Phân loại hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ W
TruyÒn dÉn ghÐp b-íc sãng quang mét h-íng
Hệ thống truyền dẫn WDM một chiều được thiết lập bằng cách kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào một sợi quang tại đầu phát và tách chúng tại đầu thu để chuyển tới các bộ tách sóng quang Để thực hiện điều này, cần có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp tín hiệu từ các nguồn phát quang khác nhau Tại đầu thu, bộ tách kênh sẽ tách riêng các kênh quang tương ứng Do bộ tách sóng quang thường nhạy cảm với một dải rộng bước sóng, chúng có khả năng thu nhận toàn bộ bước sóng phát đi Vì vậy, việc cách ly tốt các kênh quang là cần thiết để ngăn chặn tín hiệu không mong muốn, đòi hỏi thiết kế bộ tách ghép kênh chính xác.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
TruyÒn dÉn ghÐp b-íc sãng quang hai h-íng
Hình vẽ 1.4 minh họa sơ đồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM theo hai hướng, cho phép phát và thu thông tin đồng thời Phương pháp này không giới hạn phát ở một đầu và thu ở một đầu, mà có thể phát thông tin theo hướng bước sóng 1 và thu thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng 2.
Hình 1.3 : Hệ thống truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang một h-ớng
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Cả hai hệ thống đều có những nhược điểm riêng biệt Nếu công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền một bước sóng trên một sợi quang, việc so sánh hai hệ thống sẽ cho thấy những khác biệt rõ ràng giữa chúng.
Hệ thống ghép bước sóng quang hai hướng có khả năng truyền tải dung lượng lớn gấp đôi so với hệ thống ghép bước sóng quang một hướng.
Khi xảy ra sự cố đứt cáp quang, hệ thống ghép bước sóng quang hai hướng có khả năng tự động nhận biết sự cố mà không cần cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS, nhờ vào khả năng nhận diện tức thì của cả hai đầu liên kết.
Thiết kế mạng cho hệ thống ghép bước sóng quang hai hướng gặp nhiều thách thức do cần xem xét các yếu tố như xuyên nhiễu từ nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang Điều quan trọng là phải đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều truyền trên sợi quang không sử dụng chung một bước sóng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Các bộ khuyếch đại trong hệ thống ghép bước sóng quang hai hướng có cấu trúc phức tạp hơn so với hệ thống một hướng Tuy nhiên, công suất quang tại ngõ ra của bộ khuyếch đại lại lớn hơn, do số lượng bước sóng trong hệ thống chỉ bằng 1/2 ở mỗi hướng so với hệ thống ghép bước sóng quang một hướng.
các cấu trúc cơ bản cho mạng WDM
CÊu tróc ®iÓm- ®iÓm
Cấu trúc điểm- điểm có thể thiết lập để kết nối hai điểm đầu cuối với nhau
Cấu trúc này có thể sử dụng cùng với các bộ xen rẽ quang OADM Khi sử dụng
OADM cho phép xen rẽ một phần l-u l-ợng tại một thời điểm bất kỳ trên tuyến
Cấu trúc này dùng để truyền tải với tốc độ cao từ 10 Gbps đến 40Gbps
Cấu trúc điểm- điểm là lựa chọn tối ưu cho các trạm phát- nhận ở khoảng cách vài trăm km, yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao, tính nguyên vẹn tín hiệu và độ tin cậy lớn Đặc biệt, cấu trúc này cho phép phục hồi đường truyền nhanh chóng khi gặp sự cố và chỉ cần sử dụng ít bộ khuyếch đại (dưới 10 bộ) giữa hai đầu cuối.
WDM điểm- điểm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải tín hiệu băng rộng, đánh dấu một bước đột phá quan trọng trong hệ thống thông tin quang sợi.
Cấu trúc điểm- điểm có hai thành phần chính là:
Thiết bị đầu cuối đ-ờng quang OLT thực hiện việc ghép và tách các kênh tín hiệu quang
Các trạm lặp thực hiện việc khuyếch đại mà không cần chuyển đổi tín hiệu quang thành điện
Khi muốn xen rẽ các b-ớc sóng thì cần phải lắp đặt thêm các bộ OADM trên tuyÕn nh- h×nh 1.5a
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Sợi bảo vệ Dòng lưu lượng
Hình 1.5: Cấu trúc điểm điểm và cơ chế bảo vệ
Cấu trúc mạng điểm-điểm không tự động cung cấp cơ chế bảo vệ khi xảy ra sự cố Để đảm bảo mạng hoạt động tin cậy, cần thiết phải xây dựng các cơ chế bảo vệ cho cấu trúc này Hai phương pháp phổ biến để xây dựng cơ chế bảo vệ là 1+1.
Trong cơ chế bảo vệ 1+1, hai sợi quang được sử dụng: một sợi làm việc và một sợi bảo vệ Tín hiệu quang được truyền trên cả hai sợi, và nếu có lỗi xảy ra trên sợi làm việc, hệ thống sẽ tự động chuyển sang sợi bảo vệ Sơ đồ này không yêu cầu báo hiệu giữa nơi nhận và nơi phát, giúp việc triển khai trở nên đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm lớn của cơ chế này là gây lãng phí tài nguyên hệ thống.
Trong cơ chế bảo vệ 1:1, hai sợi quang được sử dụng để kết nối hai điểm, với một sợi truyền dữ liệu và sợi còn lại làm nhiệm vụ dự phòng Khi sợi quang chính gặp lỗi, lưu lượng dữ liệu sẽ tự động chuyển sang sợi bảo vệ Việc chuyển mạch được kích hoạt tại nơi nhận nhưng cũng cần thực hiện tại nơi phát, do đó yêu cầu có thông tin báo hiệu giữa hai trạm thu và phát để thực hiện quá trình này.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow thông qua kênh chuyển mạch bảo vệ tự động APS và đ-ợc điều khiển bởi giao thức
APS Do có sử dụng thông tin báo hiệu nên cơ chế bảo vệ này cho thời gian khôi phục mạng chậm hơn cóơ chế 1+1.
CÊu tróc ring
Cấu trúc ring là một trong những hình thức phổ biến nhất trong mạng sử dụng công nghệ SDH, với tốc độ bít từ 622Mbps đến 10Gbps Hiện nay, cấu trúc này được cải tiến nhờ sự xuất hiện của các bộ OADM, mang lại khả năng bảo vệ hiệu quả khi xảy ra sự cố, đặc biệt trong các mạng SONET/SDH truyền thống Có hai loại cấu trúc ring chính: Ring WDM 2 sợi và Ring WDM 4 sợi.
Vòng ring WDM truyền dẫn tín hiệu với các bước sóng khác nhau, sử dụng thiết bị OADM và EDFA trong cấu trúc 2 sợi quang Các bộ OADM tại mỗi nút mạng cho phép lựa chọn và xác định các bước sóng trong quá trình hoạt động, cung cấp kết nối điểm-điểm qua các kênh quang Ưu điểm lớn nhất của mạng ring là cơ chế bảo vệ luồng, với cấu trúc WDM 2 sợi quang tiết kiệm hơn về mặt kinh tế do sử dụng ít sợi quang Trong khi đó, cấu trúc WDM 4 sợi yêu cầu nhiều sợi hơn nhưng không cải thiện đáng kể độ an toàn Thực tế cho thấy, lỗi thường gặp trên tuyến là đứt cáp, cả hai cấu trúc đều có khả năng khắc phục Do đó, cấu trúc ring WDM 2 sợi hiệu quả hơn cho mạng đô thị, trong khi cấu trúc WDM 4 sợi thường được sử dụng cho mạng đường dài.
Người ta thường kết hợp nhiều ring WDM 4 sợi để tạo thành mạng đường trục, giúp phát huy tối đa ưu điểm của cấu trúc này và sử dụng hiệu quả tài nguyên cáp quang.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Hình 1.6: Mạng ring WDM hai hướng 2 sợi quang
A C Đường làm việc Đường dự phòng
Hình 1.7: Mạng ring WDM hai hướng 4 sợi quang
Tín hiệu nhánh Tín hiệu nhánh
Cấu trúc mạng hình l-ới
Mạng hình lưới là một cấu trúc mạng quan trọng trong tương lai gần, với sự phát triển của kiến trúc mạng Mặc dù cấu trúc điểm-điểm và cấu trúc ring vẫn tồn tại, nhưng mạng hình lưới sẽ ngày càng được sử dụng nhiều hơn nhờ vào những lợi ích vượt trội của nó Sự phát triển này được thúc đẩy bởi sự gia tăng và phổ biến của các thiết bị đấu nối chéo quang và chuyển mạch quang.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Từ góc độ thiết kế, sự chuyển biến từ cấu trúc điểm-điểm sang cấu trúc hình lưới đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính linh hoạt của mạng Cấu trúc điểm-điểm sử dụng thiết bị OADM để kết nối các nút mạng, góp phần tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống mạng.
Khi chuyển đổi từ cấu trúc điểm-điểm sang cấu trúc mạng hình lưới, không cần thiết phải thiết kế lại mạng Hơn nữa, cấu trúc hình lưới và cấu trúc ring có thể kết nối với nhau thông qua cấu trúc điểm-điểm, như minh họa trong hình vẽ.
Mạng DWM hình lưới kết nối tất cả các nút trong mạng, đòi hỏi một cơ chế bảo vệ mới Khác với các cơ chế bảo vệ trước đây dựa vào sự dư thừa tài nguyên sợi quang, cấu trúc này dựa vào sự dư thừa bước sóng Điều này có nghĩa là kênh dữ liệu sẽ tự động thay đổi bước sóng khi truyền qua mạng nếu gặp sự cố ở tuyến hoặc chuyển mạch bước sóng trước đó.
HUB HUB Cấu trúc ring
WDM hình lưới Cấu trúc điểm -điểm
Hình1.8: Mạng kết hợp giữa cấu trúc ring, điểm- điểm và hình lưới
Mạng hình lưới đòi hỏi độ thông minh cao hơn để thực hiện chức năng bảo vệ và quản lý băng thông, bao gồm chuyển mạch sợi quang và bước sóng Lợi ích của sự linh hoạt trong cấu trúc này mang lại hiệu quả cao hơn Việc sử dụng sợi quang trong các cấu trúc mạng vòng sẽ được giảm thiểu nhờ cải thiện yêu cầu về số lượng sợi quang bảo vệ trên mỗi mạch vòng khi chuyển sang cấu trúc hình lưới Ngoài ra, chế độ bảo vệ và khôi phục dựa trên các tuyến chia sẻ sẽ yêu cầu ít sợi quang hơn mà vẫn duy trì cùng một lưu lượng, đồng thời tránh lãng phí các bước sóng chưa được sử dụng.
Mạng hình lưới phụ thuộc vào phần mềm quản lý, và giao thức MPLS được phát triển để hỗ trợ định tuyến hiệu quả qua mạng toàn quang.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Các tham số cơ bản của công nghệ WDM
Suy hao xen
Suy hao xen là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do sự hiện diện của các thiết bị ghép bước sóng quang WDM Suy hao này bao gồm suy hao từ các điểm ghép nối thiết bị WDM với sợi quang và suy hao do chính các thiết bị ghép gây ra Do đó, trong thiết kế tuyến, cần tính toán thêm vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được hiểu tương tự như suy hao ở các bộ ghép nối thông thường, nhưng khi làm việc với WDM, cần chú ý đến một bước sóng đặc trưng, với L i là suy hao tại bước sóng i khi thiết bị được ghép vào tuyến truyền dẫn.
Xuyên kênh
Xuyên kênh đề cập đến việc truyền tín hiệu từ một kênh sang kênh khác, với mức xuyên kênh cho phép nằm trong dải rộng tùy thuộc vào ứng dụng Tuy nhiên, mức xuyên kênh phải đảm bảo dưới -30dB trong mọi trường hợp Trong một bộ tách ghép kênh lý tưởng, không xảy ra hiện tượng dò tín hiệu từ kênh này sang kênh khác có bước sóng khác nhau Thực tế cho thấy luôn tồn tại một mức xuyên kênh nhất định, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng tách biệt các kênh được đánh giá qua suy hao xuyên kênh, được tính bằng đơn vị dB.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Theo sơ đồ đơn giản trong hình vẽ 1.9a, tín hiệu không mong muốn U i ( k) xuất hiện ở bước sóng k do hiện tượng dò tín hiệu tại cửa ra thứ i, trong khi chỉ có tín hiệu ở bước sóng i là mong muốn Trong thiết bị ghép - tách hỗn hợp như thể hiện ở hình vẽ 1.9b, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng tương tự như một bộ tách kênh Trong trường hợp này, cần xem xét lỗi xuyên kênh, cụ thể là “Xuyên kênh đầu xa”, do các kênh khác được ghép vào đường truyền gây ra, ví dụ như I( k) sinh ra.
U i ( k ) “Xuyên kênh đầu gần” l¯ do c²c kênh kh²c ở đầu v¯o sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị ví dụ nh- U i ( j )
1.4.3 Độ rộng kênh Độ rộng kênh là dải b-ớc sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng biệt Nếu nh- nguồn phát quang là các điốt Laser thì các độ rộng kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nano mét (nm) để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra (ví dụ nh- khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm trôi b-ớc sóng đỉnh) Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn.
cơ sở nền tảng của khuếch đại quang sợi pha erbium (EDFA)
Nguyên lý làm việc
Thiết bị khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu sử dụng sợi pha tạp Erbium (EDFA - Erbium-Doped Fiber Amplifier), là một đoạn sợi quang ngắn với lõi được pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium Các sản phẩm thương mại từ những nhà cung cấp lớn như Nortel, Lucent và Fujitsu thường tích hợp bộ khuếch đại quang trên một card, giúp việc thay thế và sửa chữa trở nên thuận tiện và linh hoạt Nguyên lý khuếch đại được thực hiện thông qua cơ chế bức xạ trong ba hoặc bốn mức năng lượng.
Các chất kích tạp và chất nhạy cảm chứa ion đất hiếm được sử dụng để pha tạp sợi dẫn quang với nồng độ khác nhau Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm, minh họa trong hình 1.10, cho thấy khi một điện tử ở trạng thái cơ bản (E1) được kích thích bởi nguồn bức xạ phù hợp, nó hấp thụ năng lượng và chuyển lên mức cao hơn (E2) Từ mức này, điện tử có thể phân rã trực tiếp về trạng thái cơ bản qua bức xạ, hoặc nếu có mức năng lượng thấp hơn (E3), nó sẽ chuyển không bức xạ tới mức đó Tại đây, điện tử có thể tiếp tục phân rã xuống mức E1.
E 4 (hình 1.10b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng l-ợng d- ra thu đ-ợc nhờ sự phát photon có b-ớc sóng dài hơn b-ớc sóng kích thích [19]
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Hình 1.10: Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b)
Sự so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường cho thấy rằng sự hấp thụ quang ở dải bước sóng 1550nm là rất thấp, chỉ khoảng 0,2dB/km, tương đương với 5% ánh sáng bị hấp thụ trong 1km Trong khi đó, nồng độ Erbium ở mức 100 phần triệu trong lõi sợi có thể dẫn đến sự hấp thụ lên đến 2dB/mét ở bước sóng bơm.
Hình 1.11: Phổ hấp thụ của sợi quang thông th-ờng và sợi quang Erbium
Quy luật chi phối các t-ơng tác Phôtôn- nguyên tử
Theo lý thuyết nguyên tử, một nguyên tử có thể bức xạ (tạo ra) hoặc hấp thụ
(tiêu huỷ) một Photon nhờ trải qua các chuyển dịch h-ớng xuống hoặc h-ớng lên
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào sự tương tác giữa nguyên tử và photon trong chế độ bức xạ xác định, với tần số gần bằng 0 Đặc biệt, năng lượng của photon được xác định bởi công thức h 0 = E 2 - E 1, nơi E 2 và E 1 là các mức năng lượng của nguyên tử.
Các photon có năng lượng phù hợp với chênh lệch mức năng lượng nguyên tử, dẫn đến các tương tác quan trọng trong điện động lực lượng tử Những tương tác này thường được nghiên cứu thông qua mô hình điện động lực lượng tử, bao gồm ba dạng chính: bức xạ tự phát, hấp thụ và bức xạ cưỡng bức.
Khi nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao, nó có khả năng tự giảm xuống mức năng lượng thấp hơn, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng photon.
Photon hν sẽ cung cấp năng lượng cho trường điện từ, và quá trình này được gọi là bức xạ tự phát Chuyển dịch trong quá trình này không phụ thuộc vào số lượng photon Tại lỗ hổng khối lượng V, mật độ xác suất (trên giây) hay tốc độ chuyển dịch tự phát phụ thuộc vào tần số ν, như minh họa trong hình 1.12.
Hàm () là một hàm hẹp của , tập trung vào tần số cộng hưởng 0, thể hiện phần chồng lấn chuyển dịch Mặc dù có thể tính toán () từ phương trình Schrodinger, quá trình này thường rất phức tạp Do đó, () thường được xác định bằng thực nghiệm Phương trình (1.3) áp dụng riêng cho mỗi mode có thể có cùng tần số .
Mật độ xác suất ( sp) đề cập đến khả năng bức xạ xảy ra trong khoảng thời gian từ t đến t + t, với giá trị sp t Do bản chất của mật độ xác suất, sp có thể vượt quá 1 (s -1).
Trong quá trình tính toán, khoảng thời gian Δt cần phải luôn nhỏ hơn 1 Nếu số lượng nguyên tử lớn hơn N, có thể áp dụng phương pháp gần đúng cho một phần của các nguyên tử trong khoảng thời gian Δt Vì vậy, ta có thể diễn đạt số lượng nguyên tử N một cách chính xác hơn.
Hình 1.12a: Bức xạ tự phát của
Photon cã tÇn sè nhê chuyÓn tiếp nguyên tử từ mức năng l-ợng 2 tới mức năng l-ợng 1
Hình 1.12b: Hấp thụ của Photon h dẫn tới chuyển tiếp lên của nguyên tử từ mức năng l-ợng 1 tới mức năng l-ợng 2
Hình 1.12c: Bức xạ c-ỡng bức là quá trình ở đó một Photon h kích thích nguyên tử phát xạ Photon vô tính vì nó trải qua chuyển tiếp h-íng xuèng
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow các nguyên tử e sp t
) ( phân rã theo hàm mũ với hằng số thời gian
1 sp nh- minh hoạ trên hình 1.13
Khi nguyên tử ban đầu ở mức năng lượng thấp hơn và bức xạ chứa một photon, photon có thể bị hấp thụ, dẫn đến việc nguyên tử tăng lên mức năng lượng cao hơn Quá trình này được gọi là hấp thụ, là sự chuyển dịch năng lượng xảy ra trong nguyên tử.
Photon chỉ xuất hiện khi mode chứa một Photon Mật độ xác suất hấp thụ Photon từ mode với tần số trong lỗ hổng khối lượng V bị chi phối bởi bức xạ tự phát sang mode đó.
Bức xạ tự phát đơn mode dẫn đến sự giảm số lượng nguyên tử bị kích thích theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian được xác định là 1/ρ sp.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Nếu có n Photon trong chế độ, mật độ xác suất mà nguyên tử hấp thụ một Photon sẽ tăng lên gấp n lần do sự loại trừ lẫn nhau giữa các khả năng xảy ra.
Khi một nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và có chứa một photon, nó có thể bị kích thích để phát ra một photon khác cùng mode Quá trình này được gọi là bức xạ cưỡng bức, ngược lại với hấp thụ Sự tham gia của photon trong một mode có tần số, hướng truyền sóng và phân cực đặc biệt sẽ kích thích bức xạ một photon có các đặc tính giống hệt như photon ban đầu Hiện tượng khuếch đại photon này là cơ sở cho hoạt động của các khuếch đại laser và laser Mật độ xác suất ρ_st, nơi quá trình này xảy ra trong một lỗ hổng khối lượng V, được chi phối bởi phần chồng lấn chuyển dịch.
Trong trường hợp hấp thụ, khi mode xuất phát chứa n Photon, mật độ xác suất để nguyên tử bị kích thích và phát ra thêm một Photon sẽ được xác định.
Sau khi bức xạ, mode bức xạ chứa n+1 photon, với P st = P ab, do đó ký hiệu W i được sử dụng cho mật độ xác suất của cả bức xạ cưỡng bức và hấp thụ Bức xạ tự phát bổ sung vào bức xạ cưỡng bức, dẫn đến tổng mật độ xác suất của nguyên tử bức xạ một photon sang mode là ρ sp + P st = (n + 1)V c σ(ν) Theo quan điểm điện động lực lượng tử, bức xạ tự phát có thể được coi như bức xạ cưỡng bức do các dao động mode ở điểm không Do năng lượng tại điểm không không thể đạt được cho hấp thụ, P ab tỷ lệ với n thay vì (n + 1) Ba tương tác có thể xảy ra giữa một nguyên tử và một lỗ hổng mode bức xạ bao gồm bức xạ tự phát, hấp thụ và bức xạ cưỡng bức.
Các quan hệ cơ sở đã được quy định đóng vai trò quan trọng trong việc chi phối các tương tác giữa photon và nguyên tử Quy luật này là yếu tố then chốt trong việc hiểu rõ các hiện tượng vật lý liên quan đến ánh sáng và vật chất.
1.5.3 Các ph-ơng trình tốc độ đối với mô hình ba mức của Er 3+
Cấu hình bơm EDFA
Để khuếch đại tín hiệu ánh sáng, các bộ khuếch đại quang cần nguồn công suất bên ngoài nhằm cung cấp năng lượng cho tín hiệu đầu vào Quá trình bơm cung cấp công suất này thông qua kích thích điện tử, giúp nguyên tử chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức cao hơn Để đạt được khuếch đại, bơm phải tạo ra nghịch đảo nồng độ trên các chuyển dịch có lợi Thông thường, EDFA được thiết kế để hoạt động với ánh sáng bơm và tín hiệu truyền theo cùng hướng, gọi là bơm thuận Ngoài ra, ánh sáng bơm cũng có thể truyền ngược lại với hướng truyền sóng, tạo ra sự kết hợp giữa bơm thuận và bơm ngược.
Các cấu hình bơm khác nhau được thể hiện trong hình vẽ 1.19a, b, c, và sự khác biệt này xuất phát từ sự phân bố ánh sáng bơm trong sợi quang.
Ánh sáng bơm từ điốt Laser (LD) 0,98/1,48 μm kết hợp với ánh sáng tín hiệu 1,55 μm thông qua gương lưỡng hướng sắc, cho phép ánh sáng 1,55 μm đi qua trong khi phản xạ ánh sáng 0,98/1,48 μm Các bộ cách ly quang không nhạy cảm với phân cực nhưng nhạy cảm với hướng truyền sóng, giúp ngăn chặn sóng phản xạ ngược trở lại sợi quang Bộ lọc quang được lắp ở kết cuối của bộ khuếch đại nhằm ngăn chặn ánh sáng bơm thoát ra và loại bỏ nhiễu bức xạ tự phát (ASE) Để giảm thiểu nhiễu ASE từ điểm quan sát, bộ lọc dải băng hẹp sẽ được sử dụng.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Trong tr-ờng hợp bơm thuận, nh- thể hiện thên hình vẽ 1.19a,
N 2 1 lín nhất ở đầu vào kết cuối sợi quang Điều này có nghĩa hệ số nghịch đảo nồng độ
Khi so sánh nhiễu ASE ở đầu vào và đầu ra, ta nhận thấy rằng nhiễu ở đầu vào nhỏ hơn so với đầu ra Trong trường hợp khuếch đại hai tầng với hệ số nhiễu khác nhau, việc lắp đặt bộ khuếch đại có nhiễu thấp trước bộ khuếch đại có nhiễu cao sẽ mang lại đặc tính nhiễu chung tốt hơn Do đó, bơm thuận thể hiện đặc tính nhiễu ưu việt hơn so với bơm ngược.
Cấu hình bơm ng-ợc
Trong trường hợp bơm ngược, công suất tín hiệu bão hòa cao hơn so với bơm thuận, với cường độ tín hiệu gần bão hòa ở cuối sợi quang khuếch đại Khi công suất bơm tăng, cường độ tín hiệu bão hòa cũng tăng theo, và công suất bơm lớn nhất cần thiết để nâng cao tín hiệu bão hòa Điều này không chỉ làm tăng công suất tín hiệu bão hòa mà còn nâng cao toàn bộ độ khuếch đại của bộ khuếch đại Tuy nhiên, nếu công suất bơm tiếp tục tăng, độ khuếch đại có thể bão hòa và tổng công suất sẽ giảm Do đó, bơm ngược mang lại lợi ích về công suất bão hòa và độ khuếch đại cao hơn so với bơm thuận.
Bộ cách ly Bộ cách ly
Bơm LD 0,98/1,48 m Hình 1.19 a: Sơ đồ cấu hình bơm EDFA theo h-ớng thuận
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Cấu hình bơm hai h-ớng
Trong trường hợp bơm theo hai hướng, như thể hiện trên hình vẽ 1.19c, việc này mang lại lợi ích về chi phí và mức độ phức tạp Sơ đồ cấu hình bơm hai hướng cho phép tận dụng những ưu điểm, đồng thời giảm thiểu tác động bất lợi của từng loại sơ đồ bơm thuận hoặc bơm ngược.
Bộ cách ly Bộ cách ly
Bơm LD 0,98/1,48 m Hình 1.19 b: Sơ đồ cấu hình bơm EDFA theo h-ớng ng-ợc
Bộ cách ly Bộ cách ly
Bơm LD 0,98/1,48 m Hình 1.19 c: Sơ đồ cấu hình bơm EDFA theo hai h-ớng
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Vai trò của EDFA, các yêu cầu về mạng và dải rộng của
Vai trò của EDFA trong mạng thông tin quang WDM
Công nghệ thông tin quang đang chuyển mình từ các hệ thống điểm - điểm sang mạng quang, với EDFA đóng vai trò quan trọng trong mạng quang WDM Các chức năng khác nhau của EDFA được sử dụng trong hệ thống truyền dẫn quang, với việc khuếch đại tín hiệu quang tại đầu phát và đầu thu Tại đầu phát, nhiều kênh quang được ghép lại và khuếch đại bởi bộ khuếch đại công suất trước khi truyền qua sợi quang Tại đầu thu, tín hiệu WDM được khuếch đại bởi bộ tiền khuếch đại trước khi phân tách thành các kênh riêng biệt Các bộ khuếch đại đường truyền giúp kéo dài khoảng cách truyền dẫn, trong khi khả năng xen/rẽ bước sóng và kết nối chéo quang của EDFA cho phép mở rộng chức năng mạng quang và bù đắp cho suy hao của các thành phần thụ động.
Bảng 1.2 : Vai trò của EDFA trong các mạng quang Chức năng/đặc tr-ng mạng EDFA Chức năng EDFA
Hệ thống truyền dẫn Khuếch đại ®-êng truyÒn
Khuếch đại tuần hoàn các tín hiệu quang bị suy hao do sợi quang dẫn
Tăng c-ờng công suất quang sang sợi quang dÉn
Tiền khuếch đại Tăng c-ờng công suất tín hiệu sang bộ thu
Kết nối chéo quang Bù đối với suy hao
Xen/rẽ b-ớc sóng Bù đối với suy hao
Hệ thống quảng bá Tăng c-ờng công suất đối với phân bố
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Các yêu cầu mạng đối với EDFA trong mạng thông tin quang WDM
Một EDFA lý tưởng cần đáp ứng các đặc trưng quan trọng như được liệt kê trong bảng 1.3, phản ánh yêu cầu chủ yếu cho các ứng dụng mạng khác nhau Các đặc trưng khuếch đại thường được phân loại thành tham số tĩnh và tham số động Để đạt được các tham số tĩnh tối ưu, các EDFA cần có hai hoặc nhiều tầng hơn.
Bảng 1.3: Khả năng có thể của đặc tr-ng EDFA với các yêu cầu mạng Đặc tr-ng bộ khuếch đại
Các hệ thèng đ-ờng dài
ChuyÓn mạch và định tuyến
Thay đổi số l-ợng kênh Độ khuếch đại cao x Độ khuếch đại bằng phẳng x x
Công suất đầu ra cao x x
Kiểm soát thay đổi đột biến x
Kiểm soát động bộ khuếch đại trong hệ thống WDM
Ngày nay, các bộ khuếch đại EDFA được sử dụng trong mạng quang đa bước sóng để bù đắp cho suy hao của sợi quang và các phần tử trong mạng Trong các ứng dụng này, các bộ khuếch đại thường hoạt động ở chế độ bão hòa Khi mạng được tái cấu hình hoặc gặp sự cố, số lượng tín hiệu WDM qua bộ khuếch đại sẽ thay đổi, dẫn đến công suất của các kênh còn lại tăng hoặc giảm do hiệu ứng bão hòa Việc tách các kênh có thể gây sai lệch cho các kênh khác, làm cho công suất của chúng thấp hơn độ nhạy thu.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow lệch các kênh trong mạng, phải kiểm soát những thay đổi đột biến công suất tín hiệu
Do hiệu ứng bão hòa, tốc độ thay đổi động độ khuếch đại trong một EDFA cần nhanh hơn thời gian duy trì tự phát khoảng 10ms Hằng số thời gian khôi phục độ khuếch đại trong các bộ khuếch đại một tầng dao động từ 110 đến
Hằng số thời gian thay đổi động độ khuếch đại trong các EDFA phụ thuộc vào bão hòa do công suất bơm và công suất tín hiệu, với giá trị khoảng 340 s Sự phát triển của các EDFA công suất cao cho hệ thống thông tin đa kênh đã làm tăng hệ số bão hòa và giảm hằng số thời gian thay đổi đột biến xuống còn khoảng 10 s trong EDFA hai tầng Hình vẽ 2.9 minh họa tác động của sự thay đổi đột biến công suất kênh còn lại trong các trường hợp tách ra 1, 4 và 7 kênh trong hệ thống 8 kênh Cụ thể, trong trường hợp tách ra 7 kênh, hằng số thời gian thay đổi đột biến là khoảng 52 s, và sự thay đổi này diễn ra nhanh hơn khi số lượng kênh tách ra giảm Hằng số thời gian có thể giảm xuống còn 29 s khi chỉ còn 1 trong 8 kênh tách ra.
Phương trình tốc độ cho các photon và các trạng thái nghịch đảo cao hơn (4I13/2) và thấp hơn (4I15/2) có thể được xác định dựa trên công thức gần đúng liên quan đến động tác thay đổi đột biến.
Hình 1.20 : Đo đạc và tính toán những thay đổi đột biến công suất còn lại đối với các tr-ờng hợp tách ra 1, 4 và 7 kênh trong số 8 kênh WDM
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Công suất quang tại thời điểm t = 0 và t = được ký hiệu là P(0) và P() Thời gian phân rã trung bình e là yếu tố quan trọng trong việc phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, như thể hiện trong hình vẽ 1.20 Mô hình đáp ứng thay đổi đột biến cho thấy sự tương thích tốt với số liệu thực nghiệm Nó được áp dụng để tính toán các sai lệch công suất nhỏ (dưới dạng dB) trong các kênh tách ra 1, 4 và 7 Thời gian cần thiết để hạn chế sai lệch công suất xuống còn 1 dB là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này.
Khi 4 và 7 kênh bị tách ra, thời gian đáp ứng của EDFA cần nhanh hơn để điều chỉnh những biến động đột ngột trong công suất tín hiệu Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, khi 4 trong số 8 kênh WDM đột ngột mất đi, công suất đầu ra của mỗi EDFA trong chuỗi giảm 3 dB, trong khi công suất của các kênh còn lại tăng gấp đôi để duy trì công suất đầu ra khuếch đại bão hòa Mặc dù các thay đổi động của một EDFA riêng lẻ không ảnh hưởng đến chuỗi khuếch đại dài hơn, nhưng những biến động công suất nhanh có thể gây ra tác động kết hợp trong chuỗi các bộ khuếch đại Để giảm thiểu tác động tiêu cực trong mạng WDM, các sai lệch công suất của các kênh còn lại cần được kiểm soát trong giới hạn nhất định tùy thuộc vào dự trữ hệ thống Trong nghiên cứu về mạng quang đa bươc sóng (MONET), thời gian đáp ứng của EDFA được chia thành ba vùng: xáo trộn ban đầu, dao động trung gian và trạng thái ổn định cuối cùng Trong vùng xáo trộn ban đầu, độ khuếch đại của EDFA tăng tuyến tính theo thời gian, và công suất đầu ra của hệ thống tăng theo số lượng EDFA, với giả định rằng tất cả EDFA hoạt động tương tự nhau.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
KÕt luËn
Nguồn phát quang
Nguồn phát quang là thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang Tín hiệu quang này có thể được điều chế bằng sóng ánh sáng liên tục hoặc qua các thiết bị phát sáng điều chế trực tiếp.
Khi thiết kế hệ thống quang, nguồn phát quang luôn đ-ợc đặc biệt chú trọng
Các đặc tính của nó có ảnh h-ởng rất lớn đến hiệu quả cuối cùng của tuyến quang
Trong hệ thống truyền dẫn quang, hai loại thiết bị phát quang chính là Điốt phát quang (LED) và Điốt laser (Laser bán dẫn - LD) LED có tốc độ tương đối chậm, thường được sử dụng cho các ứng dụng dưới 1Gbps và trong các hệ thống sợi quang đa mode Ngược lại, laser bán dẫn có hiệu suất tốt hơn và thích hợp cho các ứng dụng sử dụng sợi quang đơn mode.
Hệ thống WDM sử dụng laser bán dẫn đơn mode như nguồn phát quang chính, đáp ứng hầu hết các yêu cầu cần thiết cho hệ thống truyền tải quang.
Hệ thống WDM sử dụng các nguồn phát tương tự như hệ thống truyền dẫn quang đơn kênh cự ly dài, nhưng có độ rộng phổ hẹp và phổ vạch, cho phép truyền tải nhiều kênh thông tin trên cùng một sợi quang.
Formatted: Indent: Left: 0", First line: 0,5",
Bulleted + Level: 1 + Aligned at: 0,25" + Tab after: 0,5" + Indent at: 0,5"
In Wavelength Division Multiplexing (WDM), DFB and DBR lasers are commonly utilized due to their single spectral line within their spectrum The spectral width is influenced by the tolerance of the components and the number of channels in the system.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong hệ thống WDM, việc duy trì độ ổn định của bước sóng phát là rất quan trọng Sự thay đổi của bước sóng nguồn phát cần được giảm thiểu trong suốt thời gian hoạt động nhằm tránh những ảnh hưởng không mong muốn đến các chỉ tiêu của hệ thống.
Các laser khả chỉnh đóng vai trò quan trọng trong mạng truyền tải quang tương lai, đặc biệt là trong các mạng quảng bá Khả năng điều chỉnh của các bộ phát và thu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống.
Nguồn phát đa bước sóng là một yêu cầu quan trọng của mạng tương lai, với khả năng đáp ứng nhanh đối với các nguồn khả chỉnh Để đạt được điều này, việc tích hợp nhiều laser có bước sóng khác nhau trên cùng một nền tảng là cần thiết Kiểu laser này cho phép đáp ứng đồng thời với nhiều bước sóng và có khả năng điều chỉnh nhanh chóng bằng cách lựa chọn bước sóng phát.
Các bước sóng cho nguồn phát laser trong hệ thống WDM điểm-điểm có khoảng cách bước sóng 100GHz và bước sóng trung tâm 1553.52nm được quy định bởi tiêu chuẩn G.692 của ITU-T, như thể hiện trong bảng 2.1 (23) dưới đây.
Bảng 2.1: Các b-ớc sóng của hệ thống WDM [12]
Sure, please provide the content of the article you'd like me to rewrite.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Sợi quang
Sợi quang là môi trường truyền ánh sáng với độ suy hao thấp, được chế tạo từ SiO2, nguyên liệu rẻ và phổ biến trong cát Sợi quang có ba cửa sổ truyền dẫn ứng với ba bước sóng khác nhau.
Trong lĩnh vực viễn thông, các bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm được ưu tiên sử dụng do có mức suy hao thấp nhất Tại Việt Nam, các mạng viễn thông thường áp dụng vùng cửa sổ thứ ba, với bước sóng 1550nm, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
Trong các hệ thống thông tin quang, có một số loại sợi quang cơ bản thường được sử dụng, bao gồm sợi đơn mode (SMF), sợi đa mode (DFS), sợi phân tán không đồng nhất (NDSF) và sợi không đồng nhất với độ phân tán thấp (NZ).
Các tham số của sợi SMF đ-ợc chỉ rõ trong bảng 2.2 (20) d-ới đây:
Bảng 2.2: Các tham số của sợi SMF [9]
Các tham số Giá trị
Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single
The mode field diameter at 1310nm is specified to be between 9 to 10 micrometers with a tolerance of ±10% The outer diameter of the reflective coating is 125 micrometers with a tolerance of ±3 micrometers Additionally, the mode field diameter at the wavelength of 1550nm is characterized by its concentricity.
1m Độ không tròn đều của tr-ờng mode Rất nhỏ, không ảnh h-ởng đến lan truyền và đấu nối tín hiệu Độ không tròn đều của vỏ phản xạ 2%
Suy hao uốn cong tại b-ớc sóng
1dB khi uốn cong 100 vòng với bán kÝnh uèn cong 37.5nm
Hệ số suy hao 0.5dB/km ở vùng b-ớc sóng 1310nm
0.3 dB/km ở vùng b-ớc sóng 1550nm
Hệ số tán sắc 3.5 ps/nm.km ở vùng b-ớc sóng
6 ps/nm.km ở vùng b-ớc sóng (1270- 1340nm)
20 ps/nm.km ở vùng b-ớc sóng 1550nm
Dạng mặt cắt chiết suất Th-ờng có dạng mặt cắt chiết suất phân bËc
Sợi SMF cho phép truyền tải dữ liệu lên đến 100km với tốc độ STM-16 mà không cần bộ bù tán sắc Tuy nhiên, khi sử dụng tốc độ STM-64, khoảng cách tối đa chỉ đạt khoảng 60km nếu không có bộ bù tán sắc Do tán sắc lớn ở vùng bước sóng 1550 nm, hiệu ứng FWM không xảy ra trong sợi SMF.
Bảng 2.3: Các tham số của sợi DSF (21[10])
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Các tham số Giá trị Đ-ờng kính tr-ờng mode tại 1550nm (7 8.3m)10% Đ-ờng kính vỏ phản xạ 1252.4m Độ đồng tâm của tr-ờng mode tại b-íc sãng 1550nm
1m Độ không tròn đều của tr-ờng mode Rất nhỏ, không ảnh h-ởng đến lan truyền và đấu nối tín hiệu Độ không tròn đều của vỏ phản xạ 2%
Suy hao uốn cong tại b-ớc sóng
0.5dB khi uốn cong 100 vòng với bán kÝnh uèn cong 37.5nm
Hệ số suy hao 0.35dB/km ở vùng b-ớc sóng 1550nm
0.5dB/km ở vùng b-ớc sóng 1300nm
Hệ số tán sắc 3.5 ps/nm.km ở vùng b-ớc sóng (1285-
Loại sợi này rất phù hợp cho các hệ thống đơn kênh với cự ly dài và dung lượng lớn, nhưng không nên sử dụng cho các hệ thống WDM Nếu tuyến đang sử dụng loại sợi này và muốn nâng cấp dung lượng bằng kỹ thuật WDM, cần chọn vùng bước sóng có tán sắc nhỏ.
(nh-ng không bằng không) để tránh hiệu ứng FWD Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung l-ợng củ hệ thống
Sợi quang đơn mode loại này gọi là sợi quang có tán sắc không dịch chuyển
Sợi NDSF (sợi quang không phân cực) có nhược điểm là bước sóng hoạt động cho tán sắc đơn sắc không (gọi là λ0) ở bước sóng 1310 nm Bước sóng truyền dẫn sử dụng bộ khuếch đại EDFA chịu ảnh hưởng đáng kể từ tán sắc đơn sắc, do đó cần thiết phải bù tán sắc Phạm vi suy hao của sợi này dao động từ 0,21 đến 0,25 dB/km.
Bảng 2.4: Các tham số của sợi NZ-DSF [11](22)
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Các tham số Giá trị Đ-ờng kính tr-ờng mode tại
(8 11m)10% Đ-ờng kính vỏ phản xạ 1252m Độ đồng tâm của tr-ờng mode tại b-íc sãng 1550nm
1m Độ không tròn đều của tr-ờng mode
Rất nhỏ, không ảnh h-ởng đến lan truyền và đấu nối tín hiệu Độ không tròn đều của vỏ phản xạ 2%
Suy hao uốn cong tại b-ớc sóng
0.5dB khi uốn cong 100 vòng với bán kÝnh uèn cong 37.5nm
Hệ số suy hao 0.35dB/km ở vùng b-ớc sóng 1550nm
Hệ số tán sắc 3.5 ps/nm.km D min D mã 6 ps/nm.km và 1530nm min mã 1565nm Tán sắc mode phân cực 0.5 ps/nm.km
Sợi quang này có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ 10Gbps trên khoảng cách 300-400km mà không cần bù tán sắc, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của FWM trong dải băng của EDFA Chính vì vậy, nó rất phù hợp cho các hệ thống WDM tốc độ cao và cự ly truyền dẫn lớn.
Thiết bị thu quang
Tại đầu thu của hệ thống quang, thiết bị chuyển đổi chùm ánh sáng thành tín hiệu điện là rất quan trọng Các bộ thu quang cần đáp ứng các yêu cầu khắt khe như độ nhạy cao đối với nhiều bước sóng, mức nhiễu thấp, chi phí hợp lý và thời gian hoạt động lâu dài Hệ thống WDM sử dụng các bộ tách quang như PIN và APD, trong đó hai đặc tính quan trọng nhất của bộ tách quang PIN là hiệu suất lượng tử (QE) và độ đáp ứng Hiệu suất lượng tử phản ánh tỷ lệ giữa số electron thu được và số photon tới, với hiệu suất tuyệt đối đạt 1 khi mỗi photon giải phóng một electron.
Độ đáp ứng của PIN có thể được biểu diễn thông qua bước sóng, phụ thuộc vào hoạt động của nó, theo công thức dưới đây.
Giá trị điển hình của độ đáp ứng R là 0.65 A/W đối với PIN dùng silic tại b-ớc sóng 850nm và 0.45 A/W đối với PIN dùng Germanium tại b-ớc sóng
Dạng cơ bản của một APD là một photodiode PIN có thể hiệu ng-ợc rất lớn
Khi sử dụng APD, cần chú ý đến các tham số quan trọng như độ nhạy, tốc độ hoạt động, tích độ tăng ích, băng tần và mức độ nhiễu để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Thiết bị tách/ ghép kênh quang
Thiết bị tách ghép kênh quang (Optical Terminal Multiplex- OTM) đ-ợc biểu diễn nh- trong hình vẽ 1.4 ch1 ch2 chN
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị tách ghép kênh quang
OTM là một thành phần trong mạng hai chiều, có khả năng tiếp nhận N kênh quang trong hướng truyền đi Mỗi kênh quang này được đặc trưng bởi một mức công suất tín hiệu quang và tỷ số tương ứng.
SNR được xác định theo các chỉ tiêu kỹ thuật đã quy định OTM xác định bước sóng cho từng kênh quang tại đầu vào dựa trên các bước sóng đã được định nghĩa trước đó Đầu ra của thiết bị này chứa tín hiệu ghép kênh với N bước sóng (sóng mang) Tín hiệu đầu ra đặc trưng bởi băng tần quang tổng, công suất quang tổng, công suất mang trên mỗi sóng mang và tỷ số SNR của từng sóng mang.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Trong quá trình thu tín hiệu, bộ OTM tiếp nhận tín hiệu ghép kênh theo bước sóng, sau đó phân tách tín hiệu thành các sóng mang tương ứng ở đầu vào của bộ ghép kênh Cuối cùng, nó truyền N kênh quang đến các đầu ra riêng biệt.
B-ớc sóng của từng kênh quang có thể thay đổi so với khi nó đ-ợc chèn vào hay tách ra từ các bộ ghép/tách kênh Vì thế, trong OTM có thể cần đến một bộ chuyển đổi b-ớc sóng Điều này đặc biệt có ý nghĩa nếu có một số hệ thống SDH cùng tồn tại (giao diện quang G.957) đ-ợc ghép kênh cùng với nhau, trong tr-ờng hợp đó, các b-ớc sóng của một vài hệ thống sẽ phải thay đổi cho phù hợp để đ-a vào các kênh của OTM Hiện tại với công nghệ này, việc thay đổi b-ớc sóng đ-ợc thực hiện chủ yếu nhờ bộ chuyển đổi O/E/O Các bộ chuyển đổi b-ớc sóng photonic ít đ-ợc sử dụng hơn Thay đổi b-ớc sóng có thể đ-ợc thực hiện nhờ bộ chuyển đổi đứng độc lập, tách biệt với bộ ghép kênh của nó
Các chức năng khác có thể có của OTM là:
Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/ suy giảm)
Chèn, tách, và xử lý các thông tin mào đầu của lớp kênh quang (nếu cần đến giao diện thích nghi quang, ví dụ: G.957 hoặc G.mcs)
Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của đoạn truyền dẫn quang
Hỗ trợ các kênh giám sát và kênh thông tin ng-ời sử dụng
Kiểm soát tín hiệu quang
Các chức năng tách và ghép kênh sử dụng nhiều loại bộ lọc băng hẹp như bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử sợi Bragg, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp (AWG) và bộ lọc Fabry-Perot Khi lựa chọn bộ tách ghép kênh, cần chú ý đến các thông số quan trọng như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, cũng như xuyên âm đầu gần và đầu xa.
Thiết bị khuyếch đại quang
Trong các hệ thống truyền dẫn quang, bộ khuyếch đại quang đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khoảng cách truyền dẫn Khi tín hiệu di chuyển trong môi trường sợi quang, sự suy giảm công suất và tán sắc ánh sáng gây hạn chế cho khoảng cách truyền dẫn Do đó, việc sử dụng khuyếch đại quang giúp tăng cường khả năng truyền tín hiệu xa hơn và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến suy hao tín hiệu.
Các bộ khuyếch đại quang, như EDFA và RAMAN, có khả năng khuyếch đại tất cả các bước sóng đồng thời mà không cần chuyển đổi quang-điện-quang Chúng có thể được sử dụng trên các tuyến quang, cũng như sau khi tín hiệu đã được ghép kênh hoặc trước khi phân kênh Sự phát triển của các bộ khuyếch đại này đã mang lại nhiều ưu điểm cho các hệ thống WDM hiện nay.
EDFA nh- đã thoả luận ở ch-ơng II của luận văn này, nên nó đ-ợc sử dụng chủ yếu trong các hệ thống WDM
Tuỳ theo chức năng mà ng-ời ta chia các bộ khuyếch đại quang thành 3 loại:
Khuyếch đại công suất, khuyếch đại đ-ờng dây, tiền khuyếch đại nh- thể hiện ở h×nh 2.2
Bộ khuyếch đại công suất (BA) đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường tín hiệu quang trước khi truyền vào sợi quang Chức năng chính của bộ khuyếch đại này là nâng cao công suất tín hiệu đến mức tối đa, từ đó gia tăng khoảng cách truyền dẫn Yêu cầu cốt lõi của BA là tạo ra công suất tín hiệu đầu ra cực đại Thiết bị EDFA với công suất bão hòa lớn thường được sử dụng ngay sau bộ phát (Tx) để nâng cao mức công suất tín hiệu.
Do mức công suất ra t-ơng đối cao nên tạp âm ASE có thể bỏ qua và do đó đối với
BA không yêu cầu nghiêm ngặt về việc sử dụng bộ lọc tạp âm, nhưng với công suất ra cao, nó có thể gây ra hiện tượng phi tuyến Chức năng khuếch đại quang (OA) có thể được tách riêng hoặc kết hợp với Tx, và BA có khả năng tích hợp hoặc tách rời với Tx.
Bộ khuyếch đại đường dây (LA) được lắp đặt trong tuyến truyền dẫn sợi quang nhằm bù lại sự mất mát công suất do suy hao sợi và phân phối tín hiệu trong mạng Độ ổn định trên toàn bộ dải thông WDM là yêu cầu chính của bộ khuyếch đại này, đặc biệt khi nhiều bộ khuyếch đại được lắp nối tiếp Ngoài ra, LA cần duy trì mức tạp âm cực tiểu và thực hiện kết nối sợi quang hiệu quả Là thiết bị EDFA với tạp âm thấp, LA giúp tăng chiều dài khoảng lặp, và có thể thay thế một số hoặc tất cả các trạm lặp trên tuyến tùy thuộc vào chiều dài tuyến Hệ thống sử dụng LA cũng yêu cầu một kênh thông tin riêng để thực hiện cảnh báo, giám sát và điều khiển.
Kênh giám sát OSC (Optical Supervisor Channel) cần được bố trí cách xa sóng bơm và kênh tín hiệu để tránh sự can thiệp giữa các kênh này.
Formatted: Bulleted + Level: 1 + Aligned at:
0,28" + Tab after: 0,51" + Indent at: 0", Tab stops: 0,5", Left + Not at 0,51"
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Kênh giám sát LA được cải tiến bằng cách chèn thêm thông tin mới về trạng thái và cảnh báo, sau đó phát lại vào đường truyền Về lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn có thể lên tới vài nghìn km nhờ vào việc chèn thêm các LA Tuy nhiên, khi có nhiều LA liên tiếp, chất lượng hệ thống có thể giảm sút nghiêm trọng do các hiện tượng như tích lũy tạp âm, phụ thuộc vào phổ khuếch đại và tổng số khuếch đại, cũng như ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến Đặc biệt, sự hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó sẽ thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA.
Bộ tiền khuyếch đại (PA) là thiết bị EDFA với tạp âm rất thấp, được sử dụng trước bộ thu (Rx) để cải thiện độ nhạy thu Việc sử dụng PA giúp tăng cường đáng kể độ nhạy thu, và để đạt được mức tạp âm ASE thấp, các bộ lọc quang băng hẹp thường được áp dụng, với khả năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo nguồn phát PA có thể được tích hợp vào Rx hoặc tách biệt với Rx Hệ số nhiễu là một đặc tính quan trọng của bộ tiền khuyếch đại, vì chất lượng của bộ thu không chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiễu của nó mà còn bởi nhiễu từ PA Tuy nhiên, việc sử dụng bộ tiền khuyếch đại giúp giảm yêu cầu nghiêm ngặt về độ nhạy của máy thu, cho phép mạng hoạt động với tốc độ bít cao hơn.
Việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA, LA, PA) mang lại sự gia tăng đáng kể về quỹ công suất so với các thiết bị đầu cuối thông thường Với phổ khuếch đại tương đối rộng khoảng 35nm, khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, giúp việc nâng cấp tuyến trở nên thuận lợi hơn, cho phép tăng tốc độ hoặc thêm kênh bước sóng.
Sử dụng khuếch đại quang giúp bù đắp suy hao trong hệ thống, tuy nhiên, các hệ thống trước đây bị hạn chế về suy hao giờ đây có thể gặp phải vấn đề về tán sắc Để giảm thiểu ảnh hưởng của tán sắc, cần áp dụng một số phương pháp như sử dụng sợi bù tán sắc hoặc các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài.
Do đặc điểm khác nhau củ các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức -u tiên sử dụng đối với từng loại cũng có khác nhau:
Los Angeles cần một hệ thống giám sát độc lập, và việc bổ sung các điểm trung gian trên đường truyền sẽ làm tăng độ phức tạp trong quá trình bảo trì.
Mức ưu tiên sử dụng LA là thấp nhất, chỉ được áp dụng trong trường hợp cả BA và PA không đáp ứng đủ yêu cầu về quỹ công suất.
Hệ thống sử dụng bộ khuyếch đại quang sợi có các cấu trúc khác nhau, trong đó cấu trúc đơn giản nhất là kết hợp bộ khuyếch đại (BA) và bộ khuếch đại công suất (PA) để tăng quỹ công suất Tuy nhiên, do cấu hình phức tạp hơn của PA, cần sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp để loại bỏ tạp âm ASE, nên BA thường được ưu tiên sử dụng hơn trong thực tiễn.
Hệ thống WDM gặp phải một số hạn chế khi sử dụng EDFA, bao gồm sự không đồng đều trong phổ khuếch đại, khiến các bước sóng khác nhau được khuếch đại với các hệ số khác nhau Đặc biệt, đỉnh khuếch đại xuất hiện tại bước sóng 1530nm và khi sử dụng nhiều EDFA liên tiếp, sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác quanh bước sóng 1558nm Kết quả là, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp, có thể giảm từ 35nm xuống còn 10nm hoặc hơn, tùy thuộc vào số lượng bộ khuếch đại quang liên tiếp trong hệ thống.
Hiện nay, để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số ph-ơng pháp sau:
Sử dụng bộ lọc để giảm suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại là rất quan trọng, đặc biệt ở bước sóng 1530nm và 1558nm, đặc biệt khi có nhiều tín hiệu cùng hoạt động.
Bộ xen/ rẽ quang OADM
Bộ xen/rẽ quang là thiết bị quan trọng trong các mạng đô thị và mạng đường dài nhờ vào hiệu quả cao, phù hợp với cấu hình vòng quang và mạng tuyến tính OADM thường được lắp đặt giữa các bộ ghép kênh và phân kênh quang, không thực hiện ghép hay tách tất cả các bước sóng mà chỉ cho phép tách hoặc ghép một hoặc nhiều bước sóng đã được chọn lọc, trong khi các bước sóng còn lại được cho qua.
Chức năng OADM tương tự như ADM trong mạng SDH/SONET, nhưng OADM có khả năng xen rẽ trực tiếp các bước sóng quang mà không cần chuyển đổi quang điện Hình 2.7 minh họa sơ đồ OADM, cho phép thực hiện các bộ khuyếch đại trước và sau quá trình xen/rẽ bước sóng Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ khuyếch đại này là tùy chọn cho các nhà sản xuất thiết bị.
Hình 2.7: Cấu trúc chức năng của bộ OADM
Các mạng quang hiện đại cần có khả năng tự khôi phục sự cố linh hoạt, bảo vệ tự động và độ tin cậy cao ở lớp quang vật lý Để đạt được điều này, mạng quang phải có chức năng giám sát và định tuyến kênh quang chặt chẽ, thực hiện với tốc độ cao.
Dù mạng có cấu hình đơn giản như điểm-nối-điểm hay phức tạp như mạch vòng và mesh, tất cả các phần tử trong mạng đều cần được cấu hình chiến lược để thực hiện các chức năng như giám sát, tối ưu hóa hoạt động và định tuyến quang.
Chức năng giám sát, sẽ do các phần tử OPM (Optical Performance
Formatted: Indent: Left: 0", First line: 0,5",
Bulleted + Level: 1 + Aligned at: 0,25" + Tab after: 0,5" + Indent at: 0,5", Tab stops: 0",List tab + Not at 0,5"
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Tối -u hoá sẽ do các phần tử nh- module bù tán sắc DEM (chromatich
Dispersion Equalizier Module) và PMD (Polarization Mode-Dispersion), thực hiện để tối -u hoá các đặc tính tín hiệu quang trên đ-ờng truyền
Chức năng định tuyến sẽ do các thiết bị nh- OXC (Optical Cross
Connect) thực hiện, ngoài ra OXC còn thực hiện chức năng chuyển mạch bảo vệ mạch quang, kết nối giữa các ring
Chức năng xen rẽ của OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) thực hiện việc xen rẽ bước sóng, cho phép chia tách lưu lượng theo yêu cầu tại từng nút xen rẽ, tương tự như vai trò của ADM trong mạng SDH.
Các node xen rẽ ADM thông th-ờng h-ớng tới OADM
ADM là một phần tử trong kiến trúc mạng quang, thực hiện cấu hình luồng dữ liệu theo kiểu đơn hướng hoặc đa hướng Kiến trúc ADM hiện tại dựa trên thiết bị SONET/SDH, sử dụng bộ ghép kênh điện để thực hiện ghép kênh TDM, giúp kết hợp hoặc tách các luồng tín hiệu với tốc độ chuẩn của SONET hoặc SDH Chỉ những luồng dữ liệu cần thiết mới được truy cập và tách ra, trong khi dữ liệu mới được chèn vào luồng với dung lượng tối đa cho phép của mạng Sau đó, luồng dữ liệu này sẽ được chuyển tới node tiếp theo.
Với sự phát triển của công nghệ WDM, đặc biệt là DWDM, nhiều bước sóng quang có thể truyền tải thông tin đồng thời trên một sợi cáp, làm cho thiết bị OADM trở nên ngày càng quan trọng Do đó, việc xem xét OADM trong lớp quang vật lý là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
OADM cho phép tách và ghép dữ liệu bằng cách lọc một bước sóng quang từ luồng tín hiệu đa bước sóng trên sợi quang tại node Ngoài ra, nó cũng có khả năng ghép một sóng mang quang vào luồng tín hiệu trên sợi tại node đó.
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
WDM input Tunable OADM WDM output
Hình 2.8: Cấu hình các module quang trong một thiết bị OADM
Trong m³ng quang WDM, thiết bị OADM coi như l¯ “trong suốt” đối với toàn bộ l-u l-ợng thuộc các kênh b-ớc sóng mà không có nhu cầu tách hoặc ghép
Mỗi kênh bước sóng, tương ứng với các tốc độ chuẩn khác nhau của SONET/SDH, có khả năng tách hoặc ghép mà không cần sử dụng các tín hiệu tách ghép TDM trong lớp điện.
Thiết bị tách ghép b-ớc sóng cho phép các nhà cung cấp dịch vụ cho thuê một b-ớc sóng mang cụ thể, tương tự như việc cho thuê kênh/luồng sóng mang Tính năng này mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với việc cho thuê toàn bộ sợi quang.
Yêu cầu đối với thiết bị OADM ngày càng toàn diện hơn, khi các tín hiệu sóng mang quang WDM cần được khuếch đại, phát và định tuyến Hầu hết các chức năng chính của mạng quang được thực hiện tại các node OADM có khả năng điều chỉnh Các module bù tán sắc được tùy chỉnh theo từng kênh và các thiết bị giám sát hoạt động của mạng cũng rất quan trọng Những module này phù hợp với hệ thống “nhúng” nhờ vào tính gọn nhẹ và chắc chắn, đồng thời mỗi module sử dụng cách tử Bragg để tối ưu hóa hiệu suất.
FBG và các bộ định tuyến bước sóng AWG là những thành phần công nghệ quan trọng, mang lại nhiều ưu điểm như suy hao xen nhỏ và thiết kế tích hợp gọn nhẹ.
Các module xen rẽ quang điều khiển đ-ợc b-ớc sóng xen rẽ
Một thiết bị OADM nh- trên hình 2.8 trên đây có thể cho phép xen hoặc rẽ một kênh b-ớc sóng đơn hoặc nhiều kênh b-ớc sóng đồng thời
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Trong tương lai, khi lớp chuyển mạch định tuyến chuyển sang lớp quang (optical physical layer), thiết bị OADM sẽ cần trải qua quá trình "chuyển giao mềm" từ cấu hình thụ động sang cấu hình động Điều này có nghĩa là các thiết bị OADM phải có khả năng cấu hình lại và chủ động điều khiển các tính năng giống như các thiết bị có đặc tính tương tự.
Thiết bị OADM “dynamic” cho phép lớp quản lý mạng cấu hình lại luồng và lưu lượng sang bước sóng khác khi xảy ra sự cố tại một nhánh, giúp tránh gián đoạn dịch vụ và thông tin Đồng thời, nó cũng hỗ trợ cân bằng lưu lượng giữa các nhánh mạng, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và cải thiện hiệu quả truyền thông.
Các mô hình OADM hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ như bộ lọc điện môi mỏng, bộ lọc quang-âm học có thể điều chỉnh, bộ dịch pha định tuyến bước sóng AWG, và sợi cách tử Bragg FBG.
Thiết bị kết nối chéo quang OXC
Trong các cấu trúc mạng đơn giản như tuyến tính hay vòng, OADM là lựa chọn tối ưu Tuy nhiên, khi cần xử lý mạng hình lưới phức tạp với số lượng lớn, cần xem xét các giải pháp khác để đảm bảo hiệu quả và khả năng mở rộng.
Bộ kết nối chéo quang (OXC) đóng vai trò quan trọng trong các HUB xử lý lưu lượng lớn, như hình 2.9 OXC là nền tảng của mạng toàn quang, mang lại khả năng lựa chọn linh hoạt và cấu hình mạng với độ duy trì cao cho người sử dụng Hiện nay, OXC là thiết bị chủ yếu trong các mạng đường trục và dự kiến sẽ được triển khai tại các mạng nội hạt khi giá thành trở nên hợp lý hơn.
Hình 2.9: OXC nằm giữa thiết bị User của lớp quang và các OLT lớp quang
Các chức năng của thiết bị kết nối chéo OXC
OXC cung cấp dịch vụ tự động hóa việc quản lý luồng quang trong mạng lưới, giúp tối ưu hóa cấu hình mà không cần sự can thiệp thủ công Điều này rất quan trọng khi cần điều chỉnh luồng quang để đáp ứng các yêu cầu thay đổi về lưu lượng.
Bảo vệ: OXC là thiết bị thông minh có thể phát hiện đ-ợc những sự cố trong mạng và nhanh chóng định tuyến lại luồng quang
Thông suốt với tốc độ bit: có hai khả năng chuyển mạch với tốc độ bit và định dạng khung tuỳ ý
OXC cung cấp khả năng giám sát chất lượng bằng cách trích tín hiệu đến cổng riêng, cho phép kiểm tra và theo dõi chất lượng Ngoài ra, nó cũng hỗ trợ luồng quang quay lại (loop lại) để thực hiện chẩn đoán hiệu quả.
Chuyển đổi b-ớc sóng: b-ớc sóng vào i, chuyển mạch để đến đầu ra j và cũng có thể chuyển đổi thành b-ớc sóng khác
Một bộ OXC có thể chia ra làm hai phần: lõi chuyển mạch và cổng giao diện
Phần lõi thực hiện các chức năng kết nối chéo quang, phần cổng giao diện thực hiện
Cổng giao diện thường bao gồm các card chức năng cho các bộ chuyển đổi điện-quang-điện (E-O-E) hoặc quang-điện (O-E), giúp thiết lập các chức năng giao tiếp hiệu quả với các thiết bị khác.
Dựa trên lõi chuyển mạch OXC, có ba loại chính: OXC lõi chuyển mạch điện (lai ghép), OXC lõi chuyển mạch quang và OXC hoàn toàn quang.
OXC chuyển mạch lõi điện là công nghệ chuyển mạch các tín hiệu điện, cho phép nhóm các luồng dữ liệu có tốc độ bit thấp thành luồng dữ liệu có tốc độ cao hơn trên kênh bước sóng quang Lõi chuyển mạch điện được thiết kế để xử lý tổng luồng lượng lớn, ví dụ như 1,28Tbps có khả năng chuyển mạch đến 512 luồng quang STM-16 Tuy nhiên, khi tốc độ bit tăng cao, chi phí của OXC sử dụng lõi chuyển mạch điện cũng sẽ cao hơn so với các linh kiện điện tử khác Đặc biệt, chuyển mạch điện có khả năng giám sát chất lượng tín hiệu thông qua các chỉ số liên quan.
Lõi chuyển mạch quang (OXC) thực hiện chức năng kết nối chéo các tín hiệu quang mà không quan tâm đến loại tín hiệu sử dụng Với dung lượng lớn, lõi chuyển mạch quang trở nên hiệu quả kinh tế hơn khi tốc độ bit tăng Các cấu hình OXC được minh họa trong hình 2.10 b, c, d chỉ khác nhau ở thiết bị quang kết nối Cấu hình OXC ở hình 2.10b kết nối với các OLT qua các bộ chuyển đổi O-E-O thông qua giao diện quang SR.
(Short reach) hay VSR (very-short reach) Cấu hình OXC ở hình 2.10c không sử dụng các bộ chuyển đổi O-E-O mà tận dụng các bộ này của OLT Cấu hình ở hình
2.10d không dùng bất cứ bộ chuyển đổi nào trong khối kết nối OXC và OLT, cấu hình này kinh tế nhất nh-ng cũng gặp phải một số nh-ợc điểm Cả 3 cấu hình trên đều có thể tích hợp trong một OXC
Cấu hình OXC toàn quang:Với cấu hình OXC toàn quang nh- hình 2.10d thì
OXC không thể nhóm tín hiệu tốc độ thấp, chuyển đổi b-ớc sóng hay tái tạo tín hiệu vì hoạt động độc lập với lớp điện Để giải quyết vấn đề này, người ta đã bổ sung lõi chuyển mạch điện vào OXC.
Khi đó lõi này thực hiện chức năng hoàn toàn giống nh- hình 2.10a
Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow
Hình 2.10: Các cấu hình khác nhau của OXC
