Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi ựược ứng dụng và phát triển tương ựối rộng rãị Hệ thống WDM hai chiều trên cùng một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, địi hỏi u cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Ở phắa phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới ựầu ra của bộ ghép kênh. Ở phắa thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng thiết kế các bộ tách kênh thật chắnh xác, các bộ lọc quang nếu ựược sử dụng phải có bước sóng cắt chắnh xác, dải làm việc ổn ựịnh.
Hệ thống WDM ựược thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn. Ngồi việc đảm bảo suy hao xen của các phần tử ghép, hoặc tại các ựiểm ghép nối các module, các mối hànẦ, bởi chúng có thể làm gia tăng vấn ựề xun kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỷ số S/N của hệ thống. Các hiệu ứng trên ựặc biệt nghiêm trọng ựối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ắt được lựa chọn khi thiết kế tuyến.
Ở một mức ựộ nào ựó, ựể ựơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách biến đổi chiều tắn hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu đơn giản, từ bộ ghép (multiplexer) trong trường hợp này thường ựược sử dụng ở dạng chung ựể xét cho cả bộ ghép và bộ tách.
Thiết bị WDM ựược chia làm ba loại: + Các bộ ghép ((MUX)
+ Các bộ tách (DEMUX)
Các bộ MUX và DEMUX ựược sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, cịn MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 2.7 mơ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp.
Hình 2.7: Mơ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX)
2.2.5. Những vấn ựề kỹ thuật trong hệ thống ghép kênh quang WDM 2.2.5.1. Ổn định bước sóng và ựộ rộng phổ của nguồn quang
Trong hệ thống WDM cần phải quy ựịnh và điều chỉnh chắnh xác bước sóng của nguồn quang ựể tránh sự trơi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống khơng ổn định hay kém tin cậy vì khoảng cách giữa các bước sóng là rất gần nhaụ Hiện nay dùng hai phương pháp ựiều khiển nguồn quang:
+ Phương pháp ựiều khiển phản hồi thông qua nhiệt ựộ chip của bộ phát quang ựể ựiều khiển bước sóng và ổn định bước sóng.
+ Phương pháp 2: Việc ựiều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tắn hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số giữa ựiện áp ựầu ra và ựiện áp tham khảo tiêu chuẩn ựể ựiều khiển nhiệt độ của bộ kắch quang, hình thành kết cấu khép kắn chốt vào bước sóng tung tâm.
Việc chọn ựộ rộng phổ của nguồn phát nhằm ựảm bảo cho các kênh hoạt ựộng một cách ựộc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phắa thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng ghép kênh ựược rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế các hệ thống WDM thường ựi liền với các hệ thống khuếch ựại quang sợi, chỉ làm việc ở vùng cửa sổ 1550nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của hệ thống khuếch ựạị Như vậy vấn ựề ựặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thỏa mãn những yêu cầu, tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phắa thu, khoảng cách này phụ thuộc vào ựộ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc, các hiệu ứng phi tuyếnẦ
2.2.5.2. Số kênh ựược sử dụng
Một trong các yếu tố quan trọng phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực ựại có thể sử dụng là bao nhiêụ
Số kênh cực ựại của hệ thống phụ thuộc vào:
+ Khả năng cơng nghệ có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là: băng tần của sợi quang, khả năng tách/ghép của thiết bị WDM.
+ Khoảng cách giữa các kênh
Một số yếu tố ảnh hưởng tới khoảng cách giữa các kênh là: tốc ựộ truyền dẫn của từng kênh, quỹ công xuất, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, ựộ rộng phổ của nguồn phát, khả năng tách/ghép của thiết bị WDM.
Khoảng cách kênh là ựộ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhaụ Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong giải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên giải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tắnh giữa các kênh gần nhaụ Sử dụng khoảng cách kênh khơng đồng ựều nhau ựể hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang.
Cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550nm có độ rộng khoảng 100nm, nhưng dải khuếch ựại của các bộ khuếch đại quang chỉ có ựộ rộng khoảng 35nm (Theo khuyến nghị của ITU-T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530nm đến 1565nm ựối với băng C, hoặc từ 1570nm ựến 1603nm ựối với băng L). Do ựó trong thực tế các hệ thống WDM khơng thể tận dụng hết tồn bộ băng tần của sợi quang, nói cách khác hệ thống WDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với tồn bộ dải tần bằng phẳng có ựộ tổn hao thấp của sợi quang.
2.2.5.3. Khoảng cách giữa các kênh
Khoảng cách kênh là ựộ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhaụ Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tắnh giữa các kênh gần nhaụ Sử dụng khoảng cách kênh khơng đều nhau ựể hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang. Dưới ựây chỉ ựề cập ựến hệ thống có khoảng cách kênh ựều nhaụ Một số yếu tố ảnh hưởng ựến khoảng cách giữa các kênh là:
+ Tốc ựộ truyền dẫn của từng kênh + Quỹ công suất chung
+ Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến + độ rộng phổ của nguồn phát
Quan hệ giữa khoảng cách giữa các kênh và số kênh sử dụng:
Nếu gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh, ta có: ∆f = c 2
λ λ ∆
(Với ∆f là tần số trung tâm danh ựịnh)
Như vậy, tại bước sóng λ = 1550nm, với ∆λ = 35nm, xét ựối với riêng băng C ta sẽ có ∆f = 4,37.1012 Hz = 4370 Ghz
Giả sử tốc ựộ truyền dẫn của từng kênh là 2,5 Ghz, theo ựịnh lý Nyquist, phổ cơ sở của tắn hiệu là: 2 x 2,5 = 5 Ghz.
Khi ựó số kênh bước sóng cực ựại có thể ựạt ựược là: N = ∆f /5 = 874 kênh trong dải băng tần của bộ khuếch ựại quang.
đây là số kênh cực đại tắnh theo lý thuyết ựối với băng C. Tuy nhiên với mật ựộ kênh càng lớn địi hỏi các thành phần quang trong tuyến phải có chất lượng càng caọ để tránh xuyên âm giữa các kênh, cần phải có các nguồn phát quang rất ổn ựịnh và các bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, bất cứ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận.
Tần số trung tâm danh ựịnh là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang. để ựảm bảo tắnh tương thắch giữa các hệ thống WDM khác nhau, cần phải chuẩn hố tần số tung tâm của các kênh, ITU-T đã ựưa ra quy ựịnh về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100 Ghz (xấp xỉ bằng 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 THz.
Trong một hệ thống WDM, số lượng bước sóng khơng thể quá nhiều bởi vì việc điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy ựịnh trị số lớn nhất ựối với số lượng bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và cơng nghệ. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương ựối bằng phẳng trên đường cong tăng ắch của bộ khuếch đại quang, ựể cho hệ số tăng ắch của các kênh khi ựi qua bộ khuếch ựại quang là gần như nhau, ựiều này tiện lợi cho thiết kế hệ thống. đối với bộ khuếch ựại quang EDFA, phần tương ựối bằng phẳng của ựường cong tăng ắch là từ 1540 nm ựến 1560 nm.
Một ựiểm cần lưu ý là với mật ựộ kênh càng lớn ựòi hỏi các thành phần quang trên tuyến truyền dẫn quang phải có chất lượng và độ ổn định caọ để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần phải có nguồn phát quang rất ổn ựịnh (nguồn laser DFB) và các bộ thu quang có độ chọn lọc cao, bất kì sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận.
2.2.5.4. Ổn ựịnh bước sóng của nguồn quang.
Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chắnh xác bước sóng của nguồn quang, nếu khơng thì sự trơi bước sóng do nhiều ngun nhân sẽ làm cho hệ thống khơng ổn định hoặc kém tin cậỵ Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp ựiều khiển nguồn quang:
+ Phương pháp điều khiển phản hồi thơng qua nhiệt độ chắp của bộ kắch quang ựể ựiều khiển giám sát mạch ựiện điều nhiệt, với mục đắch điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng.
+ Phương pháp ựiều khiển phản hồi thơng qua việc giám sát bước sóng tắn hiệu quang ở ựầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số ựiện áp ựầu ra và ựiện áp tham khảo tiêu chuẩn ựể ựiều khiển nhiệt độ của bộ kắch quang, hình thành kết cấu khép kắn chốt vào bước sóng trung tâm.
2.2.5.5. Yêu cầu ựộ rộng phổ của nguồn phát
Việc chọn ựộ rộng phổ của nguồn phát nhằm bảo ựảm cho các kênh hoạt ựộng một cách độc lập với nhau, hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phắa thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép ựược rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế, các hệ thống WDM thường ựi liền với các bộ khuếch ựại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch ựại (từ 1530 nm ựến 1565 nm cho băng C, từ 1570 nm ựến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn ựề ựặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thảo mãn ựược yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phắa thu, khoảng cách này phụ thuộc vào ựộ rộng phổ của nguồn phát và các yếu tố ảnh hưởng như tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến, Ầ
Hệ thống WDM có thể được xem xét như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn ựơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và cơng suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ của tắn hiệu phắa thu với phổ của tắn hiệu phắa phát được thể hiện bởi tham số ựặc trưng cho sự giãn phổ, ký hiệu ∆, ựộ rộng băng tần tắn hiệu truyền dẫn ký hiệu là B, ựộ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền ký hiệu là D. Gọi ξ là hệ số ựặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có:
ξ = B.D.∆ Trong đó:
[B] : Mbit/s [D] : ps/nm
Từ cơng thức trên có thể tắnh được độ giãn rộng phổ của nguồn phát: ∆ = ξ / B.D
Với ựộ giãn rộng phổ này và khoảng cách kênh bước sóng chọn theo bảng tần số tung tâm, ta sẽ tìm được độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát.
2.2.5.6. Hiện tượng suy hao và quỹ công suất của hệ thống WDM
Trong bất kỳ hệ thống nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tắn hiệu trên tạp âm (S/N), sao cho đầu thu có thể thu được tắn hiệu với một mức tỷ lệ lỗi bắt BER (Bit error ratio) cho phép. Giả sử máy phát tắn hiệu đi tới phắa thu với một mức công suất Pphát nhất ựịnh, cơng suất của tắn hiệu sẽ bị suy giảm dần trên ựường truyền dẫn do rất nhiều nguyên nhân. Cự ly truyền dẫn càng lớn thì cơng suất tắn hiệu bị suy hao càng nhiềụ Nếu suy hao quá lớn sẽ làm cho cơng suất tắn hiệu đến được máy thu nhỏ hơn công suất ngưỡng thu nhỏ nhất cho phép (Pthu min) thì thơng tin truyền ựi sẽ bị mất. để máy thu thu được thơng tin, cơng suất tắn hiệu đến máy thu phải nằm trong giải công suất của máy thu
Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ Pthu min < Pphát - Ptổng suy hao <Pthu max
Như vậy để đảm bảo được thơng tin thì cơng suất phải càng lớn khi cự ly truyền dẫn càng xạ để khắc phục ựiều này, người ta sử dụng bộ lặp tắn hiệu trên đường truyền. Trước ựây sử dụng các trạm lặp ựiện 3R, nhưng hiện nay ựược sử dụng phổ biến bộ khuếch ựại quang EDFẠ
2.2.5.7. Vấn ựề xuyên nhiễu giữa các kênh tắn hiệu quang
Xuyên nhiễu tuyến tắnh: Sinh ra do đặc tắnh khơng lý tưởng của các thiết bị tách/ghép kênh. Mức ựộ xuyên âm này phụ thuộc vào các thiết bị tách/ghép sóng ựược sử dụng và khoảng cách giữa các kênh. Trên thực tế thì khoảng cách giữa các kênh ựược xác ựịnh bởi thiết bị tách/ghép và mức xuyên âm cho phép. Xun nhiễu tuyến tắnh cịn xảy ra do sự hạn chế dải thông của bộ lọc hay sự dịch tần của diode laser.
Xuyên nhiễu khác tần số: bước sóng xuyên nhiễu và bước sóng của tắn hiệu truyền dẫn không giống nhaụ đây là loại nhiễu khơng tắch lũy và có thể làm giảm ựược xuyên nhiễu này bằng các bộ lọc (F-P) ở trước máy thụ
Xuyên nhiễu cùng tần số: bước sóng xuyên nhiễu và bước sóng tắn hiệu truyền dẫn giống nhaụ Xuyên nhiễu cùng tần số sinh ra do bản thân tắn hiệu qua các tuyến
khác nhau rồi ghép vào nhau nhưng có trễ truyền dẫn khác nhau, nguyên nhân do tắnh năng của linh kiện không tốt gây rạ
Xuyên nhiễu phi tuyến: Chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang hoặc điểm nút gây nên. Chúng khơng những gây ra tổn hao năng lượng mà sẽ dẫn ựến sự dịch chuyển công suất từ kênh này sang kênh khác, gây nên xuyên nhiễu phi tuyến và ảnh hưởng khơng tốt tới tắnh năng của hệ thống.
đối với hệ thống WDM, hiệu ứng phi tuyến có tác hại lớn nhất đó là hiệu ứng trộn 4 sóng FWM (Four Wave Mixing). Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang với các tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới, tương tác này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tắn hiệu trong hệ thống WDM. Giả sử có 3 bước sóng fi , fj , fk thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số fijk thỏa mãn:
fijk = fi + fj + fk
Tần số này gọi là tần số trộn bốn sóng. Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tắn hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tắn hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tắn hiệu gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thơng thường (sợi G.652) là ~ 0 (<3ps/nm.km) nên hệ thống WDM làm việc trên sợi ựơn mode thơng thường sẽ ắt bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển. Ảnh hưởng của FWM càng lớn khi khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ và mức công suất mỗi kênh càng lớn. Vì vậy hiệu ứng FWM là ngun nhân chắnh làm hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống.
Nhìn chung đối với hệ thống thơng tin quang WDM, nguồn xuyên nhiễu chắnh là do sự dị dỉ tắn hiệu từ kênh này sang kênh khác và do các hiệu ứng phi tuyến gây