nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Báo cáo gồm có 5 chương với nội dung tóm tắt cụ thể như sau: Chương I : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi Chương II: Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị Chương III: Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Chương IV: Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển giám sát hệ thông WDM Chương V: Giới thiệu chung về mạng WDM
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM
Sự phát triển của công nghệ WDM
Công nghệ mạng quang đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của mạng viễn thông, đáp ứng nhu cầu băng tần lớn cho truyền thông dữ liệu hiện nay Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự tiến bộ trong chế tạo linh kiện quang, tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn Theo thời gian, các hệ thống WDM trở nên phức tạp hơn để đáp ứng nhu cầu thực tế, với các chức năng thiết bị đa dạng, cho phép chuyển đổi từ cấu hình đơn giản như điểm-điểm sang các cấu hình phức tạp như Ring và Mesh Các hệ thống WDM đầu tiên đã xuất hiện từ cuối những năm 90, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ truyền tải quang.
Vào năm 1980, hệ thống WDM băng rộng được phát triển với hai kênh bước sóng ở các vùng 1310nm và 1550nm Đến đầu những năm 1990, hệ thống WDM thế hệ hai ra đời, sử dụng các phần tử WDM thụ động với từ 2 đến 8 kênh trong khoảng 1550nm và khoảng cách kênh 400GHz Giữa những năm 1990, hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) đã xuất hiện, cho phép sử dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz, đồng thời tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng Việc lắp đặt hệ thống WDM chủ yếu dựa vào lý do kinh tế, vì nâng cấp thiết bị đầu cuối để tận dụng khả năng của WDM có chi phí thấp hơn so với việc lắp đặt cáp sợi quang mới Sự phát triển của bộ khuếch đại quang cũng góp phần quan trọng vào sự tiến bộ này.
EDFA đã chuyển đổi hầu hết các hệ thống WDM sang dải tần 1530 nm đến 1565 nm Các hệ thống WDM mới được lắp đặt hiện nay sử dụng các kênh quang với khoảng cách giữa các kênh hẹp, từ 25 GHz đến 50 GHz Nhu cầu về băng tần mạng đang gia tăng mạnh mẽ.
Trong những năm tới, giá thành dịch vụ sẽ tiếp tục tăng trưởng ít nhất trong vài thập kỷ tới Sự giảm giá từ các nhà cung cấp cùng với việc ứng dụng rộng rãi Internet yêu cầu băng thông lớn sẽ được thúc đẩy mạnh mẽ.
Các giải pháp thực tiễn nhằm giải quyết vấn đề tán sắc mode phân cực và hiệu ứng phi tuyến sẽ tăng cường số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống WDM Việc gia tăng số lượng kênh đòi hỏi độ ổn định cao hơn từ laser, độ chính xác của bộ lọc, cũng như quản lý tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến Mạng đang tiến tới mô hình toàn quang, dẫn đến sự xuất hiện của các thiết bị quang mới có khả năng thay thế chức năng của thiết bị điện tử Loại bỏ yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị điện tử sẽ giảm đáng kể độ phức tạp phần cứng của mạng, mặc dù có thể làm tăng các hiệu ứng quang khác Kỹ thuật WDM mật độ cao có thể đạt tới giới hạn của nó, nhưng đã chứng minh khả năng truyền dẫn hàng trăm kênh trên một sợi quang Nhờ vào sự phát triển của công nghệ WDM, dịch vụ thông tin quang giá thành thấp và tốc độ cao sẽ xuất hiện trong tương lai gần.
Giới thiệu về hệ thống thông tin quang
Từ xa xưa, con người đã sử dụng ánh sáng để truyền đạt thông tin, và qua thời gian, các hình thức thông tin đã phát triển thành những hệ thống hiện đại, giúp kết nối toàn cầu một cách nhanh chóng Kể từ khi hệ thống cáp sợi quang được đưa vào khai thác 20 năm trước, phương thức truyền dẫn quang đã chứng tỏ khả năng vượt trội trong việc cung cấp dịch vụ viễn thông phong phú Trong 10 năm gần đây, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những bước tiến đáng kể, với sợi quang đạt giá trị suy hao chỉ 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ này Ngoài ra, công nghệ chế tạo nguồn phát và thu quang cũng đã cải thiện đáng kể, tạo ra hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm hơn so với cáp kim loại, như suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần lớn và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ.
Dưới đây là những điểm quan trọng về sợi cáp quang: có tính bảo mật thông tin cao, kích thước và trọng lượng nhỏ gọn, khả năng dẫn điện tốt, độ tin cậy cao và được chế tạo từ vật liệu dễ dàng sẵn có.
Hệ thống thông tin quang thu hút mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông nhờ vào khả năng phù hợp với nhiều loại tuyến thông tin, bao gồm tuyến xuyên lục địa, đường trục và đường trung kế Ngoài ra, hệ thống này còn có tiềm năng lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt, mang lại cấu trúc tin cậy và đáp ứng đa dạng các loại hình dịch vụ hiện tại cũng như trong tương lai.
Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:
Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang bao gồm phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang cùng với các mạch điều khiển.
Cáp sợi quang bao gồm các sợi dẫn quang được bảo vệ bởi lớp vỏ bên ngoài, giúp chống lại tác động từ môi trường Hệ thống thu quang bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu Ngoài ra, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang, mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp, tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh Sợi quang có ba vùng bước sóng với suy hao thấp là 850 nm, 1300 nm và 1550 nm, được gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba Trong giai đoạn đầu, hệ thống thông tin quang chủ yếu sử dụng cửa sổ thứ nhất, nhưng hiện nay, nhờ vào sự phát triển công nghệ, các hệ thống chủ yếu hoạt động ở cửa sổ thứ hai và thứ ba do suy hao thấp hơn.
Nguồn phát quang trong thiết bị phát có thể là diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD), cả hai đều thích hợp cho hệ thống thông tin quang Tín hiệu quang đầu ra thay đổi theo dòng điều biến, trong khi tín hiệu đầu vào thường ở dạng số hoặc tương tự Thiết bị phát chuyển đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang, với công suất quang đầu ra phụ thuộc vào cường độ dòng điều biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo, và đoạn sợi quang ra (pigtail) cần tương thích với sợi dẫn quang trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng được điều chế tại nguồn phát quang sẽ truyền qua sợi dẫn quang đến bộ thu quang, nhưng trong quá trình này, tín hiệu thường bị suy hao và méo do các yếu tố như hấp thụ, tán xạ và tán sắc Bộ tách sóng quang ở đầu thu tiếp nhận ánh sáng và tách tín hiệu từ nguồn phát, sau đó chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và photodiode thác APD là hai loại thiết bị có thể sử dụng làm bộ tách sóng quang trong hệ thống thông tin quang, với hiệu suất cao và tốc độ chuyển đổi nhanh Vật liệu bán dẫn chế tạo bộ tách sóng quang ảnh hưởng đến bước sóng làm việc, và đoạn sợi quang đầu vào cũng cần tương thích với sợi dẫn quang trên tuyến lắp đặt Độ nhạy thu quang là đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang, phản ánh khả năng tiếp nhận công suất quang nhỏ.
14 nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống
Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang trong sợi sẽ bị suy hao, do đó cần có trạm lặp quang trên tuyến Trạm lặp quang bao gồm thiết bị phát và thiết bị thu, trong đó thiết bị thu nhận tín hiệu quang yếu, chuyển đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại và sửa dạng trước khi gửi vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang sẽ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền Gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần thiết bị tại trạm lặp quang.
Trong các hệ thống thông tin quang điểm nối điểm, mỗi sợi quang đều có nguồn phát quang và bộ tách sóng quang tương ứng Các nguồn phát khác nhau tạo ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu riêng biệt, được truyền qua các sợi dẫn quang khác nhau Để tăng dung lượng hệ thống, cần sử dụng thêm sợi quang Tuy nhiên, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế lại rất hẹp so với khả năng truyền dẫn của các sợi quang với mức suy hao thấp.
Hình 1.2: Độ rộng của nguồn quang và dải thông của sợi quang
Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản
1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên
Hệ thống WDM tận dụng tiềm năng băng tần của sợi quang để truyền tải nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau mà không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng tương ứng với một kênh quang trong sợi quang, và công nghệ WDM đang phát triển theo hướng cho phép sự riêng rẽ của bước sóng chỉ từ 1 nm, dẫn đến hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Trước đây, các thiết bị chỉ xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu 2,5 Gbit/s cho mạng quang SDH/SONET Tuy nhiên, các nhà cung cấp DWDM đã phát triển thiết bị cho phép truyền tải hàng trăm kênh, cung cấp tốc độ dữ liệu kết hợp lên đến hàng trăm Gbit/s và tiến tới Tbit/s trên một sợi đơn Hệ thống WDM bao gồm hai hình thức cấu thành chính.
1.1: Truy ền dẫn hai chiều trên hai sợi:
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi cho phép tất cả kênh quang truyền tải trên một sợi quang theo cùng một chiều Tại đầu phát, các tín hiệu với bước sóng quang khác nhau được điều chế và ghép kênh để truyền dẫn một chiều Nhờ vào việc sử dụng các bước sóng khác nhau, các tín hiệu không bị lẫn lộn Tại đầu thu, bộ tách kênh quang sẽ tách biệt các tín hiệu này, hoàn tất quá trình truyền dẫn.
16 hiệu quang nhiều kênh Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên
Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi
1.2: Truy ền dẫn hai chiều trên một sợi
Hệ thống WDM (Wavelength Division Multiplexing) truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang cho phép truyền tải đồng thời nhiều kênh quang với các bước sóng khác nhau Trong hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng l1, l2, , ln được ghép lại và truyền dẫn trên cùng một sợi quang Ngược lại, các bước sóng ln+1, ln+2, , l2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại, sử dụng các bước sóng tách rời để đảm bảo thông tin có thể được truyền hai chiều một cách hiệu quả.
Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng rộng rãi, trong khi hệ thống WDM hai chiều trên một sợi yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn với các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt Ở phía phát, thiết bị ghép kênh cần có suy hao thấp từ nguồn quang đến đầu ra, trong khi ở phía thu, bộ tách sóng quang phải nhạy với dải bước sóng rộng Để tách kênh hiệu quả, cần thiết kế bộ tách kênh chính xác và sử dụng bộ lọc quang với bước sóng cắt chính xác và dải làm việc ổn định.
Hệ thống WDM cần giảm thiểu các hiệu ứng gây suy hao truyền dẫn, đảm bảo suy hao xen thấp và tối thiểu hóa phản xạ tại các phần tử ghép nối Những phản xạ này có thể làm tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến suy giảm tỉ số S/N của hệ thống Hiện tượng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, khiến nó ít được lựa chọn trong 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.
Bộ ghép - multiplexer thường được sử dụng chung để chỉ cả bộ ghép và bộ tách, trừ khi cần phân biệt rõ ràng 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) Các bộ MUX và DEMUX chủ yếu phục vụ cho truyền dẫn một chiều, trong khi MUX-DEMUX được sử dụng cho truyền dẫn hai chiều Hình 1.5 minh họa thiết bị ghép/tách hỗn hợp.
Hỡnh 1.5 Mụ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX)
2: Các tham số cơ bản
Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của bộ ghép/tách hỗn hợp bao gồm suy hao xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh Có hai loại thiết bị: một hướng (gồm bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và hai hướng (bộ ghép/tách hỗn hợp) Ký hiệu I(li) và O(lk) đại diện cho các tín hiệu ghép trên đường chung, trong khi Ik(lk) là tín hiệu đầu vào từ nguồn phát quang thứ k Tín hiệu Oi(li) là tín hiệu đã được tách và đi ra cửa thứ i Các tín hiệu quang không phát ra công suất đáng kể ngoài độ rộng phổ kênh đã định, do đó vấn đề xuyên kênh không quan trọng ở đầu phát Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các thiết bị WDM, bao gồm suy hao tại các điểm ghép nối và suy hao do thiết bị ghép gây ra, và cần lưu ý rằng suy hao xen được xem xét cho một bước sóng đặc trưng.
Suy hao tại bước sóng l i là hiện tượng xảy ra khi thiết bị được kết nối vào tuyến truyền dẫn Các nhà chế tạo cần cung cấp thông tin về các tham số này cho từng kênh quang của thiết bị.
Xuyên kênh trong bộ tách kênh (hình 1.6a) và bộ ghép - tách hỗn hợp (hình 1.6b) mô tả hiện tượng một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác Mức xuyên kênh có thể thay đổi rộng rãi tùy thuộc vào từng ứng dụng, nhưng cần đảm bảo rằng mức xuyên kênh luôn nhỏ hơn -30dB trong mọi trường hợp.
Trong một bộ tách kênh lý tưởng, không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh này sang kênh khác, nhưng thực tế luôn tồn tại mức xuyên kênh, làm giảm chất lượng truyền dẫn Khả năng tách biệt các kênh khác nhau được đánh giá qua suy hao xuyên kênh, được tính bằng đơn vị dB.
Theo sơ đồ trong hình 1.6 a), Ui(lk) đại diện cho tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk, phát sinh từ việc dò tín hiệu tại cửa ra thứ i, trong khi tín hiệu chính chỉ xuất hiện ở bước sóng li Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như hình 1.6 b), suy hao xuyên kênh cũng được xác định tương tự như ở bộ tách Cần lưu ý đến hai loại xuyên kênh: “xuyên kênh đầu xa”, do các kênh ghép khác gây ra trong quá trình truyền dẫn, và “xuyên kênh đầu gần”, phát sinh từ các kênh ở đầu vào được ghép bên trong thiết bị.
Khi sản xuất các thiết bị phát quang, các nhà chế tạo cần cung cấp thông tin về suy hao kênh cho từng loại thiết bị Độ rộng kênh được xác định dựa trên dải bước sóng của từng nguồn phát quang Đối với diode Laser, độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nanomet để tránh nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của nguồn phát, ví dụ như sự thay đổi nhiệt độ có thể làm trôi bước sóng đỉnh Trong khi đó, đối với diode phát quang LED, độ rộng kênh cần lớn hơn 10 đến 20 lần vì độ rộng phổ của nguồn phát này rộng hơn.
CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM
Các thiết bị WDM vi quang
Các thiết bị WDM vi quang được phát triển dựa trên hai công nghệ chính: thiết bị có bộ lọc và thiết bị phân tán góc Thiết bị lọc cho phép chỉ một bước sóng (hoặc một nhóm bước sóng) hoạt động tại một thời điểm, giúp tách biệt một bước sóng trong nhiều bước sóng Để tạo ra một thiết bị hoàn chỉnh, cần phải kết hợp các công nghệ này một cách hiệu quả.
22 người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng Còn thiết bị phân tán góc lại đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng
1: Các bộ lọc thiết bị
Trong thiết bị ghép-tách bước sóng vi quang, bộ lọc bước sóng bằng màng mỏng thường được sử dụng Ví dụ, bộ tách bước sóng sử dụng bộ lọc màng mỏng được minh họa trong hình 2.2.
Hình 2.2 Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng
Bộ lọc đa lớp được cấu tạo từ các lớp điện môi mỏng với chỉ số khúc xạ cao và thấp xen kẽ, hoạt động dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot Thiết kế của bộ lọc bao gồm hai gương phản xạ một phần song song, cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt.
Hình 2.3 Cấu trúc của bộ lọc điện môi
Bộ lọc bậc 0 có độ dày lớp bằng 1/4 bước sóng truyền, trong khi bộ lọc bậc 1 có độ dày bằng 3/4 bước sóng Chúng thường được chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấp như MgF2 (n = 1,35) hoặc SiO2 (n = 1,46), và vật liệu có chỉ số chiết suất cao như TiO2 (n = 2,2).
Khi chùm tia sáng đi vào thiết bị, hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng Nếu bề dày lớp đệm là bội số nguyên của nửa bước sóng ánh sáng tới, giao thoa xếp chồng sẽ xảy ra, dẫn đến công suất quang của bước sóng đạt giá trị cực đại, từ đó bước sóng đó được truyền dẫn một cách hiệu quả nhất.
Trong buồng cộng hưởng, 23 chùm ánh sáng ở các bước sóng khác nhau hầu như bị phản xạ hoàn toàn Đường cong phân bố công suất tại đầu ra của bộ lọc thể hiện hình dạng tương tự như hình 2.4.
Hình 2.4 Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc
Bộ lọc thông thấp và thông cao có bước sóng cắt lc, với bộ lọc thông cao được minh họa ở hình 2.5a và bộ lọc thông thấp ở hình 2.5b Bộ lọc thông giải có bước sóng trung tâm l0 cùng với độ rộng giải nhất định.
Dl (hình 2.5c) T là hàm truyền đạt của bộ lọc
Hình 2.5 Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao thoa cắt (a)(b) và băng thông (c)
Các bộ lọc thông thấp và thông cao được sử dụng để tách biệt các bước sóng xa nhau như 850 nm và 1300 nm, hoặc 1300 nm và 1550 nm, phù hợp cho hệ thống WDM với nguồn quang phổ rộng (LED) Trong khi đó, bộ lọc thông giải được áp dụng khi nguồn quang có phổ hẹp (LASER) Để đảm bảo hiệu quả, bộ lọc thông giải cần có độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt lớn để tránh hiện tượng xuyên âm giữa các kênh lân cận, đồng thời độ rộng giải Dl phải có dung sai cho phép nhằm điều chỉnh dịch bước sóng trung tâm khi nhiệt độ thay đổi.
Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng:
Bộ tách hai kênh có cấu trúc cơ bản như hình 2.6a, trong khi việc thực hiện thực tế đơn giản hơn như hình 2.6b Các phần tử chuẩn trực và hội tụ được sử dụng là lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P Bộ lọc được thiết kế để phát l1 và phản xạ l2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính.
Hình 2.6 Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa a) Cấu hình cơ bản và b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế
Các thiết bị tách bước sóng hiện có trên thị trường và được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin quang, đặc biệt với các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm, cũng như các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng khác nhau.
Các cặp bước sóng như 800 nm và 830 nm, 800 nm và 890 nm, 1200 nm và 1300 nm, cũng như 1300 nm và 1550 nm, đều có suy hao xen nhỏ hơn 3 dB cho mỗi cặp, trong khi suy hao xuyên kênh cao hơn 25 dB.
1.2: B ộ tách lớn hơn hai bước sóng
Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng các bộ lọc nối tiếp, trong đó mỗi bộ lọc cho phép một bước sóng đi qua và phản xạ lại các bước sóng khác.
Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng
Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các sợi quang vv
Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt
Bộ tách vi quang 5 kênh thực tế có thể được tạo ra mà không cần sử dụng các phần tử chuẩn trực Ví dụ, trong thiết bị không có lăng kính, các bộ lọc giao thoa được bố trí một cách thích hợp trên từng đoạn, và đầu sợi được mài nhẵn.
Hình 2.9 Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi
1.3: Thi ết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX -DEMUX):
Hình 2.10 thể hiện thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng Các bước sóng 0,81 mm và 0,89 mm từ hai nguồn quang khác nhau được ghép thành một tia chung để truyền
Sợi quang 27 có khả năng tách các bước sóng 1,2 mm và 1,3 mm thành hai tia riêng biệt, mỗi tia tương ứng với một bước sóng, trước khi được đưa đến diode tách quang Tại cổng vào, thấu kính GRIN loại 1/4P phân kỳ được sử dụng, trong khi tại cổng ra, thấu kính loại 1/4P hội tụ được áp dụng.
Hình 2.10 Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng
BPF (Bộ lọc thông giải), LWPF (Bộ lọc thông thấp) và SWPF (Bộ lọc thông cao) là các loại bộ lọc quang học quan trọng Độ rộng kênh của chúng là 25 nm và 32 nm trong cửa sổ thứ nhất, và 47 nm và 50 nm trong cửa sổ thứ hai của sợi quang Suy hao xen đạt 1,4 dB tại bước sóng 0,89 mm, 2,6 dB tại bước sóng 1,2 mm, 2,2 dB tại bước sóng 1,3 mm khi sử dụng Laser diode, và 5,2 dB cho các bước sóng khác.
CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI
Các thiết bị WDM ghép sợi được tối ưu hóa cho sợi đơn mode, giúp giảm quang sai, trễ và suy hao trong quá trình xử lý chùm sáng qua các đoạn phản xạ, chuẩn trực và hội tụ Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên việc công suất quang từ một sợi sẽ chuyển sang các sợi khác khi chúng được đặt gần nhau.
Xét hai lõi sợi quang đơn mode có kích thước và đặc tính quang giống nhau, nằm song song trong cùng một vỏ Khi một lõi truyền tín hiệu quang, hệ số ghép của lõi còn lại được xác định theo biểu thức (2.13).
A - bán kính lõi d - khoảng cách giữa 2 tần số n 1 - hệ số chiết suất của lõi n 2 - hệ số chiết suất của vỏ
K1 - hàm Bessel bậc nhất loại hai b - thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode, gọi là hằng số truyền lan d = 1 - n 2 /n 1 - hệ số chiết suất tương đối
U = a[(2pn1/l) 2 - b 2 ] 1/2 - hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi
W = a[b 2 - (2pn2/l) 2 ] 1/2 - độ suy biến tốc độ của trường trong vỏ
Hệ số ghép được xác định bởi các đặc tính hình học, quang học (chiết suất) và bước sóng (thông qua các tham số V, U, W) Khi bước sóng cố định, việc giảm khoảng cách d sẽ dẫn đến sự gia tăng hệ số ghép Ngược lại, nếu khoảng cách d được giữ cố định, hệ số ghép sẽ tăng khi tần số chuẩn hoá giảm (l giảm), do sự phân bố trường mode có xu hướng mở rộng về phía vùng vỏ.
Công suất ghép giữa hai sợi được mô tả bằng hàm sin 2 (A0L), trong khi công suất lan truyền được thể hiện qua hàm cos 2 (A0L), với L là độ dài đoạn ghép và A0 là hệ số ghép Trong thực tế, khi độ dài z của đoạn ghép thay đổi, công suất ghép sẽ trở thành sin 2 òA(z)dz và công suất lan truyền sẽ là cos 2 òA(z)dz.
Các thiết bị WDM ghép sợi có hai dạng chính: nung nóng chảy các sợi kề nhau và đánh bóng chỗ tiếp xúc giữa hai sợi Trong kỹ thuật đánh bóng, mỗi sợi được lắp vào thấu kính cong có đường kính khoảng 25 cm, thường được gọi là bộ ghép khối Ngược lại, trong kỹ thuật xoắn nóng chảy, hai lõi sợi được xoắn vào nhau và nung nóng chảy thành một lõi chung.
Khi hai sợi ghép có tính chất tương đồng, hiệu suất ghép sẽ phụ thuộc vào bước sóng Khoảng cách kênh cực tiểu giữa hai bước sóng được phân tích có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất ghép.
Trong đó: d(A0L)/ dl là đạo hàm của hệ số ghép theo bước sóng và L là khoảng cách hiệu dụng đoạn ghép
Khi hai sợi ghép khác nhau thì hiệu suất ghép không tuần hoàn nên có Dl:
Trong đó: db1/dl và db2/dl là các đạo hàm của b theo mode của mỗi sợi
Hai phương pháp tạo ra bộ ghép sợi cho thiết bị WDM được trình bày trong hình 2.24 Các bước sóng tương ứng với sự đồng nhất của các hàm số lan truyền giữa hai đường dây là những bước sóng mà tại đó năng lượng được chuyển giao từ sợi này sang sợi khác.
Băng thông của bộ ghép sợi nóng chảy có hình dạng gần giống như sóng sin, điều này hạn chế lựa chọn nguồn phát Do đó, các LED không thể được sử dụng do phổ rộng của chúng Chỉ có các diode laser với độ rộng phổ hẹp mới có thể được sử dụng, miễn là tránh được suy hao xen và xuyên kênh lớn.
Hình 2.25 Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1550nm với kỹ thuật ghép nóng chảy 2 sợi như nhau
Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép được kéo dài cho đến khi đạt được giá trị ghép yêu cầu tại các bước sóng xác định Chẳng hạn, ghép nóng chảy ở 1300/1550nm có độ dài ghép 20 nm và suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB Đường cong truyền dẫn của thiết bị này được thể hiện trong hình 2.25.
Khi cần ghép nhiều hơn hai bước sóng, việc ghép nối tiếp các bộ ghép là cần thiết, tạo thành cấu hình rẽ nhánh Ví dụ, bộ ghép trong hình 2.26 bao gồm ba mối ghép nối tiếp với các bước sóng l1 1320nm, l2 1280nm, l3 1240nm và l4 1200nm.
Bộ ghép kênh 4 bước sóng sử dụng phương pháp ghép nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode có ưu điểm nổi bật so với phương pháp ghép nóng chảy là khả năng điều hướng thông qua việc dịch chuyển vị trí tương ứng.
Ghép hai sợi với nhau bằng phương pháp nóng chảy giúp giảm chi phí sản xuất Kết hợp cả hai phương pháp sẽ mang lại hiệu quả tối ưu trong quá trình ghép.
Các thiết bị ghép sợi WDM được thiết kế để hoạt động hiệu quả với các bộ ghép kênh đơn, có suy hao phổ biến từ 4 đến 6 dB Đối với bộ tách kênh, yêu cầu về xuyên kênh cần phải nhỏ, do đó thường phù hợp với các bộ grating vi quang.
MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM
1 Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT
Chức năng ghép hoặc ghép bước sóng trong hệ thống quang hai hoặc ba chiều tạo ra mối quan hệ giữa sợi quang truyền dẫn và các sợi quang đầu vào hoặc đầu ra Ví dụ, trong coupler Y, sợi quang truyền dẫn được phản xạ tới hai sợi quang khác thông qua thiết bị chia quang và thấu kính hội tụ Trong thiết bị ghép bước sóng, sợi quang truyền dẫn được phản xạ tới các vị trí khác nhau trên mặt phẳng tiêu, tùy thuộc vào bước sóng và cách tử sử dụng Các dụng cụ này tạo ra mối quan hệ giữa chủ thể và trường ảnh, cho phép điều khiển vị trí sợi quang trong các trường khác nhau Khi được điều khiển thích hợp, một số coupler hoặc bộ ghép có thể được thực hiện trên một phần tử, được gọi là phần tử công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT.
Trong một phần tử SOFT, bộ tách quang học bao gồm một dãy P sợi quang được chia thành các tập con với n+1 sợi quang Ví dụ, với dãy P = 21 sợi quang, nếu các dụng cụ quang tách tín hiệu từ một sợi quang đầu vào thành n = 2 sợi quang đầu ra, sẽ tạo ra P/n+1 = 7 tập con, tương đương với 7 coupler quang giống nhau trong cùng một phần tử.
Hình 2.27 Bộ tách SOFT 2 bước sóng (P = 21)
Nguyên lý này rất hiệu quả trong việc tiết kiệm chi phí cho các mạng có nhiều coupler hoặc bộ tách/ghép bước sóng tại cùng một vị trí, chẳng hạn như trong các trung tâm, trạm đầu cuối xa, hoặc điểm rẽ nhánh của mạng thông tin video.
Trên một thiết bị quang học, mỗi tập hợp sợi quang đầu vào và đầu ra có thể tương thích với các bước sóng khác nhau, cho phép các bộ ghép không nhất thiết phải giống nhau Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế máy đo quang phổ nhiều kênh và bộ ghép bước sóng.
1.2 B ộ ghép nhân kênh dùng cách tử:
Hình 2.28 là bộ ghép dùng cách tử nhiễu xạ phẳng (R), thấu kính hội tụ (O) và dãy sợi đơn mode đặt trên mặt phẳng tiêu F
Hình 2.28 Bộ ghép kênh nhiều sợi dùng cách tử theo phương pháp SOFT
Sợi quang được đánh số từ 1 đến P, trong đó i là sợi quang đầu vào và j là sợi quang đầu ra Để mô tả bước sóng truyền trong môi trường giữa mặt phẳng tiêu và cách tử, ta có công thức: d(sinai + sinaj) = li j, với d là chu kỳ cách tử.
Nếu sợi quang trên mặt phẳng tiêu F sắp xếp sao cho sina i+1 = sina i + u, với u là hằng số, ta được:
Có thể tìm được l i j đối xứng qua đường chéo i = j và các bước sóng tương ứng với đường chéo i + j = const là như nhau
Hình 2.29 Ma trận chỉ rõ mối liên hệ sợi đầu vào và bước sóng tại sợi đầu ra
1.3 Thiết kế bộ ghép n bước sóng
Một bộ tách hoặc ghép có khả năng tách hoặc ghép n bước sóng, cho phép tách được P/(n+1) lần bước sóng từ một tập P sợi quang, với P/(n+1) phải là số nguyên Việc này có thể thực hiện mà không gây suy hao và các bộ tách/ghép hoạt động độc lập Để chọn vị trí sợi đầu vào và sợi đầu ra từ ma trận, ta thực hiện các bước: vào sợi 1, ra từ các sợi P, P-1, P-2, và P+1-n (với P là số lượng sợi quang tối đa và n là số bước sóng cần ghép hoặc tách) Vẽ các đường chéo i+j = const, như i+j = P+1, P, P-1, đến P+2-n Vào sợi P-n, giao điểm của đường nằm ngang P-n với đường chéo i+j const sẽ cho ra các bước sóng tương ứng với từng sợi đầu ra Tiếp tục vào sợi P-2n-1 và lặp lại quy trình cho đến khi hoàn tất Bộ tách này có khả năng xử lý 2 bước sóng chỉ với 3 sợi.
Cho P = 9, n = 2 Tìm mối liên hệ giữa các sợi đầu vào và đầu ra
Trước hết vẽ ma trận 9x9 như hình vẽ sau:
Hình 2.30 Ma trận xác định mối liên hệ của các sợi vào và sợi ra khi P=9,n=2
Để tính toán, đầu tiên vào sợi 1 và ra tại các sợi 8 và 9 Sau đó, vẽ đường chéo với i+j = 9 và i+j = 10 Tiếp theo, vào sợi P-n = 7, giao điểm của đường nằm ngang này với đường chéo xác định bước sóng trên các sợi đầu ra 2 và 3 Cuối cùng, vào sợi P-2n-1 = 4 để tìm bước sóng trên các sợi đầu ra 5 và 6 Kết quả tính toán được thể hiện trong hình 2.31.
Hình 2.31 Kết quả tính cho P = 9, n = 2
45 ỉ Bộ tỏch 3 bước súng nhõn 2
Ma trận để tính toán như hình 2.32:
Hình 2.32 Ma trận tính cho P = 8, n = 3
Để tính toán, trước tiên vào sợi 1 và ra trên các sợi 6, 7 và 8 Tiếp theo, vẽ các đường chéo với i+j = const = 7, 8, 9 Cuối cùng, vào sợi P-n = 5 và xác định giao điểm của đường này với đường chéo để xác định bước súng đầu ra cho các sợi 2, 3, 4.
Kết quả tính toán như hình 2.33
Hình 2.33 Kết quả tính cho P = 8, n = 3
2 AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM
Quá trình phát triển của công nghệ WDM đã chứng kiến những bước tiến vượt bậc, từ những thiết bị tách/ghép kênh đơn giản chỉ cho phép bốn kênh đến các sản phẩm thương mại hiện nay có thể hỗ trợ tới 80 kênh Trong các nghiên cứu phòng thí nghiệm, khả năng ghép 170 bước sóng cho một tuyến WDM với dung lượng 1 Tbit/s qua sợi đơn mode chuẩn (SSMF) đã được thực hiện Điều này đã dẫn đến việc giảm khoảng cách kênh bước sóng từ 400 GHz ban đầu.
Hình 2.34 Các bước chế tạo AWG
Một trong những giải pháp hiệu quả để giảm chi phí cho chức năng quang là công nghệ vi mạch quang PLC (Planar Lightwave Circuit), mang lại khả năng tối ưu hóa chi phí và hiệu suất trong các ứng dụng quang học.
IC tích hợp nhiều chức năng quang trên một đế Silic, tạo ra vi mạch quang với nhiều mạch quang (optical circuits) Vi mạch này được sản xuất bằng các công nghệ tiên tiến trong ngành công nghiệp quang bán dẫn, cho phép chế tạo và tích hợp nhiều thành phần quang thành một chip với các chức năng quang hoàn chỉnh.
Quá trình chế tạo trong công nghiệp PLC được minh họa trong Hình 2.34, bắt đầu bằng việc lắng đọng một lớp phủ có chiết suất ncl (cladding) trên đế, sử dụng kỹ thuật trong công nghiệp bán dẫn Tiếp theo, một lớp gọi là lớp lõi được lắng đọng thêm.
Lớp lõi của waveguide có chiết suất nco, thường nhỏ hơn 1% so với ncl, và được in mẫu bằng kỹ thuật in quang lito Các mẫu waveguide được chế tạo trên lớp lõi này thông qua nhiều kỹ thuật khác nhau, như kỹ thuật quang khắc để tạo ra các "vệt" waveguide Bằng cách phân bố hình học và tạo lớp hoặc sử dụng các kỹ thuật khắc khác nhau, có thể tạo ra nhiều waveguide Sau đó, một lớp cladding với chiết suất ncl tương tự sẽ được phủ lên các mẫu waveguide đã khắc Để đánh giá chất lượng sản phẩm, người ta dựa vào chỉ số hiệu dụng b (hằng số truyền lan) của phần tử dẫn sóng Tuy nhiên, waveguide vẫn tồn tại một số nhược điểm, bao gồm bề mặt quang khắc không phẳng và sự dao động của nhiều chỉ số như chiết suất và độ sâu quang khắc.
Hình 2.35: Cấu tạo của một waveguide trên nền đé Silic
Từ cấu trúc dẫn sóng waveguide, có thể chế tạo nhiều vi mạch quang phức tạp với các chức năng đa dạng như phần tử tách/ghép bước sóng, coupler quang, phần tử chuyển mạch, bộ suy giảm điều chỉnh được, và các phần tử khuếch đại Những thành phần này rất cần thiết cho các module như OADM và các bộ bù tán sắc động (Dynamic Dispersion Compensator).
Hình 2.36: Các phần tử cơ bản của một AWG
Hình 2.37: Cấu tạo và hoạt động của một AWG
Tín hiệu quang được dẫn qua các phần tử dẫn sóng (waveguide) đến vùng thấu kính (lens region), nơi các thấu kính chia công suất quang và chuyển tiếp vào vùng ma trận cách tử (grating array) Mỗi waveguide trong ma trận này có độ dài sai lệch chính xác DL so với các waveguide lân cận, dẫn đến tín hiệu quang trong mỗi waveguide đạt cực đại tại các thời điểm trễ pha khác nhau ở đầu ra Độ trễ pha của tín hiệu được ký hiệu là DF, với công thức: pb = Dl * L.
MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN
Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh
Một yếu tố quan trọng cần xem xét là số lượng kênh mà hệ thống sử dụng và số kênh tối đa có thể sử dụng Số kênh tối đa của hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là ã Băng tần của sợi quang ã Khả năng tỏch/ghộp của cỏc thiết bị WDM
2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: ã Tốc độ truyền dẫn của từng kờnh ã Quỹ cụng suất quang ã Ảnh hưởng của cỏc hiệu ứng phi tuyến ã Độ rộng phổ của nguồn phỏt ã Khả năng tỏch/ghộp của cỏc thiết bị WDM
Cửa sổ truyền dẫn ở bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100 nm, tuy nhiên, dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ đạt khoảng 35 nm Theo khuyến nghị của ITU-T, dải khuếch đại này nằm trong khoảng từ 1530 nm đến 1565 nm.
Băng tần của sợi quang bị giới hạn trong khoảng 1565 nm cho băng C và từ 1570 nm đến 1603 nm cho băng L, điều này khiến các hệ thống WDM không thể khai thác tối đa băng tần của sợi quang Do đó, hệ thống WDM chỉ hoạt động hiệu quả với một dải bước sóng hẹp hơn nhiều so với toàn bộ dải tần phẳng có tổn hao thấp của sợi quang.
Khoảng cách kênh đề cập đến độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh lân cận Việc phân bổ kênh hợp lý trong dải băng tần hạn chế không chỉ tối ưu hóa hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số mà còn giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau.
Sử dụng khoảng cách kênh không đều nhau giúp giảm thiểu hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang Tuy nhiên, bài viết này chỉ tập trung vào hệ thống với khoảng cách kênh đều nhau Gọi Dl là khoảng cách giữa các kênh.
Tại bước sóng 1550 nm và băng tần 35 nm, băng C có Df = 4,37 x 10^12 Hz (4370 GHz) Với tốc độ truyền dẫn mỗi kênh là 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, phổ cơ sở là 5 GHz, cho phép tối đa 874 kênh trong dải tần của bộ khuếch đại quang (OFA) Tuy nhiên, để đạt được mật độ kênh cao, yêu cầu về chất lượng các thành phần quang phải rất cao Để tránh hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, cần sử dụng nguồn phát quang ổn định và bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, vì bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận.
Tần số trung tâm danh định là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thống WDM khác nhau, ITU-T quy định khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100 GHz (khoảng 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 THz Mặc dù có sản phẩm với khoảng cách 50 GHz, nhưng các sản phẩm thương mại chủ yếu tuân theo quy định của ITU-T Dưới đây là bảng tần số trung tâm danh định với khoảng cách 50 GHz và 100 GHz trong khoảng bước sóng từ 1534 nm đến 1560 nm.
Bảng 3.1 Tần số trung tâm danh định
Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là
Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là
Bước sóng trung tâm danh định (nm)
Trong hệ thống WDM, số lượng bước sóng không thể quá nhiều do sự phức tạp trong việc điều khiển và giám sát Điều này có thể quy định giới hạn tối đa cho số lượng bước sóng từ góc độ kinh tế và công nghệ Tất cả các bước sóng cần nằm trong phần tương đối bằng phẳng trên đường cong tăng ích của bộ khuếch đại quang, giúp hệ số tăng ích của các kênh gần như đồng nhất, thuận lợi cho thiết kế hệ thống Đối với bộ khuếch đại sợi quang pha trộn erbium, phần tương đối bằng phẳng của đường cong tăng ích nằm trong khoảng từ 1540 nm đến 1560 nm.
Một hệ thống WDM 16 kênh và 8 kênh trên thực tế có bảng phân phối kênh như dưới đây:
Bảng 3.2 Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh
Thứ tự Tần số trung tâm (THz) Bước sóng (nm)
(Bước sóng trung tâm của 8 kênh trong hệ thống 8 kênh chọn các giá trị bước sóng có dấu *)
Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát
Trong hệ thống WDM, việc quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống Hiện nay, có hai phương pháp chính để điều khiển nguồn quang: đầu tiên là phương pháp điều khiển phản hồi qua nhiệt độ chip của bộ kích quang, nhằm giám sát và điều chỉnh mạch điện điều nhiệt để ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệch giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo để điều chỉnh nhiệt độ của bộ kích quang, tạo thành một cấu trúc khép kín cho bước sóng trung tâm.
2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát
Việc chọn độ rộng phổ cho nguồn phát là cần thiết để đảm bảo các kênh hoạt động độc lập và tránh hiện tượng chồng phổ giữa các kênh lân cận Mặc dù băng thông của sợi quang rất lớn, nhưng các hệ thống WDM thường sử dụng bộ khuếch đại quang sợi chỉ hoạt động trong vùng cửa sổ 1550 nm, giới hạn băng tần của hệ thống WDM từ 1530 nm đến 1565 nm cho băng C và từ 1570 đến 1603 nm cho băng L Do đó, khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải được xác định để tránh chồng phổ ở phía thu, và khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ đã chọn.
58 rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến
Hệ thống WDM có thể được hiểu như sự kết hợp của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và công suất phát hợp lý Mối liên hệ giữa phổ tín hiệu thu và phát được mô tả qua tham số D, đại diện cho sự giãn phổ, trong khi B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn và D là độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền Hệ số x thể hiện sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang được tính bằng công thức x = B.D.D.
Từ công thức D = x/B.D, ta có thể xác định độ giãn rộng phổ của nguồn phát Sử dụng độ giãn rộng này cùng với khoảng cách kênh bước sóng theo bảng tần số trung tâm (bảng 3.1), chúng ta có thể tìm ra độ rộng phổ cần thiết cho nguồn phát.
Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang
Xuyên nhiễu giữa các kênh trong sợi quang có tác động đáng kể đến độ nhạy của máy thu, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của hệ thống WDM Có hai loại xuyên nhiễu chính cần được phân biệt trong nghiên cứu này.
Xuyên nhiễu tuyến tính là hiện tượng xảy ra do đặc tính không lý tưởng của thiết bị tách kênh Mức độ xuyên nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào loại thiết bị tách kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh.
- Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang gây nên (sẽ đề cập cụ thể ở phần sau).
Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM
Trong bất kỳ hệ thống số nào, việc đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) là rất quan trọng để đầu thu có thể nhận tín hiệu với mức BER cho phép Giả sử máy phát truyền tín hiệu với công suất Pph nhất định, công suất tín hiệu sẽ giảm dần trong quá trình truyền dẫn do nhiều nguyên nhân, bao gồm suy hao từ sợi quang và các thành phần khác.
Khi quang thụ động, khoảng cách truyền dẫn càng dài thì công suất tín hiệu sẽ suy hao nhiều hơn Nếu mức suy hao vượt quá giới hạn, công suất tín hiệu đến máy thu sẽ thấp hơn công suất ngưỡng thu tối thiểu (Pthu min), dẫn đến việc mất thông tin Để đảm bảo máy thu có thể nhận được thông tin, công suất tín hiệu đến máy thu cần nằm trong dải công suất cho phép của thiết bị.
P máy phát = P phát + P dự trữ
Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max
Để đảm bảo thông tin được truyền tải hiệu quả, công suất phát cần lớn hơn khi khoảng cách truyền dẫn tăng Để khắc phục tình trạng suy hao tín hiệu, bộ lặp tín hiệu được sử dụng trên đường truyền Trước khi có bộ khuếch đại quang, việc bù đắp suy hao tín hiệu được thực hiện thông qua các trạm lặp điện 3R, quy trình này khá phức tạp Đầu tiên, các kênh tín hiệu phải được tách rời bằng thiết bị DEMUX, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện để khuếch đại, rồi lại chuyển đổi về tín hiệu quang, cuối cùng là ghép các kênh tín hiệu quang bằng thiết bị MUX Quy trình này gây khó khăn trong việc tính toán và thiết kế tuyến thông tin quang.
Việc sử dụng trạm lặp điện 3R không chỉ làm tăng số lượng thiết bị trên tuyến mà còn giảm quỹ công suất của hệ thống do suy hao lớn từ các thiết bị tách/ghép bước sóng Tuy nhiên, sự ra đời của bộ khuếch đại quang sợi EDFA đã giải quyết vấn đề quỹ công suất quang, giảm đáng kể số trạm lặp cần thiết trên tuyến Với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng, EDFA rất phù hợp cho các hệ thống WDM.
Tán sắc – Bù tán sắc
Sau khi sử dụng EDFA, vấn đề suy hao được khắc phục và cự ly truyền dẫn được cải thiện, nhưng tổng tán sắc lại tăng lên, gây ra thách thức cho việc truyền thông tin tốc độ cao và khoảng cách dài Hiệu ứng tán sắc trong sợi quang hiện nay trở thành yếu tố hạn chế chính, đặc biệt trong hệ thống tốc độ cao Chẳng hạn, với sợi quang G.652, tại tốc độ 2,5 Gbit/s, cự ly truyền dẫn chỉ đạt khoảng 928 km, nhưng khi tăng tốc độ lên 10 Gbit/s, cự ly này giảm xuống chỉ còn 58 km.
Bảng 3.3 Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết)
Tốc độ 1550 nm(G.652) 1550 nm(G.655) 1310 nm(G.652)
Tán sắc trong sợi quang là hiện tượng giãn rộng tín hiệu trong quá trình truyền dẫn Tán sắc tổng cộng được chia thành ba loại chính: tán sắc mode, tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng.
Tán sắc mode trong sợi quang phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và đường kính lõi của sợi Hiện tượng này chỉ xảy ra ở các sợi đa mode, nơi các mode truyền đi theo các đường đi khác nhau, dẫn đến cự ly và thời gian truyền khác nhau giữa các mode.
Tán sắc vật liệu trong sợi quang xảy ra khi chỉ số chiết suất thay đổi theo bước sóng, dẫn đến việc vận tốc nhóm của các mode khác nhau cũng bị ảnh hưởng Các thành phần phổ của mode sẽ lan truyền với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào bước sóng, tạo ra hiệu ứng tán sắc vật liệu.
61 bên trong mode, và là yếu tố quan trọng đối với các sợi đơn mode và các hệ thống sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang LED
Tán sắc dẫn sóng là hiện tượng khi sợi đơn mode chỉ giữ khoảng 80% năng lượng trong lõi, trong khi 20% năng lượng ánh sáng truyền nhanh hơn trong vỏ sợi Hiện tượng này phụ thuộc vào hằng số lan truyền b, mà b là hàm của a/l, với a là bán kính lõi sợi Trong sợi đa mode, tán sắc dẫn sóng thường không được chú ý, nhưng lại rất quan trọng trong sợi đơn mode.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của tán sắc, có một số phương pháp chính có thể áp dụng Đầu tiên, việc làm hẹp độ rộng phổ nguồn phát là một giải pháp hiệu quả Thứ hai, sử dụng sợi G.653, với mức tán sắc nhỏ tại cửa sổ truyền dẫn 1550nm, cũng là một lựa chọn tốt Thứ ba, bù tán sắc bằng phương pháp điều chế tự dịch pha SPM có thể cải thiện chất lượng tín hiệu Cuối cùng, việc sử dụng các phần tử bù tán sắc thụ động và sợi DCF (Dispersion Compensated Fiber) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tán sắc.
Kỹ thuật WDM giúp tăng dung lượng hệ thống mà không làm gia tăng mức độ tán sắc, nhờ vào việc không cần nâng cao tốc độ truyền dẫn của kênh tín hiệu.
Tán sắc mode phân cực là một loại tán sắc thường bị bỏ qua trong các hệ thống tốc độ thấp, nhưng lại rất quan trọng trong các hệ thống tốc độ cao Việc hiểu và chú ý đến ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Tán sắc mode phân cực (PMD) là một thuộc tính quan trọng của sợi quang đơn mode, trong đó năng lượng tín hiệu ở bất kỳ bước sóng nào được phân tích thành hai mode phân cực trực giao với vận tốc truyền khác nhau Sự chênh lệch vận tốc giữa hai mode này dẫn đến thời gian truyền khác nhau qua cùng một khoảng cách, được gọi là sự trễ nhóm (DGD) Hiện tượng tán sắc mode phân cực gây dãn rộng xung tín hiệu, làm giảm dung lượng truyền dẫn, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống quang.
Tán sắc mode phân cực trong sợi quang đơn mode không ổn định ở bất kỳ bước sóng nào, khác với các tán sắc khác có tính ổn định hơn Nguyên nhân chính là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang và sự khác biệt về chiết suất giữa các trạng thái phân cực trực giao, được gọi là sự lưỡng chiết Sự khác biệt này dẫn đến lệch thời gian truyền sóng giữa hai mode phân cực Trong sợi đơn mode, hiện tượng này phát sinh từ sự không tròn của lõi sợi quang và sự uốn cong của sợi, làm thay đổi mật độ phân tử, gây ra sự mất đối xứng trong hệ số khúc xạ Tuy nhiên, lưỡng chiết do uốn cong không phải là nguyên nhân chính gây ra tán sắc mode phân cực.
Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
Hệ thống thông tin sợi quang thường gặp phải vấn đề về công suất quang thấp Mặc dù sợi quang có khả năng truyền dẫn tuyến tính, việc sử dụng bộ khuếch đại EDFA giúp tăng cường công suất quang Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định, sợi quang có thể thể hiện đặc tính truyền dẫn phi tuyến tính, điều này ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của EDFA và giới hạn khả năng truyền dẫn dài mà không cần trạm lặp.
Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu xuất phát từ hiệu ứng tán xạ, bao gồm tán xạ bị kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ bị kích thích Raman (SRS).
Do ảnh hưởng của hiệu suất khúc xạ bao gồm: ã Tự điều chế pha (SPM) ã Điều chế pha chộo (XPM) ã Trộn tần bốn súng (FWM)
Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất đưa vào sợi quang
1 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering):
Hiệu ứng Raman xảy ra khi photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng cho dao động cơ học của các phần tử trong môi trường truyền dẫn, dẫn đến việc phát xạ ánh sáng có bước sóng lớn hơn, gọi là ánh sáng Stokes Khi ánh sáng tín hiệu có cường độ lớn truyền qua sợi quang, quá trình này trở thành quá trình kích thích, trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò như sóng bơm (bơm Raman), chuyển một phần năng lượng của tín hiệu sang bước sóng Stokes.
Nếu gọi P s (L) là công suất của bước sóng Stocke trong sợi quang thì:
Ps(L) = P0exp(grP0L/(K.Seff)) (3.2) Trong đó:
P0 là công suất của ánh sáng tín hiệu đưa vào g r là hệ số tán xạ Raman
Seff là diện tích hiệu dụng vùng lõi
K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stocke và phõn cực của sợi, thụng thường K ằ 2
Công thức này được sử dụng để tính toán mức công suất P0, tại đó hiệu ứng SRS ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman P0 th P0 th là công suất tín hiệu đầu vào mà tại đó công suất của bước sóng Stokes và công suất của bước sóng tín hiệu ở đầu ra là bằng nhau.
Theo tính toán, để hiệu ứng SRS ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống đơn kênh, công suất phải lớn hơn 1W nếu không sử dụng khuếch đại quang Tuy nhiên, trong hệ thống WDM, mức công suất cần thiết thấp hơn nhiều do hiện tượng khuếch đại ở các bước sóng lớn, trong khi công suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn bị giảm do chuyển năng lượng cho các bước sóng lớn, dẫn đến suy giảm hệ số SNR và ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Để đảm bảo suy giảm không nhỏ hơn 0,5 dB, công suất của từng kênh cần phải đáp ứng yêu cầu nhất định.
N là tổng số kênh quang
D¦ là khoảng cách giữa các kênh
Trong hệ thống WDM, hiệu ứng này hạn chế số lượng kênh, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống Nếu bước sóng mới trùng với kênh tín hiệu, nó có thể gây ra hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kênh.
2 Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering):
Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scattering) tương tự như hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering), với đặc điểm là ánh sáng bị tán xạ và dịch chuyển đến bước sóng dài hơn, được gọi là ánh sáng Stocke Sự khác biệt chính giữa hai hiệu ứng này là độ dịch tần trong SBS nhỏ hơn so với SRS, cụ thể là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm Trong hiệu ứng SBS, chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ ngược chiều tín hiệu mới có thể truyền qua sợi quang, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống WDM (Wavelength Division Multiplexing) khi tất cả các kênh tín hiệu hoạt động đồng thời.
65 kênh cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên nhiễu giữa các kênh
Trong số các hiệu ứng phi tuyến, ngưỡng công suất cần thiết để kích hoạt hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW Điều này cho thấy rằng hiệu ứng SBS có thể xảy ra dễ dàng hơn so với các hiệu ứng khác, mặc dù hiệu ứng này giảm tỷ lệ với
Df B và Df Laser liên quan đến băng tần khuếch đại Brillouin, trong đó Df B có băng tần rất hẹp (khoảng 10 - 100 MHz), làm cho hiệu ứng SBS khó xảy ra Chỉ những nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp mới bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng này Mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS đã được tính toán cụ thể.
Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin
Aeff là vùng lõi hiệu dụng
Df P là độ rộng phổ của tín hiệu
K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực (thông thường thì K =2)
Hiệu ứng SBS có tác động đến mức công suất của từng kênh trong hệ thống WDM, cũng như khoảng cách giữa các kênh Điều đáng lưu ý là hiệu ứng này không phụ thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống.
3 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation):
SPM (Self-Phase Modulation) là hiện tượng xảy ra khi cường độ ánh sáng thay đổi, dẫn đến sự biến đổi hiệu suất khúc xạ của sợi quang Điều này có nghĩa là chiết suất của môi trường truyền dẫn cũng thay đổi theo cường độ ánh sáng Công thức mô tả hiện tượng này là: n = n0 + DnNL = n0 + n2 E².
Trong đó: n0 là chiết suát tuyến tính n2 là hệ số chiết suất phi tuyến tính (n2 = 1,22.10 -22 đối với sợi SI)
E là cường độ trường quang
Hiệu ứng dịch pha phi tuyến F NL trong trường quang xảy ra khi ánh sáng lan truyền qua sợi quang, với tần số được xác định bởi đạo hàm của pha Nếu không tính đến sự suy hao, sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ được biểu diễn như sau:
Đối với trường quang có cường độ không đổi, hiệu ứng SPS chỉ tác động lên pha của trường quang, ít ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Ngược lại, với trường quang có cường độ thay đổi, dịch pha phi tuyến F NL sẽ biến đổi theo thời gian, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều tần số quang khác nhau so với tần số trung tâm v0, với giá trị dv NL được xác định bởi công thức dv NL = (-1/2p)(dv NL /dt).
Hiện tượng dịch tần phi tuyến, hay còn gọi là SPM, làm cho sườn sau của xung dịch giảm xuống tần số ff0 Điều này dẫn đến việc phổ tín hiệu bị dãn trong quá trình truyền, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, gây ra hiện tượng giao thoa và xuyên nhiễu giữa các kênh.
Tán sắc ảnh hưởng đến sự biến đổi của xung dọc theo sợi, với tán sắc tích lũy theo chiều dài tuyến Nếu gọi D là hệ số tán sắc của sợi, khi Df0) sẽ lan truyền nhanh hơn các thành phần tần số thấp (f0: thành phần tần số cao (f>f 0 ) sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp (f
