (1565-1625nm) do bộ khuếch đại EDFA hoạtđộng được trên hai băng sóng này.

1.4.2.c Bộ khuếch đại đường quang (OLA)

Các bộ khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) được dùng ở giữa cácliên kết quang với những khoảng cách bằng nhau (trên thực tế có thể khoảng cách đặt cácOLA không bằng nhau nhưng phải nhỏ hơn một giá trị khoảng cách nhất định, thường là100-200km) Trên hình 1.16 là sơ đồ khối của OLA, thành phần cơ bản một hoặc nhiềukhối độ lợi là sợi EDF mắc nối tiếp với nhau, giữa các chặng độ lợi có thể là bộ bù tánsắc (dispersion compensasor) để bù tán sắc tích lũy dọc theo tuyến quang

Hình 1.16 Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại đường dây quang điển hình

Bộ OLA còn có các thiết bị thực hiện chức năng ghép/tách kênh giám sát OSC Tạiđầu vào khi chưa qua các khối độ lợi, kênh giám sát OSC được lọc lại và đưa vào đầu thuOSC Tiếp đến, sau khi khuếch đại các kênh tín hiệu thuộc các bước sóng khác nhau,kênh OSC được ghép chung vào với các kênh tín hiệu và truyền đi Như vậy, kênh OSCkhông được khuếch đại bởi các OLA Bộ OLA cũng có thể được cấu hình gồm bộ khuếchđại Raman thực hiện chức năng khuếch đại phân bố bằng cách cấu hình tại đầu vào của

nó nguồn bơm Raman có công suất quang lớn, bơm ngược chiều với chiều tín hiệu đivào

Ngoài các ứng dụng chính làm các bộ khuếch đại trên đường truyền quang, các bộkhuếch đại quang còn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi bước sóng Việc chuyển đổi

Bộ bù tán sắc

Trang 31

bước sóng được thực hiện dựa trên hiện tượng bão hòa độ lợi và hiện tượng trộn bốnbước sóng FWM (Four-Wave Mixing) xảy ra trong các bộ khuếch đại quang.

Trang 32

PHẦN II KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG HỆ THỐNG DWDM

LH_1600G NORTEL TẠI VTHCM (VTN2) CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG DWDM LH –1600G NORTEL VÀ CẤU HÌNH

THIẾT BỊ SỬ DỤNG TẠI ĐÀI VTHCM (VTN2)

-oOo -2.1 Hệ thống thiết bị ghép bước sóng quang DWDM LH-1600G Nortel

Tại Việt Nam, năm 2003-2004, Công ty Viễn thông liên tỉnh VTN đã triển khai lắpđặt và đưa vào khai thác mạng DWDM 20Gbps sử dụng thiết bị OPTera Long Haul 1600của hãng Nortel Networks với triển khai lắp đặt và đưa vào khai thác hệ thống thiết bịDWDM LH-1600G (phiên bản 7) Tận dụng các sợi cáp quang trục Bắc – Nam còn trống.Hiện tại đang có 5 vòng Ring bao gồm: Hà Nội -Vinh, Vinh - Đà Nẵng, Đà Nẵng - QuiNhơn, Qui Nhơn - Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh - Cần Thơ

Do cấu trúc sợi quang có chất lượng còn hạn chế, mỗi bước sóng của hệ thống DWDMViệt Nam chỉ truyền tải 2,5Gb/s thay vì 10Gb/s; số lượng bước sóng sử dụng là 8 Với 6bước sóng, mỗi bước sóng truyền tải 2,5Gb/s sẽ tương đương với 240.000 kênh thoại

Trong tương lai, số bước sóng sẽ gia tăng theo nhu cầu tăng dần từng năm và sau khicải tạo chất lượng sợi quang, dung lượng truyền tải đường trục có thể lên đến tối đa 800Gb/sthay vì 20Gb/s như hiện nay

Nhìn tổng thể hệ thống truyền dẫn DWDM gồm các thành phần sau:

Thiết bị khuếch đại - OPTera LH1600G

Thiết bị ghép bước sóng quang

Thiết bị kết nối chéo - OPTera Connect DX

Thiết bị thuộc lớp SDH - OPTera 4200 (STM-16) và TN-4T (STM-4)

2.1.1 Phổ bước sóng quang

Các bước sóng của mạng quang dùng thiết bị khuếch đại OPTera LongHaul 1600G,tuân theo một bảng phân bố bước sóng tương thích tiêu chuẩn quốc tế ITU-T G.692 Bảngphân bố bước sóng này chia thành băng- C thông thường bao gồm 40 bước sóng và Băngdài- L cũng bao gồm 40 bước sóng Như vậy toàn bộ bước sóng của hệ thống thiết bị quang1600G là 80 bước sóng Sơ đồ phân bố bước sóng quang trình bày trong Hình 2.1

Trang 33

2.1.1.a Phổ bước sóng băng-C

Các bước sóng của băng- C trải dài từ 1530nm cho đến 1563nm Bảng phân bố bướcsóng của băng -C đã chia toàn bộ các bước sóng của băng- C ra làm hai lưới bước sóng:Lưới 1 (Grid 1) và Lưới 2 (Grid 2) Mỗi lưới có 40 bước sóng, mỗi bước sóng cách nhau là100Ghz Những bước sóng của Lưới 1 được phân bố tuân theo các quy định của tiêu chuẩnquốc tế là ITU-T G.692 Trong cấu hình mạng quang đơn hướng, các bước sóng của Lưới 1

sẽ được sử dụng để phát đi trong cả hai chiều trên hai sợi quang tách biệt

Các bước sóng của Lưới 2 cách khoảng với các bước sóng của Lưới 1

là 50GHz Các bước sóng của Lưới 2 được dùng riêng cho các cấu hình mạng quang truyềnsong hướng Những cấu hình mạng quang đơn hướng phải sử dụng các bước sóng của Lưới

1 và không được sử dụng trộn lẫn các bước sóng của Lưới 1 và Lưới 2 trên cùng một sợiquang

2.1.1.b Phổ bước sóng băng- L

Các bước sóng của băng- L trải dài từ 1570nm cho đến 1603nm Phân bố bước sóngcủa băng- L cũng được tổ chức thành 2 lưới: Lưới 3 và Lưới 4 Mỗi lưới gồm có 40 bướcsóng cách khoảng nhau là 100GHz

Những bước sóng của Lưới 3 được phân bố tuân theo các quy định của tiêu chuẩnquốc tế là ITU-T G.692 Trong cấu hình mạng quang đơn chiều, các bước sóng của lưới 3 sẽđược sử dụng để phát đi trong cả 2 chiều trên 2 sợi quang tách biệt

Các bước sóng của Lưới 4 cách khoảng với các bước sóng của Lưới 3 là 50GHz.Các bước sóng của Lưới 4 được dùng riêng cho các cấu hình mạng quang truyền song

Trang 34

hướng Những cấu hình mạng quang đơn hướng phải sử dụng các bước sóng của Lưới 3 vàkhông được sử dụng trộn lẫn các bước sóng của Lưới 3 và Lưới 4 trên cùng một sợi quang

Bước sóng

(nm)

OPTera 1600G Băng-C

Bước sóng (nm)

OPTera 1600G Băng-L

Trang 35

Hình 2.2 Phân bố bước sóng Băng _C và Băng _L theo ITU-T G.692

Bảng sau đây liệt kê những băng truyền dẫn sử dụng cho các mạng quang đơn chiềucủa thiết bị 1600G

Bảng 2.1 Liệt kê các lưới và băng bước sóng truyền dẫn sử dụng cho mạng quang đơn

chiều của thiết bị OPTera LH-1600G

Các ứng dụng đơn chiều Lưới bước sóng

Chỉ dùng băng – C Lưới 1Chỉ dùng băng – C và L Lưới 1 và 3Chỉ dùng băng – L Lưới 3

2.1.1.c Bước sóng quang dành cho các kênh dịch vụ quang

Đối với những truyền thông quang giữa các trạm với nhau, thiết bị 1600G có hỗ trợcác kênh dịch vụ quang ngoài băng bước sóng quang Hai kênh dịch vụ quang của thiết bị1600G có bước sóng là 1510nm và 1615nm Phổ bước sóng quang của thiết bị 1600G cócác bước sóng OSC được trình bày trong hình 2.1

2.1.2 Tuyến truyền dẫn quang DWDM đơn hướng

Trong những tuyến quang đơn hướng, có 2 loại trạm khuếch đại là: trạm đầu cuối(Term-1 và Term-2) và trạm đường dây (Line và Line-OADM) Các trạm đầu cuối có vị trítại 2 đầu của một tuyến quang Các trạm đường dây có vị trí nằm giữa của hai trạm đầu cuối

có thể có nhiều trạm đường dây trên tuyến quang Hình 2.3 trình bày một tuyến quang baogồm 2 khoảng có cấu hình đơn hướng Mỗi trạm có một điểm truy nhập tầng giữa MSA(Mid-Stage Access) để hỗ trợ việc thực hiện bù tán sắc và ghép xen/rớt quang (OADM)

Trang 36

Rx Tx

40λ Băng-L

40λ

Băng-L

40λ Băng-C

40λ

Băng-C

Kênh truyền (phía tây)

Kênh truyền (phía đông) 80λ theo chiều 1

80λ theo chiều 2 Trạm đường dậy

Trạm đầu cuối 1 Trạm đầu cuối 2

Khuếch đại đơn chiều 1600G

Trang 37

Rx Tx

Khuếch đại đơn chiều 1600G

Kí hiệu :

LA1 LA2

LA3

Hình 2.4 Tuyến quang 4 chặng đơn hướng

Trong hình 2.4, các bộ khuếch đại tại các biên của chuỗi khuếch đại trong hình đượccấu hình hoạt động như ở đầu cuối và được đặt tên trong phần mềm là Term 1 và Term 2

Cả hai đầu cuối này đều có khả năng nhận và gửi Term 1 gửi tín hiệu quang theo hướng 1

và nhận theo hướng 2 Còn Term 2 thì ngược lại Ngoài ra, mỗi hướng có thể có đến 2đường quang (optical path) Đường quang 1 (dải C) và đường quang 3 (dải L) theo hướng 1.Còn đường quang 2 (dải C) và đường quang 4 (dải L) theo hướng 2 Giữa Term 1 và Term 2của hình 2.4 trên là 3 bộ khuếch đại được cấu hình như bộ khuếch đại đường truyền (Lineamplifier) và được đặt tên là LA1, LA2, LA3

Trang 38

2.1.3 Một số tính năng và đặc điểm của hệ thống LH-1600G Ver 7

2.1.3.a Phạm vi hoạt động và dung lượng hệ thống LH-1600G

Bộ khuếch đại 1600G hỗ trợ được đến 80 bước sóng (gồm 40 bước sóng trong dải C

và 40 ở dải L) nâng dung lượng truyền dẫn cực đại lên đến 800Gb/s chỉ trên một sợi quangtrong cấu hình đơn hướng Bộ phân tích quang phổ OSA (Optical Spectrum Analyzer) được

bổ sung vào nhằm cung cấp khả năng đo lường công suất kênh cũng như giám sát tỷ số tínhiệu trên nhiễu quang OSNR (Optical Signal – to – Noise Ratio) tốt hơn

Sự tăng dung lượng mà hệ thống có được thông qua việc sử dụng bộ OSA còn phụthuộc vào loại sợi quang được sử dụng Ví dụ với loại sợi NDSF thì ta có thể mở rộng dunglượng từ 50 kênh đến 80 kênh Trong khi với loại sợi E-LEAF (Enhanced Large Effective-area Fiber), dung lượng có thể tăng từ 45 đến 80 kênh

Bộ OSA còn cho phép mở rộng phạm vi hoạt động vượt hơn 6 chặng Với sợi NDSF,

bộ OSA mở rộng phạm vi hệ thống đến 8 chặng mà không cần đến khuếch đại Raman Nógiúp ta giảm đáng kể vốn và phí tổn hoạt động vì ít cần đến các bộ khuếch đại vốn khá đắttiền Chú ý rằng ta không cần đến bộ OSA với các ứng dụng ở dải C có 6 chặng và ít hơn 40kênh

Thiết kế dạng module của hệ thống 1600G Amplifier cho phép ta đạt được sự mởrộng phạm vi và dung lượng mà vẫn giảm được chi phí ban đầu từ việc giảm chi phí đầu tưcho thiết bị phần cứng tương ứng với một mức dung lượng nào đó sự giảm chi phí nàynhiều hay ít phụ thuộc vào cấu hình hiện tại và cấu hình mong muốn đạt được

Bảng 2.2 dưới đây liệt kê dung lượng bước sóng của hệ thống 1600G Amplifier đơnhướng phân loại theo sợi quang

Bảng 2.2 Dung lượng bước sóng theo từng loại sợi quang cho các ứng dụng đơn hướng 1600G Amplifier

Trang 39

OADM cung cấp sự truy cập đến từng kênh tại các trạm khuếch đại OADM đườngtruyền Version 7 cho phép truy cập số lượng bước sóng lớn hơn do có thêm vào bộ ghép5λ-OADM.

OADM cũng hỗ trợ sự cân bằng khi đang có lưu lượng cho việc tăng hay giảm dunglượng Khả năng xen rớt của Ver 7 làm giảm chi phí mạng bởi việc giảm nhu cầu phục hồitín hiệu cho các trạm OADM (Bảng 2.3)

Số lần tối đa có thể xen rớt cùng một

bước sóng trên một tuyến

3

Triple Forward Error Correction(TriFEC)

Ver 7 hỗ trợ 3 mẫu lưu lượng OADM:

 Đối xứng – cùng một bước sóng được xen hoặc rớt tại một trạm OADM

 Bất đối xứng - một bước sóng được rớt tại trạm OADM trên tuyến nhưngkhông có bước sóng tương ứng nào được thêm vào, hay một bước sóngkhông được xuất phát từ bộ khuếch đại đầu tiên được thêm vào tại trạmOADM trên tuyến.OADM liên trạm (intersite) là một topology OADM bấtđối xứng khi một bước sóng được xen và rớt tại các trạm OADM dọc trêntuyến

 Express - một bước sóng xuất phát từ bộ khuếch đại đầu tiên trên tuyến, kếtthúc ở bộ khuếch đại cuối cùng trên tuyến và đi qua một trạm OADM mộtcách trong suốt, không bị xen hay rớt

Những ứng dụng OADM của Nortel cho các nút kết hợp (aggregation node) giúp tiếtkiệm chi phí vốn đáng kể Những nhu cầu về băng thông tại các nút kết hợp tiêu biểu từ 10Gb/s đến 100Gb/s (lên đến 10x100Gb/s một bộ thu phát), với hầu hết các nút ít hơn 4 bướcsóng

Trang 40

Khi lưu lượng mạng tăng, các nút kết hợp có thể bao gồm các dịch vụ bước sóng chothiết bị đầu cuối LH 1600 hay thiết bị kết nối chéo Connect DX thêm vào tại một vài trạm

Cấu hình ban đầu hỗ trợ khả năng xen rớt kênh giới hạn, nhưng cho phép nâng cấp

để hỗ trợ cả bước sóng OADM và express