TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang, giống như các hệ thống thông tin khác, bao gồm các thành phần cơ bản tuân theo một cấu trúc chung Tín hiệu được phát vào môi trường truyền dẫn và đầu thu sẽ tiếp nhận tín hiệu cần truyền Trong hệ thống này, môi trường truyền dẫn chính là sợi quang, nơi ánh sáng mang tín hiệu thông tin được truyền từ phía phát đến phía nhận.
Vào năm 1960, sự ra đời của laser như một nguồn phát quang đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử kỹ thuật thông tin, cho phép truyền tải thông tin qua ánh sáng Tuy nhiên, việc truyền thông tin bằng tia laser gặp nhiều hạn chế do ảnh hưởng của thời tiết, yêu cầu máy phát phải nhìn thấy nhau và khoảng cách truyền tải.
Năm 1962, laser bán dẫn ra đời, đánh dấu bước ngoặt quan trọng cho công nghệ thông tin quang Đến năm 1970, sợi quang đầu tiên được chế tạo, giúp hiện thực hóa việc truyền tải thông tin bằng ánh sáng Ánh sáng từ laser bán dẫn được ghép vào sợi quang và truyền qua sợi quang theo nguyên lý phản xạ toàn phần, khắc phục những nhược điểm của thông tin bằng tia laser Laser bán dẫn GaAs/GaAlAs phát ở vùng hồng ngoại gần 0.8μm đã được chế tạo và ứng dụng trong thông tin quang sợi vào những năm 1970.
Vào thập kỷ 80 của thế kỷ trước, hệ thống thông tin quang thế hệ đầu tiên với tốc độ 45 Mbps và khoảng cách lặp 10 km đã được triển khai, tiếp theo là hệ thống thế hệ thứ hai sử dụng laser 1310 nm Ban đầu, tốc độ chỉ đạt 100 Mb/s do hiện tượng tán sắc trong sợi đa mode Tuy nhiên, khi sợi đơn mode được áp dụng, tốc độ đã tăng đáng kể Đến năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310 nm với tốc độ 1.7 Gbps và khoảng cách lặp 50 km đã chính thức có mặt trên thị trường.
Thế hệ thứ ba của hệ thống thông tin quang hoạt động ở bước sóng 1.55 μm với tốc độ 2.5 Gbps và khoảng cách lặp từ 60 đến 70 km Việc sử dụng sợi quang bù tán sắc và làm phẳng tán sắc có thể tăng cường khoảng cách lặp này.
Thế hệ thứ hai của hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi để kéo dài khoảng cách truyền dẫn và ghép nhiều bước sóng trong một sợi quang, nhằm tăng tốc độ truyền dẫn Khuếch đại quang sợi pha tạp chất Erbium (EDFA) có khả năng bù công suất cho suy hao quang trên khoảng cách lớn hơn 100 km Hệ thống thông tin quang với EDFA đã được thử nghiệm truyền tín hiệu số với tốc độ 2.5 Gbps ở khoảng cách 21.000 km và 5 Gbps ở khoảng cách 14.300 km vào năm 1991 Đến năm 1996, hệ thống thông tin quang quốc tế dưới biển đã được lắp đặt, và năm 1997, đường cáp quang vòng quanh thế giới dài 27.300 km được đưa vào hoạt động, kết nối nhiều quốc gia ở châu Âu và châu Á với tốc độ từ 5 đến 10 Gbps.
Công nghệ ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang (WDM) đã nâng cao đáng kể dung lượng truyền dẫn Vào năm 1996, một thử nghiệm đã thành công với 20 bước sóng quang, mỗi bước sóng đạt tốc độ 5 Gbps, cho phép truyền tải dữ liệu qua khoảng cách 9.100 km, tổng tốc độ tuyến đạt 100 Gbps.
Hình 1 1 Hai hệ thống truyền dẫn tốc độ cao
Thế hệ thứ năm của hệ thống thông tin quang tập trung vào việc giải quyết vấn đề tán sắc trong sợi quang Mặc dù suy hao trong sợi quang đã được khuếch đại quang xử lý hiệu quả, nhưng tán sắc vẫn là thách thức lớn Giải pháp tối ưu cho vấn đề này là ứng dụng hiệu ứng Soliton quang, một hiện tượng phi tuyến trong sợi quang, dựa trên sự tương tác bù trừ tán sắc giữa các thành phần quang trong một xung quang cực ngắn được truyền trong sợi quang không có suy hao.
Vào năm 1994, hệ thống Soliton đã thử nghiệm thành công việc truyền tín hiệu với tốc độ 10 Gbps qua khoảng cách 35.000 km và 15 Gbps qua khoảng cách 24.000 km Đến năm 1996, công nghệ WDM đã phát triển với khả năng truyền 7 bước sóng Soliton trên khoảng cách 9.400 km, đạt tốc độ lên đến 70 Gbps.
Mạng thông tin quang đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ nhằm nâng cao tốc độ truyền tải dữ liệu Hệ thống này đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu, hỗ trợ cả tín hiệu tương tự và số, đáp ứng nhu cầu của mạng tích hợp dịch vụ số (ISDN) với khả năng truyền tải dịch vụ băng hẹp và băng rộng Sự lắp đặt cáp quang với số lượng lớn và đa dạng về tốc độ và cấu trúc mạng đã diễn ra ở nhiều quốc gia, biến cáp quang thành môi trường truyền dẫn chính cho viễn thông Các hệ thống thông tin quang hứa hẹn sẽ mang lại đột phá về tốc độ, khoảng cách truyền tải và tính linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cao cấp.
Tổng quan về công nghệ WDM
Sự tăng trưởng nhanh chóng của các dịch vụ thông tin đã dẫn đến yêu cầu ngày càng cao về tốc độ và chất lượng truyền dẫn Để đáp ứng những yêu cầu này, nhiều công nghệ truyền dẫn như TDM, WDM, OTDM và Soliton đã được nghiên cứu, thử nghiệm và ứng dụng.
Công nghệ TDM có khả năng đạt dung lượng hệ thống lên tới 5 Gbps, nhưng đây cũng là giới hạn tối đa của công nghệ này.
14 hệ thống TDM về mặt dung lƣợng thì hệ thống thông tin quang dựa trên công nghệ WDM lại đáp ứng đƣợc
Hình 1 2 Hệ thống (mạng) WDM
Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) cho phép truyền đồng thời nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang, với dung lượng mỗi bước sóng lên tới 2,5 Gbps Số lượng bước sóng ghép có thể từ 2 đến 16, hoặc thậm chí nhiều hơn Tại phía phát, các bước sóng mang thông tin được ghép lại và truyền đến phía thu, nơi chúng được tách ra bằng các bộ tách kênh quang Ngoài ra, trên tuyến truyền dẫn có thể sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù đắp suy hao, mang lại hiệu quả truyền dẫn cao mà không quá phức tạp.
Công nghệ WDM (Multiplexing phân chia theo bước sóng) cho thấy sự hấp dẫn vượt trội nhờ vào băng tần truyền dẫn rộng lớn của sợi quang Cụ thể, trong cửa sổ quang 1550 nm, dải bước sóng có thể sử dụng từ 1500 nm đến 1600 nm, tương ứng với băng tần rộng khoảng 15 THz.
Hình 1 3 Sự suy giảm của ánh sáng trong sợi Silic (thạch anh)
Hệ thống WDM cho phép truyền dẫn với tốc độ lên đến 10 Gbps, chỉ sử dụng một phần nhỏ trong băng tần, và có khả năng đáp ứng dung lượng hàng trăm Gbps Bên cạnh đó, hệ thống này rất linh hoạt nhờ vào các thành phần như bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, và các bộ lọc quang, giúp thực hiện lựa chọn kênh một cách động hoặc tĩnh.
Công nghệ OTDM và truyền dẫn Soliton cung cấp dung lượng truyền tải rất hiệu quả, nhưng độ phức tạp của hệ thống lại dẫn đến giá thành cao, điều này cần được xem xét kỹ lưỡng.
Truyền dẫn WDM đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cấp dung lượng và phát triển dịch vụ băng rộng, giúp khai thác tối ưu tài nguyên băng thông của sợi quang Công nghệ này cho phép truyền tải thông tin siêu tốc, góp phần nâng cao hiệu quả trong ngành viễn thông Do đó, WDM là một công nghệ cần được nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.
1.2.2 Quá trình phát triển mạng truyền dẫn
Công nghệ mạng truyền dẫn đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ (PDH) sang phân cáp số đồng bộ (SDH), và gần đây là từ SDH sang công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Để đảm bảo tính tương thích với các công nghệ trước đó, công nghệ chuyển mạch mới cần phải phù hợp với công nghệ truyền dẫn cũ Cụ thể, công nghệ PCM có tốc độ chuyển mạch 64 Kbps và truyền dẫn 2 Mbps; PDH với tốc độ nối chéo 2 Mbps và truyền dẫn 140 Mbps; SDH đạt tốc độ chuyển mạch 155 Mbps và truyền dẫn 10 Gbps Dự đoán, công nghệ WDM sẽ có tốc độ chuyển mạch khoảng 300 Gbps và dung lượng truyền dẫn lên đến 10 Tbps Trong tương lai, WDM sẽ cần phát triển hơn nữa, có thể kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang như ghép kênh theo thời gian (OTDM) và chuyển mạch gói quang, cùng với các trạm lặp quang 3R để mở rộng độ trong suốt của mạng và tiến tới mạng toàn quang.
SONET level Electrical level Line Rate (Mb/s) SDH equivalent
Để xây dựng một mạng truyền dẫn photonic hiệu quả và kinh tế, cần vượt qua các thách thức về công nghệ đường truyền quang chất lượng cao, bộ nối chéo và nút chuyển mạch quang Bên cạnh đó, cấu trúc mạng cũng đóng vai trò quan trọng, yêu cầu mạng phải có thiết kế hợp lý để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Trong lĩnh vực mạng SDH, việc xây dựng cấu trúc mạng yêu cầu các yếu tố như topo Ring và Mesh Các thành phần này có thể được kết hợp linh hoạt, tạo ra các cấu trúc phức tạp hơn như Ring, Mesh và phân cấp đa Ring, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng.
Trong quá trình xây dựng mạng, việc giám sát mạng là rất cần thiết để phát hiện các sự kiện đã được dự đoán cũng như những sự kiện không xác định trước và không mong muốn Hệ thống báo hiệu và giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý mạng, đặc biệt là trong mạng WDM so với SDH, nơi mà việc giám sát tỷ lệ lỗi bít quang giúp cải thiện hiệu suất hoạt động Để phát triển các thiết bị mạng WDM, cần thiết phải có các tiêu chuẩn về mào đầu và báo hiệu, điều này sẽ góp phần nâng cao tính hiệu quả và độ tin cậy của mạng.
Thách thức quan trọng tiếp theo là phát triển một mô hình thông tin hiệu quả để trích xuất và xử lý tất cả các trường thông tin từ mạng Các thử nghiệm cho thấy việc áp dụng mô hình phân lớp phát triển cho mạng SDH gặp phải nhiều vấn đề khi chuyển sang mạng WDM, và nhiều hiệu ứng vẫn chưa được xác định rõ, tạo ra những thách thức mới cho nghiên cứu.
1.2.3.1 Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ WDM
So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ƣu điểm nổi trội:
Dung lƣợng truyền dẫn lớn
Hệ thống WDM (Multiplexing phân bố theo bước sóng) có khả năng truyền tải nhiều kênh quang, mỗi kênh tương ứng với một tốc độ TDM, mang lại dung lượng truyền dẫn lớn hơn so với các hệ thống TDM truyền thống Hiện nay, WDM đã được thử nghiệm thành công với 80 bước sóng, mỗi bước sóng có thể mang tín hiệu TDM với tốc độ 2,5 Gbps, dẫn đến tổng dung lượng hệ thống lên tới 200 Gbps Trong khi đó, hệ thống TDM mới chỉ đạt tốc độ tối đa là STM-256, tương đương 40 Gbps.
Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng nhƣ những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao
Khác với TDM, WDM chỉ cần truyền một số tín hiệu tương ứng với các bước sóng riêng biệt, giúp giảm tốc độ của từng kênh Điều này làm giảm đáng kể ảnh hưởng tiêu cực của các tham số truyền dẫn như tán sắc, do đó các thiết bị TDM tốc độ cao trở nên ít phức tạp hơn.
Linh hoạt trong việc nâng cấp dung lƣợng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động
Kỹ thuật WDM giúp tăng cường dung lượng mạng hiện tại mà không cần lắp đặt thêm cáp quang mới Nó cũng tạo ra cơ hội mới cho việc thuê kênh quang mà không nhất thiết phải thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp hệ thống trở nên dễ dàng chỉ bằng cách cắm thêm các Card mới trong khi vẫn duy trì hoạt động của hệ thống.
Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt
CÁC CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
Khái quát chung về khuếch đại quang
Khi khoảng cách truyền dẫn lớn, suy giảm tín hiệu quang là điều không thể tránh khỏi, với suy hao của sợi quang là nguyên nhân chính giới hạn cự ly truyền dẫn của hệ thống thông tin quang Để khắc phục vấn đề này, các trạm lặp quang điện được sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang qua nhiều bước Đầu tiên, tín hiệu quang được chuyển đổi thành dòng điện bởi các bộ thu quang như PIN hoặc APD Tín hiệu điện sau đó được tái tạo, định thời và khuếch đại bởi các mạch phục hồi và khuếch đại Cuối cùng, tín hiệu điện được biến đổi trở lại thành tín hiệu quang qua các nguồn quang trong bộ phát quang, trước khi được truyền trong sợi quang, cho thấy quá trình khuếch đại tín hiệu diễn ra trên miền điện.
Miền quang Miền điện Miền quang
Bộ thu quang Bộ khuếch đại Bộ phát quang
Hình 2 1 Bộ lặp quang điện
Các trạm lặp quang điện đã trở thành một phần quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như SDH Tuy nhiên, trong hệ thống WDM, việc sử dụng nhiều trạm lặp quang điện để khuếch đại và tái tạo các kênh quang với các bước sóng khác nhau không chỉ làm tăng độ phức tạp mà còn đẩy chi phí hệ thống truyền dẫn quang WDM lên cao.
Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, tín hiệu quang có thể được khuếch đại trực tiếp mà không cần chuyển đổi sang tín hiệu điện, dẫn đến sự ra đời của kỹ thuật khuếch đại quang (Optical Amplifier).
Hình 2 2 Tuyến truyền dẫn quang
Kỹ thuật khuếch đại quang đã giải quyết nhiều hạn chế của trạm lặp, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật So với các trạm lặp, các bộ khuếch đại quang cho phép tăng cường tín hiệu hiệu quả hơn, giảm thiểu suy hao và cải thiện chất lượng truyền dẫn.
Khuếch đại quang trực tiếp tín hiệu quang mà không cần mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi, bao gồm các bộ biến đổi E/O hoặc O/E, mang lại sự linh hoạt cao hơn cho hệ thống khuếch đại quang.
Không phụ thuộc vào tốc độ truyền dẫn và phương pháp điều chế tín hiệu nên việc nâng cấp hệ thống đơn giản hơn
Khuếch đại nhiều tín hiệu với các bước sóng khác nhau trên một sợi quang là một quá trình quan trọng trong công nghệ truyền thông quang học Để thực hiện việc khuếch đại quang, nhiều loại khuếch đại đã được nghiên cứu và ứng dụng, bao gồm khuếch đại quang pha tạp đất hiếm (EDFA), laser bán dẫn, khuếch đại Raman sợi, OPA, và TWA Việc lựa chọn loại khuếch đại phù hợp trong thiết kế phụ thuộc vào đặc tính của từng loại tín hiệu cần khuếch đại.
Nghiên cứu về khuếch đại quang đang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi Hiện có nhiều xu hướng nghiên cứu trong lĩnh vực này, với các nghiên cứu thành công chủ yếu tập trung vào hai loại bộ khuếch đại quang chính.
Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)
Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier).
Nguyên lý khuếch đại quang
Khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và trong quá trình khuếch đại không xảy ra cộng hưởng
Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện quan trọng trong thông tin quang Ba hiện tượng này bao gồm hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích, mỗi hiện tượng đều có vai trò riêng trong quá trình truyền tải thông tin quang.
Hình 2 3 Các hiện tƣợng biến đổi quang điện
Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi ánh sáng có năng lượng Ev = hf tác động vào vật liệu với độ rộng vùng cấm Eg = E2 - E1 bằng nhau (Ev = Eg) Khi đó, điện tử nhận năng lượng và nhảy lên mức năng lượng cao hơn, dẫn đến hiện tượng suy hao tín hiệu quang.
Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, phát ra một photon với năng lượng tương đương độ rộng dải cấm Thời gian sống của mỗi vật liệu khác nhau, và khi hết thời gian sống, nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát Hiện tượng này là nguyên nhân gây ra nhiễu trong bộ khuếch đại.
Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi ánh sáng có năng lượng photon Ev tương đương với năng lượng dải cấm Eg Khi điều này xảy ra, một điện tử ở mức năng lượng thấp sẽ hấp thụ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn.
Khi một lượng cao năng lượng bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ phát ra photon có cùng pha với ánh sáng kích thích Nguyên lý này chính là cơ sở của quá trình khuếch đại trong bộ khuếch đại quang.
Hiện tượng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất kỳ lúc nào, gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, được gọi là nhiễu tự phát (ASE) Đồng thời, hiện tượng hấp thụ cũng làm suy yếu bộ khuếch đại Khi mật độ năng lượng trong vật liệu khuếch đại thấp, hiện tượng hấp thụ sẽ gia tăng Do đó, để đạt được mức khuếch đại lớn, cần phải thực hiện đảo mật độ hạt.
Các thông số chính của sợi quang
2.3.1 Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại
Hầu hết các bộ khuếch đại quang hoạt động dựa trên hiệu ứng bức xạ kích thích, với quá trình khuếch đại diễn ra thông qua bơm quang hoặc bơm điện nhằm đảo lộn mật độ Sự khuếch đại này không chỉ phụ thuộc vào bước sóng truyền mà còn vào cường độ bơm và mật độ hạt trong vật liệu Nếu coi vật liệu là đồng nhất, có thể áp dụng công thức cụ thể để tính toán hiệu quả khuếch đại.
Trong đó, g0 đại diện cho giá trị đỉnh của độ lợi, ω là tần số của tín hiệu quang tới, ω0 là tần số truyền trung tâm, P là công suất của tín hiệu được khuếch đại và Ps là công suất bão hoà Công suất bão hoà Ps phụ thuộc vào các tham số của môi trường khuếch đại Hệ số T2, được gọi là thời gian hồi phục phân cực, thường nhỏ hơn 1 ps Công thức (2.1) mô tả các đặc tính quan trọng của bộ khuếch đại như băng tần độ lợi, hệ số khuếch đại và công suất đầu ra bão hoà Trong chế độ chưa bão hoà, khi P/Ps 3, bộ khuếch đại sẽ rơi vào trạng thái bão hòa, dẫn đến việc công suất bơm tăng lên đáng kể mà tăng ích vẫn không đổi Tuy nhiên, hiệu suất tăng ích của bộ khuếch đại sẽ giảm khi công suất bơm gia tăng.
Quan hệ giữa tăng ích và chiều dài sợi quang pha Erbium
Hình 2 12 Quan hệ giữa G và chiều dài sợi quang trộn Erbium tại bước sóng bơm 1480 nm
Tăng ích trong sợi quang pha tạp erbium ban đầu tăng theo chiều dài sợi, nhưng khi vượt quá một độ dài nhất định, tăng ích sẽ giảm dần Do đó, có một độ dài tối ưu để đạt được tăng ích tối đa, nhưng đây không phải là độ dài tốt nhất của sợi quang vì còn phụ thuộc vào nhiều đặc tính khác như tạp âm Thêm vào đó, hiệu suất tăng ích cũng bị ảnh hưởng bởi điều kiện bơm, bao gồm bước sóng và công suất bơm, trong đó bước sóng bơm phổ biến hiện nay là 980 nm và 1480 nm.
Hình 2 13 Hệ số khuếch đại phụ thuộc chiều dài sợi và phương thức bơm 2.5.2 Đặc tính công suất ra
Bộ khuếch đại quang lý tưởng khuếch đại tín hiệu quang theo tỷ lệ đồng nhất, bất kể công suất vào Tuy nhiên, bộ khuếch đại EDFA lại không hoạt động theo cách này Khi công suất vào tăng, bức xạ kích thích cũng tăng theo, dẫn đến sự khác biệt trong hiệu suất khuếch đại.
Công suất đầu ra tối đa của EDFA thường đạt được khi công suất đầu vào tăng thêm 3 dB, dẫn đến việc giảm 3 dB trong mức tăng ích bão hòa Đặc tính đầu ra bão hòa của EDFA phụ thuộc vào công suất bơm quang và chiều dài sợi quang pha tạp erbium; công suất bơm càng lớn thì công suất đầu ra bão hòa 3 dB càng cao Sự giảm nồng độ hạt và quang bức xạ bị kích yếu đi làm cho công suất ra có xu hướng ổn định, cho thấy tầm quan trọng của các tham số này trong việc tối ưu hóa hiệu suất của EDFA.
Tại đầu ra của bộ khuếch đại EDFA, tín hiệu quang ngoài tín hiệu chính còn bị ảnh hưởng bởi bức xạ tự phát, tạo ra nguồn tạp âm EDFA chủ yếu gặp bốn loại tạp âm: tạp âm tan hạt của tín hiệu quang, tạp âm tan hạt từ bức xạ tự phát được khuếch đại, tạp âm phách giữa các quang phổ ASE và tín hiệu, cùng tạp âm phách giữa các quang phổ ASE Trong số đó, hai loại tạp âm cuối có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt là tạp âm thứ ba, quyết định tính năng quan trọng của EDFA Đánh giá đặc tính tạp âm của EDFA thường thông qua hệ số tạp âm.
Tần phổ ASE truyền cùng chiều có mối quan hệ chặt chẽ với hiệu suất của bộ khuếch đại quang Khi công suất tín hiệu quang gia tăng nhanh chóng, dẫn đến sự chuyển ngược số hạt cao hơn, thì mức độ ASE đầu ra sẽ giảm Các phương thức bơm khác nhau cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số tạp âm trong hệ thống.
Hệ số tạp âm của các bộ khuếch đại quang sợi (EDFA) bị ảnh hưởng bởi phương thức bơm và bước sóng bơm khác nhau Cụ thể, EDFA bơm ở bước sóng 980 nm có hệ số tạp âm tốt hơn so với EDFA bơm ở 1480 nm, chênh lệch khoảng 1 - 2 dB Theo lý thuyết, giá trị hệ số tạp âm nhỏ nhất cho bất kỳ bộ khuếch đại quang nào là 3 dB, được gọi là giới hạn lượng tử của hệ thống tạp âm Với bơm ở bước sóng 980 nm, hệ số tạp âm cơ bản đạt gần đến giới hạn này, dao động từ 3.2 - 3.4 dB, trong khi bơm ở 1480 nm có hệ số tạp âm nhỏ nhất khoảng 4 dB Khi công suất đầu ra tăng, số hạt chuyển ngược lại giảm, dẫn đến hệ số tạp âm của EDFA kiểu bơm cùng chiều nhỏ nhất trong khu vực chưa bão hòa, nhưng có sự thay đổi ở khu vực bão hòa Hệ số tạp âm của bộ khuếch đại quang khi tăng chiều dài đối với bơm cùng chiều là ổn định nhất.
Hiện nay trên thị trường đã có EDFA đạt tăng ích trên 30 dB Hệ số tạp âm là
3 - 4 dB, công suất đầu ra của EDFA là 10 - 17 dBm, tại cửa sổ 1550 nm có băng tần 20 - 40 nm, do đó đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống nhiều kênh.
Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA
2.6 Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA
2.6.1 Kết cấu cơ bản của EDFA
Căn cứ theo phương thức bơm của EDFA chia thành 3 kết cấu cơ bản: bơm cùng chiều, bơm ngƣợc chiều và bơm hai chiều
Tín hiệu quang và bơm quang đƣa vào sợi quang trộn erbium trên cùng một chiều, hay còn gọi là bơm phía trước
Erb ium-doped fib er Transmission fiber
Hình 2 15 Kết cấu của EDFA bơm cùng chiều
Tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn erbium từ hai hướng khác nhau
Erb ium-doped fib er
Hình 2 16 Kết cấu EDFA bơm ngƣợc chiều
2.6.1.3 Bơm hai chiều Đây là kết cấu đồng thời bơm ngƣợc chiều và cùng chiều
Erb ium-doped fib er
Hình 2 17 Kết cấu EDFA bơm hai chiều
2.6.2 So sánh các đặc tính của ba phương thức bơm
2.6.2.1 Công suất của tín hiệu đầu ra và công suất bơm
Hình 2 18 Quan hệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất bơm
Trong hình vẽ, độ dốc tương ứng của bơm cùng chiều, ngược chiều và hai chiều lần lượt là 61%, 76% và 77% Do đó, khi bơm hoạt động trong điều kiện giống nhau, bơm cùng chiều sẽ có công suất ra thấp nhất.
2.6.2.2 Đặc tính bão hòa ở đầu ra
EDFA bơm cùng chiều có đầu ra bão hòa nhỏ nhất, trong khi EDFA bơm hai chiều đạt công suất ra lớn nhất Tính năng của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào chiều tín hiệu đầu vào, nhưng tổn hao phối ghép lại tương đối lớn Việc thêm một nguồn bơm cũng làm tăng chi phí.
2.6.3 Kết cấu EDFA tối ƣu
Các ứng dụng đa dạng đòi hỏi những tính năng khác nhau, vì vậy các nhà khoa học đã tiến hành cải tiến và tối ưu hóa kết cấu cơ bản để đáp ứng nhu cầu này.
Hình 2 19 Sơ đồ EDFA bơm kiểu phản xạ
Tín hiệu quang tại đầu vào được truyền qua bộ tách chùm vào EDF và trải qua hai lần khuếch đại: lần đầu qua kính phản xạ và lần hai qua EDF trước khi được đưa ra ngoài Bộ mạch vòng quang đảm bảo tín hiệu quang di chuyển theo một hướng với độ cách ly cao Phương pháp này sử dụng công suất bơm tương đối nhỏ nhưng vẫn đạt được mức tăng ích cao.
Để giải quyết vấn đề tăng ích không đồng đều của EDFA trong khuếch đại và ứng dụng WDM, các nhà khoa học đã điều chỉnh thành phần sợi quang, nhằm đảm bảo các tín hiệu nhiều bước sóng được khuếch đại đồng nhất Một phương pháp khác là sử dụng bộ cách ly sóng, giúp hấp thụ trị số đỉnh của công suất tại điểm tăng ích lớn nhất, từ đó đạt được mục tiêu làm phẳng tăng ích trong băng tần mở rộng.
2.6.4 EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều
Hình 2 20 Sơ đồ của EDFA hai chiều
EDFA là một loại khuếch đại hoạt động theo hai chiều, được cấu tạo bởi hai nhánh EDF mắc song song Trên mỗi nhánh, tín hiệu được khuếch đại theo hai chiều ngược nhau, dựa vào hướng của hai bộ truyền tín hiệu ở hai phía.
Các bộ khuếch đại quang sợi băng rộng
E-Band S-Band C-Band L-Band U-Band
Dist Raman + Fluoride EDFA 83 nm Dist Raman + Fluoride EDFA 80 nm TDFA 35 nm
Tellurite EDFA 76 nm Tellurite EDFA 62 nm EDFA 52 nm EDFA 47 nm
Hình 2 21 Sơ đồ vùng bước sóng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang
2.7.1 Bộ khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium (Pr) PDFA
PDFA hoạt động ở bước sóng 1310 nm đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng dung lượng và nâng cấp hệ thống thông tin hiện tại Mặc dù đã có những nghiên cứu về PDFA với tạp âm thấp và hiệu suất cao, nhưng hiệu suất bơm của chúng vẫn chưa đạt yêu cầu, dẫn đến tình trạng hoạt động không ổn định và nhạy cảm với nhiệt độ Tuy nhiên, một loại PDFA mới đã được chế tạo với tạp âm nhỏ, công suất cao, tăng ích tín hiệu lớn nhất đạt 40,6 dB và hệ số tạp là 5 dB Khi công suất đầu vào là 0 dBm, công suất đầu ra đạt 20,1 dBm.
2.7.2 EDFA trộn nhôm (Al) Để đạt được tăng ích bằng phẳng của EDFA, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là pha tạp nhôm cùng với Ebrium trong lõi Nhƣ vậy có thể thay đổi thành
Việc sử dụng 51 phần thủy tinh trong cấu trúc khuếch đại Er giúp thay đổi sự phân bố cấp năng lượng, mở rộng tần số khuếch đại Thêm vào đó, việc trộn nhôm vào sợi quang EDF có khả năng mở rộng dải bước sóng, mang lại hiệu suất khuếch đại tốt hơn.
Nâng cao nồng độ trộn nhôm ở 1550 nm sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất tăng ích ở 1540 nm, bất kể công suất tín hiệu nhỏ hay lớn Điều này giúp giảm sai số và tạo ra một tăng ích đồng đều hơn.
Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium-Flo (F-EDFA) sử dụng chất Flo làm vật liệu chính và sợi quang trộn Ebrium làm chủ thể, với công suất ASE trong khoảng sóng 1530-1560 nm, cho phép đảm bảo cân bằng tăng ích ở 30 nm F-EDFA đã được áp dụng trong hệ thống truyền dẫn nhờ vào khả năng tăng ích bằng phẳng rất tốt, tạo tiềm năng lớn cho ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn nhiều bước sóng Tuy nhiên, tính bền vững lâu dài của bộ khuếch đại sợi quang trộn Ebrium vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, và sợi quang Flo có khả năng hút nước, dẫn đến việc không thể kết nối nóng chảy với sợi quang thạch anh, buộc phải sử dụng phương pháp nối cơ học.
Hình 2 22 Công suất ASE theo bước sóng trong bộ EDFA sợi quang Flo
Bộ khuếch đại sợi quang Flo hoạt động hiệu quả ở bước sóng 1480 nm, giúp giảm thiểu tạp âm so với bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh bơm ở 980 nm, với sự chênh lệch tạp âm cao hơn 1dB Một số thiết kế hiện tại đã áp dụng bộ khuếch đại sợi quang trộn erbium thạch anh bơm quang 980 nm như một tầng trong cấu trúc khuếch đại nhiều tầng nhằm cải thiện hiệu suất khuếch đại.
52 đề này Khắc phục nhƣợc điểm trên thì bộ khuếch đại sợi quang trộn Flo có tiềm lực lớn
2.7.4 EDFA băng rộng trộn tellurium
Sợi quang tellurium có hiệu suất khúc xạ cao và cung cấp tiết diện phát xạ kích thích lớn hơn so với Flo và thạch anh Ở bước sóng 1600 nm, tiết diện phát xạ kích thích của Er 3+ tellurium gấp đôi so với Flo và thạch anh Tuy nhiên, tuổi thọ bức xạ của vật liệu tellurium ngắn, chưa đến 1/2 so với sợi quang Flo và thạch anh, và tiết diện phản xạ kích thích của nó cũng nhỏ Do đó, bộ khuếch đại ứng dụng sợi quang Erbium tellurium có khả năng khuếch đại băng rộng.
Sợi quang được sử dụng để chế tạo bộ khuếch đại quang tăng ích bằng phẳng với băng tần rộng Nghiên cứu đã cho ra đời EDFA tellurium, có khả năng khuếch đại tín hiệu băng rộng ở bước sóng 1550nm, đạt băng rộng tối đa lên đến 80nm, gấp đôi giá trị tốt nhất của EDFA hiện có Trong khoảng bước sóng 1530-1610nm, bộ khuếch đại này cung cấp độ tăng ích trên 20 dB và tăng ích bằng phẳng đạt 1,5dB Đặc tính băng rộng của bộ khuếch đại tellurium rất hấp dẫn đối với các hệ thống WDM.
EDFA pha tạp Si và Flo không thể khuếch đại tín hiệu ở bước sóng 1627nm, trong khi EDFA tellurium có khả năng hoạt động hiệu quả ở bước sóng 1634nm, cho thấy ưu điểm vượt trội của EDFA tellurium.
Hình 2 23 Phổ khuếch đại của EDFA tellurium
2.7.5 Bộ khuếch đại quang sợi Raman
Giai đoạn nghiên cứu tiếp theo của bộ khuếch đại sợi quang là bộ khuếch đại Raman, dựa trên hiệu ứng Raman - một hiện tượng tán xạ quang tử phi đàn hồi xảy ra khi truyền dẫn tín hiệu công suất cao trong sợi quang Tác động giữa quang và thanh tử tạo ra di tần của dây Stokes, cho phép điều chỉnh tần số này đến tần số tín hiệu cần khuếch đại thông qua việc chọn lựa sợi quang và tần số bơm phù hợp Một thách thức lớn đối với bộ khuếch đại Raman là lựa chọn loại bơm phù hợp và đạt hiệu ứng Raman ở mức cao khi dây khuếch đại hoạt động như một khoang cộng hưởng Hiện tại, bộ khuếch đại sợi quang có tăng ích 30dB và công suất ra bão hòa đạt +25dBm, rất lý tưởng cho ứng dụng làm bộ khuếch đại công suất.
2.7.6 Bộ khuếch đại sợi quang bán dẫn SOA
EDFA là công nghệ khuếch đại quang chủ yếu hiện nay, mặc dù SOA đã được nghiên cứu từ sớm nhưng gặp khó khăn do tạp âm và phân cực SOA có nhiều ưu điểm như cấu trúc đơn giản, sản xuất hàng loạt, giá thành thấp, tuổi thọ cao và tiêu hao công suất nhỏ Nó cũng dễ dàng kết hợp với các bộ phận khác, cho phép chế tạo bộ khuếch đại băng rộng ở các bước sóng 1310 và 1550nm, phù hợp với ứng dụng của EDFA và PDFA Hiện nay, nghiên cứu về cấu trúc của SOA đang được chú trọng và dự kiến sẽ được ứng dụng rộng rãi trong tương lai.
Hình 2 24 Sơ đồ kết cấu song song của EDFA
Việc sử dụng hai EDFA theo sơ đồ trên cho phép mở rộng băng tần khuếch đại về phía bước sóng dài, với dải tần rộng lên tới 60-80 nm, rất phù hợp cho các hệ thống WDM với tốc độ cao.
EDFA nhánh thứ nhất có phổ khuếch đại nằm ở băng C (1350-1560nm), EDFA nhánh thứ hai có phổ khuếch đại nằm ở băng sóng l (1570-1600nm)
Bộ khuếch đại sợi quang hai tầng EDFA được thiết kế với tầng đầu tiên bơm ở bước sóng 980nm để tạo ra nhiều ASE ban đầu thấp và độ khuếch đại cao Tầng thứ hai bơm ở bước sóng 1480nm nhằm đảm bảo độ ổn định và công suất ra cao Đặc biệt, tầng thứ hai sử dụng sợi quang trộn Flo trên nền EDF, chỉ bơm ở bước sóng 980nm để duy trì nhiễu ASE ban đầu thấp Thiết kế này giúp tạo ra phổ khuếch đại băng C khá bằng phẳng.
Tầng thứ hai sử dụng sợi quang EDF trộn silica, cũng đƣợc thiết kế theo kiểu hai tầng kế tiếp
Hình 2 25 Phổ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA song song
Giải pháp kĩ thuật cho tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại quang sợi
Thiết bị khuếch đại quang sợi mang lại khả năng thiết lập các tuyến truyền dẫn quang linh hoạt với công suất quang cao và khoảng cách truyền dẫn dài hơn Tuy nhiên, cần lưu ý đến các hiệu ứng phi tuyến, tán sắc, phân cực và nhiễu tích lũy khi sử dụng Việc ứng dụng công nghệ này vào các tuyến truyền dẫn phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng và chất lượng truyền dẫn trong từng trường hợp cụ thể Hiện nay, nghiên cứu đang tập trung vào hai vấn đề chính liên quan đến khuếch đại quang.
Nhiễu tích lũy (noise acummlation)
Điều chỉnh tán sắc (dispersion accommodate)
Để tối ưu hóa hiệu quả của bộ khuếch đại quang sợi, việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật tiên tiến là rất quan trọng, nhằm giải quyết hai vấn đề chính liên quan đến hiệu suất của thiết bị này.
Trong các hệ thống quang học sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang OFA, nhiễu tự phát ASE bị khuếch đại lên nhiều lần giống như tín hiệu ánh sáng Khi bức xạ ASE được khuếch đại tại mỗi bộ OFA, công suất tín hiệu sẽ giảm tương ứng so với mức nhiễu, dẫn đến khả năng công suất nhiễu có thể vượt qua công suất tín hiệu.
Nhiễu ASE được tích lũy cả trong và ngoài dải tần tín hiệu, dẫn đến việc giảm hệ số khuếch đại của OSA và tỉ số S/N của hệ thống Nhiễu phách liên quan đến ASE là yếu tố chính làm giảm tỉ số S/N, và mức độ nhiễu phách tăng theo số lượng bộ OFA, do đó lỗi bít BER cũng tăng theo số lượng các bộ OFA.
Nhiễu tích lũy trong các hệ thống sử dụng bộ lọc sẽ giảm khi qua các bộ lọc, nhưng bức xạ ASE trong băng tần tín hiệu vẫn tăng theo số lượng bộ OFA Để hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu tích lũy, cần giảm khoảng cách giữa các bộ OFA trong khi vẫn duy trì khuếch đại để bù suy hao trên đường truyền.
Có hai giải pháp làm giảm bức xạ ASE:
Sử dụng hiệu ứng tự lọc
Hiệu ứng tự lọc được áp dụng trong các hệ thống truyền dẫn sử dụng từ vài chục bộ OFA trở lên, giúp điều chỉnh bước sóng tín hiệu thành bước sóng tự lọc Điều này làm giảm nhiễu ASE tại bộ tách sóng, tương tự như việc sử dụng bộ lọc băng hẹp Để tối ưu hóa phương pháp này, khoảng cách giữa các bộ OFA cần được rút ngắn và chọn hệ số khuếch đại OFA nhỏ nhằm giảm thiểu mức nhiễu ASE ban đầu Tuy nhiên, trong các hệ thống chỉ sử dụng một vài bộ OFA, hiệu quả của phương pháp tự lọc không cao.
Hiệu ứng tự lọc phụ thuộc vào dạng phổ tín hiệu, tiết diện ngang bức xạ và hấp thụ, cũng như mức độ nghịch đảo độ tích lũy của OFA Bước sóng tự lọc có thể điều chỉnh thông qua biến đổi thành phần chế tạo EDFA, công suất quang nối vào, suy hao giữa các bộ khuếch đại, bước sóng bơm và chiều dài sợi EDFA Để đạt hiệu quả tối ưu, cần trùng ba bước sóng: bước sóng tín hiệu, bước sóng có hệ số tán sắc tối ưu và bước sóng tự lọc Một phương pháp cải thiện tỉ số S/N ở phía thu là sửa lỗi trước FEC (Forward error correcting), nhằm giảm tỷ lệ lỗi bit BER trong truyền số liệu, với mối quan hệ giữa tỷ số lỗi bit BER và S/N được xác định rõ ràng.
Trên cơ sở đã biết tỉ số S/N, ta có thể tính đƣợc độ nhạy thu đƣợc cải thiện trong trường hợp dùng FEC theo công thức sau
Với giả thiết ta chỉ tính nhiễu nhiệt của bộ thu quang: p = (1/p) {4.K.T.f(S/N)/R1} 1/2
P là công suất quang thu đƣợc W
Rt là giải điện trở tải
Vấn đề tán sắc trong đường truyền đã ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của công nghệ OFA trong mạng lưới viễn thông Bài viết này sẽ nghiên cứu các giải pháp hiệu quả nhằm khắc phục hiện tượng tán sắc, từ đó nâng cao hiệu suất truyền dẫn.
Dùng cáp quang có độ tán sắc dịch chuyển theo khuyến nghị G.653 của CCITT, trong đó hệ số tán sắc là 3ps/nm/km tại bước sóng = 1550nm
Sử dụng cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của CCITT với hệ số tán sắc 20 ps/nm/km tại bước sóng 1550nm là giải pháp khả thi và hiệu quả kinh tế cao Tuy nhiên, cần lưu ý các điều kiện giao diện quang theo khuyến nghị G.957 của ITU-T, như độ rộng phổ nguồn laser phải nhỏ hơn 1nm Giải pháp này cho phép khai thác tuyến cáp quang đã lắp đặt sẵn, loại sợi quang đơn mode G.652 đang phổ biến và có chi phí thấp hơn so với cáp quang theo khuyến nghị G.653.
Sử dụng thiết bị tán sắc thụ động (PDC) là một giải pháp quan trọng để điều chỉnh hệ số tán sắc trong dải bước sóng lựa chọn Hệ thống truyền dẫn SDH với tốc độ 165 Mbps kết hợp PDC và EDFA giúp nâng cao khoảng cách đầu cuối lên 120 km, gấp ba lần so với khoảng cách thông thường là 40 km.
Một giải pháp khắc phục tối ưu cho vấn đề tán sắc trong sợi quang là truyền dẫn soliton, hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm Phương pháp này sử dụng hiệu ứng phi tuyến để duy trì hình dạng xung ánh sáng trong quá trình truyền, thông qua kỹ thuật nén xung Để tối ưu hóa việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi, các nhà nghiên cứu cần giải quyết một số vấn đề quan trọng.
Nhiễu tích lũy do các bộ khuếch đại gây ra
Các hiệu ứng phi tuyến và các hiệu ứng phân cực
Dựa trên cơ sở đó, việc phân bố khoảng cách giữa các EDFA và hệ số khuếch đại của chúng cần được thực hiện một cách hợp lý Đối với các hệ thống cáp quang biển dài sử dụng các trạm lặp, ITU đã phân loại như sau:
Đối với tuyến dài trên 5.000 km khoảng cách giữa các bộ OFA vào khoảng
45 km (hạn chế do hiệu ứng phi tuyến phân cực chiếm ƣu thế)
Đối với các tuyến đường dài dưới 3.000 km, khoảng cách giữa các bộ OFA nên duy trì ở mức khoảng 90 km Điều này nhằm hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng nhiễu tích lũy và tối ưu hóa khả năng công suất bơm laser.
Hệ số khuếch đại của các bộ OFA trên từng tuyến cũng phụ thuộc vào chiều dài tuyến lắp đặt Cụ thể nhƣ:
G 12 dB đối với khoảng cách tuyến 9.000 km
G 14dB đối với khoảng cách tuyến 6.500 km
G 21 dB đối với khoảng cách tuyến 2.000 km