TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn đã tăng mạnh, tạo ra áp lực lớn cho mạng hiện tại Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá, và sợi quang được coi là môi trường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng lớn Công nghệ TDM thường được áp dụng cho hệ thống dung lượng thấp, cho phép tăng dung lượng truyền dẫn lên 10Gps, thậm chí 40Gps Tuy nhiên, việc đạt tốc độ cao hơn 40Gps gặp nhiều khó khăn do yêu cầu công nghệ điện tử phức tạp và chi phí cao Khi tốc độ đạt hàng trăm Gps, các giải pháp trở nên tốn kém và phức tạp hơn Để khắc phục những hạn chế này, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM đã ra đời, và DWDM, thế hệ tiếp theo của WDM, có khả năng ghép nhiều bước sóng trong vùng 1550nm, nâng dung lượng hệ thống lên hàng trăm Gps.
Sự phát triển của hệ thống DWDM
Công nghệ WDM (Multiplexing Wavelength Division) đã phát triển mạnh mẽ từ cuối những năm 1980, sử dụng hai bước sóng với khoảng cách tần số lớn ở băng 1310 và 1550nm (hoặc 850nm và 1310nm), được gọi là WDM băng rộng Phiên bản đơn giản nhất của công nghệ này bao gồm hai kênh truyền.
Hình 1.1 Dạng đơn giản của công nghệ WDM
Hệ thống DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) sử dụng một sợi truyền và một sợi nhận, là cấu hình hiệu quả nhất hiện nay Vào đầu những năm 1990, trong giai đoạn hệ thống WDM thế hệ 2, hay còn gọi là Narrow WDM, đã chuyển từ 2 kênh lên 8 kênh, cách nhau 400GHz ở miền 1550nm Đến giữa những năm 1990, DWDM phát triển mạnh mẽ với 16-40 kênh và khoảng cách tần số từ 100 đến 200GHz Đến cuối những năm 1990, hệ thống DWDM đã đạt được 64-100 kênh song song, với mật độ đóng gói tần số lên đến 50GHz, thậm chí 25GHz.
Hình 1.2 là biểu đồ tháp chỉ tiến trình công nghệ tăng về số bước sóng bàng giảm khoảng cách bước sóng
Hình 1.2 Biểu đồ tháp chỉ tiến trình công nghệ tăng về số bước sóng
Cùng với mức độ phát triển về bước sóng, cách thức cấu hình cũng linh hoạt hơn thong qua các hàm add-drop và khả năng quản lý
Công nghệ DWDM đã tăng cường mật độ kênh, tác động mạnh mẽ đến dung lượng mang tín hiệu của sợi quang Kể từ khi hệ thống 10Gbps đầu tiên được triển khai vào năm 1995, tốc độ tăng dung lượng đã thay đổi từ 4 lần mỗi 4 năm lên đến 4 lần mỗi năm.
Nguyên lý công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM
Trong hệ thống thông tin quang điểm - điểm, mỗi sợi quang chỉ truyền tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau, đòi hỏi nhiều sợi quang Tuy nhiên, nguồn quang thường có độ rộng hẹp, dẫn đến việc chỉ sử dụng một phần nhỏ băng tần của sợi quang Về lý thuyết, dung lượng truyền dẫn có thể tăng lên nhiều lần bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi quang, nếu các nguồn phát có phổ cách nhau hợp lý và có bộ tách bước sóng quang ở phía thu Điều này tạo nền tảng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM.
Kỹ thuật WDM (Wavelength Division Multiplexing) dựa trên nguyên lý ghép các tín hiệu quang có phổ khác nhau mà không chồng lấn lên nhau để truyền tải qua một sợi quang đến đầu thu Tại đầu thu, tín hiệu với bước sóng tổ hợp được tách ra thành các tín hiệu riêng biệt và gửi đến các đầu thu tương ứng WDM bao gồm hai hệ thống chính: hệ thống WDM đơn hướng và hệ thống WDM song hướng.
Hệ thống WDM đơn hướng cho phép tất cả các kênh quang truyền tải trên một sợi quang theo cùng một chiều, với các tín hiệu có bước sóng khác nhau được điều chế và ghép lại tại đầu phát Nhờ vào việc sử dụng các bước sóng khác nhau, các tín hiệu không bị lẫn lộn trong quá trình truyền dẫn Tại đầu thu, bộ tách kênh quang sẽ tách các tín hiệu theo bước sóng khác nhau, hoàn tất quá trình truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh Đối với chiều ngược lại, truyền dẫn diễn ra qua một sợi quang khác với nguyên lý tương tự.
Hình 1.3 Hệ thống WDM đơn hướng
Hệ thống WDM song hướng cho phép truyền tải dữ liệu qua các kênh quang với các bước sóng khác nhau, trong đó các bước sóng 1, 2, , n được ghép lại và truyền dẫn trên một sợi quang Đồng thời, các bước sóng n+1, n+2, , 2n được truyền ngược lại trên cùng một sợi, tạo ra khả năng thông tin hai chiều hiệu quả.
Hình 1.4 Hệ thống WDM song hướng
Hệ thống WDM song hướng được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi
Hệ thống WDM song hướng yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt cho cả phát và thu Ở phía phát, thiết bị ghép kênh cần có suy hao nhỏ từ nguồn quang đến đầu ra Trong khi đó, ở phía thu, bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng Để tách kênh hiệu quả, cần cách ly tốt giữa các kênh quang và các bước sóng khác thông qua thiết kế chính xác của bộ tách kênh và bộ lọc quang với bước sóng cắt chính xác và dải làm việc ổn định.
Hệ thống WDM được thiết kế nhằm giảm thiểu suy hao truyền dẫn, đảm bảo suy hao xen thấp và tối thiểu hóa phản xạ tại các phần tử ghép, điểm nối module và mối hàn, vì những yếu tố này có thể làm tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến giảm tỉ số S/N của hệ thống Các hiệu ứng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống WDM song hướng, khiến nó ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến Để đơn giản, bộ tách bước sóng có thể được xem như bộ ghép bước sóng bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng, do đó thuật ngữ "bộ ghép - multiplexer" thường được sử dụng chung cho cả bộ ghép và bộ tách, trừ khi cần phân biệt hai thiết bị hoặc chức năng Thiết bị OWDM được chia thành ba loại: bộ ghép (MUX), bộ tách (DEMUX) và bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX), trong đó MUX và DEMUX được sử dụng cho truyền dẫn một hướng, còn MUX-DEMUX cho truyền dẫn hai hướng.
Đặc điểm của hệ thống DWDM
+ Giảm yêu cầu siêu cao tốc với linh kiện
Tốc độ truyền dẫn ngày càng tăng, dẫn đến yêu cầu cao hơn về tốc độ xử lý của các linh kiện quang điện Tuy nhiên, nhiều linh kiện không thể đáp ứng đủ nhu cầu này Công nghệ DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) giúp giảm bớt yêu cầu về tốc độ cho các linh kiện, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng cung cấp dung lượng lớn.
Công nghệ DDWDM có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mạng khác nhau, bao gồm mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quáng bá, mạng cục bộ nhiều đường và nhiều địa chỉ, nhờ đó mà nó đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng mạng hiện đại.
Công nghệ DWDM tối ưu hóa khả năng sử dụng băng thông của sợi quang, giúp tăng dung lượng truyền dẫn từ vài lần đến hàng trăm lần so với truyền dẫn bước sóng đơn Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất của sợi quang mà còn giảm chi phí hệ thống Hiện tại, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang vẫn chưa được khai thác tối đa Việc ứng dụng công nghệ DWDM sẽ mang lại hiệu quả lớn trong việc tận dụng băng tần sợi quang cho truyền dẫn.
Công nghệ DWDM cho phép ghép nhiều bước sóng trong sợi quang đơn mode, hỗ trợ truyền dẫn song công hiệu quả Điều này giúp tiết kiệm số lượng sợi quang khi truyền tải thông tin đường dài và dung lượng lớn Hơn nữa, DWDM còn mang lại khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã có, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất lớn, người dùng có thể nâng cao dung lượng mà không cần thay đổi nhiều cấu trúc hiện tại.
+ Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu
Công nghệ DWDM sử dụng các bước sóng độc lập để tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số, tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và SDH, cũng như truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện.
Công nghệ DWDM có nhiều ứng dụng quan trọng trong các mạng như mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quáng bá, và mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong lĩnh vực mạng.
+ Giảm yêu cầu siêu cao tốc với linh kiện
Tốc độ truyền dẫn ngày càng tăng, dẫn đến yêu cầu cao hơn về tốc độ xử lý của các linh kiện quang điện Tuy nhiên, nhiều linh kiện không thể đáp ứng đủ yêu cầu này Việc áp dụng công nghệ DWDM giúp giảm bớt áp lực về tốc độ cho các linh kiện, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng cung cấp dung lượng lớn.
Ghép kênh bước sóng là một phương pháp trong lĩnh vực truyền thông, cho phép kết hợp nhiều tín hiệu mà không ảnh hưởng đến tốc độ và phương thức điều chế tín hiệu Phương pháp này không chỉ giúp mở rộng mạng lý tưởng mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai các dịch vụ băng rộng mới Chỉ cần bổ sung thêm một bước sóng, các nhà cung cấp có thể gia tăng dịch vụ hoặc dung lượng mong muốn một cách hiệu quả.
Các tham số
Các bộ ghép bước sóng thụ động hiện nay chủ yếu bao gồm bộ vi quang học và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng Mỗi loại bộ ghép này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Các bộ vi quang học cần hệ thống ghép nối thấu kính với sợi quang, nhưng việc định vị và ghép nối gặp khó khăn, hạn chế các đặc tính kỹ thuật, đặc biệt với sợi đơn mode Tuy nhiên, việc sử dụng bộ vi quang học giúp mở rộng lựa chọn đặc tính của bộ lọc.
Các bộ ghép sợi ít bị ảnh hưởng bởi các khó khăn, nhưng lại gặp hạn chế trong việc lựa chọn các đặc tính của bộ lọc, như độ phẳng của băng thông.
Có 3 tiêu chuẩn cơ bản để xác định đặc tính của bộ ghép bước sóng:
Độ rộng phổ của kênh
Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng Khác với các coupler thông thường, suy hao xen được xem xét riêng biệt cho từng bước sóng.
Trong đó : , là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung
Ik(λk) là công suất của tín hiệu bước sóng λk khi vào cổng thứ k của bộ ghép, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k Đồng thời, công suất tín hiệu bước sóng λk cũng được đo khi ra khỏi cổng thứ i của bộ tách.
Suy hao trong bộ ghép bước sóng chủ yếu phát sinh tại các điểm ghép nối, do hấp thụ hoặc phản xạ Mức độ ảnh hưởng của hai nguồn suy hao này phụ thuộc vào công nghệ chế tạo bộ ghép bước sóng được sử dụng.
Xuyên âm là quá trình dò tín hiệu từ một kênh sang kênh khác, dẫn đến việc tăng cường nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Hiện tượng này phát sinh do nhiều yếu tố khác nhau.
Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện
Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát
Do phổ của các nguồn phát chồng lấn lên nhau
Hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi công suất cao được đưa vào sợi quang, dẫn đến sự dò công suất tín hiệu từ kênh này sang kênh khác, làm giảm chất lượng truyền dẫn Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, không có sự xuyên âm giữa các kênh có bước sóng khác nhau Tuy nhiên, trong thực tế, luôn tồn tại mức xuyên âm nhất định, ảnh hưởng đến khả năng tách biệt các kênh khác nhau, được diễn giải bằng suy hao xen và tính bằng dB.
Ui(λk) đại diện cho lượng tín hiệu không mong muốn tại bước sóng λk, do hiện tượng dò tín hiệu xảy ra ở cửa thứ i, trong khi lẽ ra chỉ nên nhận tín hiệu tại bước sóng cụ thể đó.
Trong thiết bị ghép - giải hỗn hợp, việc xác định suy hao xen kênh là cần thiết, tương tự như bộ giải ghép Cần xem xét cả hai loại xuyên kênh: xuyên kênh đầu xa, do các kênh khác gây ra trong đường truyền, và xuyên kênh đầu gần, phát sinh từ các kênh ở đầu vào, được ghép bên trong thiết bị như Ui(λi) Các nhà chế tạo cũng phải cung cấp thông tin về suy hao kênh cho từng thiết bị khi đưa ra sản phẩm.
1.5.3 Độ rộng phổ của k nh Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh Độ rộng này phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh Độ rộng phổ giữa các kênh tùy thuộc vào từng nguồn phát Ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau sẽ có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác khác nhau Độ rộng kênh Độ dịch tần
Hình 1.5 Độ rộng phổ của kênh
Ưu, nhược điểm cảu hệ thống DWDM
Sau quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cùng với công nghệ DWDM đã chứng minh nhiều ưu điểm nổi bật.
Sợi quang với băng thông rộng hỗ trợ thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao, hiện nay có thể đạt băng tần lên đến hàng THz.
Cáp quang có trọng lượng nhẹ hơn cáp đồng, với một cáp quang gồm 2 sợi chỉ nặng từ 20% đến 50% so với cáp Category 5 có 4 đôi Nhờ vào trọng lượng nhẹ, việc lắp đặt cáp quang trở nên dễ dàng hơn.
Sợi quang rất khó để trích xuất tín hiệu do không bức xạ năng lượng điện tử, điều này khiến cho việc lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ trở nên không khả thi Hơn nữa, việc trích xuất thông tin ở dạng tín hiệu quang cũng gặp nhiều khó khăn.
Công nghệ DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) cho phép tốc độ truyền dữ liệu cao lên đến 400Gb/s với suy hao thấp, phù hợp cho việc truyền dẫn xa, thường được sử dụng trong mạng backbone Đặc biệt, DWDM hỗ trợ đa giao thức, không phụ thuộc vào tốc độ truyền dữ liệu, cho phép các giao thức như IP, ATM, và SONET/SDH hoạt động hiệu quả với tốc độ từ 100Mbps đến 2.5Gbps.
Công nghệ DWDM cho phép truyền tải nhiều loại tín hiệu khác nhau trên cùng một kênh, giúp tối ưu hóa việc sử dụng cơ sở hạ tầng mạng quang hiện có Điều này không chỉ giảm thiểu chi phí đầu tư mới mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
+Vấn đề biến đổi Điện-Quang Trước khi đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện đó phải được biến đổi thành sóng ánh sáng
Sợi quang trong viễn thông được làm từ thủy tinh, do đó rất dòn và dễ gãy Kích thước nhỏ của sợi quang cũng khiến cho việc hàn nối trở nên khó khăn, đòi hỏi phải sử dụng thiết bị chuyên dụng để thực hiện.
Vấn đề an toàn lao động trong quá trình hàn nối sợi quang là rất quan trọng Cần phải bỏ các mảnh cắt vào lọ kín để tránh bị đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Đồng thời, không nên nhìn trực diện vào đầu sợi quang hay các khớp nối để phòng ngừa ánh sáng truyền trong sợi quang chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng hồng ngoại sử dụng trong hệ thống thông tin quang không thể được mắt người cảm nhận, dẫn đến nguy cơ gây hại cho mắt khi có nguồn năng lượng này.
Giá thành đắt, chi phí lắp đặt triển khai đắt hơn so với mạng WDM cũ
Thiết kế mạng DWDM và vấn đề cần quan tâm
Công nghệ DWDM đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống mạng nhờ khả năng ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang, giúp giải quyết vấn đề băng thông và phát triển hệ thống đa dịch vụ So với công nghệ WDM trước đây, DWDM cho phép truyền tải lưu lượng khổng lồ lên tới hàng Terabits/s Tuy nhiên, để đạt hiệu quả cao, hệ thống DWDM cần có các yêu cầu đặc biệt như độ linh hoạt cao, kết cấu đấu chéo nhanh, bộ lọc và nguồn laser có khả năng điều hưởng, cùng với bộ thu có tạp âm thấp và độ nhạy cao.
Hệ thống DWDM hiện nay hoạt động dựa trên các kênh bước sóng theo khuyến nghị của ITU-T, mang lại sự linh hoạt và mềm dẻo cho dịch vụ và băng thông Việc ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang cho phép truyền tải đa dạng loại lưu lượng, bao gồm SONET/SDH, ATM, tín hiệu thoại TDM và Internet trên các kênh khác nhau.
Một số vấn đề cần quan tâm:
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) cho phép ghép nhiều bước sóng quang đã được điều chế trên một sợi quang, với các kênh quang thường nằm trong khoảng 1550 nm, phù hợp cho mạng đường trục có cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn Tuy nhiên, công nghệ này cũng gặp phải một số giới hạn và vấn đề kỹ thuật Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá các tham số quan trọng như số lượng kênh bước sóng, độ rộng phổ của nguồn phát, quỹ công suất, tán sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến.
Một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống là số lượng kênh bước sóng mà hệ thống có thể sử dụng và số kênh cực đại mà nó hỗ trợ Số lượng kênh bước sóng được sử dụng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
- Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang như:
Khả năng băng tần của sợi quang
Khả năng tách / ghép các kênh bước sóng
- Khoảng cách giữa các kênh bước sóng gồm các yếu tố sau:
Tốc độ truyền dẫn của từng kênh
Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
Độ rộng phổ của nguồn phát
Khả năng tách ghép của hệ thống WDM
Hệ thống DWDM hoạt động trong vùng cửa sổ truyền dẫn 1550 nm với khoảng cách giữa các kênh khoảng 100 nm Tuy nhiên, dải khuếch đại của các thiết bị khuếch đại quang chỉ rộng khoảng 35 nm, theo quy định của ITU-T, nằm trong khoảng từ 1530 nm đến 1565 nm Do đó, thực tế các hệ thống DWDM không thể tận dụng tối đa băng tần của sợi quang Nếu gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh bước sóng, chúng ta sẽ có những giới hạn nhất định trong việc sử dụng băng tần.
Tại bước sóng λ = 1550 nm và ∆λ = 35 nm, tần số điều chế đạt được là f = 4,37 x 10^12 Hz Với tốc độ truyền dẫn 2.5 Gbps cho mỗi kênh, theo tiêu chuẩn Nyquist, phổ cơ sở tín hiệu là 5 GHz, cho phép tối đa 847 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng truyền dẫn, các thành phần quang trên tuyến cần đạt tiêu chuẩn cao hơn, nhằm tránh hiện tượng xuyên âm giữa các kênh ITU-T quy định khoảng cách giữa các kênh là 100 GHz (0.8 nm) hoặc 50 GHz (0.4 nm) với chuẩn tần số 193.1 THz, như đã nêu trong phần phụ lục.
Với công nghệ hiện nay DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần 1530 -1560 nm còn gọi là băng C:
- 80 ~ 100 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 2,5 Gbps
- 32 ~ 40 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 10 Gbps
Dải băng tần từ 1560 - 1600 nm hay còn gọi băng L đã bắt đầu đem vào sử dụng với:
- 100 ~ 200 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 2,5 Gbps
- 64 ~ 100 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 10 Gbps
Trong tương lai sẽ mở rộng băng tần DWDM sang dải tần từ 1480 nm - 1520 nm còn gọi là băng tần S với:
- 80 ~ 100 kênh tương ứng với tốc độ mỗi kênh là 2,5 Gbps
- 32 ~ 40 kênh tương ứng với tốc độ mỗi kênh là 10 Gbps
1.7.2 Độ rộng phổ của nguồn phát
Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát là rất quan trọng để đảm bảo các kênh bước sóng không bị chồng lấn, tránh hiện tượng chồng phổ ở các kênh lân cận Khoảng cách này phụ thuộc vào các thiết bị DWDM như bộ tách ghép kênh, bộ lọc và dung sai của chúng.
Hệ thống DWDM có thể được coi là sự kết hợp của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng đủ lớn và công suất phát hợp lý Mối liên hệ giữa các hệ thống phổ nguồn phát được thể hiện qua tham số giãn phổ (Δ), băng tần tín hiệu và tán sắc Nếu ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, thì sẽ có biểu thức liên quan đến các yếu tố này.
B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn
D là độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền dẫn Δ RMS là độ giãn phổ
Từ công thức 1-5 có thể tính được độ rộng phổ của nguồn phát Δ RMS tương ứng với tán D:
Nếu tính độ rộng phổ tại -20 dB thì độ rộng phổ của nguồn phát là:
Như vậy từ độ rộng phổ này và chọn theo kênh bước sóng ở phụ lục 1, sẽ tìm ra được độ rộng phổ yêu cầu của ngưỡng phát
Trong công nghệ DWDM, khoảng cách truyền dẫn và giữa các trạm khuếch đại đường quang rất lớn, yêu cầu công suất quang phải đủ mạnh để bù đắp suy hao trên đường truyền và đảm bảo tỉ số tín hiệu trên tạp âm Suy hao của sợi quang G.652 tại cửa sổ truyền dẫn 1500nm là 0.25dB/km, và tín hiệu quang bị suy hao do nhiều nguyên nhân như suy hao sợi quang, mối hàn nối, connector quang và các thành phần quang thụ động, dẫn đến tổng suy hao khoảng 0.275dB/km.
Hình 1.6 Sơ đồ tính toán quĩ công suất Như chỉ ra hình vẽ 1.4, quĩ công suất quang được xác định như sau:
Quĩ công suất quang = (P out - P in )/a (1-8) Trong đó:
P out là công suất quang phát
P in là công suất quang thu a là hệ số suy hao (dB/km) (Theo ITU- T thì a = 0.275dB/km)
Tán sắc xảy ra do phổ của xung quang chứa nhiều bước sóng, với tốc độ lan truyền khác nhau trong sợi quang Kết quả là, xung quang ở cuối sợi quang bị giãn ra so với đầu vào Hiện tượng giãn nở này dẫn đến sự giao thoa giữa các xung quang lân cận, làm gia tăng tỷ lệ lỗi bit (BER).
Tán sắc trong sợi quang tỷ lệ thuận với chiều dài của sợi và độ rộng của phổ ánh sáng truyền qua Khi ánh sáng đi qua sợi quang, xung quang ở cuối sợi sẽ bị dãn ra một lượng nhất định.
Trong đó: K CD là hệ số tán sắc của sợi có đơn vị là ps/(nm.km) Δλ là độ rộng phổ ánh sáng quang
L là chiều dài sợi quang
Tán sắc tổng cộng bao gồm tổng tán sắc thành phần như tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng
Tán sắc mode xảy ra trong các sợi quang đa mode (MI) do các tia sóng truyền theo những đường khác nhau, dẫn đến thời gian lan truyền khác nhau Tuy nhiên, trong thông tin quang, chỉ sử dụng sợi quang đơn mode (SI), do đó không có hiện tượng tán sắc mode.
Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, do sự thay đổi chiết suất của vật liệu cấu thành lõi sợi, dẫn đến sự thay đổi vận tốc nhóm theo bước sóng.
Tán sác ống dẫn sóng từ sợi đơn mode chỉ có khả năng giữ lại 80% năng lượng ánh sáng truyền trong lõi, dẫn đến việc 20% năng lượng còn lại bị truyền ra ngoài bề mặt sợi.
Các phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống DWDM tốc độ cao có dùng khuếch đại EDFA là:
- Sử dụng sợi quang có hệ số tán sắc nhỏ
- Bù tán sắc bằng phương pháp tự dịch pha SPM
- Bù tán sắc bằng các thành phần bù tán sắc thụ động
- Bù tán sắc bằng các thiết bị dịch tầng trước
- Bù tán sắc bằng kĩ thuật DST
- Bù tán sắc bằng sợi DTF
- Bù tán sắc bằng sợi DCM sử dụng cách tử sợi Bragg
- Dùng FEC để sửa lỗi Đối với hệ thống DWDM hiện nay cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực (PMD)
Tán sắc mode phân cực (PMD) là thuộc tính quan trọng của sợi quang đơn mode, trong đó năng lượng của mỗi bước sóng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao với vận tốc truyền khác nhau Sự chênh lệch này dẫn đến thời gian truyền khác nhau, gây ra hiện tượng trễ nhóm (GVD) và làm giãn rộng xung tín hiệu, từ đó giảm chất lượng truyền dẫn Mặc dù ảnh hưởng của PMD tương tự như tán sắc trong ống dẫn sóng, nhưng PMD ở sợi đơn mode không ổn định tại bất kỳ bước sóng nào, trong khi tán sắc ống dẫn sóng tương đối ổn định.
Hình 1.7 Tán sắc PMD Tán sắc mode phân cực tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài sợi quang, được tính theo công thức:
Trong đó: PMD total là tán phân cực của sợi quang, đơn vị ps
K là hệ số tán phân cực của sợi quang, có đơn vị là ps/ km 1/2
L là chiều dài của sợi, đơn vị km
Nguyên nhân của tán sắc mode phân cực là:
Kết luận chương
Các hiệu ứng xuyên âm giữa các kênh gây suy giảm công suất và hệ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc vào công suất từng kênh, số kênh, khoảng cách giữa các kênh bước sóng và khoảng cách truyền dẫn Để giảm thiểu tác động của các hiệu ứng này, cần lựa chọn các tham số phù hợp Đặc biệt, trong các hệ thống sử dụng sợi G.652, vùng bước sóng 1550 nm không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM.
Với công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao, DWDM đã trở thành giải pháp tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang nhanh chóng Công nghệ này giúp quản lý hiệu quả hệ thống và đáp ứng đầy đủ nhu cầu phát triển dịch vụ băng rộng, là nền tảng cho việc xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tương lai.
CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG DWDM
Giới thiệu
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) nổi bật với khả năng truyền tải lưu lượng lên đến hàng Terabits/s trên sợi quang nhờ vào việc tăng bước sóng ghép so với công nghệ WDM trước đây Để đạt hiệu quả tối ưu, hệ thống DWDM yêu cầu các chức năng quang đặc biệt như độ linh hoạt cao, cấu trúc đấu chéo nhanh, bộ lọc và nguồn laser có khả năng điều hưởng, cùng với các bộ thu có tạp âm thấp và độ nhạy cao Chương 2 sẽ đi sâu vào các thành phần cơ bản và yêu cầu đối với từng thiết bị trong hệ thống mạng DWDM.
Hình 2.1 là cấu trúc chung của một hệ thống DWDM và các phần tử cấu thành nên hệ thống gồm:
- LD là laser phát tạo ra sóng quang
- MOD là bộ phận điều chế
- OMUX là bộ ghép sóng quang
- EQUAL là thiết bị cân bằng công suất quang
- DISP-C là bộ bù tán sắc
- OADM là bộ xen rẽ sóng quang
- ODMUX là bộ tách sóng quang
- Sau đây sẽ giới thiệu các phần tử này
Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống WDM
Bộ phát quang
Laser chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống WDM Hiện nay, trong hệ thống DWDM, laser được sử dụng chủ yếu là laser đơn mode.
Trong hệ thống DWDM, các kênh bước sóng có mật độ cao với độ rộng chỉ vài nm hoặc thậm chí dưới 1 nm, đòi hỏi các laser phải có sự ổn định bước sóng phát xạ Khoảng cách giữa các trạm lặp trong hệ thống DWDM lớn hơn so với hệ thống truyền dẫn đơn kênh SDH, do đó, laser trong DWDM cần công nghệ đặc biệt để hạn chế các hiệu ứng phi tuyến như SBS, SRS, SPM, XPM và FWM.
2.2.1 Các ph ơng thức điều chế laser
Có hai phương thức điều chế laser ứng dụng trong hệ thống DWDM là điều chế trực tiếp và gián tiếp
Dòng điện tín hiệu vào laser được biến đổi thành nguồn sáng laser đầu ra, với đặc điểm của điều biến trực tiếp là công suất đầu ra phụ thuộc vào dòng điện điều chế Phương pháp này hiệu quả cho hệ thống DWDM đơn hướng nhờ chi phí thấp và tính đơn giản Bằng cách thay đổi độ dài hốc cộng hưởng của laser, sự biến đổi dòng điều chế sẽ dẫn đến sự thay đổi bước sóng laser tương ứng, gây ra hiện tượng chirp Chirp tần làm mở rộng băng tần của phổ laser phát xạ, ảnh hưởng đến tốc độ và khoảng cách truyền dẫn Đối với sợi quang G.652, khoảng cách truyền dẫn giảm xuống ≤100km và tốc độ ≤ 2,5Gbps Trong trường hợp hệ thống DWDM không cần khuếch đại quang hoặc tốc độ thấp, điều biến trực tiếp vẫn có thể áp dụng do chi phí thấp.
Trong điều chế ngoài modul điều chế nằm ở đầu ra của bộ tạo bước sóng quang như chỉ ở hình vẽ 2.2
PD LD Điều chế ngoài Điều khiển tín hiệu điện Tín hiệu điện điều chế
Điều chế gián tiếp tín hiệu quang không được thực hiện bên trong laser mà thông qua một linh kiện điện quang bên ngoài gọi là bọ điều chế ngoài Ánh sáng phát ra từ laser ở dạng sóng liên tục (CW) Kỹ thuật điều chế ngoài đã khắc phục nhược điểm của điều chế trực tiếp, mặc dù có tổn hao lớn về công suất và chi phí cao, nhưng lại mang lại độ dịch tần nhỏ Phương pháp này được ứng dụng cho các hệ thống có tốc độ truyền dẫn ≥ 2,5Gbps và khoảng cách truyền dẫn dài hơn 300Km, lý do khiến hệ thống DWDM tốc độ cao thường sử dụng khuếch đại quang và laser trong truyền dẫn với phương thức điều chế trong.
Không xảy ra hiện tượng chip đối với tín hiệu quang do laser được kích thích bởi dòng điện ổn định, tạo ra ánh sáng liên tục với tần số và độ rộng phổ ổn định Đặc điểm này rất quan trọng cho hệ thống ghép kênh theo bước sóng DWDM, vì yêu cầu về độ ổn định của bước sóng ánh sáng là cần thiết.
Băng thông điều chế : do bộ điều chế ngoài quyết định, không bijgiwois hạn bởi tần số dao động tắt daanfcuar laser diode
Thông thường các phương thức điều chế ngoài sử dụng các phương thức như biến đổi quang điện, dẫn sóng ở modul điều chế quang
Nguyên lý cơ bản của điều chế quang điện là hiệu ứng quang điện tuyến tính của tinh thể, trong đó hiện tượng trường điện từ gây ra sự thay đổi góc khúc xạ của tinh thể Hiệu ứng này, còn được gọi là hiệu ứng tinh thể quang điện, cho phép tinh thể điều khiển ánh sáng đi qua hoặc không thông qua việc thay đổi góc khúc xạ Điều chế quang học thực chất là ứng dụng hiệu ứng quang học của bán dẫn, trong đó bán dẫn thay đổi chiết suất khi sóng quang truyền qua Sự thay đổi chiết suất này làm biến đổi góc khúc xạ và là đặc trưng khi truyền sóng quang qua môi trường bán dẫn Điều chế ống dẫn sóng thường được thực hiện bằng vật liệu Titan (Ti) pha trộn.
LiNbO 2 Ống dẫn sóng có những ưu điểm sau như kích thước nhỏ, gọn, nhẹ, và đạt được độ chính xác cao nhất
2.2.2 Ổn định b c sóng và điều khiển laser
Trong hệ thống DWDM, việc ổn định dải sóng của laser là rất quan trọng Theo quy định của ITU-T.692, độ lệch bước sóng so với bước sóng trung tâm không được vượt quá 1/5 độ rộng kênh quang.
Trong hệ thống DWDM, ổn định tần số laser đóng vai trò quan trọng, với việc ổn định nhiệt độ là yếu tố chính trong các vi mạch tích hợp Nhiệt độ tăng dẫn đến độ rộng dải sóng LD phát xạ tăng khoảng 0.08nm/°C Thông thường, nhiệt độ hoạt động là 25°C, với khoảng điều chỉnh từ 15°C đến 35°C Phương pháp điều khiển nhiệt độ dựa trên hồi tiếp, và khi nhiệt độ hệ thống tăng, cần áp dụng biện pháp làm mát để giảm nhiệt độ.
Sự ổn định bước sóng của laser DFB, thường được sử dụng trong DWDM, phụ thuộc trực tiếp vào sự ổn định nhiệt độ Mặc dù laser này có dải nhiệt độ hoạt động cao, việc kiểm soát nhiệt độ vẫn là yếu tố cần thiết Ở bước sóng 1550nm, độ mở rộng tần số là 0.002nm/°C, với nhiệt độ hoạt động tối ưu từ 15°C đến 35°C Phương pháp điều khiển nhiệt độ laser chủ yếu sử dụng kỹ thuật hồi tiếp.
Ngoài nhiệt độ, dòng điện cung cấp cho laser cũng ảnh hưởng đến độ mở rộng tần số, với hệ số 0.0008nm/mA Mặc dù độ mở rộng tần do dòng điện nhỏ hơn so với nhiệt độ, trong một số trường hợp, hiệu ứng dịch tần do biến thiên dòng điện có thể không đáng kể.
Mạch điều khiển LD Thành phần mở rộng dải tần
Sử lí tín hiệu Tới bộ phận gián sát tần số Đầu ra sóng quang
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển laser
2.2.3 guồn laser bán d n đơn mode
2.2.3.1 guy n lí phản xạ Bragg [3]
Cấu tạo khoang của các bộ phát quang DFB, DBR khác với bộ phát quang F-
P Nguyên lí cơ bản của chúng dựa trên nguyên lí phản xạ Bragg
- Nguyên lí phản xạ Bragg
Khi ánh sáng chiếu vào hai mặt tiếp giáp của các môi trường có phản xạ chu kỳ, hiện tượng phản xạ chu kỳ xuất hiện, được gọi là phản xạ Bragg Mặt tiếp giáp này có thể có dạng hình sin hoặc các hình dạng khác như hình chữ nhật, hình vuông, hay hình tam giác.
Hình 2.4 Tán xạ Bragg Nếu sai pha giữa hai tia phản xạ 1, 1’ và 1’’ là bội số nguyên lần của λ0, tức là:
A + B = mλ0 (2-1) thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa Từ hình 2-4 cho thấy B = Asinθ nên phương trình (2-1) trở thành :
Với: m là số nguyên, thông thường m=1 λ 0 là bước sóng trong môi trường vật liệu, λ 0 = λ B /n n là chiết suất vật liệu λ B là bước sóng trong không gian tự do
Công thức (2-2) thể hiện điều kiện phản xạ Bragg, cho thấy rằng với một giá trị A và góc θ nhất định, tồn tại một bước sóng λ₀ thỏa mãn điều kiện này Khi đó, sóng quang có bước sóng λ₀ sẽ giao thoa với sóng quang phản xạ, tạo nên hiện tượng giao thoa đặc trưng.
2.2.3.2 aser hồi tiếp phân bố DFB [3]
Cấu trúc laser DFB, như được minh họa trong hình 2.5, sử dụng cách tử Bragg để thực hiện quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số Sóng ánh sáng phát xạ trong laser di chuyển dọc theo vùng tích cực và bị phản xạ tại các đoạn dốc của cách tử Để đảm bảo phản xạ và cộng hưởng diễn ra, bước sóng ánh sáng cần thỏa mãn điều kiện Bragg.
B 2 ef n f (2-3) Trong đó, là chu kỳ của cách tử bragg, n ef n sin f với n là chiết suất của cách tử, là góc phản xạ của ánh sáng
Líp nÒn N - InP §Çu ra quang Màng AR
Lớp hoạt tính Cách tử
Tín hiệu điện Lớp kim loại
Lớp kim loại tiếp xúc và tỏa nhiệt
Hình 2.5 Mặt cắt dọc của laser DFB
Các photon ánh sáng trong laser được tạo ra từ hiện tượng phát xạ kích thích và phản xạ nhiều lần tại các cách tử Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lượng ánh sáng bị phản xạ, và tổng hợp năng lượng này tạo ra phần lớn ánh sáng trong laser có bước sóng thỏa mãn điều kiện Bragg.
Laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng có bước sóng thỏa điều kiện Bragg Vì vậy
Laser DFB phát ra một mode sóng với độ rộng phổ hẹp hơn so với laser FP Công nghệ laser DFB được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang, đặc biệt là cho các khoảng cách truyền dẫn dài và tốc độ bit cao.
Các tham số chính của DFB: Độ rộng phổ của laser DFB là: ~20MHz Độ ổn định tần: +\- 0.01nm
2.2.3.2 aser phản xạ Bragg phan bố DBR [3]
Bộ ghép/tách tín hiệu
Các bộ tách/ghép kênh là thành phần quan trọng trong hệ thống DWDM, được chia thành hai nhóm chính: nhóm dựa trên nguyên lý tán sắc góc và nhóm dựa trên nguyên lý giao thoa Ngoài ra, công nghệ mới về bán dẫn cũng được áp dụng để cải tiến các bộ này Theo nguyên lý, bất kỳ bộ ghép bước sóng nào cũng có thể hoạt động như bộ tách bước sóng và ngược lại.
2.4.1 Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang Định nghĩa
Cách tử Bragg kiểu sợi quang là một thiết bị nhạy với ánh sáng, được chế tạo bằng cách chiếu tia cực tím UV để thay đổi chiết suất lõi sợi quang Sự thay đổi chiết suất rất nhỏ trong lõi đủ để tạo ra cách tử Bragg Bộ lọc này được chia thành hai loại: cách tử chu kỳ ngắn, có chu kỳ tương đương với bước sóng hoạt động, và cách tử chu kỳ dài, lớn hơn nhiều lần so với bước sóng, thường từ vài trăm micromet đến mm Bộ lọc Bragg kiểu sợi quang có thể là bộ lọc cố định hoặc điều chỉnh được.
Nguyên lý hoạt động của cách tử chu kỳ ngắn :
Bằng cách thay đổi tuần hoàn chiết suất trong lõi sợi quang, quá trình truyền sóng trở nên phù hợp với điều kiện Bragg Trong sợi quang đã được cách tử Bragg hóa, chỉ những bước sóng nhất định sẽ được phản xạ và cộng pha với sóng tới, dẫn đến sự tăng cường sóng phản xạ Các bước sóng khác sẽ truyền qua hoặc phản xạ không đáng kể do triệt pha với nhau Bước sóng của bộ lọc có thể được tính toán theo một công thức cụ thể.
(2.5) Trong đó : là chiết suất tương đối của lõi sợi là chu kì cách tử Bragg
Nguyên lý hoạtj động của cách tử chu kì dài :
Bộ lọc Bragg kiểu sợi quang chu kỳ dài hoạt động khác biệt so với loại chu kỳ ngắn Trong bộ lọc chu kỳ ngắn, sóng phản xạ trong lõi sợi quang ghép cộng pha với sóng tới, diễn ra hoàn toàn trong lõi Ngược lại, ở bộ lọc chu kỳ dài, sóng truyền trong lớp vỏ ngoài lõi sợi được ghép cộng pha với sóng trong lõi cùng chiều Điều kiện cần thiết để xảy ra sự ghép cộng pha giữa các mode sóng là p 2 cl.
(2.6) Trong đó : là hệ số pha của mode sóng truyền trong lõi là hệ số pha của mode sóng bậc p truyền trong lớp vỏ
Hiệu số giữa hai hằng số lan truyền thường rất nhỏ, dẫn đến giá trị Λ trở nên lớn để việc ghép năng lượng có thể xảy ra, thường vào khoảng vài trăm micrometers Đối với cách tử sợi Bragg, hiệu số giữa hằng số lan truyền của mode tới và mode phản xạ rất lớn, do đó chu kỳ cách tử Λ sẽ rất nhỏ Mối liên hệ giữa hệ số pha và chiết suất tương đối cũng cần được lưu ý.
Từ công thức (2.6) ta suy ra được ef ef
Bộ lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang có khả năng chế tạo giá trị n ef p f một cách hợp lý, giúp ghép năng lượng xảy ra ngoài bước sóng mong muốn Ứng dụng của công nghệ này mang lại nhiều lợi ích trong việc tối ưu hóa hiệu suất quang học.
Cách tử Bragg kiểu sợi quang là thiết bị thuần quang với nhiều ưu điểm nổi bật như suy hao thấp, dễ dàng phối ghép tín hiệu từ sợi quang vào thiết bị, không nhạy cảm với sự phân cực và có hệ số nhiệt thấp Những đặc tính này mở ra nhiều ứng dụng đa dạng cho thiết bị này.
Tạo nguồn laser bằng cách ghép 2 bộ lọc cách tử Bragg sợi quang cùng bước sóng hoạt động để tạo thành hốc cộng hưởng, sau đó sử dụng một nguồn laser phát bước sóng liên tục cho chiếu vào Phương pháp này còn cho phép điều chỉnh để sóng ra ở chế độ mode-locked Ngoài ra, ổn định bước sóng được thực hiện bằng cách tận dụng tính chọn lọc chính xác bước sóng của bộ lọc Bragg kiểu sợi, đặc biệt là để ổn định sóng bơm bước sóng 980 nm, kết hợp với 2 coupler và mạch hồi tiếp so sánh để điều chỉnh trở lại nguồn laser DBR.
Bù tán sắc có thể đạt được thông qua kỹ thuật sử dụng cách tử chu kỳ giảm dần (Chirped Grating) Khi ánh sáng đi vào sợi quang này, các bước sóng khác nhau sẽ phản xạ tại những điểm và đường đi khác nhau, giúp bù đắp hiện tượng tán sắc nếu được cấu hình đúng cách.
Là thành phần quan trọng trong việc chế tạo các bộ xen/rớt, kết hợp với bộ Circulator
Bộ lọc cách tử Bragg chu kỳ dài là giải pháp hiệu quả cho các bộ lọc băng, giúp cân bằng độ lợi khi sử dụng bộ khuyếch đại EDFA.
2.4.2 Bộ lọc Mach-Zehnder Ðịnh nghĩa:
Bộ lọc Mach-Zehnder là một dạng giao thoa kế, nơi sóng được phân chia thành nhiều đường khác nhau và giao thoa với nhau Thường được sản xuất trên nền tảng các mạch tích hợp quang, MZI bao gồm các bộ ghép 3 dB kết nối qua các đường dẫn có độ dài khác nhau.
Hình 2.11 minh họa bộ ghép kênh sử dụng chuỗi lọc MZI Khi tín hiệu vào ngõ số 1, bộ coupler đầu tiên chia đều công suất giữa hai ngõ ra nhưng tạo ra độ lệch pha Độ lệch về đường dẫn làm tăng thêm độ lệch pha ở nhánh dưới Tại coupler thứ hai, tín hiệu từ nhánh dưới vào nhánh trên với độ trễ hơn, dẫn đến độ lệch pha tương đối tổng cộng ở nhánh trên Tương tự, tín hiệu từ nhánh trên vào nhánh dưới cũng tạo ra độ lệch pha tương đối Nếu k là số lẻ, tín hiệu ở ngõ ra thứ nhất sẽ cộng đồng pha, trong khi ở ngõ ra thứ hai sẽ triệt tiêu lẫn nhau do ngược pha, do đó tín hiệu truyền từ ngõ vào thứ nhất ra ngõ ra thứ nhất Ngược lại, nếu k là số chẵn, tín hiệu sẽ được truyền từ ngõ vào thứ nhất đến ngõ ra thứ hai.
Bộ lọc Mach-Zehnder có thể điều chỉnh được:
Bộ lọc Mach-Zehnder là thiết bị điều chỉnh được, với cấu trúc đối xứng giữa hai nhánh trên và dưới của ống dẫn sóng Bằng cách điều chỉnh chiết suất tương đối của một nhánh, người dùng có thể thay đổi bước sóng hoạt động Phương pháp điều chỉnh chiết suất này có thể thực hiện thông qua việc sử dụng nhiệt hoặc tạo ống dẫn sóng từ các vật liệu điện-từ như LiNbO3, sau đó áp điện áp để điều chỉnh chiết suất Bộ lọc Mach-Zehnder có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang học và viễn thông.
Bộ lọc Mach-Zehnder (MZI) thường được sử dụng để chế tạo các bộ ghép/tách kênh Trong trường hợp MZI đơn, khi ngõ vào 1 được kích hoạt, MZI hoạt động như một bộ tách kênh 1x2 nếu bước sóng đầu vào trùng với các đỉnh của hàm truyền đạt Cụ thể, bước sóng đầu vào phải được chọn sao cho 2m là số nguyên dương; nếu m là số lẻ, tín hiệu sẽ xuất hiện ở ngõ ra thứ nhất, và nếu m là số chẵn, tín hiệu sẽ xuất hiện ở ngõ ra thứ hai Do MZI là thiết bị thuận nghịch, khi đổi chỗ các ngõ vào và ra, nó sẽ trở thành bộ ghép kênh 2x1 Để tạo ra bộ tách kênh 1xn với n là lũy thừa của 2, cần nối chuỗi (n-1) MZI Tuy nhiên, chuỗi MZI có chất lượng kém hơn so với TFMF, với dải thông không phẳng và vùng chuyển tiếp không dốc Các bộ ghép/tách kênh dung lượng cao hơn thường sử dụng công nghệ tiên tiến hơn, sẽ được thảo luận ở phần sau.
2.4.3 Bộ ghép/tách k nh sử dụng bộ lọc quang
Hình 2.12 Bộ tách kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng điện môi
Trong công nghệ DWDM, bộ lọc quang phổ biến nhất là bộ lọc màng mỏng điện môi (TFF) TFF hoạt động dựa trên nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải tần số nhất định, đồng thời cho phép phần dải tần số còn lại đi qua Đây là loại bộ lọc có bước sóng cố định.
Bộ khuếch đại đường quang
Băng tần sử dụng trong hệ thống DWDM gồm có ba băng tần chính sau:
Băng C và băng L hiện nay chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trong khi băng S sẽ áp dụng phương pháp khuếch đại Raman trong tương lai Tuy nhiên, cả băng C và băng L cũng có khả năng sử dụng phương pháp khuếch đại Raman hoặc kết hợp cả hai phương pháp Raman và EDFA Nội dung đồ án chỉ tập trung vào khuếch đại EDFA mà không đề cập đến khuếch đại DRA.
Nguyên lý hoạt động EDFA:[5]
Bộ khuếch đại EDFA hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích với ba mức năng lượng E1, E2, E3 Nguồn bơm laser cung cấp tín hiệu ở bước sóng 980nm hoặc 1400nm, giúp các điện tử ở mức năng lượng cơ bản hấp thụ năng lượng kích thích để chuyển lên trạng thái E3 Trạng thái này tồn tại trong thời gian ngắn khoảng 1us trước khi chuyển xuống E2 Nếu không có tín hiệu kích thích, hiện tượng bức xạ cảm ứng sẽ diễn ra từ E2 xuống E1 sau khoảng thời gian sống T21 Tuy nhiên, khi có tín hiệu ánh sáng trong phổ, quá trình khuếch đại sẽ được kích hoạt.
Khi ánh sáng có bước sóng từ 1530 đến 1565nm chiếu vào, hiện tượng phát xạ kích thích sẽ diễn ra Nhiều điện tử ở trạng thái giả ổn định sẽ nhận một kích thích thứ hai và chuyển về trạng thái E1, từ đó phát xạ photon với tần số tương ứng với tần số kích thích.
Trong quá trình khuếch đại tín hiệu của EDFA, bước sóng bơm được sử dụng chủ yếu là 980nm và 1480nm, mặc dù có nhiều bước sóng khác nhau như 650, 800 và 1480nm Tuy nhiên, do suy hao khi tạo photon, ánh sáng hiệu quả nhất cho EDFA là ở bước sóng 980nm và 1480nm.
Theo nguồn ánh sáng bơm:
Bơm gián tiếp: bước sóng 980nm, hệ thống có 3 mức năng lượng, dải sóng khuếch đại 1500 - 1600nm Nhiễu lượng tử giới hạn 3dB
Bơm trực tiếp: bước sóng 1480nm, hệ thống 2 mức năng lượng Nhiễu lượng tử giới hạn 4dB
Bơm trực tiếp ngày càng phổ biến nhờ tính sẵn có và độ tin cậy cao, cho phép truyền tải dài với độ nhiễu thấp Cụ thể, bơm 980nm thường được sử dụng làm bộ tiền khuếch đại, trong khi bơm 1480nm được áp dụng cho bộ khuếch đại công suất.
Phân loại theo chiều bơm:
Bơm thuận (forward pumping) , bơm nghịch (reverse pumping) và bơm hai chiều (bidirectional pumping)
Bơm ngược: nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu Bơm 2 chiều : sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai chiều ngược nhau
Nhiễu EDFA phụ thuộc nồng độ Erbium, chiều dài sợi quang, công suất bơm
Pp theo tính toàn thực nghiệm cho thấy mức nhiều EDFA chỉ khoảng 3db khi công suất tín hiệu ngõ vào 1mW bước sóng 1,53um Với mức công suất
Coupler Coupler Bộ phân tách
Sơ đồ 1 EDFA đơn giản cho thấy quá trình khuếch đại tín hiệu quang Tín hiệu yếu được đưa vào sợi quang pha tạp erbium, trong khi tín hiệu quang ở bước sóng 980 hoặc 1480 được bơm vào bằng laser, kích thích nguyên tử erbium giải phóng năng lượng ở bước sóng 1550nm Quá trình này diễn ra liên tục, làm cho tín hiệu mạnh hơn, mặc dù cũng gây ra nhiễu tín hiệu Các tham số chính của EDFA bao gồm hệ số khuếch đại phẳng, mức nhiễu và công suất đầu ra, với khả năng đạt khuếch đại 30dB hoặc hơn và công suất +17dB Khi lựa chọn EDFA, các tham số mục tiêu là mức nhiễu thấp và hệ số lọc phẳng, mặc dù công nghệ EDFA phụ thuộc vào bước sóng, dẫn đến việc các EDFA hiện tại thường có thêm bộ lọc cân bằng hệ số.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống truyền dẫn quang, việc yêu cầu nhiễu thấp là rất quan trọng, vì nhiễu và tín hiệu sẽ được khuếch đại cùng nhau Tỉ số SNR là yếu tố chính mà các bộ khuếch đại cần chú trọng, đặc biệt là trong việc xác định chiều dài đường truyền Thực tế, tín hiệu có thể truyền xa tới 120km giữa hai bộ khuếch đại, nhưng sau khoảng cách từ 600-1000km, tín hiệu cần được tái tạo lại Điều này là do các bộ khuếch đại quang như EDFA chỉ khuếch đại tín hiệu mà không thực hiện các chức năng khác như tái tạo dạng, chỉnh đồng bộ hay phát lại tín hiệu EDFA thường được sử dụng trong dải băng C và L.
Những vấn đề gặp phải khi sử dụng EDFA một tầng
Yêu cầu về khuếch đại trong hệ thống truyền dẫn DWDM đa kênh là tất cả các kênh cần có hệ số khuếch đại đồng nhất, đảm bảo công suất tín hiệu đầu ra của mỗi kênh từ bộ khuếch đại là như nhau Điều này được gọi là đồng hệ số khuếch đại Hình 2-20 minh họa phổ khuếch đại của EDFA.
Hình 2.16 Phổ khuếch đại EDFA
Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào tốc độ đảo mật độ, với điều kiện tốc độ này cần được điều chỉnh trong khoảng 70% để đảm bảo tính đồng nhất Tuy nhiên, dải băng tần C gặp phải đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1532 nm, dẫn đến việc không thể đạt được đồng hệ số khuếch đại khi sử dụng khuếch đại EDFA một tầng Để khắc phục tình trạng này, việc kết hợp một bộ lọc có đặc tuyến ngược lại với phổ khuếch đại sẽ giúp duy trì đồng hệ số khuếch đại cho băng tần C, như minh họa trong hình 2.18.
Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc cho thấy hiệu suất tốt, trong khi băng L có hệ số khuếch đại nhỏ và tương đối phẳng Việc tăng công suất dòng bơm ở một tầng sẽ gặp khó khăn lớn do trạng thái đảo mật độ của các ion nhanh chóng đạt đến bão hòa, dẫn đến giảm hệ số khuếch đại.
Một nhược điểm của việc sử dụng bộ khuếch đại EDFA đơn tầng là cần nhiều tầng khuếch đại trong tuyến quang, dẫn đến việc tạp âm ASE (Amplified Spontaneous Emission) trở thành yếu tố chính gây ảnh hưởng đến thông tin quang DWDM Khi qua nhiều tầng khuếch đại, công suất tạp âm này sẽ tăng lên, làm giảm chất lượng OSNR của hệ thống Để khắc phục nhược điểm của bộ khuếch đại một tầng, giải pháp hiệu quả là xây dựng bộ khuếch đại hai tầng.
- Bộ khuếch đại EDFA hai tầng
Bộ khuếch đại quang hai tầng kết hợp hai bộ khuếch đại quang một tầng, mang lại lợi ích như giảm nhiễu và tăng công suất quang phát ra Cấu trúc của bộ khuếch đại này giúp giảm số lượng bộ khuếch đại quang làm việc độc lập, cải thiện hiệu suất tổng thể.
Coupler Coupler Bộ phân tách
Khuếch đại EDFA hai tầng bao gồm hai bộ phận chính: tầng đầu tiên hoạt động như một bộ tiền khuếch đại (PA) với bước sóng bơm 980 nm và NF khoảng 4 dB, trong khi hiệu suất bơm ở bước sóng 890 nm cao hơn so với 1480 nm Điều này cho phép công suất quang ra của EDFA bơm ở 890 nm đạt mức tương đương với 1480 nm nhưng với NF thấp hơn Tầng đầu tiên không yêu cầu công suất ra lớn, mà chủ yếu tập trung vào việc giảm NF Tầng thứ hai được thiết kế như một bộ khuếch đại công suất (BA) với bước sóng bơm 1480 nm hoặc 980 nm, cho phép công suất quang đầu ra đạt tối đa +17 dBm với NF dưới 6 dB Nếu lắp thêm modul bơm phụ, công suất có thể đạt tới +20 dBm Giữa hai tầng có bộ lọc nhiễu giúp duy trì đặc tuyến EDFA phẳng trong toàn bộ băng thông, với bộ lọc quang được trình bày trong phần tách/ghép kênh.
Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.
Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống.
Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển và thay thế
Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển
Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quang bán dẫn
Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu
Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng.
Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L.
Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn.
Bộ xen/rẻ quang(OADM)
OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) là thiết bị quan trọng trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng, cho phép hạ một kênh bước sóng từ sợi quang xuống, định tuyến tín hiệu sang mạng khác hoặc thêm nhiều bước sóng vào luồng tín hiệu quang Cấu trúc của OADM được minh họa trong hình 2.20.
OADM là một node mạng quan trọng trong hệ thống DWDM, giúp tăng tính linh hoạt và đơn giản hóa mạng quang DWDM với nhiều cấu hình khác nhau.
OADM (Optical Add Drop Multiplexer) hoạt động tương tự như bộ ghép kênh tách nhập ADM trong mạng SDH, nhưng xử lý tín hiệu quang Tại các node OADM, dữ liệu được tách hoặc ghép thông qua việc lọc các bước sóng quang từ luồng tín hiệu đa bước sóng trên sợi quang Có hai loại node OADM: tĩnh và động Node OADM tĩnh thực hiện việc xen/rẽ các bước sóng cố định, trong khi node OADM động cho phép chọn tín hiệu quang dựa trên nhu cầu với các bước sóng xen/rẽ nhau.
Node OADM thực hiện hầu hết các chức năng chính của mạng quang, bao gồm các phần tử như modul xen/rẽ bước sóng điều chỉnh, modul bù tán sắc DEM và thiết bị giám sát quang OPM Mỗi modul sử dụng sợi cách tử Bragg hoặc các phần tử dẫn sóng AWG, mang lại ưu điểm về suy hao thấp và thiết bị tích hợp nhỏ gọn.
Thiết bị OADM cho phép xen/rẽ một hoặc nhiều kênh bước sóng đồng thời, và trong tương lai, khi lớp chuyển mạch định tuyến chuyển dần sang lớp quang, OADM cần chuyển từ cấu hình tĩnh sang cấu hình động Điều này sẽ cho phép chuyển luồng số giữa các bước sóng khác nhau khi mạng gặp sự cố, giúp tránh mất thông tin Ngoài ra, việc chuyển đổi bước sóng cũng nhằm cân bằng lưu lượng giữa các nhánh mạng, nâng cao hiệu quả truyền thông Hiện nay, các kỹ thuật sử dụng trong OADM chủ yếu dựa trên bộ lọc điện môi mỏng, bộ lọc quang âm điều chỉnh được, bộ dịch pha định tuyến bước sóng AWG, và sợi cách tử Bragg.
Các bộ lọc điện môi cho phép thiết bị OADM hoạt động hiệu quả ở khoảng cách kênh 100 GHz trở lên, nhưng chưa đáp ứng được khoảng cách 50 GHz Mặc dù bộ lọc quang âm có ưu điểm về phạm vi điều chỉnh bước sóng rộng, nhưng chúng lại bị hạn chế bởi các đặc tính băng thông không tối ưu Các bộ dịch pha bước sóng AWG hỗ trợ hệ thống mật độ kênh cao, nhưng vẫn gặp phải tình trạng suy hao xen lớn và băng thông chưa hoàn hảo Trong khi đó, cách tử Bragg hứa hẹn là một giải pháp khả thi cho các thiết bị OADM với khoảng cách kênh 50 GHz, nhờ vào suy hao thấp và đặc tính phổ lọc tương đối tốt.
Cấu hình OADM mới cho phép xen/rẽ kênh linh hoạt theo yêu cầu từng vị trí, như thể hiện trong hình 2.21 Người dùng có thể điều chỉnh số kênh xen/rẽ từ xa thông qua phần mềm, và việc chuyển mạch được thực hiện nhờ hệ thống vi mạch điện tử (MEMs).
Hệ thống có thể nâng cấp thêm hoặc bớt số lượng kênh cần xen/rẽ tại OADM
Chuyển mạch 2x2 Điều khiển hệ thống
Hình 2.20 OADM điều khiển cho phép cấu hình xen/rẽ mọi kênh trong sợi quang, biến OADM thành MUX/DMUX, dễ dàng cung cấp và đáp ứng mọi dịch vụ Mặc dù vẫn là cấu hình OADM cố định có điều khiển, nhưng với suy hao cao khoảng 17 dB, nó yêu cầu bộ cân bằng và bộ khuếch đại Tuy nhiên, OADM mang lại cải thiện lớn cho hệ thống truyền dẫn DWDM ở khoảng cách xa, cho phép tái tạo và phục hồi một kênh tại các điểm trung gian Trong các bộ OADM, khuếch đại DRA thường được sử dụng.
Cấu hình OADM động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của mạng toàn quang, cung cấp khả năng xen/rẽ linh hoạt các kênh và bổ sung kênh mới Công nghệ điều hướng tunable bộ lọc và điều khiển laser bằng điện và cơ động giúp OADM này có mức suy hao thấp, cho phép truyền dẫn ngắn mà không cần bộ khuếch đại.
Bộ nối chéo quang
Điểm node OXC hoạt động tương tự như thiết bị DXC trong mạng SDH, nhưng thực hiện nối chéo tín hiệu trên miền quang mà không cần chuyển đổi quang điện/điện quang Điều này giúp OXC xử lý tín hiệu với tốc độ nhanh hơn, đáp ứng tốt hơn cho mạng thông tin tốc độ cao và hướng tới mạng toàn quang Sự phát triển này mở ra nhiều dịch vụ mới, mang lại lợi ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng.
Node OXC được phân thành hai loại: điểm node OXC tĩnh và điểm node OXC động Điểm node OXC tĩnh có trạng thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang cố định, mang lại ưu điểm về tính dễ thực hiện công nghệ Ngược lại, điểm node OXC động cho phép trạng thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang thay đổi theo yêu cầu tức thời, mặc dù việc thực hiện công nghệ cho loại này gặp nhiều khó khăn.
Tại điểm node OXC, kỹ thuật biến đổi bước sóng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm nghẽn mạng lưới, thực hiện kết nối định tuyến ảo và tối ưu hóa tài nguyên băng tần của sợi quang.
Sự phát triển của mạng quang DWDM yêu cầu định tuyến bước sóng quang động để linh hoạt thay đổi cấu hình mạng mà vẫn duy trì tính "trong suốt" Chức năng này được thực hiện thông qua việc sử dụng các bộ đấu nối chéo quang OXC, bao gồm hai loại chính: OXC chuyển mạch không gian và OXC định tuyến bước sóng.
Cấu trúc OXC chuyển mạch không gian bao gồm N cổng vào, mỗi cổng nhận một tín hiệu DWDM với M kênh bước sóng Bộ tách bước sóng phân chia tín hiệu thành các bước sóng riêng biệt và chuyển đến M bộ chuyển mạch quang Các bộ chuyển mạch này nhận N tín hiệu đầu vào cùng bước sóng, với một đầu vào và đầu ra bổ sung để cho phép xen kẽ các kênh Chúng sẽ chuyển tín hiệu đến đầu ra tương ứng, ghép thành M bước sóng để tạo thành một đường tín hiệu DWDM Mỗi OXC yêu cầu N bộ ghép sóng, N bộ tách sóng quang và (N+1)x(N+1) bộ chuyển mạch quang, thường là ống dẫn sóng với N đầu vào và N đầu ra.
Hình 2.21 Bộ nối chéo OXC kiểu chuyển mạch không gian
Cấu trúc OXC sử dụng nguyên tắc chuyển đổi bước sóng quang để xử lý tín hiệu Đầu tiên, tín hiệu quang từ một sợi được phân chia thành nhiều nhánh tương ứng với số kênh quang cần thiết tại đầu ra thông qua bộ tách Sau đó, tín hiệu này được chuyển đến bộ chuyển mạch quang để lựa chọn tín hiệu cần thiết Cuối cùng, tín hiệu đã được chọn sẽ tiếp tục qua bộ lựa chọn bước sóng, tách ra các kênh quang yêu cầu và đưa vào đúng bước sóng quang cần ghép tại đầu ra.
Suy hao của sợi và tán sắc là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khoảng cách truyền trong hệ thống thông tin quang Hiệu ứng tán sắc tăng theo độ dài và độ rộng phổ của nguồn sáng, dẫn đến hiện tượng méo xung Để khắc phục vấn đề này, thiết bị bù tán sắc được sử dụng để cung cấp mức tán sắc tương ứng nhằm điều chỉnh sự giãn xung của ánh sáng.
Sợi bù tán sắc (DCF - Dispersion Compensate Fiber) là loại sợi đặc biệt có hệ số tán sắc không âm ở bước sóng 1550 nm, với giá trị khoảng 80 ps/(nm.km) Điều này cho phép 1 km sợi DCF bù tán sắc cho 5 km sợi đơn mode, trong khi hệ số tán sắc của sợi đơn mode là 17 ps/(nm.km) Tuy nhiên, hệ số tán sắc của sợi DCF cũng thay đổi theo tần số như sợi SFM, dẫn đến khả năng bù tán sắc kém khi dải tần số mở rộng Ngoài ra, suy hao của sợi DCF khoảng 0,6 dBm/km, cao hơn so với sợi SFM.
Sử dụng cách tử Bragg (BFG) là một lựa chọn hiệu quả để bù tán sắc với suy hao thấp Thiết bị này hoạt động ở chế độ phản xạ, vì vậy cần sử dụng circulator quang hoặc coupler quang để tách tín hiệu đầu vào và đầu ra Hiện tại, các bước sóng λ M, λ 1, λ 2, …, λ M được áp dụng trong quá trình này.
Tách kênh Bộ chuyển mạch Ghép kênh
Dải băng tần bù tán sắc mới chỉ đạt vài trăm GHz với một BFG, có kích thước hẹp hơn so với DCF Để mở rộng băng thông, có thể sử dụng các tử dài hoặc cách tử thay thế, tuy nhiên, việc cần bổ sung Circulator quang hoặc coupler quang lại là một thách thức.
Bộ thu quang DWDM tương tự như bộ thu quang trong hệ thống đơn kênh, với chức năng chính là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện qua các photodiode (PD) Để hoạt động hiệu quả, bộ thu quang cần đạt tốc độ cao, độ nhạy lớn và bước sóng phù hợp Hai loại photodiode chủ yếu được sử dụng là photodiode PIN và photodiode thác APD, mà tôi sẽ giới thiệu sơ lược trong bài viết này.
Nguyên tắc hoạt động của PIN dựa vào sự biến đổi quang - điện thông qua lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược Cấu trúc cơ bản và phân bố điện trường của PIN được thể hiện trong hình 2.23.
- Một lớp tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P + và N + làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn chủ yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic)
- Trên bề mặt lớp bán dẫn P + là lớp điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng thâm nhập vào miền I)
- Đồng thời trên lớp bán dẫn P + có phủ lớp mỏng chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào
- Điện áp phân cực ngược để cho diode không có dòng điện (chỉ có thể có một dòng điện ngược rất nhỏ gọi là dòng tối)
Khi photon có năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm đi vào lớp P +, chúng tạo ra cặp điện tử-lỗ và lỗ trống trong miền P +, I, N + của photodiode PIN, chủ yếu tập trung ở lớp I.
Khi các điện tử và lỗ trống trong miền I được sinh ra, chúng sẽ bị ảnh hưởng bởi điện trường mạnh, dẫn đến việc điện tử di chuyển về phía N+ do có điện áp dương, trong khi lỗ trống di chuyển về miền P+ nhờ vào điện áp âm.
Các điện tử mới được sinh ra trong miền P+ sẽ khuếch tán sang miền I nhờ vào gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, sau đó di chuyển về phía N+ do có điện áp dương Đồng thời, các lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ cũng khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp.
N + I, rồi chạy về phía miền P + vì có điện áp âm
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-photodiode một dòng điện và trên tải một điện áp
P + I N + Điện cực Điện cực vòng
Lớp chống phản xạ á nh sáng tới
Hình 2.22 Cấu trúc và nguyên lí hoạt động PIN
Bộ thu quang
Bộ thu quang DWDM hoạt động tương tự như bộ thu quang trong các hệ thống đơn kênh, với chức năng chính là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện thông qua các photodiode (PD) Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, bộ thu quang cần có tốc độ cao, độ nhạy thu lớn và bước sóng hoạt động phù hợp Hai loại photodiode phổ biến được sử dụng là photodiode PIN và photodiode thác APD, mỗi loại đều có những đặc điểm riêng biệt.
Nguyên tắc hoạt động của PIN dựa trên nguyên lý biến đổi quang - điện tại lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược Cấu trúc cơ bản và phân bố điện trường của PIN được thể hiện trong hình 2.23.
- Một lớp tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P + và N + làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn chủ yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic)
- Trên bề mặt lớp bán dẫn P + là lớp điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng thâm nhập vào miền I)
- Đồng thời trên lớp bán dẫn P + có phủ lớp mỏng chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào
- Điện áp phân cực ngược để cho diode không có dòng điện (chỉ có thể có một dòng điện ngược rất nhỏ gọi là dòng tối)
Khi photon có năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm đi vào lớp P + của photodiode PIN, sẽ tạo ra các cặp điện tử lỗ và lỗ trống, chủ yếu xảy ra trong miền I.
Khi các điện tử và lỗ trống trong miền I được sinh ra, chúng bị tác động bởi điện trường mạnh, dẫn đến việc điện tử di chuyển về phía N+ do có điện áp dương, trong khi lỗ trống di chuyển về phía P- vì có điện áp âm.
Các điện tử mới sinh ra trong miền P+ sẽ khuếch tán sang miền I nhờ vào gradient mật độ tại tiếp giáp P+I, sau đó di chuyển về phía N+ do có điện áp dương Đồng thời, các lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ cũng khuếch tán sang miền I nhờ gradient mật độ tại tiếp giáp.
N + I, rồi chạy về phía miền P + vì có điện áp âm
Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-photodiode một dòng điện và trên tải một điện áp
P + I N + Điện cực Điện cực vòng
Lớp chống phản xạ á nh sáng tới
Hình 2.22 Cấu trúc và nguyên lí hoạt động PIN
Một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện bên ngoài, vì chúng được sinh ra trong miền P+ và N+ ở xa các lớp tiếp giáp P+N.
N + I không khuếch tán vào miền I do khoảng cách vượt quá độ dài khuếch tán của động tử thiểu số, dẫn đến việc chúng tái hợp trong các miền P + và N +.
Trong lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-photodiode tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống, với dòng điện ra tỷ lệ thuận với công suất chiếu sáng Tuy nhiên, thực tế cho thấy một phần ánh sáng bị mất do phản xạ bề mặt.
Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước sóng, do đó lớp P + không nên quá dày Miền I dày sẽ nâng cao hiệu suất lượng tử, vì xác suất tạo ra cặp điện tử-lỗ tăng lên, giúp photon tiếp xúc nhiều hơn với các nguyên tử Tuy nhiên, trong truyền dẫn số, độ dài xung ánh sáng cần lớn hơn thời gian trôi T d để các điện tử di chuyển qua vùng trôi có độ rộng d của miền I Do đó, miền I không nên quá rộng để tránh giảm tốc độ bít.
Khi bước sóng ánh sáng tăng, khả năng tạo ra dòng điện ngược cũng tăng theo Do đó, PIN cần có bước sóng hoạt động tối ưu để tránh hiện tượng xuyên âm kênh.
Cấu tạo của APD tương tự như PIN-Photodiode, với sự bổ sung của một lớp bán dẫn yếu P xen giữa lớp I và lớp N+ Lớp I bên trái được giới hạn bởi lớp P+, trong khi bên phải bị giới hạn bởi tiếp giáp PN+ APD hoạt động với điện áp phân cực ngược lớn, lên đến hàng trăm vôn, tạo ra điện trường thay đổi theo các lớp Trong vùng I, điện trường tăng chậm, nhưng tại tiếp giáp PN+, điện trường tăng nhanh, tạo ra miền thác nơi xảy ra quá trình nhân điện tử.
P + I P N + Điện cực Điện cực vòng
Lớp chống phản xạ á nh sáng tới
Hình 2.23 Cấu trúc và nguyên lí hoạt động PAD
Do APD được áp một điện áp phân cực ngược lớn, cường độ điện trường trong miền điện tích không gian tăng cao Khi các điện tử di chuyển từ miền I đến miền thác PN+, chúng được tăng tốc và va chạm với các nguyên tử, giải phóng cặp điện tử và lỗ trống mới, hiện tượng này gọi là ion hóa do va chạm Các phần tử thứ cấp này tiếp tục tạo ra ion hóa do va chạm, dẫn đến hiệu ứng quang thác và làm tăng đáng kể dòng điện.
Hiệu ứng quang thác cho phép APD giải phóng số lượng điện tử nhiều hơn đáng kể so với PIN-Photodiode, ngay cả khi số lượng photon tới là giống nhau.
Sợi quang
Sợi quang, thành phần quan trọng trong mạng, đóng vai trò là phương tiện truyền dẫn vật lý Được chế tạo từ SiO2, một nguyên liệu rẻ và phổ biến có trong cát, sợi quang sở hữu ba cửa sổ truyền dẫn chính.
Vùng cửa sổ một: Người ta dùng LED chế tạo ra cửa sổ quang có bước sóng 850 nm, mức suy hao = 1dB/Km, hệ số tán sắc lớn
Vùng cửa sổ hai: Ứng với bước sóng 1310 nm, có hệ số suy hao = 0.5 dB/Km, hế số tán sắc nhỏ TS = 3,5 - 5 ps/nm.Km
Vùng cửa sổ thứ ba của sợi quang nằm ở bước sóng 1550 nm, với hệ số suy hao thấp nhất là α = 0,154 dB/Km Nhờ vào công nghệ tiên tiến, có thể sản xuất sợi quang đơn mode với hệ số suy hao chỉ còn α = 0,14 dB/Km.
Suy hao tại ba vùng cửa sổ quang học là thấp nhất, với cửa sổ thứ ba (= 1550 nm) thường được sử dụng tại Việt Nam Công nghệ ghép kênh theo bước sóng giúp tăng dung lượng đường truyền bằng cách gia tăng số lượng kênh quang trên sợi quang thay vì chỉ sử dụng một kênh duy nhất Do đó, môi trường truyền dẫn cần phải đáp ứng các yêu cầu nhất định.
Hệ số suy hao nhỏ
Hệ số tán sắc nhỏ
2.10.1 Cấu tạo và nguy n lý truyền d n trong sợi quang
Sợi quang bao gồm một lõi dẫn quang bằng thủy tinh với chiết suất n1, bán kính a và đường kính dk, được bọc bởi một lớp thủy tinh có chiết suất n2, trong đó n1 > n2 và đường kính dm Các tham số n1, n2 và a là những yếu tố quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang, được gọi là các tham số cấu trúc.
Khi ánh sáng di chuyển trong lõi sợi quang, nó sẽ phản xạ nhiều lần trên bề mặt giữa lõi và lớp vỏ bọc, tạo ra hiện tượng phản xạ toàn phần Nhờ đó, ánh sáng có thể truyền đi xa trong sợi quang, ngay cả khi sợi bị uốn cong trong giới hạn cho phép.
Hình 2.24 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
2.10.2 Các thông số của sợi quang [9]
2.10.2.1 Suy hao của sợi quang
Công suất quang truyền tải trên sợi giảm theo khoảng cách theo quy luật hàm số mũ, tương tự như tín hiệu điện Biểu thức của hàm số này mô tả sự giảm dần của công suất truyền tải theo cự ly.
Trong đó: P (0) là công suất ở đầu sợi (z = 0).
P (z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi
là hệ số suy hao ( < 0)
Hình 2.25 Công suất truyền trên sợi
- Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức :
Trong đó : P 1 = P (0) công suất đưa vào sợi
- Hệ số suy hao trung bình : (dB /km)
Trong đó : A là suy hao của sợi
L là chiều dài của sợi
Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang a Suy hao do hấp thụ
Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại n 1 n 2 n
Tạp chất kim loại trong thủy tinh, như sắt (Fe), đồng (Cu), mangan (Mn), cobar (Co) và niken (Ni), là nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng Mức độ hấp thụ của các tạp chất này phụ thuộc vào nồng độ và bước sóng ánh sáng Để sản xuất sợi quang có độ suy hao dưới 1 dB/Km, cần sử dụng thủy tinh cực kỳ tinh khiết với nồng độ tạp chất không vượt quá 10^-9.
Sự hấp thụ của ion OH
Liên kết giữa SiO2 và các ion OH trong vật liệu chế tạo sợi quang góp phần vào mật độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt, độ hấp thụ tăng mạnh ở các bước sóng gần 950 nm, 1240 nm và 1400 nm Do đó, độ ẩm được xem là một trong những nguyên nhân chính gây ra suy hao trong sợi quang.
Sự hấp thụ cực tím và hồng ngoại
Mặc dù sợi quang được làm từ thủy tinh tinh khiết, hiện tượng hấp thụ ánh sáng vẫn xảy ra, đặc biệt là trong vùng cực tím và hồng ngoại Sự hấp thụ này trong vùng hồng ngoại gây cản trở cho việc sử dụng các bước sóng dài trong truyền thông quang Thêm vào đó, suy hao do tán xạ cũng là một yếu tố cần xem xét trong hiệu suất của sợi quang.
Khi sóng điện từ di chuyển trong môi trường điện môi và gặp các vùng không đồng nhất trong sợi quang, như sự sắp xếp của các phần tử thủy tinh, khuyết tật bọt khí hoặc vết nứt, hiện tượng tán xạ xảy ra Nếu kích thước của vùng không đồng nhất khoảng một phần mười bước sóng, chúng trở thành những nguồn điểm tán xạ Các tia sáng đi qua những điểm này sẽ phân tách theo nhiều hướng khác nhau, chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục di chuyển theo hướng ban đầu, trong khi phần còn lại có thể truyền theo hướng khác hoặc thậm chí quay ngược lại nguồn quang.
Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo
Khi ánh sáng chiếu vào các khuyết tật giữa lõi và lớp bọc, nó sẽ bị tán xạ, tạo ra nhiều tia phản xạ với các góc khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ qua lớp bọc và dần dần bị suy hao Suy hao này có thể bị uốn cong.
Khi sợi quang bị chèn ép và tạo ra những chỗ uốn cong nhỏ, suy hao của sợi sẽ tăng lên do tia sáng bị lệch trục khi đi qua các điểm uốn cong Sự phân bố ánh sáng thường bị xáo trộn tại những khu vực này, dẫn đến việc phát xạ năng lượng khỏi sợi Đặc biệt, sợi đơn mode rất nhạy cảm với những chỗ uốn cong, nhất là ở bước sóng dài.
Khi sợi uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng d Suy hao mối hàn
Khi hàn nối các sợi quang, việc kết nối đầu sợi quang theo chuẩn trục là rất quan trọng Nếu lõi của hai sợi không được gắn chính xác và đồng nhất, ánh sáng sẽ không truyền qua hoàn toàn từ sợi này sang sợi kia, dẫn đến hiện tượng suy hao.
Tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng gặp hiện tượng tán sắc tương tự như tín hiệu điện, dẫn đến méo dạng tín hiệu analog và chồng lấp xung trong tín hiệu digital Tán sắc này hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu là D và đơn vị là S, được xác định bằng một công thức cụ thể.
Độ rộng của xung vào và xung ra được ký hiệu là i và 0, với đơn vị đo là (S) Độ tán sắc được tính theo đơn vị ns/km hoặc ps/km cho mỗi km Đối với tán sắc do chất liệu, độ tán sắc được đánh giá trên mỗi km sợi tương ứng với mỗi nm của bề rộng phổ nguồn quang, với đơn vị tính là ps/nm.km.
Hình 2.26 Dạng xung vào và xung ra sau hiện tượng tán sắc
Các nguy n nhân gây tán sắc a Tán sắc mode