Tại phớa đầu thu của hệ thống, chỳng ta cần phải cú thiết bị để chuyển đổi chựm sỏng thu đƣợc thành tớn hiệu điện. Cỏc bộ thu quang cần phải thoả món một số yờu cầu khắt khe để đạt đƣợc hiệu quả làm việc mong muốn. Cỏc yờu cầu đú là độ nhạy thu cao đối với dải rộng cỏc bƣớc súng truyền dẫn, mức nhiễu thấp, giỏ thành đảm bảo, và cú thời gian làm việc dài. Cũng nhƣ cỏc hệ thống quang khỏc, hệ thống WDM sử dụng cỏc bộ tỏch quang là PIN và APD. Hai đặc tớnh quan trọng nhất của bộ tỏch quang PIN là hiệu suất lƣợng tử (QE) và độ đỏp ứng. Hiệu suất lƣợng tử là tỷ số electron thu đƣợc tại vựng chuyển tiếp và số photon tới. Hiệu suất lƣợng tử tuyệt đối là 1 nếu cú 1 photon tới thỡ giải phúng 1 electron. QE cũng phụ thuộc vào bƣớc súng hoạt động. Độ đỏp ứng của PIN cú thể đƣợc biểu diễn thụng qua bƣớc súng theo cụng thức (2-1) ) Watt / (Ampe hc e R (2-1)
Giỏ trị điển hỡnh của độ đỏp ứng R là 0.65 A/W đối với PIN dựng silic tại bƣớc súng 850nm và 0.45A/W đối với PIN dựng Germanium tại bƣớc súng 1300nm.
Dạng cơ bản của một APD là một photodiode PIN cú thế hiệu ngƣợc rất lớn (thƣờng khoảng 50 V). Khi sử dụng APD, cỏc tham số ta cần phải quan tõm đú là : độ nhạy, tốc độ hoạt động, tớch độ tăng ớch và băng tần, và nhiễu.
2.5.4 Thiết bị tỏch ghộp kờnh
Lối ra của bộ phỏt laser là một luồng tớn hiệu cú bƣớc súng riờng rẽ. Cỏc tớn hiệu này sau đú đƣợc ghộp kờnh vào sợi quang. Thiết bị đƣợc sử dụng để thực hiện chức năng này là bộ ghộp kờnh MUX. Tại phớa thu, mỗi tuyến sẽ sử dụng một thiết bị để tỏch tớn hiệu chung từ đƣờng truyền từ phớa phỏt tới thành cỏc kờnh cú bƣớc súng riờng lẻ, thiết bị này đƣợc gọi là bộ tỏch kờnh DEMUX. Bộ tỏch kờnh phải đƣợc đặt trƣớc thiết bị tỏch quang bởi vỡ đõy là thiết bị băng rộng khụng tỏch đƣợc kờnh cú bƣớc súng chọn lọc. Cỏc chức năng tỏch ghộp kờnh cú thể sử dụng cỏc bộ lọc băng hẹp nhƣ: bộ lọc màng mỏng điện mụi, cỏch tử sợi Bragg, cỏch tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp (AWG), bọ lọc Fabry-Perot. Khi xem xột đến cỏc bộ tỏch
ghộp kờnh chỳng ta cần lƣu ý đến cỏc thụng số nhƣ: khoảng cỏch giữa cỏc kờnh, độ rộng băng tần của kờnh bƣớc súng, bƣớc súng trung tõm của kờnh, tớnh đồng đều của kờnh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyờn õm đầu gần đầu xa…
2.5.5 Khuếch đại quang
Trong cỏc hệ thống truyền dẫn quang, việc sử dụng cỏc bộ khuếch đại quang là hết sức quan trọng. Khi truyền dẫn trong mụi trƣờng sợi quang, ta gặp hiện tƣợng suy giảm cụng suất tớn hiệu khi truyền dẫn và tỏn sắc của ỏnh sỏng chớnh vỡ vậy mà tớn hiệu khụng thể truyền dẫn với khoảng cỏch xa. Khuếch quang đƣợc sử dụng để tăng cƣờng khoảng cỏch truyền dẫn đồng thời giảm thiểu hiện tƣợng tỏn sắc. Cỏc bộ khuếch đại quang cú thể khuếch đại tất cả cỏc bƣớc súng cựng một lỳc mà khụ ng cần phải thực hiện việc chuyển đổi quang - điện - quang. Bờn cạnh việc sử dụng khuếch đại quang cú cỏc tuyến quang, ta cú thể sử dụng khuếch đại sau khi tớn hiệu đó đƣợc ghộp kờnh hay trƣớc khi tớn hiệu đƣợc phõn kờnh. Ngày nay, cỏc bộ khuếch đại EDFA đƣợc sử dụng phổ biến trong cỏc hệ thống WDM. Chớnh sự phỏt triển của EDFA khiến cho cỏc hệ thống WDM trở nờn khả dụng và đƣợc sử dụng rộng rói, khụng những thế mà chỳng cũn tỏc động mạnh mẽ tới sự phỏt triển của cỏc phần tử cũng nhƣ kỹ thuật mạng.
Coupler
Isolator Isolator
Laser bơm
Hình 2.8. Cấu trúc của EDFA
EDF (10-50m)
Hỡnh 2.8 chỉ ra sơ đồ đơn giản của bộ khuếch đại EDFA. Tớn hiệu đƣợc đƣa vào sợi quang cú pha tạp chất Erbium, ở đú ỏnh sỏng ở bƣớc súng 980nm hay 1480nm đƣợc bơm vào sợi quang bằng cỏc laser bơm. Ánh sỏng cụng suất yếu đƣa vào sợi quang sẽ kớch thớch cỏc nguyờn tử Erbium phỏt xạ năng lƣợng đó đƣợc lƣu trữ ở bƣớc súng 1550nm. Và khi tớn hiệu đƣợc ghộp trở lại sợi quang thỡ tớn hiệu sẽ
trở nờn mạnh hơn. Quỏ trỡnh phỏt xạ tự phỏt trong EDFA cũng làm tăng thờm nhiễu vào tớn hiệu.
Cỏc tham số hoạt động của cỏc bộ khuếch đại quang đú là hệ số khuếch đại, độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại, mức nhiễu, cụng suất lối ra. Cỏc bộ khuếch đại EDFA thƣờng cú hệ số khuếch đại cỡ 30dB và cụng suất lối ra là 17dB. Tuy nhiờn, cỏc yếu tố để chọn EDFA lại là mức nhiễu thấp và độ bằng phẳng của độ khuếch đại. Hệ số khuếch đại của EDFA phụ thuộc vào bƣớc súng của tớn hiệu vào. Tuy nhiờn, EDFA cú độ khuếch đại khỏ bằng phẳng trong dải thụng của nú trong băng tần C và L (từ 1530 đến 1560nm) khi sử dụng thờm bộ bộ cõn bằng hệ số khuếch đại trong cấu trỳc của EDFA.
Cỏc yờu cầu đối với EDFA khi sử dụng cho hệ thống WDM:
-Đặc tớnh khuếch đại của EDFA: Độ khuếch đại phải bằng phẳng trong dải thụng làm việc của WDM. Khi đú tất cả cỏc bƣớc súng đều đƣợc khuếch đại đồng đều nhau.
-Dao động mức cụng suất chuyển tiếp: Trong hệ thống WDM khi tải thay đổi đột ngột sẽ dẫn tới sự thay đổi cụng suất. Cỏc bộ khuếch đại thƣờng làm việc ở chế độ bóo hoà do đú chỉ cú một phần năng lƣợng vừa đủ trong trạng thỏi Erbium mức trờn đối với hoạt động ngắn. Khi dừng bơm một lƣợng cụng suất tớn hiệu đầu vào nhỏ cũng làm mất tỏc dụng của hiện tƣợng nghịch chuyển (xẩy ra cỡ khoảng 100 s) trong bộ khuếch đại. Bởi vậy năng lƣợng tớch trữ trong linh kiện này vụ cựng nhỏ so với năng lƣợng chuyển qua nú. Điều này cú nghĩa là độ khuếch đại của bộ khuếch đại thay đổi rất nhanh theo sự thay đổi của hệ thống (chẳng hạn nhƣ trƣờng hợp mất kờnh tớn hiệu).
Nhiễu của bộ khuếch đại: Nguồn nhiễu chủ yếu trong bộ khuếch đại sinh ra bởi hiện tƣợng phỏt xạ tự phỏt đƣợc khuếch đại(ASE). Ảnh hƣởng của nhiễu này khụng đỏng kể khi số lƣợng bộ khuếch đaị trờn tuyến nhỏ. Tuy nhiờn, khi số khi số lƣợng bộ khuếch đại lớn ASE sẽ tỏc động trực tiếp đến giỏ trị OSNR.
Ảnh hƣởng phõn cực: Ảnh hƣởng phõn cực trong EDFA là rất nhỏ và cú thể bỏ qua đối với hệ thống truyền dẫn với khoảng cỏch ngắn. Tuy nhiờn, trong hệ
thống cự ly dài ảnh hƣởng này sẽ tớch luỹ qua từng bộ khuếch đại trờn đƣờng truyền và tỏc động trực tiếp đến chỉ tiờu của hệ thống (OSNR). Cú ba ảnh hƣởng phõ n cực khỏc nhau trong bộ khuếch đại:
+ Khuếch đại phụ thuộc phõn cực (PDG): khi bộ khuếch đại hoạt động ở trạng thỏi bóo hoà, tớn hiệu bị phõn cực sẽ đƣợc khuếch đại cao hơn ở trục trực giao. Điều này do bởi cỏc phõn tử Erbium riờng rẽ cú xu hƣớng tạo laser theo một cực nào đú hơn so với cỏc cực khỏc tự thuộc vào hƣớng của chỳng trong vật liệu thuỷ tinh. Trong cỏc hệ thống WDM ảnh hƣởng của PDG bị giảm đi đỏng kể do sự hiện diện của nhiều kờnh. Qua thống kờ cho thấy chỉ cú rất ớt khả năng tất cả cỏc kờnh cú cựng trạng thỏi phõn cực tại cựng một thời điểm. Xỏc suất xuất hiện là vẫn cú nhƣng rất nhỏ. Do đú khả năng xẩy ra cả hai trạng thỏi phõn cực ứng với cụng suất nhƣ nhau tại cựng một thời điểm.
+Sự suy hao phụ thuộc phõn cực (PDL): phần lớn cỏc bộ EDFA khuếch đại tớn hiệu trong một trạng thỏi phõn cực cao hơn một ớt so với tớn hiệu phõn cực trực giao. Điều này là do sự phụ thuộc phõn cực của cỏc phần tử quang (trong đú cú EDFA) và hƣớng phõn cực của tớn hiệu bơm.
+Tỏn xạ mode phõn cực (PMD): PMD chủ yếu xuất hiện trong sợi quang. Đõy là một hỡnh thỏi khỏc của tỏn sắc. PDM hoạt động trờn cơ sở từng kờnh nờn khụng cú sự khỏc biệt nào giữa mụi trƣờng đơn kờnh và đa kờnh. Ngoài ra, ảnh hƣởng này rất nhỏ trong phần lớn hệ thống tốc độ kờnh cú tốc độ kờnh dƣới 10Gbps.
Ứng dụng bộ khuếch đại quang trong truyền tải quang
Theo chức năng, cỏc bộ khuếch đại quang cú thể chia thành 3 loại: khuếch đại cụng suất, khuếch đại đƣờng dõy và tiền khuếch đại nhƣ thể hiện ở hỡnh 2.9. -Bộ khuếch đại cụng suất thực hiện khuếch đại tớn hiệu của bộ phỏt trƣớc khi đƣa vào trong sợi. Bộ khuếch đại cụng suất làm tăng cụng suất của tớn hiệu quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cỏch truyền cực đại. Yờu cầu chớnh của bộ khuếch đại này là tạo ra cụng suất đầu ra cực đại, chứ khụng phải khuếch đại cực đại vỡ tớn hiệu ngừ vào tƣơng đối lớn do nú đƣợc đƣa đến ngay lập tức từ bộ phỏt.
- Bộ khuếch đại đƣờng dõy đƣợc đặt hoạt động giữa tuyến truyền dẫn sợi quang. Chức năng cơ bản của nú là bự mất mỏt cụng suất gõy ra bởi suy hao sợi, kết nối và phõn phối tớn hiệu trong mạng. Vỡ vậy yờu cầu chớnh của bộ khuếch đại này là độ ổn định trờn toàn bộ dải thụng WDM. Do cú nhiều bộ khuếch đại đƣờng dõy cú thể lắp nối tiếp nờn cần đảm bảo sự thống nhất về đặc tớnh khuếch đại. Một yờu cầu khỏc đối với bộ khuếch đại này là phải giữ mức tạp õm cực tiểu và thực hiện tốt việc kết nối sợi quang.
- Bộ tiền khuếch đại thực hiện khuếch đại tớn hiệu ngay trƣớc khi tớn hiệu đƣợc đƣa vào bộ thu. Bộ khuếch đại này hoạt động với tớn hiệu đầu vào nhỏ, do đú cho ra độ nhạy thu tốt; nú đũi hỏi hệ số khuếch đại lớn và hệ số nhiễu thấp. Hệ số nhiễu là đặc tớnh quan trọng của bộ tiền khuếch đại bởi vỡ chất lƣợng của bộ thu bị giới hạn khụng chỉ do nhiễu của bộ thu mà cũn do nhiễu của bộ tiền khuếch đại. Sử dụng bộ tiền khuếch đại giảm đƣợc yờu cầu nghiờm ngặt về đồ nhạy mỏy thu và từ đú cho phộp mạng cú thể hoạt động với tốc độ bớt cao hơn.
Trạm phát Trạm thu Pre-amplifier Post-amplifier In-line-amplifier Trạm phát Trạm thu Trạm phát Trạm thu
Hình 2.9. Các cấu trúc khác nhau cho các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi
EDF
EDF EDF
2.6 CễNG NGHỆ THIẾT BỊ DÙNG TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG
Cỏc thiết bị quan trọng nhất dựng trong mạng truyền tải quang sử dụng WDM là cỏc bộ đầu cuối đƣờng quang (OLT), thiết bị xen/rẽ quang (OADM), và thiết bị kết nối chộo quang (OXC).[5] OLT thƣờng dựng ở hai đầu của liờn kết điểm-điểm, OADM sử dụng trong cỏc mạng tuyến tớnh và mạng vũng, OXC cũng thực hiện cỏc chức năng tƣơng tự nhƣ OADM nhƣng với số lƣợng bƣớc súng và
cổng xử lý nhiều hơn, nú cũn cho phộp quản lý cỏc bƣớc súng trong mạng hiệu quả tại lớp quang. OXC thƣờng đƣợc sử dụng trong cỏc mạng hỡnh lƣới hoặc để nối cỏc vũng quang với nhau nhƣ trong cấu trỳc mạng đƣờng trục.
2.6.1 Thiết bị cuối đƣờng quang OLT
Bộ OLT là thiết bị khỏ đơn giản mạng truyền dẫn WDM , sơ đồ cấu trỳc chức năng đƣợc thể hiện trờn hỡnh 2.10, bao gồm 3 chức năng chớnh: chuyển đổi tớn hiệu transponder, ghộp bƣớc súng, và khuếch đại quang, tuy nhiờn chức năng này là tuỳ chọn đối với OLT.
M U X IP router SDH SDH O-E-O O-E-O Transponder Mux/Demux Phỏt 1 2 3 3 2 1, , Thu osc osc
Hình 2.10 Thiết bị cuối quang OLT
Chức năng chuyển đổi tớn hiệu bao gồm:
-Chuyển đổi tớn hiệu sang dạng kờnh quang cú bƣớc súng phự hợp, mức cụng suất quang và cỏc thụng số khỏc cho phự hợp với yờu cầu chung của lớp quang. Bộ chuyển đổi tớn hiệu thực hiện chuyển tớn hiệu quang sang điện rồi từ điện sang quang dựng cỏc bộ phỏt laser.
-Thờm vào hoặc trớch ra cỏc tớn hiệu mào đầu để cú thể quản lý tớn hiệu truyền đi ngay tại lớp kờnh quang.
-Giỏm sỏt BER của tớn hiệu truyền trong lớp khỏch hàng và tớn hiệu truyền trong lớp quang tại đầu vào và đầu ra của nú.
Hiện tại cũng cú xu hƣớng triển khai bộ chuyển đổi tớn hiệu tại cỏc thiết bị đầu cuối khỏch hàng. Điều này giỳp giảm chi phớ và thiết bị WDM cũng bớt phức tạp hơn. Tuy nhiờn, phớa giao diện đầu ra của bộ chuyển đổi vẫn chƣa đƣợc chuẩn
hoỏ và khỏc nhau đối với cỏc nhà cung cấp thiết bị WDM nờn xu hƣớng cụng nghệ này vẫn chƣa đƣợc triển khai rộng rói.
Chức năng ghộp bƣớc súng: Chức năng này cho phộp ghộp nhiều bƣớc súng vào cựng một mụi trƣờng truyền dẫn nhƣ đó trỡnh bày ở phần trờn.
Chức năng khuếch đại tớn hiệu: Đõy là lớp chức năng tựy chọn của OLT, chức năng này cú thể thực hiện nhờ việc sử dụng hai cấu hỡnh EDFA đú là EDFA khuếch đại cụng suất cho hƣớng phỏt và tiền khuếch đại cho hƣớng thu.
2.6.2 Bộ xen/rẽ quang OADM
Bộ xen/rẽ quang thƣờng đƣợc sử dụng trong cỏc mạng đụ thị và mạng đƣờng dài vỡ tớnh hiệu quả cao của nú, đặc biệt với cấu hỡnh của cỏc vũng quang hay mạng tuyến tớnh. OADM thƣờng đƣợc đặt ở giữa cỏc bộ ghộp kờnh và phõn kờnh quang. OADM khụng thực hiện chức năng ghộp hay tỏch tất cả cỏc bƣớc súng mà nú cho phộp tỏch hay ghộp một hay nhiều bƣớc súng cũn cỏc bƣớc súng cũn lại đƣợc cho qua.
Ở một vài khớa cạnh chức năng OADM giống với chức năng ADM của SDH/SONET , ngoại trừ là OADM xen rẽ đƣợc trực tiếp đối với cỏc bƣớc súng quang và khụng cú sự chuyển đổi quang điện ở bộ phận này. Hỡnh 2.11 chỉ ra sơ đồ của OADM , trong sơ đồ này cú thể hiện cỏc bộ khuếch đại trƣớc và sau quỏ trỡnh xen/rẽ bƣớc súng. Tuy nhiờn cỏc bộ khuếch đại là cấu hỡnh tuỳ chọn đối với cỏc nhà sản xuất thiết bị. OADM n 2 1 Fiber Fiber n 2 1 n n n 2 1 Amp Amp
Cú hai kiểu phổ biến của OADM, thế hệ thứ nhất là thiết bị đó đƣợc cấu hỡnh để tỏch cỏc bƣớc súng đó đƣợc xỏc định từ trƣớc và cho qua cỏc bƣớc súng khỏc. Thế hệ thứ hai là cỏc thiết bị OADM cú thể cấu hỡnh lại đƣợc và cho phộp lựa chọn bất kỹ bƣớc súng nào đƣợc xen hay rẽ.
Cỏc mạch lọc màng mỏng đƣợc xem nhƣ là cụng nghệ chớnh cho OADM trong cỏc mạng WDM nội thị hiện tại bởi đặc tớnh ổn định và giỏ thành hợp lý của nú. Khi cỏc OADM thế hệ thứ hai đƣợc phỏt triển mạnh mẽ thỡ cỏc kỹ thuật nhƣ cỏch tử dẫn súng (AWG) hay bộ vũng quang kết hợp với cỏch tử Bragg hoặc giao thoa kế MZI đƣợc xem là những lựa chọn phự hợp cho OADM.
2.6.3 Thiết bị kết nối chộo quang OXC.
OXC OLT
ATM SONET/SDH
IP
Hình 2.12. OXC nằm giữa thiết bị user của
lớp quang và các OLT lớp quang
Trong cỏc cấu trỳc mạng đơn giản nhƣ tuyến tớnh hay vũng thỡ OADM là sự lựa chọn tối ƣu. Tuy nhiờn, khi yờu cầu để xử lý mạng hỡnh lƣới phức tạp và cú lƣợng bƣớc súng lớn, đặc biệt là tại cỏc hub xử lý lƣu lƣợng lớn thỡ phải dựng bộ kết nối chộo quang làm phần tử trung tõm hỡnh 2.12. OXC đƣợc xem nhƣ là nền múng của lớp mạng quang, nú đem lại cho ngƣời sử dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hỡnh mạng với độ duy trỡ cao. Ngày nay, nú là thiết bị chủ yếu đƣợc dựng cú cỏc mạng đƣờng trục. Trong thời gian khụng xa OXC cú thể đƣợc triển khai ở cỏc mạng nội hạt khi giỏ thành của chỳng hợp lý hơn.
Cỏc chức năng của thiết bị kết nối chộo OXC.
- Cung cấp dịch vụ: OXC đƣợc dựng để cung cấp cỏc luồng quang trong mạng lớn một cỏch tự động mà khụng cần cú sự sắp xếp đƣợc thực hiện