3.3.2.1. Tốc độ bit ngày càng cao
Ở những hệ thống 2.5Gbit/s ban đầu, các tín hiệu quang có khoảng cách 0.8 nm (100 Ghz), hạn chế bởi khả năng của các bộ lọc, Ngày nay, các tín hiệu quang phổ biến tốc độ 10Gbit/s với khoảng cách 0.4 nm (50Ghz), tăng gấp 8 lần với cùng một băng thông.
Việc nghiên cứu tốc độ bit cao hơn 40 Gbit/s đang được nhiều hãng nghiên cứu. Tuy nhiên, cũng còn gặp nhiều thách thức về kỹ thuật, đặc biệt là:
- Điều biến và giải điều biến 40 Gbit/s đòi hỏi phải có các linh kiện điện tử và quang có tốc độ rất cao.
- Phải khắc phục các hiệu ứng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn ở tốc độ 40Gbit/s như tán sắc CD, điều biến tự pha SPM và tán sắc PMD.
Một điều cần lưu ý là để được chấp nhận hệ thống mới phải có giá thành trên bit rẻ đi một nửa. Có nghĩa là, khi so sánh hệ thống 40 Gbit/s với hệ thống 10 Gbit/s mà có dung lượng lớn gấp 4 lần thì giá thành phải rẻ hơn ít nhất 2 lần.
3.3.2.2. Khoảng cách kênh và số kênh bước sóng
Trong những năm qua, khoảng cách kênh đã giảm đáng kể, từ 1 nm xuống còn 0.3 nm. Hiện nay, trong phòng thì nghiệm đã đạt được 2.5 nm và đang hướng đến 0.2nm trong thời gian gần. Với việc giảm khoảng cách kênh bước sóng cùng với băng thông khuếch đại rộng hơn, nên đã đạt được số kênh lên tới 105 kênh với tốc độ 10 Gbit/s trong băng L, nghĩa là ta có:
- 105 kênh x 0.3 nm băng thông
- 105 kênh x 10 Gbit/s = 1050 Gbit/s = 1.05 Tbit/s.
Một trong những hướng nghiên cứu tăng số kênh bước sóng là sử dụng băng tần mở rộng L.Việc này giải quyết bằng cách sử dụng kết hợp hai bộ khuếch đại sợi quang EDFA ở hai băng tần L & C (xem hình 1.5). Một hướng nghiên cứu khác đang được quan tâm là sử dụng bộ khuếch đại Raman phân bố (Distributed Raman Amplifer – DRA) thay cho EDFA.
3.3.2.3. Số lượng sợi trong cáp biển
Việc tăng dung lượng bằng cách tăng số lượng sợi trong cáp biển là một giải pháp cũng được quan tâm. Giải pháp này xem chừng rất đơn giản nhưng khi tăng số sợi quang sẽ tăng kích thước cáp, tăng trọng lượng của cáp và các trạm lặp, làm tăng tiêu thụ nguồn cấp của trạm lặp đến mức không phù hợp nữa. Vì thế, ngày nay số lượng sợi quang trong hệ thống cáp quang biển thường không vượt quá 8 đôi sợi.
3.3.3 Bộ khuếch đại quang
Bộ khuếch đại quang cũng là một vấn đề được quan tâm nghiên cứu .
Hình 3.8 biểu diễn phổ quang khả dụng và các loại khuếch đại quang đang nghiên cứu phát triển.
Hình 3.8. Phổ quang khả dụng
3.3.3.1. Bộ khuếch đại quang EDFA
Bộ khuếch đại sợi quang EDFA đã được đưa vào sử dụng nhưng hiện nay tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Nghiên cứu phát triển cho những bộ khuếch đại EDFA ứng dụng trong các trạm lặp có băng thông ở băng tần C lên đến 30 nm. Mặt khác, thiết kế EDFA cũng cho phép sử dụng băng L với độ rộng 30 nm.
- Trước đây, các bộ EDFA sử dụng Laser bơm đơn ở bước sóng 1480 nm. Trong hệ thống cáp biển, thông thường sử dụng hai Laser bơm chung giữa hai bộ khuếch đại để có tính dự phòng, và vì thế cho phép đạt được độ tin cậy cao trong thời gian 25 năm. Cách này cho công suất ra cao nhưng tạp âm kém.
Việc sử dụng nguồn bơm 980 nm ở hướng thuận có thể vừa tăng hệ số khuếch đại vừa giảm hệ số tạp âm của bộ khuếch đại. Công nghệ hiện nay cho phép sử dụng bơm 980 nm với độ tin cậy cao. Với việc sử dụng bơm 980 nm, hệ số tạp âm của bộ khuếch đại giảm từ 6.7 dB xuống còn 4.5 dB, làm tăng đáng kể khoảng cách lặp với hệ số kênh nhiều nhất và giá thành hạ,
Hơn nữa, việc sử dụng 4 bộ Laser bơm cho một cặp khuếch đại (2 Laser 1480 nm cho hướng ngược và 2 Laser 980 nm cho hướng thuận) làm tăng hơn nữa độ tin cậy của hệ thống.
- Công nghệ quang ra của bộ khuếch đại có thể đạt tới +15 dBm nhờ áp dụng nguồn bơm 980 nm cho chiều thuận và bơm 1480 nm cho chiều ngược; tiết diện hiệu dụng của sợi quang lại xác định mức công suất ra lớn nhất có thể sử dụng được mà không làm méo tín hiệu do các hiệu ứng phi tuyến trong sợi.
3.3.3.2. Bộ khuếch đại Raman
Đối với bộ khuếch đại Raman, người ta tập trung nghiên cứu:
- Một kỹ thuật khuếch đại mới đây hứa hẹn là khuếch đại Raman, đây là loại kỹ thuật khuếch đại không dựa vào sợi pha tạp (như EDFA) mà dựa vào các thuộc tính của bản thân sợi quang silic. Bộ khuếch đại Raman sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (SRS) xảy ra trong sợi 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 ứng mà không làm mất năng lượng. Tuy nhiên, trong trường hợp khuếch đại Raman, photon bơm tới giải phóng năng lượng để tạo ra photon có năng lượng giảm đi ở tần số thấp hơn (tức bước sóng cao hơn). Năng lượng còn lại của quá trình phát xạ này được hấp thụ bởi môi trường quang, silic dưới dạng dao động phân tử.
- Sự khác nhau giữa bước sóng bơm và bước sóng của photon phát xạ vào khoảng 106 nm (13.2 Thz). Do đó, đỉnh khuếch đại của bộ khuếch đại Raman phân bố (DRS) với bước sóng λp khuếch đại là xấp xỉ λp+106 nm. Băng thông khuếch đại xấp xỉ 48 nm (6Thz). Do băng thông rộng làm cho DRS là một lựa chọn rất hấp dẫn cho các hệ thống cáp quang biển.
- Có thể thấy khuếch đại Raman về bản chất là dưới dạng khuếch đại “phân bố”. Vì sóng bơm truyền qua sợi (theo hướng ngược với tín hiệu lưu lượng) nên cường độ bơm bị giảm đi bằng suy hao của sợi, và vì thế, khuếch đại Raman trở nên thấp hơn ở khoảng cách xa hơn từ nguồn bơm. Tuy nhiên, khuếch đại là đáng kể trong phạm vi khoảng cách vài km sợi quang truyền dẫn.
- Bộ khuếch đại DRA ở băng C (1530-1570 nm) sử dụng Laser bơm Raman với bước sóng trong dải 1430 – 1460 nm. Tương tự như loại sử dụng phổ biến cho 1480nm của EDFA.
- DRA là kỹ thuật bơm ngược và vì sợi tán sắc âm dùng trong phương án làm bằng phẳng độ dốc tán sắc với tỷ lệ chiều dài 2:1 có tiết diện hiệu dụng Aeff khá nhỏ (~20 mm2) nên cường độ của nguồn bơm phải tăng lên và vì thế làm hệ số khuếch đại Raman cao hơn. Đây là một trường hợp hiếm có khi nhược điểm (tiết diện hiệu dụng bé) trở thành ưu điểm (hệ số khuếch đại Raman cao). Để đạt được hệ số khuếch đại với các loại sợi thông dụng có Aeff khoảng 50-80 mm2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thì cần phải có mức bơm Raman lớn hơn (tức là nhiều Laser hơn, công suất cao hơn, tiêu thụ nguồn lớn hơn và giá thành vì thế cũng cao hơn).
3.3.3.3. Phương pháp khuếch đại lai
Việc sử dụng bộ khuếch đại lai EDFA và DRA đang được nghiên cứu và hứa hẹn nhiều ưu điểm. Phương pháp này làm cho cấu trúc trạm lặp phức tạp hơn, đòi hỏi đến 06 Laser bơm (04 Laser cho DRA và 02 Laser cho EDFA) thay vì 04 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 thể giảm xuống và dẫn đến làm giảm đáng kể tác động phi tuyến do XPM và SPM. Hình 3.9 mô tả sơ đồ cấu hình bộ khuếch đại lai EDFA + DRA.
Hình 3.9. Cấu hình bộ lặp
Sự thay đổi độ dốc đặc tuyến biên độ của toàn hệ thống có thể xảy ra do sự lão hóa của sợi quang, do sửa chữa cáp và những thay đổi hệ số khuếch đại của EDFA do lão hóa cáp và sửa chữa cáp đó. Để khắc phục, người ta đã dùng một bộ cân bằng độ dốc hệ số khuếch đại tích cực (Active Gain Scope Equalizer). Thiết bị này được đặt trong vỏ bọc giống như trạm lặp và được điều khiển bằng các lệnh giám sát điều biên từ trạm cáp đầu cuối.