1.5.1 Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652
Sợi đơn mode là sợi truyền dẫn một mode ỏnh sỏng. Loại này có được là do đường kớnh lõi được giảm đến một kớch thước mà nó chỉ cho phép truyền lan một mode ỏnh sỏng. Lõi của sợi đơn mode thường có đường kớnh 8àm - 10àm. Sợi quang đơn mode có nhiều ưu điểm nổi bật so với so với sợi đa mode như suy hao nhỏ và tỏn sắc cũng nhỏ hơn do khụng có tỏn sắc mode.
Sợi SSMF là cỏp đơn mode có tỏn sắc gần bằng khụng trong vựng bước sóng 1310 nm. Lỳc đầu, cỏp này chế tạo ra nhằm mục đớch tối ưu hoỏ sử dụng khai thỏc ở vựng bước sóng này. Tuy nhiờn, cỏp G.652 có thể được sử dụng cả ở vựng 1550 nm. Khi hoạt động ở bước sóng 1550 nm thỡ có:
•Hệ số suy hao khoảng 0,2 dB/km.
•Hệ số tỏn sắc khoảng 17 ps/nm.km.
Cỏc tuyến thụng tin cỏp sợi quang trờn thế giới, hiện đang sử dụng phổ biến loại cỏp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của ITU-T.
Sợi G.652 được khuyến nghị dựng bước sóng ở cửa sổ thứ hai của sợi quang (1310 nm), và thực tế là nó tối ưu cho cỏc hệ thống đơn bước sóng sử dụng bước sóng ở vựng cửa sổ này do có hệ số tỏn sắc bé và hệ số suy hao chấp nhận được.
Tuy nhiờn, nếu dựng sợi G.652 đem ỏp dụng trong hệ thống WDM tại vựng bước sóng cửa sổ thứ ba (1550 nm) thỡ sẽ gõy ra suy hao lớn, khụng ghép được nhiều kờnh,ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Để khắc phục nhược điểm này người ta đó chế tạo ra hai loại sợi đó là sợi quang đơn mode tỏn sắc dịch chuyển DSF (Dispersion-Shifted Fiber) và sợi quang đơn mode tỏn sắc dịch chuyển khụng
bằng khụng hay tỏn sắc dịch chuyển khỏc khụng NZ-DSF (Non-zero Dispersion- Shifted Fiber).
1.5.2 Sợi DSF hay sợi G.653
Sau khi chế tạo cỏp G.652 người ta thấy rằng:
Nếu truyền tại cửa sổ 1310 nm thỡ tuy tỏn sắc gần bằng khụng, nhưng lại có suy hao quỏ lớn khoảng 0,4dB/km. Cũn nếu truyền tại bước sóng 1550 nm thỡ tuy có suy hao nhỏ nhưng lại có tỏn sắc lớn 17 ps/nm.km.
Muốn truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm vừa có suy hao nhỏ, đồng thời lại vừa muốn có tỏn sắc gần bằng khụng, người ta đó nghĩ ra cỏp G.653 bằng cỏch pha thờm một số tạp chất vào sợi. Kết quả sợi G.653 ra đời, sợi quang này tận dụng được ưu điểm của hai vựng cửa sổ quang, đó là hệ số suy hao của vựng cửa sổ thứ hai có bước sóng trung tõm là 1310 nm và hệ số tỏn sắc vựng cửa sổ thứ ba có bước sóng trung tõm là 1550 nm, với suy hao sợi thực tế khoảng 0,2dB/km đồng thời có tỏn sắc bằng khụng khi truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm. Đó là nguyờn nhõn vỡ sao gọi sợi G.653 này là sợi tỏn sắc dịch chuyển.
DSF là sợi quang đơn mode dịch tỏn sắc có tớnh năng tốt nhất ở bước sóng 1550 nm. Sợi này cũn được sử dụng tối ưu cho cỏc bước sóng nằm xung quanh vựng 1550 nm (1525 nm – 1575 nm). Bằng cỏch thay đổi sự phõn bố khỳc xạ làm cho điểm sỏng bằng khụng dịch từ cửa sổ 1310 nm tới khu vực bước sóng làm việc 1550 nm. Sợi này cũng có thể dựng cho vựng bước sóng 1310 nm (1285 nm – 1340 nm).
Đặc tớnh suy hao của sợi DSF cũng giống như sợi đơn mode khụng dịch tỏn sắc, nhưng tối ưu tỏn sắc tại bước sóng 1550 nm. Tại bước sóng này suy hao và tỏn sắc của sợi DSF là bé nhất. Sợi quang đơn mode DSF có suy hao nhỏ, giới hạn suy hao điển hỡnh là (0,17dB/km - 0,25dB/km) và tỏn sắc cũng nhỏ cho nờn rất hiệu quả cho việc ứng dụng vào cỏc hệ thống thụng tin quang hoạt động ở vựng bước sóng 1550 nm hoặc là cỏc hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trong đó hiệu quả nhất là đối với cỏc hệ thống đơn kờnh quang.
Tuy nhiờn, cỏp này chỉ thớch hợp truyền dẫn những luồng quang bỡnh thường, khụng phải ghép kờnh quang tốc độ cao. Khi có ghép kờnh, nhất là ghép DWDM như hiện nay, chớnh việc có tỏn sắc gần bằng khụng tại cửa sổ 1550 nm đó làm cho hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng (FWM - Four Wave Mixing) tăng rất mạnh (nếu ghép càng nhiều kờnh gần nhau). Vỡ hạn chế khả năng ghép kờnh DWDM như vậy nờn đõy là nguyờn nhõn chớnh làm loại cỏp này bõy giờ được sử dụng rất ớt.
1.5.3 Sợi CSF (cut-off shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.654
Cỏp này lại có tỏn sắc gần bằng khụng tại cửa sổ 1310 nm, và tại cửa sổ 1550 nm là khoảng 20 ps/nm.km. Nhưng nó lại có suy hao tối thiểu tại cửa sổ 1550 nm (theo khuyến nghị phải < 0,22dB/km). Trờn thực tế, cỏc hóng có thể chế tạo ra cỏp có suy hao nhỏ hơn. Nói chung, đõy là loại chế tạo ra khụng có dịch chuyển tỏn sắc (giống sợi G.652). Ngoài ra cố gắng làm giảm cực tiểu suy hao trong vựng 1550 nm để kéo dài truyền dẫn nhất là với cỏp quang biển. Cỏp này nó có ưu điểm nổi trội là mở rộng băng thụng hoạt động sang cả vựng băng thụng quang L, tức là mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625 nm.
1.5.4 Sợi NZ-DSF (non-zero dispersion shifted single-mode optical fibrecable) hay sợi G.655 cable) hay sợi G.655
Ngày nay với sự phỏt triển ưu thế của ghép kờnh theo tần số quang mật độ cao, kỹ thuật ghép kờnh quang theo bước sóng WDM ra đời thể hiện khả năng truyền nhiều bước sóng trờn một sợi quang, lỳc này cần phải chỳ trọng đỏp ứng phi tuyến của sợi quang. Vỡ đỏp ứng phi tuyến nó gõy ra thờm một loạt cỏc hiệu ứng phi tuyến như hiệuứng trộn bốn sóng FWM, tự điều chế pha SPM (Self Phase Modulation), điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation). Trong cỏc hiệu ứng này, hiệu ứng FWM là nghiờm trọng nhất. Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tỏn sắc của sợi quang cho nờn sợi tỏn sắc dịch chuyển DSF khụng thớch hợp với cỏc hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa. Để giải quyết vấn đề này thỡ sợi NZ-DSF đó ra đời nhằm chống lại giới hạn FWM của DSF để đảm bảo cho tất cả cỏc kờnh có cỏc tốc độ khỏc nhau trong sợi quang. Đặc tớnh suy hao của sợi này tương tự như sợi đơn mode thụng thường SMF, nhưng điểm nổi bật của
nó là có tỏn sắc nhỏ nhưng khỏc khụng với giỏ trị tiờu biểu là 0,1ps/nm.km ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 6 ps/nm.km trong vựng bước sóng 1530 nm – 1565 nm nhưng khụng được bằng khụng tại vựng cửa sổ 1550 nm. Do đó, đặc điểm nổi trội nhất của nó so với cỏc sợi khỏc ở chỗ, nó được tối ưu hoỏ chống lại cỏc hiệu ứng phi tuyến (nhất là FWM), để có thể truyền dẫn cho hệ thống DWDM. Băng thụng quy định theo khuyến nghị là băng C (1530 nm – 1565 nm) nhưng mở rộng sang cả băng L thỡ càng tốt, tức là khuyến khớch chế tạo mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625 nm.
Có hai loại sợi NZ-DSF là loại +NZ-DSF và loại -NZ-DSF. Loại sợi +NZ- DSF có điểm tỏn sắc bằng khụng nằm ở vựng bước sóng nhỏ hơn 1500 nm. Loại sợi -NZ-DSF có điểm tỏn sắc bằng khụng nằm ở vựng bước sóng lớn hơn 1600 nm.
Sau đõy là sơ đồ biểu diễn hệ số tỏn sắc của cỏc loại sợi quang.
Hỡnh 2.1. Phõn loại sợi quang theo tỏn sắc
Từ cỏc ưu, nhược điểm của cỏc loại sợi cỏp trờn thỡ mạng viễn thụng đường trục của nước ta đang sử dụng cỏp theo chuẩn G.652 bởi giỏ thành rẻ. Trong tương lai để đỏp ứng nhu cầu phỏt triển mạnh của mạng viễn thụng và cỏc tuyến thụng tin trọng điểm DWDM thỡ cần nờn khai thỏc ưu điểm của sợi cỏp G.655.
1.6 Nguồn quang WDM
Cấu trỳc của một hệ thống thụng tin quang bao gồm nhiều thành phần cơ bản, một trong cỏc thành phần cơ bản đó là nguồn quang tạo ra sóng mang quang. Nguồn quang trong hệ thống WDM khụng có gỡ khỏc với nguồn quang của hệ thống thụng tin quang khỏc, tuy nhiờn nguồn quang được sử dụng trờn tuyến truyền dẫn tốc độ cao và rất cao, cụ thể trong hệ thống thụng tin quang ghép kờnh theo bước sóng thường là Diode Laser (LD).
Cỏc yờu cầu cơ bản của nguồn quang
Đơn mode: vỡ cỏc lý do khụng tốt mà nguồn quang đa mode đem lại, rất nhiều laser đơn mode được chế tạo như laser phản hồi phõn phối và laser phản xạ Bragg phõn phối.
•Nhiễu thấp: có nhiều loại nhiễu trong thụng tin quang như nhiễu pha, nhiễu cường độ và nhiễu mode. Nhiễu thấp rất quan trọng để giảm hệ số BER trong thụng tin.
•Phổ hẹp: phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ đó dẫn đến giảm hiện tượng gión xung ỏnh sỏng và vỡ vậy tăng được tốc độ truyền.
•Cụng suất ra lớn: cụng suất ra lớn làm tăng tỷ số Tớn hiệu/Tạp õm và cho phép truyền được cự ly xa hơn. Để có được cụng suất cao, nguồn quang phải được thiết kế để có hiệu suất ghép cao.
•Dũng ngưỡng nhỏ: đối với cỏc LD, hiện tượng laser chỉ có thể xảy ra khi dũng thiờn ỏp ngược lớn hơn một giỏ trị min gọi là dũng ngưỡng.
•Bước sóng: cỏc sóng ỏnh sỏng tại cỏc bước sóng khỏc nhau có đặc tớnh lan truyền khỏc nhau.
•Độ rộng phổ điều chế lớn: trong thụng tin quang có hai phương phỏp điều chế đó là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Điều chế trực tiếp thường được dựng, bởi vỡ nó đơn giản, phương phỏp này sử dụng tớn hiệu cần truyền để điều khiển nguồn quang một cỏch trực tiếp.
•Độ gión phổ nhỏ: khi một nguồn sỏng được điều chế trực tiếp, phổ ra của nó sẽ bị gión (mở rộng), gión phổ là do chiết suất khỳc xạ ỏnh sỏng của nguồn quang. Do phổ lớn sẽ làm tăng hiện tượng tỏn xạ xung nờn nó cần được hạn chế.
•Độ tuyến tớnh: đối với thụng tin tương tự, độ méo tớn hiệu do sự khụng tuyến tớnh của nguồn sỏng cần được giảm thiểu. Độ khụng tuyến tớnh sẽ gõy ra hiện tượng sóng và xuyờn õm.
•Độ điều chỉnh được: đối với cỏc ứng dụng như ghép kờnh theo bước sóng, khả năng điều chỉnh được bước sóng của diode laser là rất cần thiết. Một diode laser điều chỉnh được có hai đầu mối hoặc nhiều hơn, cho phép người sử dụng điều chỉnh được bước sóng ra. Một LD điều chỉnh được gọi là tốt cần có vựng điều chỉnh được tới vài ngàn GHz.
1.7 Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)
Bộ xen/rẽ quang được sử dụng trong cỏc hệ thống WDM khi hệ thống đó cần tỏch ra hoặc ghép vào một hoặc nhiều kờnh mà vẫn phải bảo toàn tớnh nguyờn vẹn của cỏc kờnh khỏc. Vai trũ của bộ xen/rẽ quang được làm rõ thụng qua vớ dụ sau:
Hỡnh 2.2. Vai trũ của bộ OADM.
Xét một mạng gồm ba nỳt A, B, C. Nỳt A trao đổi thụng tin với nỳt C thụng qua nỳt B, giả thiết rằng, cỏc tuyến liờn kết hoàn toàn song cụng. Giả sử yờu cầu
Node A Node B Node C
Add/Drop a
Add/Drop
Node A Node B Node C
lưu lượng như sau: giữa A và B có một bước sóng, giữa A và C có ba bước sóng. Cỏc hệ thống WDM điểm nối điểm được triển khai để cung cấp nhu cầu lưu lượng này. Có hai giải phỏp như trong Hỡnh 2.2.
Giải phỏp 1: Có hai hệ thống điểm nối điểm, một giữa A và B, một giữa B và C. Mỗi liờn kết điểm-điểm sử dụng một thiết bị đầu cuối OLT ở cuối liờn kết (thiết bị đầu cuối đường quang OLT-Optical Line Terminator là thiết bị được dựng ở đầu cuối của một liờn kết điểm nối điểm để ghép và giải ghép cỏc bước sóng. Mỗi nỳt có bốn bước sóng, do đó cần có bốn bộ tiếp sóng. Nhưng chỉ có một bước sóng là dành cho nỳt B, cỏc bộ tiếp sóng cũn lại dựng để liờn lạc giữa nỳt A và C. Vỡ vậy, sẽ có sỏu trong tỏm bộ tiếp sóng ở nỳt B được dựng để điều khiển lưu lượng nờn rất tốn kém. Giải phỏp 1 được trỡnh bày trong Hỡnh 2.2(a).
Giải phỏp 2: khụng sử dụng hệ thống WDM điểm nối điểm mà sử dụng mạng định tuyến bước sóng. Ở mỗi nỳt A và C sử dụng một OLT, nỳt B sử dụng thiết bị xen/rẽ quang OADM. Bộ OADM sẽ tỏch lấy một trong bốn bước sóng của node B, ba bước sóng cũn lại đi xuyờn qua miền quang mà khụng cần cỏc bộ tiếp sóng, như vậy, chỉ cần sử dụng hai bộ tiếp sóng chứ khụng cần tỏm bộ tiếp sóng như ở giải phỏp 1, nờn giảm được chi phớ. Giải phỏp 2 được minh họa trong Hỡnh 2.2(b).
Bộ OADM có nhiều kiến trỳc được đề xuất để xõy dựng, trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là sử dụng một hoặc nhiều bộ lọc, bộ MUX/DEMUX. Nhưng có hai cấu trỳc chung sau: cấu trỳc song song và cấu trỳc nối tiếp.
Bộ ghép tớn hiệu (Coupler)
Bộ ghép tớn hiệu (Coupler) là thiết bị quang dựng để kết hợp cỏc tớn hiệu truyền đến từ cỏc sợi quang khỏc nhau. Nếu Coupler chỉ cho ỏnh sỏng truyền qua nó theo một chiều thỡ được gọi là Couper đơn hướng, nếu Coupler cho phép ỏnh sỏng đi qua nó theo hai chiều thỡ được gọi là Coupler song hướng.
Coupler thụng dụng nhất là Coupler FTB, được chế tạo bằng phương phỏp kéo nóng chảy: làm nóng chảy hai sợi quang cạnh nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trỳc thắt làm hai phần, tớn hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau và chia đều đến cỏc cổng ra. Một Coupler 2ì2 đặc trưng bởi tỷ số ghép α (0<α<1), α là
tỷ lệ cụng suất ỏnh sỏng ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng cụng suất ỏnh sỏng vào ngõ vào 1. Phần tỷ lệ (1- α) cụng suất ỏnh sỏng cũn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến ngõ ra 2
Coupler lựa chọn bước sóng khi α phụ thuộc vào bước sóng và ngược lại, khi α khụng phụ thuộc vào bước sóng thỡ Coupler khụng phụ thuộc vào bước sóng.
Coupler hỡnh sao NìN được tạo thành bằng cỏch kết nối cỏc Coupler 3 dB (Coupler 3 dB là coupler 2ì2 khi α = 1/2, nó chia đều cụng suất tớn hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra) như Hỡnh 2.3.
Hỡnh 2.3: Bộ ghép hỡnh sao
1.7.1 Nguyờn lý hoạt động
Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ỏnh sỏng sẽ được ghép từ sợi này sang sợi kia và ngược lại. Đó là do quỏ trỡnh truyền mode ỏnh sỏng trờn sợi quang qua vựng ghép sẽ khỏc so với truyền trờn sợi quang đơn. Khi đó, toàn bộ ỏnh sỏng thuộc một sợi quang sẽ được ghép hoàn toàn sang sợi quang ghép với nó, phần ỏnh sỏng này lại tiếp tục được ghép ngược trở lại sang sợi quang ban đầu theo chu kỳ tuần hoàn khép kớn. Kết quả là cường độ trường điện từ ở đầu ra của bộ ghép Eo1, Eo2
được tớnh theo cường độ trường điện từ đầu vào Ei1, Ei2 theo Cụng thức (2.1). ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) 1 1 2 2 cos sin sin cos o i l i o i E f kl i kl E f e E f i kl kl E f − β = ữ ữ ữ (2.1)
Trong đó: β: hệ số pha của sự truyền ỏnh sỏng trong sợi quang.
k: hệ số ghép, k phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lõi sợi và đến khoảng cỏch gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy.
5 9
1
12 8
l: độ dài Coupler.
Nếu chỉ cho ỏnh sỏng vào ngõ 1 (Eo2=0) thỡ Cụng thức (2.1) được tớnh bằng Cụng thức (2.2). ( ) 2 ( ) ( ) 2 i l i sin 1 o i E f e e kl E f π ữ − β = (2.2)
Ở hai ngõ đầu ra lệch pha nhau π/2. Với điều kiện này, có thể tớnh được hàm truyền đạt cụng suất bằng Cụng thức (2.3). ( ) ( ) ( )( ) 2 11 2 12 cos sin T f kl T f kl = ữ ữ ữ (2.3)
Hàm truyền đạt cụng suất Tij được định nghĩa như trong Cụng thức (2.4).
2 2 oj ij ii E T E = (2.4) 1.7.2 Ứng dụng
Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có nhiều ứng dụng khỏc nhau: bộ