7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.5. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng
Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM đã và đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Khi cần tăng dung lượng của hệ thống chỉ cần thay đổi thiết bị đầu cuối mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và không thêm sợi quang, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế mạng, làm cơ sở cho việc phát triển nhiều loại hình dịch vụ viễn thông trong tương lai.
Kỹ thuật WDM sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang độc lập riêng rẽ. Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, sử dụng các bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp theo ký tự. Có nhiều cách tạo nên một hệ thống WDM, chẳng hạn sử dụng bước sóng 1310nm và bước sóng 1550nm hoặc sử dụng bước sóng 850nm và bước sóng 1310nm.
Qua quá trình phát triển của công nghệ, khái niệm WDM được thay thế bằng khái niệm DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing). Về
nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm nói trên. DWDM nói đến khoảng cách giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống. Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm ở trong một cửa sổ bước sóng chủ yếu là 1550nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn. Công nghệ này cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách rất nhỏ 0,5nm.
Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 1.5.1.
Nguyên lý cơ bản của việc ghép kênh quang theo bước sóng được minh họa như hình 1.15 sau:
\
Hình 1.15. Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng.
WDM là một hệ thống ghép n bước sóng 1...n, phía phát sử dụng nguồn quang bằng LD hoặc LED. Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng. Ánh sáng đầu ra của bộ LD hoặc LED chiếu vào thiết bị ghép bước sóng (MUX: multiplex) có thể là cách tử G và P thành một luồng chung có n bước sóng truyền qua sợi quang. Tại đầu thu sử dụng bộ tách bước sóng (DEMUX: Demultiplex) để tách riêng rẽ từng bước sóng. Mỗi bước sóng được đưa vào một diode tách quang để tách luồng tín hiệu số.
(MUX-DEMUX). Các bộ MUX, DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo một hướng, còn bộ MUX-DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng được mô tả như hình 1.16.
Hình 1.16. Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)
Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang:
+ Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng: là kết hợp các bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia (hình 1.17).
Hình 1.17. Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng
+ Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng, có nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng theo bước sóng 1 và đồng thời
Hình 1.18. Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng
Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 1.5.2.
- So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM có những ưu điểm nổi trội:
+ Dung lượng truyền dẫn lớn, hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM. Hiện nay hệ thống có tổng dung lượng 200Gb/s đã được thực nhiệm thành công với WDM 80 bước sóng, mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gb/s.
+ Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao. Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang).
+ Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang. Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động.
+ Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và phân bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống.
+ Giảm chi phí đầu tư mới.
- Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống WDM còn có những hạn chế:
+ Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang.
+ Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động.
1.6. Bộ khuếch đại sợi quang
Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại công suất tín hiệu quang bị suy hao do truyền dẫn qua sợi quang, nhằm để tăng khoảng cách của tuyến truyền dẫn. Các đặc tính chủ yếu của bộ khuếch đại là độ khuếch đại, băng tần, công suất ra cực đại, dải rộng, xuyên kênh… Bộ khuếch đại quang gồm hai loại chính: (1) – bộ khuếch đại quang Laser bán dẫn; (2) – bộ khuếch đại quang sợi. Hiện nay phổ biến dùng loại sợi pha tạp Erbium, EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplification).
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA 1.6.1.
Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được minh họa trên hình 1.19. Trong đó bao gồm:
Hình 1.19. Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA
+ Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA. Cấu tạo của sợi
quang pha ion Er3+ được minh họa như hình 1.20. Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn ion Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion Erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn.
Hình 1.20. Mặt cắt ngang của một sợi quang ion Erbium
+ Lớp bọc (Cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi.
+ Lớp phủ (Coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang. Nếu không kể đến chất pha Erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông. Ngoài ra, EDF còn được chế tạo bằng các bằng các loại vật liệu khác như sợi thủy tinh flouride (Flouride-Based Glass Fiber) hoặc sợi quang thủy tinh đa vật liệu (Multicomponent Glass Fiber).
+ Laser bơm (Pumping Laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm.
+ WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang. Loại coupler được sử dụng là WDM coupler
+ 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 phản xạ ngược về EDFA.
Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích. Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bước như hình 1.21. Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)
Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1μs) và chuyển xuống vùng giả bền (2). Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3).
Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4).
Hình 1.21. Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra với 2 bước sóng bơm 980nm và 1480nm.
Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi các photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) .
Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau: Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ở vùng nền .
Tín hiệu ánh sáng bị suy hao, các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7).
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra. Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng. Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại. Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích (khuếch đại) xảy ra trong khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm.
Đây cũng là vùng bước sóng hoạt động của EDFA. Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn 1565 nm và bằng 0 dB tại bước sóng 1616nm.
Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM 1.6.2.
a) Ứng dụng chính của EDFA
Khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier): BA là bộ EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra lớn nên yêu cầu về lọc tạp âm là không nghiêm ngặt. Tuy nhiên, có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến.
Tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được đặt ngay trước đầu vào bộ thu để tăng độ nhạy thu. Để có mức tạp âm thấp, phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp.
Khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền quang để tăng chiều dài khoảng lặp.
+ Các hạn chế của EDFA: một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác nhau. Đặc biệt là tồn tại đỉnh khuếch đại ở bước sóng 1530 nm. Hơn nữa, trong trường hợp trên tuyến có sử dụng bộ EDFA thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1558 nm. Như vậy, với nhiều bộ EDFA liên tiếp được sử dụng trên tuyến, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống còn 10 nm). Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng các giải pháp sau:
Sử dụng bộ lọc để làm suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại (xung quang bước sóng 1553, 1558 nm).
Điều chỉnh mức công suất của các bước sóng tại đầu vào sao cho ở đầu thu mức công suất của các bước sóng đều nhau.
Mặc dù EDFA có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng thông tin quang hiện nay, nhưng vẫn chưa đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng và độ phẳng của phổ tín hiệu. Nói chung, băng thông của EDFA đạt cỡ 35 nm trong băng C (từ 1530 đến 1570 nm). Với sự phát triển của công nghệ WDM nên yêu cầu về độ rộng băng thông ngày càng lớn. Điều đó đòi hỏi phải có các bộ EDFA có phổ rộng hơn, sự ra đời của EDFA băng L (1585-1610 nm) đã khắc phục rào cản về băng thông và mở ra một cửa sổ WDM mới.
b) Công suất phát của bộ khuếch đại EDFA
Trong khi tăng dung lượng của đường truyền gắn liền với việc tăng băng thông của EDFA, thì một điều khác cũng rất quan tâm là phải đảm bảo được công suất phát của EDFA để đảm bảo tỷ số SNR của mỗi kênh và tăng cự ly truyền dẫn (điều này đặc biệt quan trọng trong các tuyến đường trục hoặc cáp biển). Các hệ thống DWDM hiện nay có mức công suất phát của