Hình 3. 22: Cấu trúc EDFA
Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được minh họa trên hình. Trong đó bao gồm: - Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.
- Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm.
- DWDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang. Loại coupler được sử dụng là DWDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm.
- Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA.
3.4.3. Phổ khuếch đại
Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 2.12 là tính chất quan trọng nhất của EDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống DWDM. Hình dạng của phổ khuếch đại phụ thuộc vào bản chất
của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al) và nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang.
Hình 3. 23: Phổ khuyếch đại EDFA
Hình 3.23 cho thấy phổ độ lợi của EDFA khá rộng. Tuy nhiên, phổ độ lợi này không bằng phẳng. Điều này sẽ dẫn đến việc hệ số khuếch đại khác nhau đối với các bước sóng khác nhau. Nếu độ lợi của các kênh tín hiệu không
đồng nhất, nhất là sau khi qua nhiều tầng EDFA, sai số độ lợi này sẽ tích luỹ tuyến tính đến mức khi tới đầu thu kênh bước sóng có độ lợi cao làm cho đầu vào máy thu quá tải. Ngược lại, kênh tín hiệu có độ lợi nhỏ thì tỉ số SNR không
đạt yêu cầu. Sự làm phẳng độ lợi là cần thiết để loại bỏ sự khuếch đại méo các tín hiệu qua các EDFA đường truyền ghép tầng.
Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi:
- Chọn lựa các bước sóng có độ lợi gần bằng nhau. DWDM làm việc ở dải sóng băng C (1530 – 1565 nm). Trong dải bước sóng này chọn 40 bước sóng làm bước sóng công tác của DWDM. Các bước sóng này có độ lợi gần bằng nhau.
- Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (equalizer) hấp thụ bớt công suất ở bước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợi nhỏ.
- Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm nhôm, photpho nhôm hay flo cùng với erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn.
Ngoài ra, phổ độ lợi của EDFA còn phụ thuộc vào chiều dài của sợi EDF. Lý do là vì trạng thái nghịch đảo nồng độ thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang khi công suất bơm thay đổi.
Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm). Tuy nhiên, độ
lợi của sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm. Điều này kích thích sự
phát triển của các hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm. Nguyên lý hoạt động của EDFA băng L giống như EDFA băng C. Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết kế EDFA cho băng C và băng L. Các phần tử bên trong bộ
khuếch đại quang như bộ cách ly (isolator) và bộ ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác nhau trong băng C và băng L. Sự so sánh các tính chất của EDFA trong băng C và băng L được thể hiện trong bảng 3.1
Bảng 3. 1: So sánh tính chất của EDFA trong băng C và băng L
Hình 3.24 trình bày cấu trúc của một bộ khuếch đại băng L làm bằng phẳng độ lợi trong khoảng bước sóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng [3]. Tầng đầu tiên được bơm ở bước sóng 980nm và hoạt động như một bộ
EDFA truyền thống (sợi quang dài 20-30nm) có khả năng cung cấp độ lợi trong khoảng bước sóng 1530-1570 nm. Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m và được bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm. Một bộ isolator được đặt giữa hai
tầng này cho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ 1 sang tầng thứ 2 nhưng ngăn ASE truyền ngược về tầng thứ nhất. Với cấu trúc nối tiếp như vậy, khuếch đại hai tầng có thể cung cấp độ lợi phẳng trên một vùng băng thông rộng trong khi vẫn duy trì mức nhiễu thấp
Hình 3. 24: Bộ khuyếch đại EDFA hai tầng
3.5 Bộ xen rẽ quang
Chức năng của bộ xen rẽ quang là tách ra hoặc ghép vào một hoặc vài bước sóng bất kỳ từ một tuyến nào đó mà không phải thực hiện MUX hoặc DEMUX hay chuyển đổi O/E/O. Cấu trúc chung của OADM như trên hình3.25:
Hình 3. 25: Bộ xen rẽ quang OADM
OADM là node mạng có vai trò rất quan trọng trong mạng DWDM, làm cho mạng quang trở nên linh hoạt và đơn giản hơn nhiều với nhiều cấu hình mạng khác nhau.
Về bản chất, OADM truy nhập và truy xuất băng tần sẵn có của sợi quang mà không cần chuyển đổi quang điện. OADM đã trải qua vài thế hệ khác nhau và mỗi thế hệ đều có những ưu điểm và hạn chế riêng.
Loại OADM đơn giản nhất là OADM cố định, kênh quang có thể xen rẽ đã được lựa chọn trước bởi thiết bị, nó đã được ấn định trước. OADM loại này
đơn giản, độc lập về giao thức, tốc độ bit rõ ràng và giá thành rẻ. Quản lý mạng không cần yêu cầu thiết lập những kênh được xen vào hoặc tách ra từ sợi quang bởi vì mỗi thiết bịđã ấn định trước kênh cần xen rẽ. Suy hao tổng của OADM cố định khoảng 4-6dB. Đối với mạng có lưu lượng truyền dẫn thay đổi bất thương giữa các node mạng với nhau thì OADM cố định tỏ ra không mềm dẻo và thích hợp lắm.
Hình 3. 26: Bộ xen rẽ quang sử dụng cách tử Bragg
Thay thế cho OADM cố định là OADM mới, nó có thể xen rẽ dựa vào yêu cầu từng vị trí trên hình. OADM mới có thểđiều chỉnh được số kênh xen rẽ bằng phần mềm từ xa. Sự chuyển mạch có thể thực hiện bởi hệ thống vị mạch điện tử
(MEMs). Hệ thống có thể nâng cấp thêm hoặc bới số lượng kênh cần xen rẽ tại OADM.
Hình 3. 27: Sơ đồ OADM điều khiển
Khi cấu hình xen rẽ mọi kênh trong sợi quang, lúc đó OADM trở thành MUX/DMUX, cấu hình này dễ dàng cung cấp và đáp ứng mọi dịch vụ. Về bản chất nó vẫn là cấu hình OADM cố định có điều khiển.
Cấu hình OADM động có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong sự phát triển mạng toàn quang. Nó có thể cung cấp đầy đủ và khá mềm dẻo trong việc xen rẽ
các kênh, cũng như các kênh thêm bổ sung vào. Nó sử dụng công nghệ điều hướng (tunable) bộ lọc và điều hướng laser bằng phương pháp điều khiển điện và cơ động. OADM này có suy hao nhỏ . Vì vậy không cần sử dụng khuyếch đại trong đoạn truyền dẫn ngắn.
3.6. Bộ nối chéo quang
Sự phát triển của mạng toàn quang DWDM đòi hỏi phải định tuyến bước sóng quang động để có thay đổi cấu hình mạng linh hoạt mà vẫn giữ được bản chất trong suốt của mạng. Chức năng này được đảm bảo bằng việc ứng dụng các
bộ đấu nối chéo quang OXC. Định tuyến động cũng giải quyết được vấn đề hạn chế số lượng bước sóng bằng kỹ thuật sử dụng lại bước sóng.
Cấu trúc OXC chuyển mạch không gian gồm N cổng vào, mỗi cổng thu một tín hiệu DWDM chứa M kênh bước sóng. Bộ tách bước sóng sẽ chia tín hiệu thành các bước sóng riêng biệt và phân phối chúng tới M bộ chuyển mạch quang. Đây là các bộ chuyển mạch không gian. Mỗi bộ chuyển mạch thu N tín hiệu đầu vào có cùng một bước sóng. Một đầu vào và một đầu ra khác của bộ
chuyển mạch được thêm vào để cho phép xen rẽ kênh đặc thù. Các bộ chuyển mạch sẽ chuyển tín hiệu tới đầu ra tương ứng để ghép M bước sóng hình thành một đường tín hiệu DWDM. Mỗi OXC như vậy cần N bộ ghép sóng, N bộ tách sóng quang và (N+1)*(N+1) bộ chuyển mạch quang. Bộ chuyển mạch thường sử
dụng là ống dẫn sóng N đầu vào và N đầu ra.
Hình 3. 28: Sơ đồ bộ nối chéo quang
3.7 Thiết bị bù tán sắc 3.7.1 Tán sắc
Sau khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên. Do đó, lại yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện được
việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài. Bây giờ ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ
thống tốc độ cao lại lại càng thể hiện rõ rệt. Ví dụ sợi quang G. 652 tán sắc ở tốc
độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chếở khoảng 928 km, nếu tốc dộ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ còn 58 km. Bảng 3. 2: Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết) Tốc độ 1550 nm (G.652) 1550 nm (G.655) 1310 nm (G.652) 2,5 Gbit/s 928 km 4528 km 6400 km 10 Gbit/s 58 km 283 km 400 km 20 Gbit/s 14,5 km 70 km 100 km 40 Gbit/s 3,6 km 18 km 25 km
Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Tán sắc tổng cộng bao gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, và tán sắc dẫn sóng:
- Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đường đi khác nhau, có cự ly đường truyền khác nhau và do đó thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau.
- Tán sắc vật liệu: chỉ số chiết suất trong sợi quang thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu, vận tốc nhóm Vnhóm của mode là một hàm số của chỉ số chiết suất, cho nên các thành phần phổ khác nhau của mode đã cho sẽ lan truyền đi ở các tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào bước sóng, vì thế tán sắc vật liêu
là một hiệu ứng tán sắc bên trong mode, và là yếu tố quan trọng đối với các sợi
đơn mode và các hệ thống sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang LED. - Tán sắc dẫn sóng: do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, còn 20% năng lượng ánh sáng truyền trong vở sợi nhanh hơn năng lượng truyền trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào hằng số lan truyền β (β là hàm của a/λ, với a là bán kĩnh lõi sợi). Tán sẵc dẫn sóng thường được bỏ
qua trong sợi đa mode nhưng lại cần được quan tâm ở sợi đơn mode.
Việc sử dụng kỹ thuật DWDM là một phương pháp không làm tăng mức độ
tán sắc của hệ thống vì kỹ thuật DWDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tín hiệu.
Có một loại tán sắc mà thường được bỏ qua đối với các hệ thống tốc độ
thấp, nhưng đối với các hệ thống tốc độ cao thì cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của nó, đó là tán sắc mode phân cực. Khái niệm tán sắc mode phân cực như sau:
Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization Mode Dispersion) là một thuộc tính cơ bản của sợi quang đơn mode và các thành phần hợp thành, trong đó năng lượng tín hiệu của bất kỳ bước sóng nào cũng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc truyền khác nhau. Do vận tốc của hai mode chênh lệch nhau nên thời gian truyền qua cùng một khoảng cách là khác nhau và được gọi là sự trễ nhóm DGD (Differential Group Delay). Tán sắc mode phân cự sẽ
làm dãn rộng xung tín hiệu, gây nên suy giảm dung lượng truyền dẫn. Về
phương diện này ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực cũng giống như ảnh hưởng của các tán sắc khác. Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn đó là: các tán sắc khác là một hiện tượng tương đối ổn định trong khi đó, tán sắc mode phân cực trong sợi đơn mode ở bất cứ bước sóng nào cũng là không ổn định. Nguyên nhân là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang cũng như các thành phần quang hợp thành, nên có sự khác biệt về chiết suất đối với cặp trạng thái phân
cực trực giao, sự khác biệt này được gọi là sự lưỡng chiết. Sự khác biệt chiết suất sẽ sinh ra lệch thời gian truyền sóng giữa hai mode phân cực. Trong sợi đơn mode, hiện tượng này bắt nguồn từ sự không tròn của lõi sợi quang. Sự lưỡng chiết còn sinh ra do sự uốn cong của sợi, sự uốn cong làm thay đổi mật độ phân tử cảu cấu trúc sợi, làm cho hệ số khúc xạ mất đối xứng. Tuy nhiên lưỡng chiết uốn cong không phải là nguyên nhân chủ yếu sinh ra tán sắc mode phân cực. Bên cạnh suy hao của sợi là hiệu ứng tán sắc giới hạn chính của khoảng cách các trạm lặp trong tuyến thông tin quang. Trễ nhóm là hiệu ứng chính gây ra bởi tán sắc. Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độ rộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các ký tự
Bảng 3. 3: Giới hạn độ dài tuyến truyền dẫn bởi tán sắc
Tốc độ 1550 nm (G.652) 1550 nm (G.655) 1310 nm (G.652) 2,5 Gbit/s 928 km 4528 km 6400 km 10 Gbit/s 58 km 283 km 400 km 20 Gbit/s 14,5 km 70 km 100 km 40 Gbit/s 3,6 km 18 km 25 km
Thiết bị bù tán sắc đưa ra một mức tán sắc bằng hoặc ngược lại đểđiều chỉnh sự giãn xung ánh sáng. Hai loại thiết bị thường dùng là sợi bù tán sắc và cách tử bù tán sắc.
3.7.2 Sợi bù tán sắc
Sợi bù tán sắc (DCF – Dispersion Compensating Fiber) là loại sợi đặc biệt mà ánh sắc ở vùng bước sóng 1,5µm có hệ số tán sắc không âm với khoảng 80ps/(nm.km). Do đó một 1km sợi DCF có thể bù tán sắc cho 5km sợi SMF khi hệ
số tán sắc của sợi SMF là 17ps/(nm.km).
Hệ số tán sắc của sợi DCF cũng thay đổi theo tần số như sợi SMF, do đó không thể có khả năng bù tán sắc tốt nếu như dải tần mở rộng. Suy hao của sợi DCF có giá trị cỡ 0,6dB/km và lớn hơn sợi SMF.
3.7.3 Cách tử Bragg
Ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc: phổ của xung quang chứa nhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính là hiệu ứng tán sắc, làm dãn phổ xung quang đó và có thể gây xuyên nhiễu lên các xung quang lân cận. Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như sử dụng sợi bù tán sắc DCF, nhưng cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như: gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi tuyến khác... Gần đây, cách tử bù tán sắc đã được xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn. Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến cuối cách tử và bị phản xạ trở lại (xem hình 3.22), module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm co xung đã bị dãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý. Nếu sợi cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được mở rộng. Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt, sẽ gây hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối với trễ nhóm tín hiệu quang, do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của thiết bị.
Hình 3. 29: Nguyên lý bù tán sắc bằng cách tử Bragg