Tr−ớc hết sẽ xem xét ảnh h−ởng phản xạ riêng biệt ở cả hai đầu bộ khuếch đại quang sợi EDFA (có độ phản xạ R1, R2). Giả đinh rằng tín hiệu và các phản xạ
phân cực phù hợp và giao thoa không đồng đều, những biến thiên theo thống kê Photon σ2
ref cho bởi : σ2 ref = η2G4R2 eff〈n(0)〉2 (2.62) ở đây, Reff = R1R2, 〈n(0)〉 = 0 in s h (1) P B s
ν là số l−ợng Photon trung bình ở đầu vào
EDFA với các ký hiệu 1, η phản ánh suy hao giữa EDFA và bộ thụ So sánh nhiễu gây ra phản xạ σ2
ref có nhiễu phách tín hiệu – tự phát σ2
ref = 2η2GN〈n(0)〉 ≈ η2G2nsp〈n(0)〉. Nếu nh− hàm phân bố xác suất (PDF) nhiễu Gauss giả định đối với các ký hiệu 0 và 1 và quyết định ng−ỡng ở giữa chúng, bất lợi công suất ở đầu thu do nhiễu phách sig-sp và phản xạ gây ra nhiễu có dạng [69]:
P(dB) = -5log[1 144(
n nsp
+ G2R2
eff)] (2.63)
ở đây n số l−ợng trung bình của Photon/bit. Bất lợi bằng không t−ơng ứng với BER = 10-9 đạt đ−ợc đối với n = 144nsp Photon/bit khi không có phản xạ xảy ra (Reff = 0). Ph−ơng trình (2.63) cho thấy rằng, trong tr−ờng hợp tín hiệu đầu vào lớn (n>>nsp), bất lợi công suất P < 1 khi Reff < 3x10-5, t−ơng ứng với các hệ số phản xạ ở cả hai đầu của EDFA R1 = R2 < 1,5x10-5 hoặc –23 dB.
2.4.2. ảnh h−ởng tán xạ ng−ợc Rayleigh trong các hệ thống EDFA
Tiếp theo sẽ xem xét ảnh h−ởng tán xạ ng−ợc Rayleigh trong các hệ thống EDFA đối với tách sóng quang số trực tiếp và kết hợp. Hình vẽ 2.15 cho thấy đ−ờng xảy ra bởi các phản xạ tín hiệu, xuất phát từ cả hai mặt của EDFA ở các vị trí riêng biệt (i = 1, ...,N) và (j = 1, ...M) trong sợi quang. Để đơn giản , tr−ớc hết sẽ phân tích nhiễu giao thoa gây ra bởi cả hai tín hiệu phản xạ nh− thể hiện trên hình vẽ. Đặt R1, R2 là các hệ số phản xạ g−ơng Rayleigh ở vị trí i, j và T truyền qua riêng rẽ từ i tới j. Giả thiết không có điều chế, tr−ờng tín hiệu đầu ra ở vị trí i, j cho bởi:
E0(t) = in s P T e{jwt+φ(t)}≡ in s P T e(t) (2.64)
φ(t) là nhiễu pha Laser tín hiệụ Tr−ờng tín hiệu phản xạ kép có thể biểu diễn nh− sau: E1(t) = in s 3 2 1R T P R e(t - 2τ12) (2.65)
τ12 là thời gian chuyển dịch giữa i và j. Các thành phần phản xạ bậc cao tỷ lệ với (R1R2) có thể không đáng kể nếu nh− các hệ số phản xạ giả định là nhỏ. Trong tr−ờng hợp này, công suất tách sóng ở kết cuối bộ thu cho bởi Ps(t) = |E0(t) + E1(t)|2, với các ph−ơng trình (2.44), (2.65) và bỏ qua số hạng (R1R2) sẽ thu đ−ợc:
Ps(t) = TPsin + 2T2 2 1R R ℜ{e(t).e(t - 2τ12)} ≈TPsin{1 + 2R12cos[wτ12+ ∆φ(t, τ12)]} Với: R12 = T R1R2 uˆ.uˆ(t - 2τ12) (2.67) ∆φ(t, τ12) = φ(t) - φ(t - τ12) (2.68) Trong ph−ơng trình (2.67), các véctơ đơn vị uˆ và uˆ(t - 2τ12) là h−ớng phân cực của tín hiệu phát và tín hiệu phản xạ kép. Chúng đ−ợc đ−a vào để tính toán đối với ảnh h−ởng lệch h−ớng phân cực dọc theo kênh quang
EDFA x x x x x x L M N j 1 i 1
Đầu vào Đầu ra
) ( 0 t E ) ( 1 t ij E −τ
Hình 2.15 : Phân tích ảnh h−ởng của tán xạ ng−ợc Rayleigh với EDFA ở vị trí giữa hai tuyến sợi quang cho thấy các đ−ờng xảy ra bởi tín hiệu và tán xạ ng−ợc kép t−ơng ứng với các ký hiệu
Công suất tín hiệu đầu ra của mô hình phản xạ RB bởi nhiều phản xạ nh− trong hình vẽ 2.15 nh− sau: Ps(t) = TPsin{1 + 2∑ ∑ = = M J N i 1 1 Rijcos[wτij + ∆φ(t, τij)]} (2.69) Trong ph−ơng trình (2.69), T = G.e-αL là truyền dẫn từ điểm M tới điểm N và hệ số phản xạ hiệu quả Rij cho bởi biểu thức sau:
Rij = S.αs.∆L.G.e-α(z i– z
j). uˆ(t).uˆ (t - 2τij) (2.70)
ở đây αs xác định bởi hệ số tán xạ, S là phần công suất tán xạ thu đ−ợc bởi sợi quang, ∆L = L/2N là khoảng cách giữa đối với kết quả xảy ra tán xạ riêng rẽ. ảnh h−ởng của các phản xạ xảy ra trên một mặt của EDFA là không đáng kể, bởi vì với các hệ số Rij t−ơng ứng không có hệ số G. Nhiễu c−ờng độ t−ơng đối (RIN) tín hiệu cho bởi dạng chuỗi Fourier của hàm hiệp biến tự động 〈 Ps(t)Ps(t - τ) 〉. Giả thiết là tín hiệu có phổ công suất Lorentzian ℑ(f) và nhiễu liên kết giữa các số hạng trong ph−ơng trình (3.64), RIN cho bởi [70]:
RIN(f) = ℑ(f) ∑ ∑ = = M J N i 1 1 〈 R2 ij〉≡ℑ(f).R2 eff (2.71)
ở đây, Reff là hệ số phản xạ g−ơng hiệu quả. Phép tổng kép trong ph−ơng trình (2.71) có thể đ−ợc tính toán từ ph−ơng trình (2.70) nh− sau:
R2 eff =∑∑〈 R2 ij〉 = 2 1 (G S.αs)2). ∑ ∑ = = M J N i 1 1 e-2α(zi−zj)∆L2 = 2 1 (G S.αs∫e-2αzdz)2 = 2 1 ( α 2 1 G S.αs[1 e-αL])2 (2.72)
ở đây sử dụng .∆L --> dz và thuộc tính 〈[uˆ(t).uˆ(t - 2τij)]2〉 ≡ 〈cos2θ〉 = 2 1
, t−ơng ứng với mã hoá phân cực ngẫu nhiên. Từ ph−ơng trình (2.71), (2.72), RIN có thể đặt d−ới dạng:
RIN(f) = ℑ(f).G2.R2 eff= ℑ(f).G2.( 2 bs R )2 (2.73) Với Rbs đ−ợc xác định nh− sau: Rbs = α α 2 S s (1 - e-αL) (2.74)
So sánh ph−ơng trình (2.73) cho thấy ảnh h−ởng phản xạ kép RB t−ơng đ−ơng với phản xạ trực tiếp thông qua kép với hệ số Reff =
2
bs
R
. Đối với các sợi quang đơn mode (SMF) và tín hiệu λ = 1,55 àm, tỷ lệ
α α
2 S s
thể hiện giới hạn của Rbs dọc theo chiều dài của sợi L từ -31 dB (DSF) tới –34 dB (SMF). Giả thiết rằng DFB Gauss đối với ký hiệu 0 và 1 với ng−ỡng quyết định ở giữa chúng. Công suất bất lợi gây ra bởi RB trong một bộ thu tách sóng trực tiếp xác định bởi biểu thức:
P(dB) = -5log1 – 144G2 R2
eff = -5log1 – 72G2 R2
kết luận
Trong hai phần trên đã thảo luận về cơ sở của kỹ thuật ghép kênh b−ớc sóng (WDM) cũng nh− khuếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA). Những kết quả nghiên cứu về lý thuyết đã cho thấy nh− sau:
Ghép kênh quang có ba loại cơ bản đó là ghép kênh quang tần số (OFDM), ghép kênh quang b−ớc sóng (WDM), ghép kênh quang thời gian (OTDM), trong đó ghép kênh quang WDM đ−ợc xác định lựa chọn trong h−ớng nghiên cứu của luận án. Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của WDM đó là suy hao xen (ph−ơng trình (1.1), (1.2)), xuyên kênh (ph−ơng trình (1.3)), và độ rộng kênh.
Thiết bị ghép b−ớc sóng quang rất đa dạng, trong đó chú trọng nhiều nhất tới các thiết bị hoạt động theo ph−ơng pháp thụ động. Trong các thiết bị hoạt động theo ph−ơng pháp thụ động, có hai loại chủ yếu đ−ợc ứng dụng rộng rãi đó là: thiết bị WDM vi quang sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode; và thiết bị WDM ghép sợi phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn modẹ
Sơ đồ bơm ba mức có thể xảy ra nghịch đảo hoàn toàn và đ−ợc sử dụng đối với bơm 980 nm, sơ đồ bơm hai mức không thể xảy ra nghịch đảo hoàn toàn và đ−ợc sử dụng đối với bơm 1480 nm. Quá trình bức xạ trong EDFA phân thành hai loại, bức xạ kích thích chiếm tới trên 99%, bức xạ tự phát (SE) chỉ chiếm nhỏ hơn 1%, nh−ng bức xạ tự phát sẽ đ−ợc khuếch đại (ASE) và gây nên nhiễu của bộ khuếch đại quang làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại quang sợi EDFẠ
Đối với các EDFA, bơm 980 nm sẽ cho nhiễu thấp, còn bơm 1480 nm lại cho đ−ợc hiệu suất cao trong việc chuyển đổi Photon từ bơm sang tín hiệụ Do vậy để đạt đ−ợc đặc tính hệ thống với cả nhiễu thấp và hiệu suất cao thì có thể sử dụng hai hoặc nhiều hơn các tầng EDFA, với tầng đầu cho nhiễu thấp và tầng cuối cùng cho hiệu suất caọ
Trong bộ khuếch đại quang có ba dạng t−ơng tác cơ bản xảy ra giữa Photon - nguyên tử, chúng phản ánh bản chất vật lý đối với những hoạt động của nguyên tử
cũng nh− Photon xảy ra trong bộ khuếch đại quang (khi thực hiện khuếch đại), các dạng đó là: bức xạ tự phát, hấp thụ và bức xạ kích thích. Độ khuếch đại của EDFA nói chung phụ thuộc vào bức xạ tự phát, hấp thụ và bức xạ kích thích. Trong đó bức xạ tự phát và hấp thụ tạo nên nhiễu quang làm suy giảm phẩm chất của EDFA, còn bức xạ kích thích lại tạo nên sự khuếch đại của EDFẠ
Công suất bơm hay chế độ bơm EDFA: sự tăng lên hay giảm xuống của công suất bơm sẽ dẫn tới sự tăng/giảm t−ơng ứng không chỉ của c−ờng độ bão hoà tín hiệu (ph−ơng trình (2.33)) mà còn tăng/giảm độ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA (ph−ơng trình (2.30)).
Công suất tín hiệu: với sự tăng/giảm của công suất tín hiệu đầu vào t−ơng ứng sẽ gây ra sự giảm (thậm chí triệt tiêu hoàn toàn)/tăng độ khuếch đại của EDFẠ
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tỷ lệ với chênh lệch độ tích luỹ. Độ dài thời gian tăng lên nhanh hơn của xung đầu vào τeff không làm thay đổi độ khuếch đại của bộ khuếch đại và xung có thể đ−ợc khuếch đại mà không bị méo dạng. Khuếch đại không méo ở các mức công suất bão hoà sử dụng để đạt đ−ợc điểm hoạt động ổn định vài dB về phía điểm mức công suất bão hoà là bằng phẳng, khi công suất tín hiệu đầu vào giảm xuống đột ngột trong thời gian ngắn, thay đổi độ khuếch đại là nhỏ nhất.
Khi độ khuếch đại đủ lớn, ASE có thể trở thành đáng kể, dẫn tới bão hoà độ khuếch đại do ASE tạo rạ Nhiễu c−ờng độ (bao gồm: nhiễu tia; nhiễu phách tín hiệu - tự phát; nhiễu phách tự phát - tự phát; nhiễu giao thoa) là một nhân tố giới hạn đáng kể trong các hệ thống thông ti n quang. Các bộ tách sóng quang chuyển đổi trực tiếp nhiễu c−ờng độ thành nhiễu điện. Trong khi đó, nhiễu tr−ờng quang có cả nhiễu biên độ và nhiễu pha, các bộ tách sóng quang không phản ứng trực tiếp với nhiễu nàỵ Tuy nhiên, nhiễu pha có thể đ−ợc chuyển đổi thành nhiễu c−ờng độ bởi các hiệu ứng giao thoạ Nhiễu phách và nhiễu giao thoa thuộc loại nhiễu trộị ở
công suất tín hiệu thấp nhiễu tia thực sự v−ợt trội bởi sự góp phần của công suất ASE trung bình.
Nhiễu phách tín hiệu - tự phát (sig - sp) Ssig-sp(f) tăng lên tuyến tính với tín hiệu đầu vào, không phụ thuộc vào độ rộng phổ ASE, B0 (f0 << B0), không bị suy giảm bởi vị trí phân cực ở đầu ra bộ khuếch đại; RINsig-sp gần nh− không phụ thuộc vào độ khuếch đại khi G>10 dB. Đối với nhiễu phách tự phát - tự phát, khi công suất tín hiệu nhỏ hoặc không có, RIN gây nên bởi nhiễu phách sp - sp thay đổi nghịch đảo với độ rộng phổ của nguồn ASẸ
Sự gia tăng RB là do chênh lệch chỉ số chiết suất khúc xạ hoặc NA, đã gia tăng phần công suất tán xạ ng−ợc thu lại bởi sợi quang (so với các sợi tiêu chuẩn). Tán xạ Rayleigh không bị ảnh h−ởng bởi sợi pha tạp Er3+ có mức độ tập trung 900 ppm, cũng nh− trong sợi pha tạp Nd3+. ảnh h−ởng phản hồi ng−ợc gây ra bởi RB trong nội bộ trên ASE h−ớng thuận và ng−ợc thực sự hạn chế độ khuếch đại lớn nhất có thể đạt đ−ợc trong các EDFA, đ−ợc xác định bởi các điều kiện dao động Laser. Độ khuếch đại lớn nhất Gmax có thể xác định từ quan hệ ReffGmax = 1. Biện pháp tăng độ khuếch đại giới hạn RB đó là sử dụng các EDFA có NA thấp hơn.
Các ảnh h−ởng phản xạ có thể hoặc là riêng biệt (các thành phần quang) hoặc là phân bố (RB). Trong một đ−ờng quang đã cho, hiệu ứng giao thoa gây ra bởi nhiều phản xạ chuyển đổi nhiễu pha tín hiệu thành nhiếu c−ờng độ. Trong các hệ thống thông tin, nhiễu c−ờng độ gây nên BER bất lợi và trong một số tr−ờng hợp BER thấp nhất. Khi các bộ khuếch đại quang ở vị trí giữa nguồn phản xạ, thì nhiễu c−ờng độ sẽ tăng lên trầm trọng.
Những nghiên cứu sẽ đ−ợc sử dụng phát triển trong các Ch−ơng sau của luận án, đó là: sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM để có thể đạt đ−ợc độ khuếch đại bằng phẳng trong dải băng C từ 1530 nm tới 1570 nm (xấp xỉ 40 nm); sử dụng sơ đồ bơm EDFA ba mức ở b−ớc sóng bơm 980 nm để bảo đảm khả năng nghịch đảo nồng độ cao nhất và hệ số nhiễu thấp nhất; sơ đồ cấu hình bơm đ−ợc xác định với loại sơ đồ bơm thuận, thành phần nhiễu chính tác động ảnh h−ởng đến độ khuếch đại của EDFA đó là ASE, các ảnh h−ởng tán xạ, tán xạ ng−ợc Rayleigh bị triệt đáng kể nếu sử dụng các bộ cách ly quang. Đây chính là những vấn đề cơ sở để
xác định những yếu tố có liên quan tới cân bằng độ khuếch đại của EDFA sử dụng trong các hệ thống thông tin quang WDM.
Tuy nhiên, trong các ch−ơng tiếp theo cần phải nghiên cứu phân tích, xác định cụ thể các yếu tố liên quan cao tác động ảnh h−ởng đến cân bằng độ khuếch đại EDFA, để từ đó đề xuất biện pháp giữ ổn định độ khuếch đại và cân bằng khuếch đại của EDFA sử dụng trong các hệ thống thông tin quang ghép b−ớc sóng.
Phần IIỊ ứng dụng dwdm và EDFA trong mạng đ−ờng trục Việt Nam
Mạng đ−ờng trục Việt Nam phát triển công nghệ DWDM dựa trên thiết bị đã có của Nortel. Vì vậy, phần này viết dựa trên thiết bị Nortel đã triển khai và hoạt động ổn định trên tuyến đ−ờng trục Bắc – Nam .
1.1. Tổng quan về mạng quang DWDM
Phần này cung cấp tổng quan về các thành phần và hoạt động của một mạng quang. Bao gồm các phần :
Lớp mạng truyền tải
Các phần tử của lớp quang
Chức năng OAM&P lớp quang
1.1.1. Lớp mạng truyền tải
Một lớp mạng truyền tải có hai lớp chức năng riêng biệt :
• Lớp SONET/SDH (Mạng quang đồng bộ/Phân cấp số đồng bộ) đóng gói dữ liệu tải tin SONET/SDH để truyền tảị
• Lớp quang (cũng gọi là lớp ánh sáng) truyền tải dữ liệu tải tin.
Lớp SONET/SDH bao gồm các thiết bị đầu cuối đ−ờng dây, đoạn và tuyến (LTE, STE và PTE) có dạng liên kết điểm - điểm giữa các phần tử mạng SONET/SDH. Lớp quang xác định các thiết bị quang đ−ợc yêu cầu để kết nối các phần tử SONET/SDH và truyền tải tải tin SONET/SDH giữa các LTE và STẸ
1.1.2. Các phần tử của lớp quang
Có bốn phần tử đ−ợc tổ chức phân cấp theo dạng các lớp quang. Chúng bao gồm từ dạng nhỏ nhất đến lớn nhất :
• Các thành phần quang
• Các khối cấu trúc chức năng
• Các b−ớc quang
• Các liên kết quang
1.1.2.1. Các thành phần quang
Các thành phần quang bao gồm thiết bị vật lý thực hiện cả hai chức năng chủ động và thụ động. Bao gồm các thiết bị :
• Các thiết bị khuếch đại quang
• Các bộ ghép kênh phân chia theo b−ớc sóng mật độ cao (DWDM)
• Các bộ xen/rẽ quang
• Các khối bù tán sắc
1.1.2.2. Các khối cấu trúc chức năng
Các khối cấu trúc chức năng th−ờng gắn liền với các địa điểm địa lý, thích hợp với việc kết hợp các thành phần quang khác nhau đ−ợc liệt kê ở trên. Ví dụ, các phần tử khuếch đại và các bộ ghép kênh xen/rẽ có thể kết hợp thành một khối OADM.
1.1.2.3. B−ớc quang
B−ớc quang hoặc các đoạn truyền quang đ−ợc tạo ra khi hai khối cấu trúc chức năng đ−ợc kết nối qua một thiết bị cáp quang. Phạm vi b−ớc quang giữa 30 đến 120km và đòi hỏi khuếch đại b−ớc sóng tín hiệu vào và ra để bù suy haọ
1.1.2.3. Liên kết quang
Liên kết quang hoặc các đoạn ghép kênh quang đ−ợc cấu trúc bởi một vài liên kết b−ớc với nhaụ Danh giới của một liên kết quang đ−ợc định nghĩa bởi các giao diện phần tử mạng SONET/SDH nhất là các bộ phát và thụ Một liên kết quang chứa đựng một vài kênh DWDM , hoặc một vài kênh quang. Hai kênh quang truyền ng−ợc nhau tạo thành một kênh truyền dẫn hai h−ớng SONET/SDH.
Nhiều liên kết quang đ−ợc ghép từ các liên kết quang nh− liên kết 8 b−ớc sóng hoặc 16 b−ớc sóng DWDM. Chức năng biến đổi của một ứng dụng có thể thực hiện đ−ợc ví dụ nh− chỉ dùng một tải tin OC-192 hoặc ghép OC-192 từ OC-48 hoặc tạo ra bằng khả năng xen rẽ quang.
Tất cả các liên kết quang tạo thành một lớp quang, có chức năng và hợp lý