Chương II. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN WDM
II.3. Những tiến bộ công nghệ mới nhất trong hệ thống cáp quang biển
II.3.3. Bộ khuếch đại khuếch đại quang
Hình II-8 diễn tả phổ quang khả dụng và các lo i khu ch ạ ế đại quang ang đ được nghiên cứu phát tri n. ể
Hình II-8:Phổ quang khả ụ d ng
1) Bộ khuếch đại sợi quang EDFA:
62
- Những năm gần đây, những nghiên cứu phát triể đã cho những bộ n khuếch đại EDFA ứng dụng trong các trạm lặp có băng thông ở băng t n C lên t i ầ ớ 30 nm. Mặt khác, thiết kế EDFA cũng cho phép sử ụ d ng băng L với độ rộng 30 nm.
- Trước đây các bộ EDFA sử dụng laser b m ơ đơn bước sóng 1480 nm. ở Trong hệ thống cáp quang biển, thông thường sử dụng hai laser b m chung gi a hai ơ ữ bộ khuếch đại để có tính dự phòng, và vì thế cho phép đạt được độ tin cậy cao trong thời gian 25 năm tuổi thọ thiết kế của h th ng. Cách th c này cho công su t ra cao ệ ố ứ ấ nhưng tạp âm kém.
Việc sử dụng ngu n b m 980 nm ồ ơ ở hướng thuận có thể vừa t ng h số ă ệ khuếch đại vừa giảm hệ s tố ạp âm của b khu ch đại. Công ngh hi n nay cho phép ộ ế ệ ệ sử dụng b m 980 nm với độ tin cậy cao. Với việc sử dụơ ng b m 980 nm, h số tạp ơ ệ âm của bộ khuếch đại giảm từ 6,7 dB xuống 4,5 dB, làm tăng áng kể khoảng cách đ lặp với số kênh nhiều nhất và giá thành hạ.
Hơn nữa, việc sử dụng 4 b laser b m cho m t cặộ ơ ộ p khu ch đại (2 laser 1480 ế nm cho hướng ngược và 2 laser 980 nm cho hướng thuận) làm tăng hơn nữa độ tin cậy của hệ thống. Áp dụng này xem mô tả ở Hình III-3 ở phần sau.
- Công suất quang ra c a b khu ch ủ ộ ế đại có th ể đạt t i +15 dBm nh áp ớ ờ dụng nguồn bơm 980 nm cho chiều thu n và b m 1480 nm cho chiềậ ơ u ngược. Th ế nhưng tiết diện hiệu dụng của sợi quang lại xác định mức công suất ra lớn nhất có thể s dử ụng được mà không làm méo tín hiệu do các hiệ ứu ng phi tuy n trong sợi. ế
2) Bộ khuếch đại Raman
- Một kỹ thuật khuếch đại mới đầy hứa hẹn là khuếch đại Raman, là kỹ thuật không dựa vào sợi pha tạp mà dựa vào các thuộc tính của b n thân s i quang ả ợ silic. Bộ khuếch đại Raman sử ụ d ng hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS) xảy ra trong sơi silic khi chùm tia bơm cường độ cao truyền qua sợi quang. Trong trường hợp EDFA, hiện tượng là phát xạ kích thích: việc bơm đẩy nguyên tử erbium lên trạng thái kích thích (năng lượng cao hơn), và sau đó photon tới kích thích sự phát xạ của một photon tương tự mà không làm mất năng lượng. Tuy nhiên, trong tr ng ườ hợp khuếch đại Raman, photon bơm tới giải phóng năng lượng để tạo ra photon có năng lượng giảm đi ở tần s th p h n (t c là bước sóng cao h n). N ng lượng còn ố ấ ơ ứ ơ ă lại của quá trình phát xạ này được hấp th b i môi trườụ ở ng quang silic d i d ng dao ướ ạ động phân tử.
- Sự khác nhau giữa bước sóng bơm và bước sóng của photon phát xạ là vào khoảng 106 nm (13,2 THz). Do đó đỉnh khu ch ế đại của bộ khuếch đại Raman phân bố (Distributed Raman Amplifier) với bước sóng λp là xấp xỉ λp + 106 nm.
Băng thông khuếch đại xấp xỉ 48 nm (6 THz). Băng thông rộng này làm cho DRA là một lựa chọn rấ ấp dẫn cho các hệ thống cáp quang biển. t h
- Có thể th y khu ch ai Ramann v bảấ ế đ ề n ch t là dưới d ng khu ch ấ ạ ế đại
“phân bố”. Vì sóng bơm truy n qua s i (theo hướng ngược v i tín hi u l u lượng) ề ợ ớ ệ ư nên cường độ bơm bị giảm đi bằng suy hao của sợi, và vì thế khuếch đại Raman trở
63
nên thấp hơn ở khoảng cách xa hơ ừ nguồn t n bơm, tuy nhiên khuếch đại là đáng kể trong phạm vi khoảng cách vài km sợi quang truy n dẫn. ề
- Bộ khuếch đại DRA ở băng C (1530 – 1570 nm) s dụử ng laser b m ơ Raman với bước sóng trong dải 1430 – 1460 nm. Laser bơm với các bước sóng này tương tự như loại sử dụng phổ biến cho 1480 nm của EDFA.
- DRA là kỹ thu t b m ngược, và vì s i tán s c âm dùng trong phương án ậ ơ ợ ắ làm bằng phẳng độ d c tán sắc với tỷ ệố l chiều dài 2:1 có ti t diện hi u dế ệ ụng Aeff khá nhỏ (~ 20 mm2) nên cường độ của nguồn sáng bơm ph i t ng lên và vì th làm h s ả ă ế ệ ố khuếch đại Raman cao hơn. Đây là một trường hợp hiếm có khi nhược đ ểi m (ti t ế diện hiệu dụng kém) lại trở thành ư đ ểu i m (h sốệ khu ch ế đại Raman cao). Để đạt được hệ số khu ch đại v i các lo i s i thông d ng có Aế ớ ạ ợ ụ eff khoảng 50 – 80 mm2 thì cần phải có mức bơm Raman lớn hơn (tức là nhiều laser hơn, công suất cao hơn, tiêu thụ nguồn l n hớ ơn và giá thành cao hơn).
- Phương pháp khuếch đại lai: Việc sử dụng b khu ch ộ ế đại lai EDFA và DRA đang được nghiên cứu thực nghiệm và hứa hẹn nhiều u ư đ ểi m. Phương pháp này làm cho cấu trúc trạm lặp phức tạp hơn, và đòi hỏi tới 6 laser bơm (4 cho DRA và 2 cho EDFA) thay vì chỉ 4 laser bơm cho EDFA. Tuy nhiên bằng việc giảm mức công suất ra của EDFA, và bằng khuếch đại Raman ngay trong sợi truyền dẫn (DRA), công suất cực đại trên mỗi kênh bên trong sợi có th gi m xu ng, và d n ể ả ố ẫ đến làm giảm đáng kể các tác động phi tuyến do XDM và SPM. Hình II-9 trình bày s ơ đồ cấu hình bộ khuếch đại lai EDFA + DRA.
Hình II-9: Cấu hình bộ ặ l p s d ng khuếử ụ ch i lai EDFA + DRA đạ
- Sự thay đổi độ dốc đặc tuy n biên độ củế a toàn h th ng có th xảy ra do ệ ố ể sự lão hoá của sợi quang, do sửa chữa cáp, và những thay đổi hệ số khu ch đại c a ế ủ EDFA do lão hoá cáp và sửa chữa cáp đó. Để khắc phục người ta đ ử ụã s d ng m t b ộ ộ
64
Cân bằng độ dốc h sốệ khu ch đại tích c c (Active Gain Slope Equalizer). Thi t b ế ự ế ị này được để trong vỏ bọc gi ng nh tr m l p và ố ư ạ ặ được i u khi n b ng các l nh đ ề ể ằ ệ giám sát đ ềi u biên từ trạm cáp đầu cuối.
II.3.4.Những ti n bộ công nghệ sợi quang đối với khoảng lặp ế
Sự suy giảm chất lượng hệ thống nghiêm trọng nhất của hệ thống quang DWDM dung lượng cao có khoảng cách xa sử dụng EDFA là do các hi u ng phi ệ ứ tuyến, trước tiên là XPM, SPM và FWM. Những hiệu ứng này có thể tối thi u b ng ể ằ việc giảm mật độ công suất quang trong sợi bằng cách giảm công su t vào hoặc ấ tăng tiết diện hiệu d ng (Aụ eff) của sợi quang. Việc giảm công suất vào là khó khăn vì nó sẽ làm giảm khoảng cách lặp dẫn đế ăng giá thành hệ thống. n t
Sử dụng s i quang v i các giá tr tán s c màu dương và âm, chúng ta có th ợ ớ ị ắ ể làm cho tán sắc tổng cộng của hệ thống về không ở bước sóng nào đó (thường là ở gần trung tâm băng truyền dẫn. Nhưng một yếu tố chính làm giảm chất lượng n a là ữ độ dốc tán s c c a s i quang. ó là s khác nhau củắ ủ ợ Đ ự a tán s c là m t hàm c a bước ắ ộ ủ sóng. Khi độ dốc tán s c t ng c ng khác không, ta có th làm cho b ng không đối ắ ổ ộ ể ằ với một bước sóng xác định nhưng tán sắc tổng của hầu hết các bước sóng khác vẫn khác không.
Độ dốc tán s c c a s i NZ-DSF k cả ạắ ủ ợ ể lo i có ti t di n hi u d ng rộng thường ế ệ ệ ụ được sử ụ d ng trong các h thốệ ng cáp bi n, gây ra hai v n đề nghiêm tr ng. Thứ nhất ể ấ ọ là phải bù tán sắc theo từng kênh, vì tán sắc tích lu l n h n nhiề ởỹ ớ ơ u các kênh rìa so với kênh trung tâm. Thứ hai, mặc dù m i kênh WDM có bước sóng trung tâm xác ỗ định, nhưng tín hi u là điềệ u ch biên độ nên có b ng thông. N u cáp truyền d n có ế ă ế ẫ độ dốc tán s c thì các thành ph n t n sắ ầ ầ ố thấp và cao của kênh WDM sẽ bị tán s c do ắ sự khác nhau của Độ trễ vận t c nhóm (Group Velocity Delay – GVD). ố Đ ềi u này dẫn đến méo xung đáng kể, và nghiêm trọng hơn nếu tốc độ bít càng cao, 40 Gbit/s.
Một giải pháp triệt để để khắc phục độ dốc tán s c là không th đối v i m t ắ ể ớ ộ loại sợi quang. Nếu một sợi quang mà có độ dốc tán s c b ng không thì các tham s ắ ằ ố khác của nó sẽ tệ đến m c không s dụứ ử ng được. Hướng ng d ng thông d ng hi n ứ ụ ụ ệ nay là sử dụng hai lo i s i quang riêng r trong m i kho ng l p c a h th ng. ạ ợ ẽ ỗ ả ặ ủ ệ ố Những phương án này gọi là Sợi tán sắc ngược (Reverse Dispersion Fiber – RDF ), Sợi tán sắc đảo ngược (Inversion Dispersion Fiber – IDF) hoặc Sợi +D/-D.
Chọn hai loại sợi có đặc tính ngược nhau và cùng chiều dài trong một khoảng lặp, chẳng hạn trong một khoảng lặp 50 km dùng 25 km sợi loại A với tán sắc +18 ps/nm/km và 25 km sợi lo i B với tán sắc -18 ps/nm/km và có độ dốc tán ạ sắc bằng nhưng ngược dấu, thì sẽ triệt tiêu được độ dốc tán s c t ng c ng. Tuy ắ ổ ộ phương án này là hiện thực và có ư đ ểu i m đáng kể, việc sử dụng t lệỷ chi u dài 2:1 ề của sợi tán sắc dương và âm là giảp pháp tố ưi u. B ng vi c l a ch n c n th n loằ ệ ự ọ ẩ ậ ại sợi và tỷ lệ chiều dài chính xác thì có thể đạ đượt c độ dốc tán sắc tổng cộng rất tháp trong hệ thống có cự ly rất dài, tới 10.000 km.
Đối với hệ thống đường dài sử dụng s i quang lo i +D/-D m i c ng gi m ợ ạ ớ ũ ả được sự sai khác v tán s c màu t i 90%. H n nữề ắ ớ ơ a, s lượng sợố i tán s c dương l n ắ ớ 65
hơn (khoàng 70% của cả khoảng lặp) sẽ cho suy hao trung bình rất thấp. Mặc dù sợi có tán sắc dương và âm có tiết di n hi u d ng r t nh , nh ng do b trí hai ệ ệ ụ ấ ỏ ư ố ở đầu khoảng lặp nơi công suất kênh thấp nhất nên ảnh hưởng của méo phi tuyến là không đáng k . Th c t , nhược i m này của tiết diện nhỏ lạể ự ế đ ể i là u i m khi s dụư đ ể ử ng với khuếch đại Raman DRA. Ngoài ra, giá trị tương đối cao của tán s c ( kho ng +20 ắ ả ps/nm/km và -50 ps/nm/km đối với hai loại sợi khác nhau của một khoảng lặp) lại giúp hạn chế tác động của hiệ ứu ng tr n bốn sóng FWM. ộ
II.3.5.Những ti n bộ công nghệ đối với thiết bị trạm đầu cuối ế
1. Kỹ thuật đ ều chế: Đối với các hệ thống 2,5 Gbit/s phương thức đ ều chếi i thông dụng là NRZ. Ư đ ểu i m của nó là băng thông chiếm thấp hơn, và mạch i n t đ ệ ử khá đơn giản. Đối với các hệ thống DWDM n x 10Gbit/s ngày nay thì phương thức đ ềi u ch là RZ, vì nó cho phép ế độ nhạy cao h n (suy hao nhi u hơn trogn một ơ ề khoảng lặp). Tuy nhiên, nó chiếm băng thông rộng hơn NRZ.
Bên cạnh i u chđ ề ế NRZ thuần tuý tiêu chuẩn, các kỹ thuậ đ ềt i u chế tiên tiến, bao gồm RZ dịch tần (CRZ), RZ đơn biên (SSB RZ), EZ triệt sóng mang (CS RZ) và đ ềi u chế Duo-Binary đang được nghiên cứu cho các hệ thống 10 Gbit/s và 40 Gbit/s. Trong tương lai Duo-binary và CS-RZ là hai phương thứ đ ềc i u chế nhiều hứa hẹn để giảm xuyên kênh phi tuyến trong các hệ ố th ng DWDM.
2. Sửa lỗi trước FEC: FEC đã được sử dụng trong các h th ng cáp quang ệ ố biển từ cuối ’90. Các hệ thống ó đ được tiêu chuẩn hoá theo ITU-T G.975 và sử dụng tầng đơn mã FEC Reed Solomon với làm tăng 7% tốc độ bit truy n d n (9,958 ề ẫ Gb/s tăng lên 10,660 Gb/s, và cải thiện khoảng 5,8 dB độ lợi h th ng. Hi n nay ệ ố ệ một số hãng sản xuất đã phát triển thê hệ thứ hai “Super-FEC” sử dụng mã Reed Solomon móc xích. Hệ thống có băng thông tăng lên 20% (9,958 Gb/s lên kho ng ả 12 Gb/s) và cải thiện 7,5-7,7 dB độ lợ ủi c a h th ng. V lý thuy t, có th phát triển ệ ố ề ế ể thế hệ thứ ba phương thức FEC vớ độ lợi khuếch đại lên tới 10 dB. i
3. Bù tán sắc th ụ động: Vi c s dụệ ử ng h n h p hai lo i s i +D/-D (ho c ỗ ợ ạ ợ ặ RDF, IDF) trên một khoảng lặp cho phép giảm khoảng 90% sai khác về tán sắc tích luỹ giữa các kênh lớn nhất và thấp nhất của một hệ thống DWDM cự ly dài (>5000 km). Đ ềi u này làm giảm đáng kể lượng bù tán sắc tr c (tướ ại đầu phát) và bù tán sắc sau (tại đầu thu) cần thiết. Sợi quang bù tán sắc (DCF), đơn giản là sợi có tán s c ắ dương và âm cao, vẫn tiếp tục phải sử dụng nh ng v i s lượng ít hơư ớ ố n nhi u, làm ề giảm giá thành thiết bị, giảm di n tích m t b ng tr m cáp. ệ ặ ằ ạ
4. Bù tán sắc tích c c: Ngoài k thu t tán s c th ự ỹ ậ ắ ụ động s dụử ng s i DCF, ợ hi n ệ đang có những nghiên cứu phát triển kỹ thuật mới để bù tích cực đối với tán sắc màu cũng như tán sắc mode phân cực. M t k thu t s dụộ ỹ ậ ử ng công ngh Virtual ệ Imaged Phased Array (VIPA) là rất hứa hẹn để bù tán s c cố ắ định và cũng có thể dùng để bù cho độ dốc tán sắc dư.
5. Laser đ ềi u chỉnh được: Laser đ ềi u chỉnh được trong dải 4 kênh với khoảng cách 0,4 nm hiệ đn ã dùng trong hệ thống cáp quang biển WDM 10 Gb/s.
Nghiên cứ đu ang tiếp tục để mở rộng d i i u ch nh lên t i n a b ng C ho c L. ả đ ề ỉ ớ ử ă ặ 66