Trong các hệ thống truyền dẫn quang, việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang là hết sức quan trọng. Khi truyền dẫn trong môi tr-ờng sợi quang, ta gặp phải hạn chế về sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền dẫn và tán sắc của ánh sáng chính vì vậy mà tín hiệu không thể truyền dẫn với một khoảng cách xa. Khuyếch đại quang đ-ợc sử dụng để tăng c-ờng khoảng cách truyền dẫn, đồng thời làm giảm
Formatted: Font: 13 pt
Formatted: Font: .VnArial Narrow
thiểu hiện t-ợng tán sắc. Các bộ khuyếch đại quang có thể khuyếch đại tất cả các b-ớc sóng cùng một lúc mà không cần phải thực hiện chuyển đổi quang- điện- quang. Bên cạnh việc sử dụng các bộ khuyếch đại quang trên các tuyến quang, ta cũng có thể sử dụng khuyếch đại sau khi tín hiệu đã đ-ợc ghép kênh hay tr-ớc khi tín hiệu đ-ợc phân kênh. Ngày nay, các bộ khuyếch đại EDFA và RAMAN đ-ợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống WDM. Chính sự phát triển và các -u điểm của EDFA nh- đã thoả luận ở ch-ơng II của luận văn này, nên nó đ-ợc sử dụng chủ yếu
trong các hệ thống WDM.
Tuỳ theo chức năng mà ng-ời ta chia các bộ khuyếch đại quang thành 3 loại: Khuyếch đại công suất, khuyếch đại đ-ờng dây, tiền khuyếch đại nh- thể hiện ở hình 2.2.
Bộ khuyếch đại công suất (BA) thực hiện khuyếch đại của bộ phát
tr-ớc khi đ-a vào trong sợi. Bộ khuyếch đại công suất làm tăng công suất của tín hiệu quang đến mức cao nhất để tăng khoảng cách truyền. Yêu cầu chính cuả bộ khuyếch đại này là tạo ra công suất tín hiệu đầu ra là cực đại. BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn đ-ợc sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra t-ơng đối cao nên tạp âm ASE có thể bỏ qua và do đó đối với BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên, với mức công suất ra cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số
hiện t-ợng phi tuyến. Chức năng khuếch đại quang (OA) đối với BA có thể tách
riêng hoặc chung với Tx. BA có thể tích hợp với Tx hoặc tách riêng với Tx.
Bộ khuyếch đại đ-ờng dây (LA) đ-ợc đặt hoạt động giữa tuyến truyền dẫn
sợi quang. Chức năng cơ bản của nó là bù lại sự mất mát công suất gây ra bởi suy hao sợi, kết nối và sự phân phối tín hiệu trong mạng. Vì thế yêu cầu chính của bộ khuyếch đại này là độ ổn định trên toàn bộ dải thông WDM. Do trên tuyến có thể lắp nối tiếp nhiều bộ khuyếch đại đ-ờng dây nên cần đảm bảo sự thống nhất về đặc tính khuyếch đại. Một yêu cầu khác đối với bộ khuyếch đại này là phải giữ mắc tạp âm cực tiểu và thực hiện tốt việc kết nối sợi quang. LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp đ-ợc sử dụng trên đ-ờng truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể đ-ợc dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh giám sát này (OSC- Optical Supervisor Channel) không đ-ợc quá gần với sóng bơm cũng nh- kênh tín hiệu để tránh ảnh h-ởng giữa các kênh này. Tại mỗi
Formatted: Bulleted + Level: 1 + Aligned at: 0,28" + Tab after: 0,51" + Indent at: 0", Tab stops: 0,5", Left + Not at 0,51"
Formatted: Font: 13 pt
Formatted: Font: .VnArial Narrow
LA, kênh giám sát này đ-ợc chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó lại đ-ợc phát lại vào đ-ờng truyền. Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt đ-ợc bằng cách chèn thêm các LA vào đ-ờng truyền. Tuy nhiên, trong tr-ờng hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau, chất l-ợng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện t-ợng nh-: tích lũy tạp âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại và tổng số khuếch đại, ảnh h-ởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến. Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một b-ớc sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA.
Bộ tiền khuyếch đại (PA) là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, đ-ợc sử
dụng ngay tr-ớc bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA, độ nhạy thu đ-ợc tăng lên đáng kể. Để đạt đ-ợc mức tạp âm ASE thấp, ng-ời ta th-ờng sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng các loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh b-ớc sóng trung tâm theo b-ớc sóng của nguồn phát). PA có thể tích hợp với Rx hoặc tách riêng với Rx. Hệ số nhiễu chính là đặc tính quan trọng của bộ tiền khuyếch đại bởi vì chất l-ợng của bộ thu bị giới hạn không chỉ do nhiễu của bộ thu mà còn do nhiễu của bộ tiền khuyếch đại. Song không thể phủ nhận sự có mặt của nó vì sử dụng bộ tiền khuyếch đại sẽ làm giảm đ-ợc yêu cầu nghiêm ngặt về độ nhạy máy thu và cho phép mạng có thể hoạt động với tốc độ bít cao hơn.
So với thiết bị đầu cuối thông th-ờng, việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA, LA, PA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể. Với phổ khuếch đại t-ơng đối rộng (khoảng 35nm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến (tăng tốc độ, hoặc thêm kênh b-ớc sóng).
Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống, nh- vậy những hệ thống tr-ớc đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại bị hạn chế về tán sắc. Trong tr-ờng hợp đó, phải sử dụng một số ph-ơng pháp để giảm bớt ảnh h-ởng của tán sắc, ví dụ nh- sử dụng sợi bù tán sắc hay sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài.. .
Do đặc điểm khác nhau củ các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức -u tiên sử dụng đối với từng loại cũng có khác nhau:
LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng, hơn nữa thêm các điểm trung gian vào trên đ-ờng truyền cũng làm cho việc bảo d-ỡng trở nên phức tạp hơn. Do
Formatted: Font: 13 pt
Formatted: Font: .VnArial Narrow
đó mức -u tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong tr-ờng hợp khi mà dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới sử dụng LA.
Tx Rx
Tiền khuyếch đại
Tx Rx
Khuyếch đại cụng suất
Tx Rx
Khuyếch đại đường dõy
Hỡnh 2.2: Cỏc cấu trỳc khỏc nhau cho hệ thống sử dụng bộ khuyếch đại quang sợi
Đơn giản nhất là sử dụng BA và PA để tăng quỹ công suất. Tuy nhiên, do cấu hình của PA phức tạp hơn BA (vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp để loại bỏ bớt tạp âm ASE) nên giữa BA và PA thì BA vẫn đ-ợc -u tiên sử dụng hơn.
Một số hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều, các b-ớc sóng khác nhau sẽ đ-ợc khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại b-ớc sóng 1530nm. Hơn nữa, trong tr-ờng hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh b-ớc sóng 1558nm. Nh- vậy, với nhiều EDFA liên tiếp trên đ-ờng truyền, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có thể là từ 35nm giảm xuống còn 10nm hoặc hơn nữa, tuỳ thuộc vào số bộ khuếch đại quang liên tiếp nhau).
Hiện nay, để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số ph-ơng pháp sau:
Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại: xung quanh b-ớc sóng 1530nm và xung quanh b-ớc sóng 1558nm (trong tr-ờng hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đ-ờng truyền), hoặc điều chỉnh mức công suất đầu vào của các b-ớc sóng sao cho tại đầu thu, mức công suất của tất cả các b-ớc sóng này là nh- nhau. Ngoài ra, trong tr-ờng hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đ-ờng truyền, một vấn đề nữa cũng cần phải xem xét là tạp âm ASE trong các bộ khuếch đại quang: tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía tr-ớc sẽ đ-ợc khuếch đại bởi bộ
Formatted: Font: 13 pt
Formatted: Font: .VnArial Narrow
khuếch đại quang phía sau. Sự khuếch đại và tích luỹ tạp âm này sẽ làm cho tỷ số SNR của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất của tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số SNR bị giảm xuống d-ới mức cho phép.
TTuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với
ASE có thể gây hiện t-ợng bão hoà ở bộ khuếch đại.
isolator WDM copler 1.48micron LD 1.48micron LD WDM copler Isolator
Erbium–doped tellurite fiber
Fiber-grating-type gain equalizer
Hình 2.3: Cấu hình EDTFA
Theo tạp chí Lightwave tháng 11 năm 1999, đã có một cải tiến đáng kể trong việc san bằng và mở rộng phổ khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Đó là sự ra đời của bộ khuếch đại có tên là EDTFA (Erbium-Doped Tellurite-based Fiber Amplifer).
Về bản chất thì EDTFA giống nh- EDFA hay EDSFA, chỉ khác là EDSFA dựa trên nền bán dẫn Silic, còn EDTFA dựa trên nền bán dẫn Telurrium. EDTFA cho phép mở rộng phổ khuếch đại lên tới 90nm, từ b-ớc sóng 1530 đến 1620nm (so với 35nm của EDSFA).
Khuếch đại quang sợi thế hệ mới cho hệ thống WDM
Mặc dù EDFA đã có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng quang hiện nay, nh-ng chúng vẫn ch-a thể đáp ứng đ-ợc hết các yêu cầu về độ rộng phổ và độ phẳng của phổ khuếch đại. Nói chung chúng có độ rộng phổ hầu hết cỡ độ 35nm (từ 1530nm đến 1565nm), nên gọi băng phổ này là băng C (Conventional). Với những công nghệ mới ra đời trong thị tr-ờng WDM, nh- các module Laser DFB độ rộng phổ cực hẹp, các module quang WDM với khoảng cách kênh b-ớc sóng rất nhỏ, các
Formatted: Font: 13 pt
Formatted: Font: .VnArial Narrow
1 2 3 80 81 82 83 160 1 2 3 80 81 82 83 160
loại sợi quang mới (sợi tán sắc san bằng, tán sắc dịch chuyển 0).. . tất cả đều đòi hỏi tới một xu h-ớng vô cùng tận về độ rộng phổ băng tần khuếch đại, điều này đòi hỏi phải cho ra đời các EDFA thế hệ mới với phổ rộng hơn. Sự ra đời của EDFA băng L (băng rộng: extended band) đã phá bỏ rào cản về băng tần và mở ra một cửa sổ truyền dẫn WDM mới tại vùng b-ớc sóng 1590nm. Loại thiết bị khuếch đại mới này đã giúp giảm thiểu đi các vấn đề nảy sinh đối với mạng truyền dẫn WDM dùng sợi tán sắc dịch chuyển, mà ở đó, vấn đề xuyên kênh tăng rất nhanh bởi tán sắc và khoảng cách kênh b-ớc sóng gần nhau tại vùng b-ớc sóng 1550nm. Nó cũng tạo thêm một cửa sổ truyền dẫn mới với 80 kênh b-ớc sóng và khoảng cách kênh b-ớc sóng là 50 GHz cho hệ thống truyền dẫn WDM Hình 2.4). B A b ăn g L M U X L A b ăn g C P A b ăn g C D E M U X M U X L A b ăn g L P A b ăn g L D E M U X B A b ăn g C
Module phát có BA Module khuếch đại kiểu LA Module thu có BA
Hình 2.4: Mô hình truyền dẫn WDM 160kênh b-ớc sóng cho cả hai băng truyền dẫn C và L
Nh- trên đã phân tích, những tham số quan trọng của một module EDFA là
độ khuếch đại G và hệ số tạp âm NF; không thể tránh khỏi việc các bộ khuếch đại
gây nên nhiễu và tích luỹ suốt hệ thống. Độ suy giảm SNR gây ra bởi các bộ khuếch đại cần đ-ợc xem xét một cách nghiêm ngặt, đặc biệt là khi khuếch đại tín hiệu thấp.
Với bất cứ một cấu hình khuếch đại nào, cho dù là BA, LA, hay PA thì chúng ta đều thấy rằng, thay vì chỉ khuếch đại 1 tín hiệu nh- các hệ thống khuếch đại quang sợi SONET/SDH tr-ớc đây; thì nay vẫn một sợi khuếch đại quang Erbium đó
Formatted: Font: 13 pt
Formatted: Font: .VnArial Narrow
phải đ-ợc chia sẻ cho toàn bộ các kênh b-ớc sóng của hệ thống truyền dẫn WDM. Những kênh b-ớc sóng này hiển nhiên và phải độc lập với nhau, thế nh-ng sự độc lập đó đ± bị “°nh hưởng” bởi sự “c³nh tranh” giữa c²c kênh b-ớc sóng đối với số l-ợng giới hạn của photon đ-ợc bơm vào bộ khuếch đại.
Trong hệ thống truyền dẫn WDM, kênh b-ớc sóng nào kích thích đ-ợc nhiều photon xuống trạng thái bị kích thích của chúng thì sẽ đạt đ-ợc dộ khuếch đại lớn nhất. Thế nhưng, “kẻ chiến thắng” trong cuộc chơi n¯y còn bị quyết định bởi sự phức tạp: sự phát xạ chéo- xác suất kích thích photon của các kênh b-ớc sóng khác, mức độ đảo ng-ợc mật độ, c-ờng độ của tín hiệu, độ dài của sợi Erbium. Bình th-ờng để tối -u hoá các tham số này đã là khó, nh-ng đối với hệ thống truyền dẫn WDM, mọi thứ thực sự trở nên rất khó.
Rõ ràng là đối với các ứng dụng WDM, cần phải đạt đ-ợc độ khuếch đại và tạp âm đều nhau cho mọi kênh b-ớc sóng qua module khuếch đại. Các module này phải đ-ợc thiết kế sao cho đáp ứng phổ khuếch đại của nó đối với từng kênh b-ớc sóng không bị ảnh h-ởng bởi đầu vào (công suất hay b-ớc sóng) của các kênh b-ớc sóng cùng đ-ợc truyền dẫn trên sợi. Nếu không, khi có những t-ơng tác kiểu nh- vậy thì chỉ cần một sự tụt xuống hoặc thay đổi của một kênh b-ớc sóng cũng sẽ dẫn đến những ảnh h-ởng ngoài mong muốn về độ khuếch đại và hệ số tạp âm NF của các kênh b-ớc sóng còn lại, và do đó hoạt động của hệ thống sẽ có vấn đề.
Nói cách khác, tất cả các kênh b-ớc sóng phải đ-ợc khuếch đại độc lập và đồng nhất. Với những yêu cầu kỹ thuật mới nảy sinh này, module khuếch đại quang sợi trong hệ thống truyền dẫn WDM sẽ phải thích ứng với các chỉ tiêu hết sức khắt khe về độ bằng phẳng của phổ khuếch đại đa kênh, độ dốc s-ờn đặc tuyến khuếch đại, các đáp ứng xen rẽ kênh.
Sự thay đổi độ khuếch đại là vấn đề phức tạp đầu tiên gặp phải khi thiết kế một module khuếch đại, tính chất vật lý của sợi Erbium đã cho thấy mức cạnh tranh trong việc kích thích các photon đối với tất cả các kênh là không công bằng. Do đặc tính khuếch đại không đều, thế hệ đầu tiên của các hệ thống truyền dẫn WDM đã phải chọn hoạt động tại vùng đỏ của băng C, xung quanh b-ớc sóng từ 1540nm đến 1565nm. Sự ra tăng nhu cầu về số kênh b-ớc sóng đã thúc đẩy các nhà sản xuất “đặt” c²c kênh bước sóng mới v¯o vùng “khó khăn” xung quanh bước sóng 1532nm, mà tại đó, không chỉ mức tạp âm tồi (tại vùng này có tỷ số bức xạ /hấp thụ thấp), mà hơn nữa, độ nhấp nhô của phổ khuếch đại cũng lớn hơn nhiều so với các vùng b-ớc sóng còn lại của băng.
Formatted: Font: 13 pt
Formatted: Font: .VnArial Narrow
Tuy nhiên, tại băng L, từ b-ớc sóng 1565nm đến 1605nm, có thể đ-ợc chia thành 2 băng nhỏ theo một cách chính xác giống nh- ở băng C, với vùng b-ớc sóng