Băng tần sử dụng trong hệ thống DWDM gồm có ba băng tần chính sau: + Băng C: 1530 - 1560 nm.
+ Băng L: 1560 - 1600 nm. + Băng S: 1480- 1530 nm.
Chỉ số kĩ thuật Điều kiện Bước sóng trung tâm
p =20mW T=25°c Mức tham chiêu - 20dB Độ rộng phổ p = 20mW Mức tham chiếu - 20dB Độ ôn định và nhiệt độ 0 tới 75°c Po = 250mW Dòng điện P() = 250mW
Trong đó băng c và băng L được sử dụng hiện nay, băng s sử dụng trong tưong lai. Trong băng c và băng L, khuếch đại quang sợi là phưong pháp khuếch đại EDFA là chủ yếu. Còn băng s sử dụng phương pháp khuếch đại Raman. Tuy nhiên các băng tần c, L đều có thế sử dụng phương pháp khuếch đại Raman hoặc kết hợp Raman và EDFA. Nội dung đồ án chỉ đế cập đến khuếch đại EDFA mà không đề cập đến khuếch đại DRA.
2.7.1. Nguyên lỉ khuếch đại EDFA
EDFA được cấu tạo từ một đoạn sợi quang ngắn có lõi pha trộn 0.1% nguyên tố đất hiếm Erbium.
Cơ chế hoạt động của EDFA được minh họa trên hình 2.20. Khi một điện tử ở một trạng thái cơ bản (El) được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù họp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và sẽ chuyển tới mức cao hơn (E2). Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ. Từ đây, điện tử tự phát có thế phát xạ xuống mức(El) như hình 2.24 (a) hoặc (E4) 2.24 (b).
Hình 2.24: (a) cơ chế ba phát xạ, (b) cơ chế bốn phát xạ
Neu thời gian sống của của mức (E3) đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra nghịch đảo tích lũy. Đây là điều kiện đế có mức điện tử siêu bền E3 nhiều hơn mức tới (E1 và E4). Một photon có năng lượng tương đương với sự chênh lệch năng lượng giũa mức E3 và E1 (đối với ba mức), hoặc giữa E3 và E4 (đối với bốn mức) khi nó va chạm trên môi trường gây ra bức xạ kích thích của các photon. Khi ở điều kiện không kích thích hầu hết các
điện tử ở trạng thái cơ bản El. Sợi pha Erbium (Er3+) cho bức xạ 1,55 và 2,7 jum. Khi các photon tín hiệu quang đi vào sợi Erbium va chạm với các điện tử đang ở trạng thái kích thích sẽ làm các điện tủ’ này chuyển xuống mức điện tủ' thấp hơn đồng thời bức xạ một photon có pha cùng với pha của tín hiệu. Do vậy tín hiệu khi đi qua sợi EDF sẽ được tăng ích là cơ chế hoạt động của khuếch quang EDFA.
2.7.2. Phuvngpháp khuếch đại EDFA
Laser bơm: Laser bơm phát xạ hai bước sóng chính là 890 nm hoặc 1480 nm, trong đó laser phát xạ bước sóng 890 nm có chất lượng khuếch đại tốt hơn và giá thành cao hơn laser 1480 nm. Khi dòng photon laser bơm đi qua sợi quang pha Ebirum thì bị các ion hấp thụ năng lượng các photon nhảy lên trạng thái có năng lượng cao hơn. Khi tín hiệu quang đi qua các phonon này nhảy về trạng thái ban đầu phát ra các phonton có mức năng lượng tương ứng bước sóng thuộc cửa sổ 1550. Các tham số của LD bơm ở bước sóng 980nm như trên bảng 2-1.
Couple: Ghép tín hiệu quang và ánh sáng laser phát trước khi vào sợi quang pha Eribum.
Sợi quang pha Erbium là nơi diễn ra quá trình khuếch đại quang.
EDFA có ba ứng dụng chính bao gồm: khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đuờng truyền (LA) và tiền khuếch đại (PA).
BA là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn, được sử dụng ngay sau Tx đế tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất tín hiệu là rất cao nên bỏ qua tạp âm ASE. Vì vậy, BA không đòi hỏi phải có những yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên với mức công suất cao, BA có thể gây ra một số hiệu ứng phi tuyến. Các chức năng OA&M của BA có thế được tách riêng hoăc chung với Tx.
LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) đế tăng chiều dài khoảng lặp. Tùy thuộc vào chiều dài tuyến mà LA có thế được dùng đê thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến.Tuy nhiên sử dụng LA một cách hợp lí để giảm bớt tác động của tạp âm ASE.
PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu. Đế đạt được mức tạp âm ASE thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát.
Những vấn đề gặp phải khi sử dụng EDFA một tầng
Yêu cầu khuếch đại nói chung và khuếch đại EDFA đối với hệ thống truyền dẫn DWDM đa kênh là hệ số khuếch đại đối với mọi kênh là như nhau (tức là công suất tín hiệu mỗi kênh đầu ra bộ khuếch đại là như nhau). Gọi là đồng hệ số khuếch đại. Hình 2-25 biếu thị phố khuếch đại EDFA.
Hình 2.25: Phổ khuếch đại EDFA
Hệ số khuếch đại lại phụ thuộc vào tốc độ đảo mật độ. Đế đảm bảo đồng hệ số khuếch đại thì tốc độ đảo lộn mật độ đuợc điều chỉnh nằm trong khoảng
70% . Tuy nhiên, khi xét toàn bộ dải băng tần c gặp phải một đỉnh khuếch đại nằm tại bước sóng 1532 nm. Đó cũng chính là nguyên nhân mà toàn bộ dải băng tần c nếu dùng khuếch đại EDFA một tầng sẽ không thu được đồng hệ số khuếch đại. Tuy nhiên nếu kết họp một bộ lọc có đặc tuyến ngược lại với phố khuếch đại thì băng tần c vẫn được đảm bảo đồng hệ số khuếch đại như trên hình 2.26.
Hình 2.26: Khuếch đại EDFA vói băng tần c sử dụng bộ lọc
Đối với băng L có hệ số khuếch đại nhỏ và tương đối bằng phang. Neu sử dụng một tầng phải tăng công suất dòng bơm lên rất nhiều. Khi tăng công suất dòng bơm gặp thì một trở ngại lớn là trạng thái đảo mật độ của các ion nhanh chóng đạt đến trạng thái bão hòa làm giảm hệ số khuếch đại.
Một nhược điếm khi sử dụng EDFA đơn tầng là phải sử dụng nhiều tầng khuếch đại khác nhau trên tuyến quang. Khi đó tạp âm ASE (Amplified Spontaneous Emision) là tạp âm chính trong thông tin quang DWDM được sinh ra bởi bộ khuếch đại EDFA. Qua nhiều tầng khuếch đại khác nhau, công suất tạp âm cũng được nhân lên nhiều lần, làm ảnh hưởng đến OSNR của hệ thống. Một giải pháp đế hạn chế những nhược điếm của bộ khuếch đại một tầng là xây dựng bộ khuyếch hai tầng.
Bộ khuếch đại EDFA hai tầng
Bộ khuếch đại quang hai tầng không có sự thay đôi lớn so với bộ khuếch đại quang một tầng vì nó kết hợp hai bộ khuếch đại quang một tầng, nhưng thật ra kỹ thuật ghép kết hợp này không những giảm được nhiễu mà còn tăng được công suất quang phát ra, giảm bớt số lượng bộ khuếch đại quang làm việc độc lập. Cấu trúc bộ khuếch đại hai tầng như ở hình 2.27.
Ớ tầng thứ nhất, bộ khuyếch đại quang có chức năng như một bộ tiền khuếch đại (PA), bước sóng bơm là 980 nm mà NF xấp xỉ 4 dB ở tầng 1. Hiệu suất bơm của bước sóng 890 nm cao hơn so với bước sóng 1480 nm. Do đó, công suât quang ra của EDFA bơm ở bước sóng 890 nm có thê đạt cao như của EDFA bơm ở bước sóng 1480 nm trong khi lại có NF nhỏ hơn. Tuy nhiên ở tầng một được thiết kế như một PA nên công suất ra không cần lớn lắm, chủ yếu cần NF nhỏ.
Ó tầng thứ hai được thiết kế như một bộ khuếch đại công suất (BA), bước sóng bơm 1480 nm (hoặc 980nm). Công suất quang đầu ra BA có thế đạt cực đại +17 dBm với NF < 6dB. Neu lắp thêm một modul bơm phụ nữa (bơm kép) thì công suất quang đầu ra có thế đạt +20dBm. Giữa hai tầng còn trang bị thêm bộ lọc nhiễu giúp cho đặc tuyến EDFA được bằng phang trong cả băng thông. Bộ lọc quang đã được trình bày phần phần tách/ghép kênh.
2.8. Bộ xen/rẽ quang (OADM)
Chức năng của bộ xen/rẽ quang là tách ra hoặc ghép vào một hoặc vài kênh bước sóng bất kì từ một tuyến nào đó mà không cần phải thực hiện MUX/DMUX hay chuyển đổi O/E/O. cấu trúc chung của OADM như trên hình 2.28.
/v I 4 A2... ... Xi, X2...Xj...X,,.
Hình 2.28: Bộ xen/rẽ quang OADM
OADM là node mạng có vai trò rất quan trọng trong mạng DWDM. Làm cho mạng quang DWDM trở nên linh hoạt và đơn giản hơn nhiều với nhiều cấu hình mạng khác nhau.
về bản chất, công nghệ OADM truy nhập và truy xuất băng tần sẵn có sợi quang mà không cần chuyến đối quang điện. OADM đã trải qua vài thế hệ phát triển khác nhau, mỗi thế hệ đều có những uu điểm và hạn chế.
Loại OADM đơn giản nhất là OADM cố định như trên hình 2.29, kênh quang có thế xen/ rẽ đă được lựa chọn trước bởi thiết bị. OADM loại này đơn giản, độc lập về giao thức, tốc độ bít rõ ràng và giá thành rẻ. Quản lí mạng không cần yêu cầu thiết lập những kênh được xen vào hoặc tách ra từ sợi quang bởi vì mỗi thiết bị đã ấn định trước kênh nào cần xen/rẽ. Suy hao tống của OADM cố định khoảng 4-6 dB. Đối với những mạng có lưu lượng truyền dẫn là thay đối bất thường giữa các node mạng với nhau thì OADM cố định tỏ ra không mềm dẻo và không thích hợp lắm.
Phàn tách quang
Thay thế cho OADM cố định là một cấu hình OADM mới, nó có thế xen/rẽ kênh dựa vào yêu cầu tùng vị trí như trên hình 2.30. OADM mới có thế được điều chỉnh số kênh xen/rẽ bởi phần mềm từ xa. Sự chuyển mạch có thể thực hiện được nhờ hệ thống vi mạch điện tử (MEMs). Hệ thống có thế nâng cấp thêm hoặc bớt số lượng kênh cần xen/rẽ tại OADM.
h
KẴ/T1 ỵlH
l ỵ
r
Khi cấu hình xen/rẽ mọi kênh trong sợi quang lúc đó OADM trở thành MUX/DMUX, cấu hình OADM 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. Suy hao cao khoảng 17 dB nên yêu cầu có bộ cân bằng và bộ khuếch đại. Tuy nhiên, nó là sự cải thiện lớn cho hệ thống truyền dẫn DWDM khoảng cách lớn bởi vì cho phép tái tạo phục hồi một kênh nào đó tại những điểm trung gian. Trong các bộ OADM nguời ta thuờng sử dụng khuếch đại DRA.
Cấu hình OADM động có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong sự phát triển một mạng toàn quang. Nó có thể cung cấp đầy đủ và khá mềm dẻo trong việc xen/rẽ các kênh, cũng như số kênh thêm bổ sung vào. Nó sử dụng công nghệ điều hướng (tunable) bộ lọc và điều hướng laser bằng phưong pháp điều khiển điện và cơ động. OADM này có suy hao nhỏ, như vậy nó không cần sử dụng bộ khuếch đại trong những đoạn truyền dần ngắn.
2.9. Bộ noi chéo quang
Sự phát triển của mạng toàn quang DWDM đòi hỏi định tuyến bước sóng quang động (Dynamic) đế có thể 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 kĩ thuật sử dụng lại bước sóng. Có hai loại oxc là oxc chuyển mạch không gian và oxc định tuyến 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 như trên hình (2.31). 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 được 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 các kênh đặc thù. Các bộ chuyển mạch sẽ chuyển các tín hiệu tới đầu ra tương ứng để ghép thành 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+l) X (N+l) bộ chuyển mạch quang. Bộ chuyển mạch thường được sử dụng là ống dẫn sóng N đầu vào và N đầu ra.
Tách kênh Bộ chuyển mạch Ghép kênh
N ì ' ' n k\ ,Ả2 V..,AM
h
h,h t-ĩbi k\jq y.Ằ\
Added Droppeđ
Hình 2.31: Bộ nối chéo oxc kiểu chuyển mạch Idiông gian
Cấu trúc oxc chuyển mạch theo nguyên tắc chuyển đổi buớc sóng quang. Đầu tiên, mỗi tín hiệu quang từ một sợi đuợc phân chia với số nhánh bằng tống số kênh quang cần lấy ra tại đầu ra nhờ bộ tách. Sau đó chúng đuợc đua tới bộ chuyến mạch quang đế lấy ra tín hiệu cần thiết. Tín hiệu được lựa chọn ra lại tiếp tục qua bộ lựa chọn bước sóng, tách ra được kênh quang yêu cầu để đưa chúng vào đúng bước sóng quang cần ghép đầu ra.
2.10. Các thiết bị bù tán sắc
Bên cạnh suy hao của sợi là một hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảng cách các trạm lặp trong tuyến thông tin quang. Trễ nhóm là một 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 phô nguôn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự.
Thiết bị bù tán sắc đưa ra một mức tán sắc bằng và ngược lại để điều chỉnh sự giãn xung ánh sáng. Hai loại thiết bị bù tán sắc thường dùng là sợi bù tán sắc và cách tử bù tán sắc.
- Sợi bù tán săc
Sợi bù tán sắc (DCF- Dispersion Sompensating Fiber) là loại sợi đặc biệt mà ánh sáng ở vùng bước sóng 1,5 có hệ số tán sắc không âm với khoảng 80
ps/(nm.km). Do đó 1 km sợi DCF có thế bù tán sắc cho 5 km sợi SMF, khi hệ số tán sắc của sợi SMF là 17 ps/(nm.km).
Hệ số tán sắc của sợi DCF cũng thay đổi theo tần số như sợi SMF, do đó không thế có khả năng bù tán sắc tốt nếu dải tần số mở rộng. Suy hao của sợi DCF có trị giá cỡ 0,6 dBm/km và lớn hơn sợi SMF.
- Cách tử Brarg
Sử dụng cách tử Bragg (BFG) là một lựa chọn khác đế bù tán sắc. Thiết bị này cho suy hao thấp. Tuy nhiên nó hoạt động ở mode phản xạ và do đó cần dùng Circulator quang hoặc coupler quang đế tách tín hiệu đầu vào và đầu ra. Hiện tại dải băng tần bù tán sắc mới chỉ vài trăm GHz với một BFG (hẹp hơn so với DCF). Băng thông có thế rộng hơn nếu sử dụng các tử dài hoặc cách tử thay thế. Nhung việc phải thay thêm Circulator quang hoặc coupler quang là một trở ngại.
2.1 L Bộ thu quang
Bộ thu quang DWDM cũng tương tự như bộ thu quang ở các hệ thống đon kênh. Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản là biên đôi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ thu quang phải đảm bảo được yêu cầu tốc độ lớn, độ nhạy thu cao và bước sóng hoạt động thích hợp. Hai loại photodiode được sử dụng chủ yếu là photodiode PIN và photodiode thác APD. Sau đây em chỉ xin giới thiệu sơ qua về hai loại photodiode trên.
2.11.1. Photodiode PIN
Cấu tạo:
Nguyên tắc biến đổi quang - điện của PIN dựa vào nguyên lí biến đổi quang- điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược, cấu trúc cơ bản và phân bố điện trường của PIN như hình 2.32.
+ Một lóp tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là p+ và N+ làm nền, ở giữa có một lóp mỏng bán dần chủ yếu loại N hay một lóp tự' dẫn ĩ (Intrisic).
+ Trên bề mặt lớp bán dẫn p+ là lớp điện cực vòng (ở giữa đê cho ánh sáng thâm nhập vào miền I).
+ Đồng thời trên lóp bán dần p+ có phủ lóp mỏng chất chống phản xạ để tránh tôn hao ánh sáng vào.