Giảm chi phí cho WDM PON bằng nguồn tự phát xạ

GIỚI THIỆU

MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG

Mạng quang thụ động (PON) ra đời vào những năm 1980, cung cấp giải pháp chi phí hiệu quả để chia sẻ hạ tầng cáp quang cho dịch vụ thoại băng hẹp (TPON) Qua thời gian, PON đã được mở rộng ứng dụng trong mạng băng rộng với các tiêu chuẩn như BPON, EPON và hiện nay là GPON.

Hình 1.1: Sơ đồ cơ bản PON [1]

Tất cả các hệ thống truyền dẫn quang hiện nay đều dựa trên phương pháp đa truy cấp phân chia kênh thời gian (TDMA) Tuy nhiên, phương pháp phân chia theo bước sóng (WDM) đang dần thay thế TDMA nhờ vào ưu điểm về dung lượng, tiềm năng và dịch vụ Việc áp dụng WDM trong mạng quang thụ động (PON) hiện đang được nghiên cứu và đã được đưa vào thương mại.

HVTH: Trần Hữu Trung Trang - 2 -

Hình 1.2 Sơ đồ cơ bản WDM-PON [2]

- Hệ thống phân bố thiết bị quang thụ động

- Bảo mật dữ liệu tốt do sử dụng nhiều bước sóng riêng biệt

- Kết nối điểm-điểm giữa OLT và ONU ở miền bước sóng rõ ràng

- Tốc độ và giao thức kết nối ổn định

- Thành phần trong hệ thống WDM chi phí cao

- Ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường

- Thiết bị đầu cuối ONU vận hành ở bước sóng cố định “colorless”

GIỚI HẠN VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Do điều kiện thực tế nghiên cứu không có thiết bị phần cứng, toàn bộ luận văn được thực hiện trên phần mềm mô phỏng quang học Opticsystem phiên bản 7.0.

Mặc dù thời gian mô phỏng dài chỉ cho phép thực hiện hai kênh, nhưng việc đánh giá mức độ ảnh hưởng lẫn nhau giữa các kênh vẫn có thể chấp nhận được Điều này là do khoảng cách giữa các kênh tương đối xa và khoảng cách truyền ngắn.

Hệ thống quang sử dụng công nghệ tách ghép kênh theo bước sóng, yêu cầu các thiết bị nguồn phát quang tại ONU và OLT phải tương thích với từng bước sóng cụ thể của thiết bị WDM, dẫn đến chi phí cao cho thiết bị nguồn phát Để giảm thiểu chi phí này, thay vì sử dụng các nguồn phát quang đắt tiền như laser điều chỉnh hoặc laser diot Fabry-Perót, có thể áp dụng nguồn phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) trong các thiết bị quang như khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại sợi quang pha tạp chất Erbium (EDFA) Đây là một xu hướng nghiên cứu mới, cho phép hệ thống mạng quang sử dụng nguồn phát xạ tự phát do nhiễu ngẫu nhiên từ thiết bị, sau đó được khuếch đại thành nguồn phát quang cho thiết bị đầu cuối, được gọi là “self seeding”.

SƠ LƯỢC LUẬN VĂN

Chương một trình bày tổng quan về hệ thống mạng quang thụ động và công nghệ ghép kênh quang hiện đại đang được áp dụng Mục tiêu chính là giảm thiểu chi phí bằng cách thay thế nguồn phát quang hiện tại bằng nguồn phát xạ tự phát.

Chương hai cung cấp cái nhìn tổng quan về các cấu trúc hiện tại sử dụng nguồn phát quang, đồng thời trình bày tình hình nghiên cứu liên quan đến nguồn phát xạ tự phát Bài viết cũng giải thích nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại bán dẫn quang SOA và bộ điều chế MACH-ZEHNDER Cuối cùng, chương này giới thiệu phần mềm Opticsystem 7.0, một công cụ hỗ trợ trong lĩnh vực quang học.

Chương ba trình bày phương pháp giảm chí cho hệ thống bằng nguồn phát xạ tự phát, sử dụng thiết bị khuếch đại bán dẫn SOA, và so sánh với phương pháp sử dụng nguồn quang trực tiếp Bài viết cũng đưa ra nhận xét về kết quả thu được và thực hiện phân tích, đánh giá hiệu quả của từng phương pháp.

Chương bốn đưa ra kết luận chung về hệ thống, đưa các biện pháp cải tiến khắc phục, hướng phát triển trong tương lai

ĐÓNG GÓP

Tạo dựng một mạng quang thụ động ghép kênh theo bước sóng với nguồn nhiễu từ bộ khuếch đại quang bán dẫn giá trị thấp nhằm giảm chi phí cho hệ thống quang hiện tại Mục tiêu là duy trì mức tỷ lệ lỗi bit chấp nhận được Hệ thống được đánh giá thông qua phần mềm mô phỏng Opticsystem 7.0.

TỔNG QUAN

CẤU TRÚC HỆ THỐNG QUANG THỤ ĐỘNG

Gần đây, WDM-PONs đã có sự phát triển đáng kể, đặc biệt ở châu Á, trở thành xu hướng tương lai của PONs Một thách thức lớn trong WDM-PON là tránh việc sử dụng các thành phần quang chọn bước sóng đắt đỏ cho mỗi người dùng đầu cuối (ONU) Việc mỗi người dùng sử dụng một bước sóng cố định không thực tế do sự phức tạp và chi phí cao trong quản lý nguồn laser Giải pháp cho khách hàng sử dụng bước sóng cố định có thể là nguồn laser điều chỉnh hoặc thiết kế WDM-PON dựa trên cấu trúc phản xạ Nguồn laser tự điều chỉnh có khả năng tối ưu hóa số kênh bước sóng nhưng hiện tại vẫn có chi phí cao Ngoài ra, nguồn laser điều chỉnh cần được quản lý và bảo trì cài đặt bước sóng Cấu trúc phản xạ là một phương pháp khác, cho phép tất cả các bước sóng từ nguồn mạng được chia đều, với bộ phát luồng upstream trong ONU chỉ yêu cầu bộ điều chế quang phản xạ.

Hình2.1: Sơ đồ cấu trúc phản xạ WDM-PON [1]

Trong những năm gần đây, nghiên cứu và thử nghiệm về cấu trúc WDM-PON phản xạ đã thu hút sự chú ý Cấu trúc này cần kết hợp cả phương pháp ghép kênh theo bước sóng WDM và ghép kênh theo thời gian TDMA Tuy nhiên, trong bài viết này, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào phương pháp ghép kênh theo bước sóng.

2.1.1 Nguồn laser điều chỉnh được bước sóng Được gắn trong các bộ ONU, thu được hiệu suất và linh hoạt trong điều kiện tối ưu Nếu bộ tách/ghép trong mạng thiết bị WDM chỉ có thiết bị AWG, số lượng ONUs được xác định bởi khoảng cách kênh trong AWGs và khoảng điều chỉnh của laser

Hình 2.2: Cấu trúc WDM-PON với nguồn laser điều chỉnh bước sóng trong ONU[1]

Phương pháp này gặp khó khăn do sự phức tạp của nguồn laser được lắp đặt trong ONU khách hàng, yêu cầu nguồn laser điều chỉnh phải có bước sóng chính xác cho từng kênh Hơn nữa, thiết bị này có chi phí rất cao.

2.1.2 Dùng nguồn phát dải rộng phân chia

Mỗi ONU trong hệ thống này được trang bị nguồn phát quang phổ rộng (SLED) bên trong bộ phát Ngõ ra của bộ phát ONU được kết nối với cổng thiết bị WDM, có thể là bộ lọc quang hoặc AWG Chỉ có ánh sáng từ LED được truyền qua kênh WDM đến trung tâm CO, trong khi các thành phần khác sẽ bị loại bỏ.

SLEDs thường được sử dụng trong các bộ phát thiết bị ONU, nhưng có thể được thay thế bằng nguồn phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) trong bộ khuếch đại phản xạ quang.

Trần Hữu Trung Trang - 7 - bán dẫn (RSOA) nổi bật với ưu điểm là nguồn phát quang có công suất đầu ra lớn và tiêu thụ dòng điện thấp Tuy nhiên, RSOA cũng gặp phải nhược điểm là rất nhạy cảm với phản xạ quang trở lại, dẫn đến hiện tượng biên độ rợn sóng trong phổ ngõ ra.

Khi sử dụng một LED đơn làm nguồn phát, chỉ có thể đạt được vài kênh dữ liệu với tốc độ 155Mbit/s Tuy nhiên, khi áp dụng RSOA làm nguồn phân chia, có thể đạt tới 32 kênh với tốc độ 155Mbit/s mỗi kênh Số lượng kênh và tốc độ dữ liệu của từng kênh phụ thuộc vào cường độ nhiễu quang do nguồn phát xạ tự phát tạo ra.

Hình 2.3 : Cấu trúc WDM-PON với nguồn quang phổ uplink ở ONU [1]

Cơ chế này sử dụng nguồn quang tự phát, truyền đến bộ điều chế trong các ONU của khách hàng, mang lại lợi thế so với các cơ chế không tự phát trước đây Nguồn quang từ bộ phát ONU khai thác toàn bộ phổ kênh mà không tốn phí Thêm vào đó, cường độ nhiễu vượt mức do bộ xử lý phân chia kênh gây ra được giảm thiểu nhờ hiệu ứng độ lợi bảo hòa.

Có 4 loại WDM-PON phản xạ được mô tả sau đây

Phản xạ 3A: Phân chia phổ bằng Injection locked Fabry-Perot Laser

Hình 2.4: Cấu trúc WDM-PON với Injection locked FP như là bộ phát ONU [1]

Trong cơ chế này, nguồn tự phát băng rộng trung tâm được sử dụng, điển hình là nguồn phát xạ tự phát ASE của bộ khuếch đại quang tạp chất (EDFA), bộ khuếch đại phản xạ quang bán dẫn RSOA hay SLED Tín hiệu tự phát băng rộng được phân chia bởi bộ tách/ghép AWG trong mạng Sau khi phân chia, nguồn bước sóng liên tục tự phát được khóa bước sóng thông qua "injection lock" của bộ phát laser Fabry-Perot (FP) bên trong ONU của khách hàng Tín hiệu từ bộ phát laser được khuếch đại cổng hưởng bảo hòa nhờ vào hai gương phản xạ mặt trước và mặt sau của hốc cổng hưởng.

Bộ phận khóa điện tử trong hệ thống laser giúp duy trì bước sóng bảo hòa của nguồn laser tự phát, ngăn chặn sự trôi bước sóng quá mức và tăng cường tính ổn định cho nguồn phát laser.

Hình 2.5: Sơ đồ bộ phát laser Fabry-Perot [1]

Phản xạ Loại 3B : phân chia phổ bằng RSOA phân cực đơn

RSOA tương tự như FP laser và SLED, nhưng có điểm khác biệt là hệ số phản xạ mặt trước bằng không, trong khi SLED vẫn đảm bảo hiệu quả phản xạ ở mặt gương sau RSOAs có khả năng thiết kế cho tín hiệu ngõ vào phụ thuộc hoặc không phụ thuộc phân cực Thiết bị phụ thuộc phân cực có thể hoạt động ở nhiệt độ cao nhất lên đến 70 độ C và có độ nhạy phân cực tốt.

RSOA phân cực đơn có thể được sử dụng cơ bản cùng cơ chế cấu trúc laser Fabry-Perot

Hình 2.6 : Cấu trúc WDM-PON với RSOA phân cực đơn trong bộ phát ONU[1]

Phương pháp RSOA vượt trội hơn SLED nhờ vào công suất quang cao hơn, nhờ độ lợi quang của bộ RSOA Nó sử dụng độ lợi bảo hòa để giảm thiểu nhiễu từ bộ chia, cho phép hỗ trợ 32 kênh Gigabit Ethernet với khoảng cách vượt quá 20 km Tốc độ tối đa mà RSOA có thể đạt được là 2.5Gbit/s, với khả năng cung cấp dòng điện lên đến 100mA Tuy nhiên, trong các hệ thống PONs, khoảng cách xa hơn từ trung tâm CO sẽ gặp suy giảm do hiện tượng tán sắc khi sử dụng nguồn phát xạ tự phát Đối với những hệ thống ở khoảng cách xa, nên sử dụng nguồn tạo bước sóng lược từng bước sóng đơn trong một nguồn tự phát, với bộ RSOA độc lập phân cực cho mỗi ONU khách hàng.

Phản xạ loại 3C: phân chia phổ quang với RSOA độc lập phân cực

Trong cơ chế RSOA tại ONU khách hàng, độ lợi độc lập phân cực cho phép nguồn tự phát được phân cực từ một nguồn phát bước sóng đơn Việc này giúp giảm thiểu hiện tượng suy hao do tán sắc trong các ứng dụng khoảng cách xa và hạn chế nhiễu vượt ngưỡng do xử lý chia tách sóng Mặc dù lý thuyết cho thấy có thể sử dụng nhiều kênh bước sóng với tốc độ cao hơn, nhưng thực tế vẫn tồn tại nguồn nhiễu khác, như hiện tượng tán xạ ngược Rayleigh.

Hình 2.7: WDM-PON với RSOA độc lập phân cực trong bộ phát ONU[1] Cấu trúc phản xạ 3D : bộ phản xạ EAM

Giới hạn tốc độ điều chế sóng mang khi sử dụng RSOA làm bộ phát trong cấu trúc phản xạ có thể được khắc phục bằng cách áp dụng bộ điều chế hấp thụ điện tử phản xạ Với công nghệ này, tốc độ điều chế dữ liệu có thể đạt tới 10 Gb/s hoặc thậm chí lớn hơn, vượt qua 40 Gb/s.

Hình 2.8 :Cấu trúc phản xạ sử dụng REAM[1]

Bảng 2.1: So sánh các cấu trúc Upstream WDM-PON

Cơ chế Mô tả Tốc độ bit trên kênh

Số kênh Ưu điểm Khuyết điểm

1 Nguồn Laser điều chỉnh được bước sóng ONU

-Nguồn chuẩn -Không nguồn tự phát -Số kênh phụ thuộc λ

- Cần được mạng quản lý

-Giá thấp -Không nguồn tự phát

3A Cấu trúc phản xạ: phân chia phổ quang sử dụng ILF-P

- Số kênh bị giới hạn

3B Cấu trúc phản xạ: phân chia phổ quang sử dụng RSOA

- Số kênh bị giới hạn

3C Cấu trúc phản xạ: nguồn laser trung tâm với RSOA

- Yêu cầu làm lạnh -Nhiễu Rayleigh

3D Cấu trúc phản xạ ; nguồn laser trung tâm với REAM

Trên đây là những mô hình điển hình cho việc sử dụng nguồn phát quang trong hệ thống quang kênh theo bước sóng (WDM) hiện nay[1]

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NGUỒN PHÁT XẠ TỰ PHÁT

Hệ thống WDM-PON sử dụng các cấu trúc phản xạ với nguồn phát xạ tự phát thường được đặt tại trung tâm nguồn OLT, nhằm tận dụng khả năng phát xạ tự phát ASE từ các thiết bị như RSOA, Fabry-perot laser diodes và EDFA Một hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc sử dụng nguồn phát xạ tự phát tại đầu ONU, được gọi là "self-seeding".

Tại ONU, bộ phát tự phát có thể được tạo ra bằng các thiết bị như khuếch đại quang bán dẫn phản xạ (RSOA) và Fabry-Perot khóa tiêm.

2.2.1 Cấu trúc phản xạ sử dụng bộ lọc băng thông BPF [3]:

Một cấu trúc phản xạ sử dụng self-seeding điều chế RSOA cho bộ phát quang trong WDM-PON:

Cấu trúc WDM-PON sử dụng nguồn phát xạ tự phát RSOA tại đầu ONU, trong đó tại Remote Node (RN), băng thông ASE từ mỗi RSOA được tách biệt thông qua AWG.

Bộ lọc băng thông BPF chỉ cho phép nguồn quang được chia tách duy nhất phản xạ trở lại thành nguồn phát xạ tự phát RSOA trong mỗi ONU Kênh bước sóng được phân chia thành hai băng sóng khác biệt (FSR), giúp bộ lọc BPF lọc chính xác băng thông sử dụng Đặc điểm này giúp loại bỏ sự phụ thuộc nhiệt độ giữa các thành phần quang trong RN và giữa RN với mỗi RSOA, đảm bảo rằng các RSOA tại ONU khách hàng là giống nhau.

Trần Hữu Trung Trang - 15 - cho biết rằng bước sóng phát từ mỗi RSOA được xác định bởi đặc tính phổ quang của AWG và BPF, trong khi BPF đảm bảo tính ổn định của luồng dữ liệu trong mỗi ONU.

2.2.2 Cấu trúc phản xạ RSOA sử dụng gương phản xạ [4]

2.2.2.1 Sử dụng gương thông thường:

Cấu trúc WDM-PON sử dụng gương phản xạ tại đầu xa RN nhằm tăng cường công suất phát quang của bộ RSOA Khi ánh sáng được phản xạ về RSOA, phổ quang sẽ được khuếch đại nhờ tính chất cộng hưởng Tuy nhiên, do sự phụ thuộc phân cực của RSOA, hệ thống self-seeding có thể không ổn định khi sử dụng gương thông thường Do đó, cần thiết phải có một thiết bị điều khiển phân cực để duy trì sự ổn định trong hoạt động của nguồn self-seeding.

Hình 2.11: Cấu trúc WDM-PON sử dụng gương Faraday thường tại đầu xa

Thiết bị điều khiển phân cực không khả thi trong hệ thống WDM-PON, do đó cần sử dụng gương Faraday để ổn định tính phân cực Việc này đảm bảo ánh sáng phản xạ trở lại RSOA với trạng thái phân cực trực giao Mỗi vòng phản xạ sẽ thay đổi trục phân cực của ánh sáng 90 độ, và sau hai vòng phản xạ, phân cực phản xạ sẽ khớp với phân cực ban đầu.

2.2.2.3 Cấu trúc phản xạ FP-LDs sử dụng gương phản xạ.[5]

Hình 2.12: Cấu trúc WDM sử dụng nguồn self-seeding của thiết bị FP-LD

Tác giả đã thay thế thiết bị RSOA bằng FP-LD Fabry-Perot Laser Diode, mang lại công suất quang ngõ ra cao hơn (0dBm) FP-LD cũng cho phép vận hành ở nhiệt độ phòng với dải nhiệt độ thay đổi rộng hơn so với R-SOA Đặc biệt, FP-LD hoạt động ổn định hơn RSOA với tốc độ cao trên 1,25GB/s.

Hình 2.13: Trạng thái phân cực của ánh sáng khi đi qua gương Faraday

Thay vì cần hai vòng phản xạ để phân cực phản xạ khớp với phân cực ban đầu, chỉ cần một vòng là đủ để đạt được sự khớp này.

GIỚI THIỆU BỘ KHUẾCH ĐẠI BÁN DẪN

2.3.1 NGUYÊN LÝ KHUẾCH ĐẠI QUANG

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang dựa vào hiện tượng phát xạ kích thích, không có sự cộng hưởng trong quá trình khuếch đại Phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện quan trọng trong thông tin quang, được minh họa trong hình 2.14.

Hình 2.14: Các hiện tượng biến đổi quang điện

Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra khi một điện tử ở trạng thái năng lượng cao E2 được kích thích bởi một photon có năng lượng hν12, tương đương với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái cao và thấp của điện tử, tức là Eg = E2 – E1.

Khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống thấp hơn, nó sẽ phát ra một photon có năng lượng tương đương với photon kích thích ban đầu, tạo ra hai photon đồng nhất về phương truyền, phân cực, pha và tần số, từ đó thực hiện quá trình khuếch đại ánh sáng Hiện tượng này được ứng dụng trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (OFA).

Hiện tượng phát xạ kích thích được ứng dụng trong chế tạo laser, nhưng khác với laser, các bộ khuếch đại quang không có hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng Nếu xảy ra hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra ánh sáng riêng của nó mà không cần tín hiệu quang ở ngõ vào, được coi là nhiễu trong bộ khuếch đại Do đó, khuếch đại quang chỉ tăng cường công suất tín hiệu ánh sáng đầu vào mà không tạo ra tín hiệu quang riêng ở ngõ ra.

Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng hf 12 được hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Quá trình này chỉ diễn ra khi năng lượng hf 12 của photon tương đương với độ chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái năng lượng.

Khi điện tử hấp thụ năng lượng từ photon, chúng chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn, dẫn đến hiện tượng hấp thụ Hiện tượng này gây suy hao tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại quang Quá trình hấp thụ xảy ra đồng thời với phát xạ tự phát và phát xạ kích thích trong môi trường tích cực của bộ khuếch đại.

Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra khi điện tử chuyển từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1, phát ra năng lượng Eg dưới dạng photon ánh sáng Quá trình này diễn ra tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không bền vững Sau một khoảng thời gian gọi là thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao, chúng sẽ tự động chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn, tức là trạng thái bền vững Thời gian sống của điện tử khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu.

Mặc dù phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng nó không mang lại độ lợi khuếch đại trong các bộ khuếch đại quang do không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng đầu vào Ngay cả khi không có tín hiệu, năng lượng ánh sáng vẫn được sinh ra ở ngõ ra của bộ khuếch đại Hơn nữa, ánh sáng từ phát xạ tự phát thiếu tính kết hợp so với ánh sáng từ phát xạ kích thích Do đó, phát xạ tự phát được coi là nguyên nhân chính gây ra nhiễu trong các bộ khuếch đại quang, được gọi là nhiễu phát xạ tự phát khếch đại (ASE).

2.3.2 PHÂN LOẠI KHUẾCH ĐẠI QUANG

Tổng quát, cấu tạo của một bộ khuếch đại quang có thể được biểu diễn như hình 2.15

Hình 2.15: Mô hình tổng quát của một bộ khuếch đại quang

Trong bộ khuếch đại quang, ánh sáng được khuếch đại trong vùng tích cực, nơi mà độ lợi của tín hiệu quang phụ thuộc vào năng lượng từ nguồn bơm bên ngoài Tính chất của nguồn bơm này thay đổi tùy theo loại khuếch đại quang và cấu tạo của vùng tích cực.

Tùy theo cấu tạo của vùng tích cực, có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính:

 Khuếch đại quang bán dẫn SOA:

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn

- Cấu trúc của vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn

- Điểm khác biệt chính giữa SOA và laser là SOA hoạt động ở trạng thái dưới mức ngưỡng phát xạ

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện

 Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier):

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, OFA còn được gọi là DFA (Doped-Fiber Amplifier)

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóng phát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

Loại đất hiếm được sử dụng trong lõi sợi quang, cùng với bước sóng bơm của nguồn bơm, sẽ ảnh hưởng đến vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA Một số loại OFA tiêu biểu bao gồm:

+ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm – 1565nm

+ PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm

+ TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm -1520nm

NDFA (Bộ khuếch đại sợi quang doped Neodymium) hoạt động ở các bước sóng 900nm, 1065nm hoặc 1400nm Trong số các loại bộ khuếch đại sợi quang, EDFA (Bộ khuếch đại sợi quang doped Erbium) hiện đang được sử dụng phổ biến do ưu điểm vượt trội về đặc tính kỹ thuật so với SOA (Bộ khuếch đại sợi quang doped Semiconductors) EDFA có vùng ánh sáng khuếch đại từ 1530nm đến 1565nm, rất phù hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).

Cả khuếch đại quang SOA và EDFA đều sử dụng hiện tượng phát xạ kích thích để hoạt động Bên cạnh đó, khuếch đại Raman cũng được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống WDM hiện nay, với sợi quang làm vùng tích cực để khuếch đại ánh sáng Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của khuếch đại Raman dựa vào ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang, cụ thể là hiện tượng tán xạ Raman được kích thích (SRS), thay vì phát xạ kích thích.

2.3.3 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT

2.3.3.1 Độ lợi Độ lợi của một bộ khuếch đại quang là tỷ số giữa công suất quang ở ngõ ra chia cho công suất quang ở ngõ vào

G: Độ lợi tín hiệu của bộ khuếch đại quang

P in và P out là công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại quang (mW) Độ lợi là thông số quan trọng, phản ánh khả năng khuếch đại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại Tuy nhiên, độ lợi của bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa, điều này dẫn đến việc hạn chế công suất quang ra cực đại.

2.3.3.2 Băng thông độ lợi Độ lợi của bộ khuếch đại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của tín hiệu quang vào Nếu đo độ lợi G của các tín hiệu quang với các tần số khác nhau, một đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) sẽ đạt được Đây chính là phổ độ lợi của bộ khuếch đại quang

Băng thông độ lợi của bộ khuếch đại quang B o được xác định bởi điểm -3dB so với độ lợi đỉnh, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền tín hiệu Giá trị B o xác định băng thông của các tín hiệu mà bộ khuếch đại có thể xử lý, từ đó tác động đến hiệu suất của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng như bộ lặp hoặc bộ tiền khuếch đại.

2.3.3.3 Công suất ngõ ra bão hòa

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM

Với sự gia tăng nhanh chóng về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang đang trở nên ngày càng phức tạp Để phân tích và thiết kế các hệ thống này, việc sử dụng phần mềm mô phỏng OptiSystem là cần thiết Phần mềm này cho phép thiết kế, đo kiểm và tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin quang, nhờ khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang thực tế Hơn nữa, OptiSystem cũng dễ dàng mở rộng, cho phép người dùng thêm các phần tử tự định nghĩa vào hệ thống.

Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan

2.5.1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA OPTISYSTEM

Optisystem cho phép tự động thiết kế đa dạng các tuyến thông tin quang ở lớp vật lý, bao gồm từ hệ thống đường trục đến các mạng LAN và MAN quang Các ứng dụng cụ thể của nó rất phong phú.

- Thiết kế hệ thống thông tin quang từ mức phần tử đến mức hệ thống ở lớp vật lý

- Thiết kế mạng TDM/WDM và CATV

- Thiết kế mạng FTTx dựa trên mạng quang thụ động (PON)

- Thiết kế hệ thống ROF (radio over fiber)

- Thiết kế bộ thu, bộ phát, bộ khuếch đại quang

- Thiết kế sơ đồ tán sắc

- Đánh giá BER và penalty của hệ thông với các mô hình bộ thu khác nhau

- Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sửng dụng khuếch đại quang

2.5.2 NHỮNG CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ TÍN HIỆU QUANG

Để đánh giá chất lượng tín hiệu quang, có ba phương pháp phổ biến được sử dụng: đồ thị mắt (Eye Diagram), xác suất bit lỗi (Bit Error Rate - BER) và hệ số chất lượng tín hiệu (Q factor) Ba phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết trong bài viết dưới đây.

2.5.2.1 Đồ thị mắt (Eye Diagram) Đồ thị mắt là đồ thị biểu diễn sự chồng chập của tất cả các bit của tín hiệu (Trông giống hình dạng một mắt người nên gọi là đồ thị mắt) Hình sau đây biểu diễn một đoạn tín hiệu quang ở các định dạng NRZ (Non Return to Zero) và RZ (Return to Zero) và đồ thị mắt tương ứng (Hình mô phỏng bởi Optiwave, Optisystem)

Chú thích : Temps - thời gian; fraction de temps bit - tỉ lệ so với thời gian của một bit

Biên độ (Amplitude) và đơn vị bất kỳ (u.a.) là các khái niệm quan trọng trong phân tích tín hiệu Đồ thị mắt cho phép quan sát tín hiệu, với cột trái đại diện cho NRZ và cột phải cho RZ, giúp đánh giá chất lượng tín hiệu Tuy nhiên, chất lượng này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu biên độ (amplitude noise), hỗn loạn trong miền thời gian (timing jitter), và giao thoa giữa các bit (intersymbol interference).

Đồ thị mắt chỉ cho phép phân tích định tính, trong khi để thực hiện phân tích định lượng, cần đo hệ số phẩm chất tín hiệu (Q factor) và tỷ lệ lỗi bit (Bit Error Rate).

2.5.2.2 Xác suất lỗi bit (BER)

Xác suất lỗi bit là một phương pháp định lượng hiệu quả để đánh giá tín hiệu, được tính bằng tỉ lệ giữa số bit bị lỗi và tổng số bit được truyền đi.

Khi máy nhận tín hiệu quang, tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua photodiode và sau đó được khuyếch đại Tín hiệu điện được lấy mẫu để tương ứng với từng bit, tạo ra các mức điện thế Những mức điện thế này sẽ được so sánh với một ngưỡng giới hạn: nếu cao hơn, sẽ được xác định là bit "1", còn nếu thấp hơn, sẽ là bit "0" Tuy nhiên, nếu có quá nhiều nhiễu, các mức điện thế có thể vượt qua ngưỡng, dẫn đến việc đọc sai thành "1" hoặc "0", gây ra lỗi.

Trong truyền thông quang, các nhà cung cấp dịch vụ thường chấp nhận mức lỗi tối đa là một bit lỗi trên một tỉ bit truyền đi Sử dụng công nghệ FEC, chúng ta có thể giảm thiểu tỷ lệ lỗi này, tuy nhiên, lỗi trong đường truyền quang thường không vượt quá mức cho phép.

2.5.2.3 Hệ số chất lượng tín hiệu (Q factor)

Hệ số chất lượng tín hiệu (SNR) là tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu trong tín hiệu điện tại bộ thu sau khi được khuyếch đại Công thức tính hệ số này giúp đánh giá độ rõ ràng của tín hiệu.

Trong đó: và là điện thế trung bình của các bit "1" và "0"; và là các độ lệch quần phương (standard deviation) tương ứng

Nếu nhiễu là gaussien thì hệ số chất lượng tín hiệu liên hệ với BER theo hàm sau:

GIẢM CHI PHÍ CHO HỆ THỐNG DÙNG NGUỒN TỰ PHÁT XẠ

HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG SỬ DỤNG SOA VÀ MZM

3.1.1 Quá trình hình thành khe cộng hưởng

Bộ khuếch đại bán dẫn SOA hoạt động dựa trên nguyên lý phát xạ tự phát được khuếch đại ASE, cung cấp băng thông nhiễu để làm nguồn phát quang cho các thiết bị đầu cuối ONU và nguồn phát quang cho phía đầu nguồn OLT.

Do tín hiệu phát xạ tự phát có công suất quang thấp, cần phải khuếch đại nhiều lần để tăng cường công suất quang ra Khi quá trình khuếch đại diễn ra, công suất quang sẽ đạt đến trạng thái bão hòa.

Sơ đồ tổng quát của hệ thống được thực hiện như hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống ghép kênh quang sử dụng SOA và MZM

Tín hiệu nhiễu phát xạ tự phát ngẫu nhiên từ bộ khuếch đại bán dẫn SOA được truyền từ thiết bị đầu cuối ONU đến điểm đầu xa RN cách khoảng 1 km Tại RN, thiết bị tách ghép kênh MUX/DEMUX chia băng thông nhiễu thành các kênh bước sóng riêng biệt Sau đó, tín hiệu này được phản xạ trở lại đầu cuối ONU nhờ gương phản xạ đặt phía sau bộ tách ghép kênh MUX/DEMUX.

Tại đầu ONU, một gương phản xạ được lắp đặt để phản xạ tín hiệu từ đầu xa trở về và đưa vào bộ khuếch đại bán dẫn SOA Quá trình này tiếp tục cho đến khi tín hiệu được khuếch đại đạt đến trạng thái bão hòa tại đầu ra của bộ khuếch đại.

Một coupler tại ngõ ra của bộ khuếch đại bán dẫn sẽ tách một phần tín hiệu vào bộ điều chế MZM, chuyển đổi dữ liệu từ điện sang quang (upstream) qua bộ MUX để truyền về phía đầu trạm OLT, như thể hiện trong hình 3.1.

Tại đầu trạm OLT, tín hiệu được chia thành hai phần: một phần được gửi đến bộ thu quang, trong khi phần còn lại được điều chế thành luồng downstream để truyền về phía ONU Tại đầu ONU, cũng có một bộ thu quang tương tự như ở đầu OLT.

3.1.2 Sơ đồ khối toàn hệ thống trong phần mềm Opticsystem 7.0

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống sử dụng SOA và MZM

Các thành phần khối trong hệ thống:

Hình 3.3 Khối phát quang Upstream tại đầu ONU

Hình 3.4 Khối phát quang Downstream tại đầu OLT

Hình 3.5 Khối tách ghép kênh quang WDM

3.1.3 Kết quả phổ tín hiệu thu được khi hệ thống hoạt động

Ban đầu phổ tín hiệu ngõ ra chỉ là phổ tín hiệu nhiễu ASE được minh họa như trong hình sau :

Hình 3.7 Phổ của nhiễu phát xạ tự phát ASE

Sau khi nguồn nhiễu được phản xạ nhiều lần, nó sẽ quay ngược trở lại bộ khuếch đại bán dẫn SOA, trở thành nguồn tín hiệu phát quang cho thiết bị đầu cuối ONU Hình ảnh minh họa sẽ trình bày rõ ràng quá trình này.

Hình 3.8 Phổ trong quá trình được khuếch đại

Một phần phổ của tín hiệu nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại cho đến khi đạt trạng thái công suất ngõ ra bão hòa.

Hình3.9 Phổ tín hiệu khi đạt đến trạng thái bão hòa

3.1.4 Kết quả tỉ lệ bit lỗi

Hệ thống hoạt động ở các tốc độ bit và khoảng cách khác nhau nhằm kiểm tra tính ổn định thông qua tỷ lệ bit lỗi (BER) tại các đầu thu quang ONU và OLT.

Hệ thống sẽ chạy ở những tốc độ bit là 1.25Gbps, 2.5Gbps, 5Gbps, 10 Gbps ở khoảng cách là 10 km, 15 km, 20 km, 25 km từ ONU đến OLT

Chương trình tính toán cho khe cổng hưởng quang yêu cầu nhiều bước lặp để đạt độ chính xác cao Qua quá trình mô phỏng, tín hiệu nguồn phát trong hệ thống được ghi nhận là tương đối ổn định tại bước lặp thứ 20.

Nguồn tự phát xạ BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km

Hình3.10 Bảng thống kê kết quả luồng Upstream Kênh 1

Khi khoảng cách truyền tín hiệu tăng, tỷ lệ lỗi bit cũng gia tăng, do tín hiệu bị suy hao bởi các hiện tượng như tán sắc và tạp chất trong sợi quang.

Theo bảng thống kê tỷ lệ lỗi bit so với điều kiện thực tế (từ 10^-11 đến 10^-9), mức tỷ lệ bit lỗi tín hiệu chấp nhận được là dưới 3.5 Gbps.

BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km

Trần Hữu Trung Trang (46 tuổi) cho biết HVTH có khả năng truyền tải dữ liệu với khoảng cách lên đến 25 km Ở tốc độ bit dưới 5 Gbps, khoảng cách tối đa là 20 km, trong khi với tốc độ bit dưới 7,5 Gbps, khoảng cách tối đa giảm xuống còn 15 km.

Nguồn tự phát xạ BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km

Hình 3.11 Bảng thống kê kết quả luồng Upstream Kênh 2

Khi khoảng cách truyền tín hiệu tăng, tỉ lệ lỗi bit cũng gia tăng do tín hiệu bị suy hao bởi các hiện tượng như tán sắc và tạp chất trong sợi quang.

Theo bảng thống kê tỷ lệ lỗi bit trong điều kiện thực tế (từ 10^-11 đến 10^-9), tỷ lệ bit lỗi tín hiệu chấp nhận được ở tốc độ bit dưới 3.5 Gbps là rất quan trọng.

HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG SỬ DỤNG NGUỒN TRỰC TIẾP

3.2 HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG DÙNG NGUỒN TRỰC TIẾP

Một nguồn phát laser với bước sóng phù hợp được sử dụng để tách ghép kênh, sau đó tín hiệu này được chuyển qua bộ điều chế MZM để tạo ra luồng downstream Tín hiệu này được phát về phía OLT và được điều chế lại qua bộ khuếch đại phản xạ bán dẫn RSOA, từ đó tạo ra luồng upstream trở lại ONU.

Hình 3.14 Sơ đồ tổng quát hệ thống

Hình 3.15 Sơ đồ hệ thống trong Opticsystem

Các thành phần khối trong hệ thống:

3.2.2 Kết quả tỉ lệ bit lỗi

Hình3.18: Bảng thống kê kết quả luồng Downstream Kênh 1 Nguồn tự phát xạ BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km

Nguồn trực tiếp BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km

Hình3.19: Bảng thống kê kết quả luồng Downstream Kênh 2 Nguồn tự phát xạ BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km

 Khi khoảng cách tăng lên thì tỉ lệ lỗi bit tăng lên, do bị suy hao bởi các hiện tượng như tán sắc và tạp chất trong sợi quang

Tín hiệu luồng downstream, nhờ vào nguồn phát laser, duy trì tỉ lệ lỗi bit thấp ở tốc độ 5 Gb/s với khoảng cách lên đến 25 km Tuy nhiên, khi tăng tốc độ lên 10 Gb/s, tỉ lệ lỗi bit có xu hướng cao hơn, vượt quá ngưỡng 10^-9.

Tỉ lệ lỗi bit (BER) của nguồn trực tiếp vượt trội hơn so với nguồn tự phát xạ, nhờ vào tín hiệu laser ổn định và mạnh mẽ hơn, không bị nhiễu Điều này được chứng minh qua hai bảng thống kê kết quả đo BER.

 Tỉ lệ bit lỗi hai kênh tương đối giống nhau

Hình3.20: Bảng thống kê kết quả luồng Upstream Kênh 1 Nguồn tự phát xạ BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km

Hình3.21: Bảng thống kê kết quả luồng Upstream Kênh 2

Nguồn tự phát xạ BER 10 Km BER 15 Km BER 20 Km BER 25 Km 1.25 Gb/s 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-08

Tỉ lệ lỗi bit (BER) của nguồn trực tiếp vượt trội hơn so với nguồn tự phát xạ nhờ vào tín hiệu laser mạnh mẽ hơn Bộ phát nguồn trực tiếp sử dụng bộ khuếch đại bán dẫn phản xạ (RSOA) cho phép đạt tốc độ điều chế bit lên đến 1.25 Gbps, với khả năng truyền tải hiệu quả ở khoảng cách tối đa 20 Km.

Tỉ lệ lỗi bit trong luồng upstream thường cao hơn so với luồng downstream, chủ yếu là do công suất phát thấp hơn và hiện tượng điều chế lại tín hiệu trong luồng upstream.

NHẬN XÉT CHUNG

Sau khi phân tích kết quả của hai hệ thống sử dụng thiết bị SOA và MZM so với hệ thống sử dụng nguồn phát laser trực tiếp, nhận thấy rằng tỉ lệ lỗi bit của hệ thống trực tiếp tốt hơn Tuy nhiên, giá thành của hệ thống này cao hơn nhiều lần so với hệ thống sử dụng SOA và MZM.

Tỉ lệ bit lỗi trong hệ thống sử dụng SOA và MZM đáp ứng yêu cầu thực tế cho truyền dữ liệu, dao động từ 10^-9 đến 10^-11 Đối với luồng upstream, tỉ lệ bit lỗi tín hiệu chấp nhận được là dưới 3.5 Gbps cho khoảng cách 25 km, dưới 5 Gbps cho 20 km, và dưới 7.5 Gbps cho 15 km Trong khi đó, đối với luồng downstream, mức tỉ lệ bit lỗi tín hiệu chấp nhận được là dưới 1.25 Gbps cho khoảng cách 15 km và dưới 2.5 Gbps cho 10 km.

SO SÁNH GIÁ CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ QUANG

Trong hệ thống quang, bên cạnh các thiết bị chung như bộ tách ghép kênh WDM, sợi quang và bộ thu quang, còn có bộ phát quang với khả năng thay đổi cấu trúc thiết bị bên trong và giá thành đa dạng.

Bảng 3.1: Giá thiết bị quang trong bộ phát quang

Thiết bị quang Giá tiền

1 Nguồn Tunable Laser làm nguồn phát trực tiếp 15,000 $

2 Nguồn Fabry-Perot Laser làm nguồn phát 8,000 $

3 Nguồn SOA+MZM kết hợp gương phản xạ 2,000 $ + 2,000 $ + 2*150

Giá các thiết bị quang được tham khảo tại web http://www.thorlabs.com/

 Giá của hệ thống nguồn laser trực tiếp có thể cao gấp ba lần so với hệ thống dùng SOA và MZM

 Giá của hệ thống sử thiết bị Fabry-Perot Laser cao gần gấp đối so với hệ thống dùng SOA và MZM

Tiêu đề	Giảm Chi Phí Cho WDM-PON Bằng Nguồn Tự Phát Xạ
Tác giả	Trần Hữu Trung
Trường học	Đại Học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện Tử
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	2,06 MB