Cấu trúc và các thành phần của cáp

2.2.2.1. Cấu trúc tổng quát

Cấu trúc tống quát của cáp bao gồm như hình 2.8.

Sợi quang: các sợi quang đã được bọc lóp phủ và lóp vỏ, sắp xếp theo thứ tự nhất định. Lóp vỏ có thể có dạng đệm lỏng, đệm khí, đệm tổng hợp, băng dẹp.

Thành phần chịu lực: bao gồm thành phần chịu lực trung tâm và thành phần chịu lực bên ngoài.

Chất nhồi: đê làm đầy ruột cáp. Vỏ cáp: để bảo vệ ruột cáp.

23.2.2. Các thành phần của cáp

- Thành phần chống âm

Đe tránh sự xâm nhập của nước dọc theo ruột cáp, người ta bơm đầy các khoảng trống trong ruột cáp bởi một họp chất nhờn dưới áp suất rất cao. Hợp chất nhờn cũng phải có các độ đặc tính giống như chất nhờn trong đệm lỏng:

+ Có tác dụng ngăn ẩm.

+ Không có tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp. + Không thay đối thế tích trong khoảng nhiệt độ làm việc. + Dể tẩy sạch khi hàn nối.

+ Khó cháy.

Ngoài ra ruột cáp còn được bao bọc bởi một lớp ngăn ấm bằng kim loại dán mỏng thường là nhôm (hoặc Plastic). Đối với loại cáp không chứa thành phần kim loại dán mỏng thường được làm dạng gọn sóng để tăng sức chịu đựng các lực cơ học.

Đối với các loại cáp không cần độ chống ấm cao như cáp dùng trong nhà thì không cần bơm chất nhờn, cũng như không cần lóp chống ấm.

- Thành phần chịu lực

Vì sợi quang bằng thủy tinh dễ gãy nên trong cáp sợi quang phải có các thành phần chịu lực để giữ cho sợi quang không bị kéo căng trong quá trình lắp đặt cũng như sử dụng.

Các thành phần chịu lực bao gồm:

+ Các thành phần chịu lực trung tâm nằm ở trục cáp, thành phần chịu lực trung tâm có thể bằng dây kim loại hoặc bằng sợi không kim loại. + Thành phần chịu lực bảo vệ ruột cáp bằng tơ hoặc bằng sợi aramide được bện bao quanh ruột cáp.

Ngoài ra một số loại cáp có thêm các sợi làm đầy, cũng tăng sức chịu lực cho cáp.

- Vỏ cáp

Vỏ cáp đế bảo vệ ruột cáp khỏi tác động của môi trường, như tác động của cơ học, hóa học, hơi ấm, nhiệt độ...

+ Đặc tính khí hậu. + Khả năng chông âm. + Độ bền cơ học.

+ Tính trở đối với các chất hóa học.

+ Bảo đảm cho cáp có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ. + Khó cháy.

Lớp gia cường đặc biệt

Cấu tạo của cáp quang từ ruột đến vỏ cáp tương đối hoàn chỉnh, song trong trường hợp cần được lắp đặt trong điều kiện môi trường đặc biệt như: ngâm dưới nước, chôn trực tiếp trong vùng có nhiều loại gặm nhấm, côn trùng, treo trực tiếp thì chế tạo cáp cần có thêm các lớp gia cường đế bố xung thêm khả năng chịu lực cho các phần tử gia cường khác trong ruột cáp.

2.3.3. Các loại cáp quang được khuyến nghị trong hệ thống DWDM

2.3.3.1. Sọi SSMF (sỉngle-mode opticalýĩbre cable) hay sọi G.652

Sợi đơn mode là sợi truyền dẫn một mode ánh sáng. Loại này có được là do đường kính lõi được giảm đến một kích thước mà nó chỉ cho phép truyền lan một mode ánh sáng. Lõi của sợi đơn mode thường có đường kính 8pm - lOpm. Sợi quang đơn mode có nhiêu ưu diêm nôi bật so với so với sợi đa mode như suy hao nhỏ và tán sắc cũng nhỏ hơn do không có tán sắc mode.

Sợi SSMF là cáp đơn mode có tán sắc gần bằng không trong vùng bước sóng 1310 nm. Lúc đầu, cáp này chế tạo ra nhằm mục đích tối ưu hoá sử dụng khai thác ở vùng bước sóng này. Tuy nhiên, cáp G.652 có thể được sử dụng cả ở vùng 1550 nm. Khi hoạt động ở bước sóng 1550 nm thì có:

+ Hệ số suy hao khoảng 0,2 dB/km. + Hệ số tán sắc khoảng 17 ps/nm.km.

Các tuyến thông tin cáp sợi quang trên thế giới, hiện đang sử dụng phổ biến loại cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của ITU-T.

Sợi G.652 được khuyến nghị dùng bước sóng ở cửa số thứ hai của sợi quang (1310 nm), và thực tế là nó tối ưu cho các hệ thống đơn bước sóng sử

Tuy nhiên, nếu dùng sợi G.652 đem áp dụng trong hệ thống WDM tại vùng bước sóng cửa sô thứ ba (1550 nm) thì sẽ gây ra suy hao lớn, không ghép được nhiều kênh,ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Để khắc phục nhược điểm này người ta đã chế tạo ra hai loại sợi đó là sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyến DSF (Dispersion-Shiíìed Fiber) và sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF (Non- zero Dispersion-Shifted Fiber).

2.3.3.2. Sợi DSF (dispersion-shifted single-mode opticalỳĩbre

cable) hay

sợi G. 653

Sau khi chế tạo cáp G.652 người ta thấy rằng:

Neu truyền tại cửa số 1310 nm thì tuy tán sắc gần bằng không, nhưng lại có suy hao quá lớn khoảng 0,4dB/km. Còn nếu truyền tại bước sóng 1550 nm thì tuy có suy hao nhỏ nhưng lại có tán sắc lớn 17 ps/nm.km.

Muốn truyền dẫn tại cửa sô 1550 nm vừa có suy hao nhỏ, đồng thời lại vừa muốn có tán sắc gần bằng không, người ta đã nghĩ ra cáp G.653 bằng cách pha thêm một số tạp chất vào sợi. Ket quả sợi G.653 ra đời, sợi quang này tận dụng được ưu điếm của hai vùng cửa sổ quang, đó là hệ số suy hao của vùng cửa sô thứ hai có bước sóng trung tâm là 1310 nm và hệ số tán sắc vùng cửa số thứ ba có bước sóng trung tâm là 1550 nm, với suy hao sợi thực tế khoảng 0,2dB/km đồng thời có tán sắc bằng không khi truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm. Đó là nguyên nhân vì sao gọi sợi G.653 này là sợi tán sắc dịch chuyến.

DSF là sợi quang đơn mode dịch tán sắc có tính năng tốt nhất ở bước sóng 1550 nm. Sợi này còn được sử dụng tối ưu cho các bước sóng nằm xung quanh vùng 1550 nm (1525 nm - 1575 nm). Bằng cách thay đối sự phân bố khúc xạ làm cho điếm sáng bằng không dịch từ cửa số 1310 nm tới khu vực bước sóng làm việc 1550 nm. Sợi này cũng có thể dùng cho vùng bước sóng 1310 nm (1285 nm - 1340 nm).

Đặc tính suy hao của sợi DSF cũng giống như sợi đơn mode không dịch tán sắc, nhung tối ưu tán sắc tại bước sóng 1550 nm. Tại bước sóng này suy hao và tán sắc của sợi DSF là bé nhất. Sợi quang đơn mode DSF có suy hao nhỏ, giới

rất hiệu quả cho việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trong đó hiệu quả nhất là đối với các hệ thống đơn kênh quang.

Tuy nhiên, cáp này chỉ thích hợp truyền dẫn những luồng quang bình thường, không phải ghép kênh quang tốc độ cao. Khi có ghép kênh, nhất là ghép DWDM như hiện nay, chính việc có tán sắc gần bằng không tại cửa sổ 1550 nm đã làm cho hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng (FWM - Four Wave Mixing) tăng rất mạnh (nếu ghép càng nhiều kênh gần nhau). Vì hạn chế khả năng ghép kênh DWDM như vậy nên đây là nguyên nhân chính làm loại cáp này bây giờ được sử dụng rất ít.

2.5.5.3. Sợi CSF (cut-off shiýted single-mode optical fibre cabỉe) hay sợi G.654

Cáp này lại có tán sắc gần bằng không tại cửa số 1310 nm, và tại cửa sổ 1550 nm là khoảng 20 ps/nm.km. Nhưng nó lại có suy hao tôi thiêu tại cửa sô 1550 nm (theo khuyến nghị phải < 0,22dB/km). Trên thực tế, các hãng có thế chế tạo ra cáp có suy hao nhỏ hơn. Nói chung, đây là loại chế tạo ra không có dịch chuyến tán sắc (giống sợi G.652). Ngoài ra cố gắng làm giảm cực tiếu suy hao trong vùng 1550 nm đế kéo dài truyền dẫn nhất là với cáp quang biến. Cáp này nó có ưu điểm nổi trội là mở rộng băng thông hoạt động sang cả vùng băng thông quang L, tức là mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625 nm.

2.3.3.4. Sợi NZ-DSF (non-zero dỉspersion shiýted single-mode optical ỳìbre cable) hay sợi G. 655

Ngày nay với sự phát triển ưu thế của ghép kênh theo tần số quang mật độ cao, kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời thế hiện khả năng truyền nhiều bước sóng trên một sợi quang, lúc này cần phải chú trọng đáp ứng phi tuyến của sợi quang. Vì đáp ứng phi tuyến nó gây ra thêm một loạt các hiệu úng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM, tụ' điều chế pha SPM (Self Phase Modulation), điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation). Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM là nghiêm trọng nhất. Do hiệu suất của hiệu úng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thích hợp với các hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa. Đe

giải quyết vấn đề này thì sợi NZ-DSF đã ra đời nhằm chống lại giới hạn FWM của DSF đe đảm bảo cho tất cả các kênh có các tốc độ khác nhau trong sợi quang. Đặc tính suy hao của sợi này tương tự như sợi đon mode thông thường SMF, nhưng điếm nôi bật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biếu là 0,lps/nm.km < Dmin < Dmax< 6 ps/nm.km trong vùng bước sóng 1530 nm - 1565 nm nhưng không được bằng không tại vùng cửa sổ 1550 nm. Do đó, đặc điếm nổi trội nhất của nó so với các sợi khác ở chồ, nó được tối ưu hoá chống lại các hiệu ứng phi tuyến (nhất là FWM), đế có thế truyền dẫn cho hệ thống DWDM. Băng thông quy định theo khuyến nghị là băng

c

Có hai loại sợi NZ-DSF là loại +NZ-DSF và loại -NZ-DSF. Loại sợi +NZ-DSF có điếm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng nhỏ hon 1500 nm. Loại sợi -NZ-DSF có điếm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng lớn hon 1600 nm.

Sau đây là sơ đồ biểu diễn hệ số tán sắc của các loại sợi quang.

VTN: Cĩ.652 chủ yếu; G.655, LEAF bắt đầu có (đường HCM)

Hình 2.9. Phân loại sợi quang theo tán sắc

Từ các un, nhược điểm của các loại sợi cáp trên thì mạng viễn thông đường trục của nước ta đang sử dụng cáp theo chuấn G.652 bởi giá thành rẻ.

Trong tương lai đế đáp ứng nhu cầu phát triến mạnh của mạng viễn thông và các tuyến thông tin trọng điếm DWDM thì cần nên khai thác ưu điếm của sợi cáp G.655.

Hình 2.10 là cấu trúc chung của một hệ thống DWDM và các phần tử cấu thành nên hệ thống gồm:

+ LD là laser phát tạo ra sóng quang. + MOD là bộ phận điều chế

+ OMUX là bộ ghép sóng quang.

+ EQUAL là thiết bị cân bằng công suất quang. + DISP-C là bộ bù tán sắc.

+ OADM là bộ xen rẽ sóng quang. + ODMUX là bộ tách sóng quang. + RX là bộ thu.

Hình 2.10. Cấu trúc hệ thống WDM[14|

2.4. Laser phát

Laser có chức năng chuyên đôi tín hiệu điện sang tín hiệu quang, có vai trò quan trọng trong hệ thống WDM. Hiện tại laser được sử dụng trong hệ thống DWDM là laser đơn mode.

Trong hệ thống DWDM, các kênh bước sóng có mật độ rất cao. Thực vậy, mỗi kênh có độ rộng vài nm thậm chí dưới một nm. Đó là lí do tại sao các LD sử dụng trong hệ thống WDM phải có sự ổn định bước sóng phát xạ. Mặt khác,

khoảng cách giữa hai trạm lặp trong hệ thống truyền dẫn DWDM lớn hon so với hệ thống truyền dẫn đơn kênh SDH. Vì vậy laser trong hệ thống DWDM là loại laser đặc biệt hơn các laser thông thường về công nghệ và khả năng hạn chế các hiệu ứng phi tuyến (các hiệu ứng phi tuyến như SBS, SRS, SPM, XPM, FWM) trong hệ thống truyền dẫn.

2.4.1. Các phương thức điều chế laser

Có hai phương thức điều chế laser ứng dụng trong hệ thống DWDM là điều chế trực tiếp và gián tiếp.

2.4.1.1. Điều chế trực tiếp

Điều chế trực tiếp hay còn được gọi là điều biến trong. Dòng điện tín hiệu đi vào laser phát được biến đổi thành nguồn sáng laser đầu ra. Một đặc điếm của điều biến trục tiếp là công suất đầu ra phụ thuộc vào dòng điện điều chế. Nó đặc biệt hiệu quả đối với hệ thống DWDM đơn hướng (giá thành rẻ và đơn giản). Chỉ cần thay đồi độ dài hốc cộng hưởng của laser, sự biến đổi dòng điều chế sẽ gây ra sự biến đôi tuyến phát ra bước sóng laser tương ứng. Sự biến đôi này sinh ra hiện tượng chirp. Chirp tần sẽ mở rộng băng tần của phố laser phát xạ sẽ gây ra ảnh hưởng tới tốc độ và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Ví dụ như đối với sợi quang G.652, khoảng cách truyền dẫn giảm xuống <100km và tốc độ truyền dẫn < 2,5Gbps.

Đối với hệ thống DWDM mà không cần khuếch đại quang (khoảng cách truyền dẫn nhỏ) hoặc tốc độ thấp, điều biến trực tiếp có thể áp dụng được vì giá thành rẻ.

2.4.1.2. Điều chế gián tiếp

Điều chế gián tiếp hay còn gọi là phương pháp điều biến ngoài. Trong điều chế gián tiếp modul điều chế nằm ở đầu ra của bộ tạo bước sóng quang như chỉ ở hình vẽ 2.11.

Nguồn laser là nguồn phát xạ liên tục ổn định cao với công suất và tần số cố định. Tuỳ theo mức độ khác nhau của dòng điện đem điều chế thì bộ điều chế quang sẽ xử lí ánh sáng tù' nguồn laser, cho ánh sáng laser phát xạ đi qua hay không đi qua (giống như điều chế OOK). Trong suốt quá trình điều chế, phố phát xạ của laser đầu ra không thay đối đảm bảo chất lượng yêu cầu của hệ thống.

Hình 2.11: Điều chế gián tiếp

Điều chế gián tiếp có tổn hao lớn về công suất và giá thành cao nhưng đổi lại có độ dịch tần lại nhỏ. Nó được ứng dụng cho các hệ thống có tốc độ truyền dẫn > 2,5Gbps và có khoảng cách truyền dẫn dài hơn 300Km. Đó là lí do mà hệ thống DWDM tốc độ cao thường sử dụng khuếch đại đường quang và laser trong truyền dẫn thường sử dụng phương thức điều chế gián tiếp.

Thông thường các phương thức điều chế ngoài sử dụng các phương thức như biến đối quang điện, dần sóng ở modul điều chế quang.

Nguyên lí cơ bản của điều chế quang điện là hiệu ứng quang điện tuyến tính của tinh thể. Hiệu ứng quang điện đề cập đến là hiện tượng trường điện từ là nguyên nhân gây ra sự thay đổi góc khúc xạ của tinh thể. Tinh thể cho ánh sáng đi qua hoặc không khi thay đổi góc khúc xạ. Hiệu ứng trên còn được gọi là hiệu ứng tinh thể quang điện.

Điều chế quang học thực chất là sử dụng hiệu ứng quang học của bán dẫn. Hiệu ứng quang học là hiện tượng chất bán dẫn thay đổi chiết suất khi sóng quang truyền qua chất bán dẫn đó. Sự thay đôi chiết suất làm thay đôi góc khúc xạ chất và cũng là nét đặc trưng khi truyền sóng quang qua môi trường bán dẫn.

Điều chế ống dẫn sóng được chế tạo từ vật liệu là Titan (Ti) pha trộn LiNb02. Ống dẫn sóng có những ưu điểm sau như kích thước nhỏ, gọn, nhẹ, và đạt được độ chính xác cao nhất.

2.4.2. Ồn định bước sóng và điểu khiến laser

Trong hệ thống DWDM, ốn định dải sóng của laser là một vấn đề then chốt. Theo qui định của ITU-T.692, độ lệch bước sóng so với bước sóng trung tâm không thế lớn hơn 1/5 độ rộng kênh quang.

Trong hệ thống DWDM, ôn định tần số laser là vấn đề quan trọng nhất. Hiện nay laser thường sử dụng trong các vi mạch tích hợp thì việc ôn định nhiệt độ là chủ yếu. Neu nhiệt độ tăng thì độ rộng dải sóng LD phát xạ cũng tăng, cụ thế là 0.08nm/°c. Trong khai thác vận hành, nhiệt độ thông thường là

25°c.

Khoảng điều chỉnh nhiệt độ từ

15°c

35°c.

Như vậy sự ổn định bước sóng liên quan trực tiếp đến sự ổn định nhiệt độ.