1. Tổng quan về khả năng ứng dụng của khuếch đại quang sợi.
Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang sợi OFA trong các hệ thống truyền dẫn quang cho thấy −u điểm rõ rệt. Ưu điểm nổi bật nhất là kéo dài khoảng lặp. Việc khai thác OFA cho phép tháo bỏ nhiều trạm lặp thông th−ờng trên tuyến hiện có, trong tr−ờng hợp thiết kế tuyến mới sẽ tạo điều kiện đơn giản hoá hệ thống khi lắp đặt thiết bị ở nhiều vị trí. OFA cũng cho phép nghiên cứu tối −u các cấu thúc mạng quang mới để đáp ứng trong mạng đ−ờng trục, mạng truy nhập hay tuyến cáp quang biển. Mặt khác OFA cũng thể hiện −u điểm khi nâng cấp mạng bởi vì các thiết bị OFA không phụ thuộc vào tốc độ đ−ờng truyền và dạng điều chế tín hiệu.
Tuy nhiên việc ứng dụng OFA vào hệ thống truyền dẫn quang cũng đem đến một số vấn đề nảy sinh do mức công suất cao phát ra từ OFA và khoảng cách giữa hai trạm lắp rất lớn. Các hiệu ứng truyền dẫn này liên quan tới tính chất phi tuyến của sợi quang, tính chất phân cực và các đặc điểm khuếch đại của bản thân thiết bị OFA. Độ tán sắc của tín hiệu gây ảnh h−ởng nghiêm trọng đến chất l−ợng hệ thống truyền dẫn. Bởi vậy việc điều chỉnh tán sắc phải đ−ợc xem xét nghiêm túc khi thiết kế hệ thống. Tuỳ thuộc vào các đặc tính kỹ thuật và kinh tế của tuyến thông tin quang mà các bộ khuếch đại quang sợi có thể đ−ợc áp dụng tại từng vị trí trên tuyến. Chúng có thể đ−ợc sử dụng làm bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) ở phía phát, làm bộ tiền khuếch đại PA (Pre_Amplifier) ở phía thu hay làm bộ khuếch đại đ−ờng truyền LA (Line Amplifier) ở dọc tuyến.
2. Các loại khuếch đại quang th−ờng dùng 2.1 Khuếch đại công suất 2.1 Khuếch đại công suất
Khuếch đại công suất là thiết bị quang sợi có công suất bão hoà cao đ−ợc sử dụng trực tiếp ngay sau bộ phát quang để tăng c−ờng mức công suất tín hiệu.
Thiết bị BA không cần yêu cầu nghiêm ngặt về nhiễu và lọc quang. Các chức năng khai thác, quản lý và bảo d−ỡng (OAM) cho BA có thể đ−ợc điều hành chung với bộ phát quang. Việc sử dụng các bộ khuếch đại là rất hấp dẫn cho các nhà khai thác, đặc biệt là trong các tr−ờng hợp mà trong đó các vị trí trung gian với các thiết bị tích cực là không thể hoặc không nên lắp đặt. Trong bất cứ tr−ờng hợp nào, càng ít trạm lặp trung gian trên đ−ờng truyền thì càng dễ dàng cho việc bảo d−ỡng và nâng cao độ tin cậy của tuyến truyền dẫn. Bởi vì công suất quang lối ra t−ơng đối cao nên nhiễu do bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại (ASE) nó xuất hiện tất yếu do quá trình phát photon trong OFA. Các thành phần nhiễu ngoài băng tín hiệu có thể bỏ qua nhờ bộ lọc quang. Tuy nhiên việc ứng dụng nhiều bộ BA có thể gây nên các tính chất phi tuyến trong sợi quang, từ đó ảnh h−ởng tới công suất hệ thống:
Phát quang Thu quang
Đ−ờng truyền dẫn
LA PA
BA
Hình vẽ 2.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang
Khối khuếch đại quang
Tách tín hiệu vào ra Điều khiển Laser bơm 1
Điều khiển dòng Điều khiển nhiệt độ
Điều khiển Laser bơm 2
Điều khiển dòng Điều khiển nhiệt độ
Điều khiển Bus
SGI bus SGI bus
Khối điều khiển chung
ALS
Đo công suất nguồn quang vào
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất
Khối giao tiếp nguồn
2.2 Tiền khuếch đại
Tách tín hiệu vào ra Điều khiển Laser bơm
Điều khiển dòng Điều khiển nhiệt độ
Điều khiển bộ lọc quang
Điều khiển Bus
SGI bus SGI bus
Khối điều khiển chung
ALS
Đo công suất nguồn quang phát
Hình 2.3: Sơ đồ khối của bộ tiền khuếch đại
Khối giao tiếp nguồn
Giao diện giám sát Khối khuếch đại quang Bộ lọc quang có điều chỉnh
PA là thiết bị khuếch đại quang sợi có nhiễu rất thấp đ−ợc sử dụng trực tiếp ở tr−ớc các bộ thu quang để nâng cao độ nhạy máy thu. Điều kiện mức nhiễu ASE thấp có thể thực hiện thông qua sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp. Trong tr−ờng hợp này, việc điều chỉnh tự động b−ớc sóng trung tâm của bộ lọc tiền khuếch đại để cho b−ớc sóng phát ra phù hợp là cần thiết, điều này sẽ thoả mãn các yêu cầu về độ dung sai b−ớc sóng ban đầu và độ ổn định của nó trong khoảng băng rộng. Nh− đã biết cách sử dụng PA là ph−ơng pháp đơn giản và trực tiếp nâng cao đáng kể quỹ công suất quang của hệ thống truyền dẫn. Các chức năng OAM cho các bộ PA có thể đ−ợc điều hành chung cùng với bộ thu quang. Với các hệ thống truyền dẫn tốc độ 10 G bit/s hoặc tốc độ cao hơn, việc sử dụng các bộ PA là giải pháp hợp lý để lại trừ các vấn đề do hiệu ứng phi tuyến của sợi gây nên.
2.3 Khuếch đại đ−ờng truyền:
LA là thiết bị khuếch đại quang sợi có nhiễu thấp đ−ợc sử dụng nh− những thiết bị thụ động trên đ−ờng truyền để tăng khoảng cách giữa 2 trạm lập. Trong một mạng thuê bao theo cấu hình điểm - đa điểm , khuếch đại đ−ờng truyền đ−ợc sử dụng để bù suy hao tại các điểm rẽ nhánh. Trong tr−ờng hợp này, khuếch đại đ−ờng truyền có thể thay thế một vài hoặc tất cảc các trạm lặp thông th−ờng đang sử dụng trên các tuyến đ−ờng trục. Với −u điểm nh− vậy có thể giảm bớt thiết bị trên đ−ờng truyền dẫn. Nh− vậy trên các mạng đ−ờng trục thì các bộ LA đóng vai trò bù suy hao tín hiệu, còn các trạm lặp thông th−ờng thì có chức năng sửa méo tín hiệu. Trên các hệ thống truyền dẫn sử dụng nhiều LA cần phải có các kênh thông tin riêng biệt để cảnh báo, giám sát và điều khiển các bộ khuếch đại đ−ờng truyền ở xa.
Về mặt lý thuyết có thể kéo dài khoảng cách truyền dẫn lên đến hàng nghìn km bằng cách đặt đều đặn các bộ LA với khoảng cách thiết lập theo tính toán thiết kế. Tuy nhiên trong tr−ờng hợp có nhiều bộ LA lắp đặt thì chất l−ợng đ−ờng truyền của hệ thống sẽ suy giảm do nhiễu tích luỹ, các hiệu ứng phân cực, tán sắc tích luỹ và các hiệu ứng phi tuyến khác.
Thử nghiệm cho thấy rằng cấu hình hệ thống truyền dẫn có sử dụng nhiều bộ LA sẽ phức tạp hơn nhiều sẽ phức tạp hơn. Cụ thể là hệ số khuếch đại tổng cộng của nhiều bộ LA lắp đặt nối tiếp sẽ cố định quanh b−ớc sóng xác định phụ thuộc vào cấu hình khuếch đại cụ thể. Điều này sẽ hạn chế khả năng ứng dụng dải b−ớc song khai thác đ−ợc của thiết bị quang sợi . Do đó việc thiết kế hệ thống loại này sẽ khác biệt với hệ thống chỉ sử dụng vài bộ khuếch đại LA trên tuyến.
Căn cứ vào việc xác định, BA,LA,PA và dựa vào cấu hình ở hình 3.1 ta có cấu hình ứng dụng thiết bị OFA với cấu trúc khác nhau nh− hình 3.4Dựa vào khả năng và tính kinh tế mà ng−ời ta đặt bộ khuếch đại quang vào vị trí nào trong hệ thống. Tính kinh tế của hệ thống hầu nh− quuết định việc lắp đặt và sử dụng khuếch đại quang cần phải sẽ hơn so với việc ứng dụng các công nghệ khác, nếu không khuếch đại quang sẽ không đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang. So với thiết bị đầu cuối thông th−ờng, việc sử dụng các thiết bị BA,LA,PL sẽ tăng quỹ công xuất nên đáng kể. Với phổ khuếch đại t−ơng đối rộng (khoảng 30mm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến. Nh− vậy hệ thống tr−ớc đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể bị hạn chế về tán sắc, trong tr−ờng hợp đó phải sử dụng một số ph−ơng pháp để giảm bớt ảnh h−ởng của tán sắc, sử dụng sợi bù tán sắc hay sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài. Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức −u tiên sử dụng đối với từng loại cũng khác nhau.
- LA đòi hỏi phải có giám sát riêng, hơn nữa các điểm trung gian trên đ−ờng truyền cũng làm cho việc bảo d−ỡng trở nên phức tạp hơn. Do đó, mức −u tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong tr−ờng hợp mà khi dùng cả BA và PA vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới sử dụng LA.
T R P Thu Phát T R B Thu Phát T R L Thu Phát T R P Thu Phát L T R L Thu Phát B T R P Thu Phát B L
- ứng dụng khuếch đại quang sợi vào hệ thống ghép kênh quang theo b−ớc sóng
Trong truyền dẫn số chúng ta đã quen với ghép kênh tín hiệu điện, từ luồng số tốc độ thấp ghép thành luồng số tốc độ cao hơn. Trong vài năm trở lại đây, công nghệ thông tin quang đã đạt đ−ợc nhiều tiến bộ đáng kể. Trong những tiến bộ đã đạt đ−ợc này phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó cho phép thực hiện việc ghép nhiều tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi quang, nhằm làm tăng đáng kể dung l−ợng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó ra việc ghép kênh quang còn tạo khả năng xây dựng đ−ợc các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đ−ờng truyền đạt tới hàng chục Gbit/s ng−ời ta đã thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn, vì mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng đ−ợc các xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí các giải pháp trở nên rất tốn kém do cơ cấu hoạt động quá phức tạp và công nghệ đòi hỏi rất cao. Do đó kỹ thuật ghép kênh quang ra đời đã khắc phục đ−ợc những hạn chế trên. Các phần tử quang trong thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở những vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh. Kỹ thuật ghép kênh quang còn tận dụng đ−ợc phổ hẹp của laser, lợi dụng đ−ợc các b−ớc sóng có tần số khác nhau để thực hiện truyền nhiều luồng ánh sáng mang tín hiệu trên một sợi quang. Có ba kỹ thuật ghép kênh quang là ghép kênh quang theo tần số (OFDM - Optical Frequency Division Multiplexing),ghép kênh quang theo thời gian (OTDM - Optical Time Division Multiplexing) ghép b−ớc sóng quang (WDM - Wavelength Division Multiplexing). Với mục tiêu của đề tài, nên trong phạm vi đồ án này chúng ta chỉ đi sâu vào nghiên cứu kỹ thuật ghép b−ớc sóng quang WDM.
ý t−ởng về ghép b−ớc sóng quang WDM đã đ−ợc xuất hiện từ năm 1953, đến những năm đầu của thập kỷ 80 thì các thiết bị ghép b−ớc sóng quang đã đ−ợc th−ơng mại hoá. Trong các tuyến thông tin quang điểm - điểm thông th−ờng, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu, nghĩa là các nguồn quang khác
nhau đòi hỏi truyền tín hiệu trên các sợi quang xác định riêng biệt, và các bộ tách sóng quang t−ơng ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Nh− vậy, muốn tăng dung l−ợng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Còn với kỹ thuật WDM, nó thực hiện việc truyền các luồng ánh sáng với các b−ớc sóng khác nhau trên cùng một sợi, cho phép ta tăng dung l−ợng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đ−ờng truyền và cũng không cần sử dụng thêm sợi quang. Vì trong thực tế hiện nay, nguồn phát quang có độ rộng phổ t−ơng đối hẹp, các hệ thống thông tin quang thông th−ờng chỉ sử dụng một phần nhỏ băng tần truyền dẫn vốn rất lớn của sợi quang (sợi SM là 30THz). Về mặt lý thuyết thì ta có thể truyền một dung l−ợng kênh khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều nguồn quang khác nhau hoạt động ở các b−ớc sóng cách nhau một cách hợp lý. ở đầu thu có thể thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc (tách) các b−ớc sóng khác nhau này.
1. Nguyên lý cơ bản của ghép b−ớc sóng quang WDM
Giả sử ta có các nguồn bức xạ quang làm việc ở các b−ớc sóng khác nhau: λ1, λ2, λ3...,λN, kỹ thuật WDM cho phép ghép các tín hiệu quang ở các b−ớc sóng khác nhau này vào cùng một sợi quang nhờ vào thiết bị có suy hao thấp gọi là bộ ghép kênh quang MUX. Tín hiệu sau khi đ−ợc ghép sẽ truyền dọc theo sợi để tới phía thu. Tại phía thu, các bộ tách b−ớc sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các b−ớc sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ tách kênh quang DEMUX .
Thông th−ờng bộ ghép kênh quang MUX và bộ tách kênh quang DEMUX đ−ợc đặt chung trong một thiết bị và gọi là Bộ Ghép B−ớc Sóng MUX/DEMUX. MUX DEMU X I1(λ1) IN(λN ON(λ O1(λ1 O(λ1...λ I(λ1...λN Sợi
Có hai loại hệ thống ghép b−ớc sóng: hệ thống ghép b−ớc sóng theo một h−ớng và hệ thống ghép b−ớc sóng theo hai h−ớng
Trong hệ thống ghép b−ớc sóng theo một h−ớng, thiết bị ghép kênh quang MUX đ−ợc dùng để kết hợp các b−ớc sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi, và tại đầu kia thiết bị tách kênh quang DEMUX sẽ tách các b−ớc sóng này tr−ớc khi đ−a vào các bộ thu quang.
Trong hệ thống ghép b−ớc sóng theo hai h−ớng thì không qui định là phát ở một đầu và thu ở một đầu, có nghĩa là có thể phát thông tin theo một h−ớng tại b−ớc sóng λ1 và đồng thời cũng phát thông tin khác theo h−ớng ng−ợc lại tại b−ớc sóng λ2. Trong tr−ờng hợp này tại hai đầu cuối ta sử dụng bộ ghép b−ớc sóng MUX/DEMUX. MUX DEMUX Tx1 Tx2 Tx Rx1 Rx2 Rx λ1 λ2 λN λ1 λN λ2 λ1,λ2,...λN (a) MUX/ DEMUX MUX/ DEMUX λ1,λ2,...λ (b) Tx1 R'x λ1 λ’ 1 λN Tx λ' N Rx1 T’ T'x λ1 λ’ 1 λN Rx λ' N R'x λ’ 1,λ’ 2,... Hình 2.6 a) Hệ thống ghép b−ớc sóng theo một h−ớng b) Hệ thống ghép b−ớc sóng theo hai h−ớng
2. Đánh giá kỹ thuật WDM
Qua những gì đã giới thiệu ở trên chúng ta thấy rằng kỹ thuật WDM là một kỹ thuật mới mẻ, tiên tiến và có rất nhiều −u điểm:
+ Khi sử dụng kỹ thuật WDM sẽ làm tăng thêm tính linh hoạt của hệ thống, thể hiện là WDM có thể truyền dẫn đ−ợc song công chỉ trên 1 sợi quang và cho phép ghép nhiều b−ớc sóng quang khác nhau trên cùng một sợi với suy hao nhỏ và xuyên kênh thấp. Về mặt lý thuyết thì số b−ớc sóng ghép đ−ợc là rất lớn.
+ Kỹ thuật WDM giúp tăng dung l−ợng của hệ thống nghĩa là tăng tốc độ truyền dẫn của từng kênh và làm giảm ảnh h−ởng tốc độ truyền dẫn giữa các kênh, nh− vậy là ít bị ảnh h−ởng của tán sắc hơn so với tuyến truyền dẫn quang đơn kênh khi cùng dung l−ợng truyền dẫn.
+ Kỹ thuật WDM có khả năng định tuyến và chuyển mạch trong vùng quang nhờ sử dụng Bộ ghép b−ớc sóng, −u điểm này góp phần giúp cho việc thực hiện mang quang hoá hoàn toàn.
+ Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung l−ợng của các hệ thống sẵn có mà không cần tăng số l−ợng cáp và không cần tăng tốc độ, dẫn đến đơn giản cho thiết bị đầu cuối và tránh đ−ợc việc dùng các công nghệ cao để chế tạo thiết bị tốc độ cao, do đó giảm đ−ợc giá thành hệ thống, lợi dụng đ−ợc độ rộng phổ hẹp của Laser và tận dụng triệt để băng thông lớn của sợi quang (với SMF là 30 THz).
Nói nh− vậy không có nghĩa là kỹ thuật WDM là không có những hạn chế
- Trong kỹ thuật WDM hiện nay, số l−ợng kênh quang đ−ợc ghép trên một cửa số truyền dẫn còn hạn chế.
- Mỗi kênh quang đòi hỏi phải có một nguồn phát riêng biệt. Để ổn định b−ớc sóng của nguồn phát đòi hỏi phải có sơ đồ điều khiển phức tạp.