Đồ án Tổng quan về hệ thống WDM

công nghệ mới. Thiết kế bộ lọc tương tự như bộ lọc thường, nhưng khoang cộng hưởng của nó làm từ tinh thể lỏng. Thời gian điều chỉnh của bộ lọc cỡ , dải thông điều chỉnh khoảng 3040nm. Bộ lọc này có công suất tiêu thụ thấp và giá thành hạ. Tốc độ của bộ lọc đủ lớn, có khả năng ứng dụng trong chuyển mạch gói tốc độ cao của mạng WDM quảng bá và lựa chọn. 2.2.2.4 Mắc nối tầng các bộ lọc Fabry-Perot Khi số lượng kênh trong hệ thống WDM tăng lên (do nhu cầu dung lượng tăng), yêu cầu độ mịn F hiệu dụng của bộ lọc tăng lên. Có nhiều phương pháp để tăng F của bộ lọc. Thứ nhất, ta cải thiện chất lượng thiết bị như điều chỉnh hai gương bộ lọc rất song song nhau và tăng hệ số phản xạ R của gương. Thứ hai có thể mắc nối tầng nhiều bộ lọc liên tiếp. Phương án thứ hai hiệu quả và đơn giản hơn phương án thứ nhất. Trong phần này ta sẽ nghiên cứu các phương pháp thực hiện trong phương án hai, gồm dùng nhiều khoang cộng hưởng và cho tia sáng qua cùng một khoang cộng hưởng nhiều lần. Hình 3.13A chỉ ra đường đi của tia sáng qua hệ thống bộ lọc. Tia sáng được đi qua cùng một khoang cộng hưởng hai lần. Do đó hàm truyền đạt công suất của bộ lọc này bằng bình phương hàm truyền đạt công suất của bộ lọc đơn. T(f)= (2-35) (A) in out (B) in Hình 2.13 Mắc nối tầng , (A) two-pass (B) two-cavity Trong phương pháp dùng nhiều khoang cộng hưởng mắc nối tiếp (hình 3.13B), độ mịn của 2 khoang cộng hưởng được lựa chọn bằng nhau và bằng F, độ rộng phổ tự do FSR tỉ lệ k:l (trong đó k, l là các số nguyên và (k,l)=1). Khi đó độ mịn F tương đương của bộ lọc là F = max (k,l)Fo. Hình 2.14 là ví dụ cho trường hợp k=3 và l=4. Hình2.14A là đặc tính truyền đạt công suất của một khoang cộng hưởng lấy làm chuẩn (để đối chiếu) có F=10. Hình2.14B là đặc tính truyền đạt của khoang cộng hưởng thứ nhất, có FB=F=10, FSBB=1/3.FSR. Hình 2.14C là đặc tính truyền đạt công suất của khoang cộng hưởng thứ 2 có Fc=F=10, FSRc=1/4.FSR. Bộ lọc gồm 2 khoang cộng hưởng mắc nối tiếp có hàm truyền đạt công suất bằng tích hai hàm truyền đạt công suất thành phần. Hình 2.14D là hàm truyền đạt công suất của bộ lọc. Từ hình vẽ ta nhận thấy độ rộng băng thông của bộ lọc bằng độ rộng băng thông của khoang cộng hưởng thứ hai, nhưng FSR tăng lên 4 lần so với khoang cộng hưởng thứ hai. Do đó, sđộ mịn F của bộ lọc F=4F=max(3,4)F. i=0 1 2 3 4 5 6 7 j=0 1 2 3 4 5 6 7 8 T(f) f f f (A) (B) (C) TB(f) TC(f) Hình 2.14 Đặc tính phổ bộ lọc Fabry – Perot hai khoang f (D) TD(f) Trong trường hợp nối tầng nhiều khoang cộng hưởng ta cần phân biệt 2 trường hợp: - Khi k,l là hai số nguyên liên tiếp ((k,l) vẫn đảm bảo nguyên tố cùng nhau) thì bộ lọc đó được gọi là bộ lọc hai khoang vernier (như ví dụ trên) f f (A) j=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (B) (C) Hình 2.15 Phổ của bộ lọc hai khoang Coarse-fine TB(f) TC(f) TA(f) - Khi k,l chênh lệch nhau rất lớn thì bộ lọc đó được gọi là bộ lọc hai khoang Coarse-Fine. Hình 2.15 chỉ ra một ví dụ về bộ lọc loại này có k=1, l=4. Bộ lọc thứ nhất đóng vai trò là bộ lọc thô, bộ lọc thứ hai đóng vai trò là bộ lọc tinh. 2.2.3 Bộ tách kênh trong miền không gian Bộ tách kênh trong miền không gian được cấu tạo từ các thành phần cơ bản là cách tử và lăng kính. Lăng kính làm việc dựa trên nguyên lí tán sắc góc. Cách tử hoạt động dựa trên sự giao thoa giữa các tia phản xạ (hoặc nhiễu xạ) trên một cấu trúc có chu kì. Có ba loại cách tử cơ bản là cách tử nhiễu xạ, cách tử phản xạ Bragg và cách tử Bragg quang âm. 2.2.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc r i’ i Hình 2.16 Tán sác dùng lăng kính Trong giai đoạn đầu của kĩ thuật WDM người ta thường hay sử dụng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.16). Do chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng nên chùm tia sáng có nhiều bước sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính phân tách thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra. Theo định luật Snel: (2-36) Lăng kính có mức độ tán sắc thấp, khó tách được các bước sóng gần nhau. Vì vậy, người ta chỉ có thể sử dụng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ ở hai bước sóng 1300nm và 1550 nm). Do đó, hiện nay lăng kính không được sử dụng nữa. Thay vào đó người ta sử dụng cách tử làm phần tử tán sắc góc. Lăng kính có mức độ tán sắc thấp, khó tách được các bước sóng gần nhau. Vì vậy, người ta chỉ có thể sử dụng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ ở hai bước sóng 1300nm và 1550 nm). Do đó, hiện nay lăng kính không được sử dụng nữa. Thay vào đó người ta sử dụng cách tử làm phần tử tán sắc góc. 2.2.3.2 Cách tử nhiễu xạ a. Giới thiệu Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được phủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh có thể lên tới vài nghìn trên 1mm (gọi là mật độ in của cách tử). Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử), góc tới và bước sóng của ánh sáng tới. Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc đầu vào, sau khi đi qua lăng kính sẽ được tách thành các tia đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau. Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho độ phân giải giữa các góc nhiễu xạ ở các bước sóng khác nhau lớn hơn. Hình 2.17 Sử dụng cách tử để tách bước sóng Tại một bước sóng có duy nhất một hướng ra có công suất ra lớn nhất. Các bước sóng khác nhau có hướng ra khác nhau. Do đó ta có thể tách được một bước sóng ra mong muốn bằng cách đặt sợi quang tại các vị trí có góc đón ánh sáng thích hợp. b) Nguyên lý và các tham số của cách tử nhiễu xạ Hình 3.18 minh hoạ sự phản xạ ánh sáng của một tia sáng ở bước sóng xác định. Theo hình vẽ độ chênh lệch về pha giữa hai tia phản xạ tại hai rãnh cách tử kề nhau là: (2-37) Trong đó : là góc tới là góc nhiễu xạ a b L Hình 2.18Cách tử nhiễu xạ Giả sử cách tử có N rãnh phản xạ. Công suất đầu ra tại góc nhiễu xạ tỉ lệ với: X= = (2-37) Từ công thức (2-37), ta thấy rằng X là một hàm tuần hoàn theo và có chu kì là 2, Xmax= N2 tại . Mặt khác theo công thức (2-37), là một hàm của bước sóng . Do đó tồn tại nhiều bước sóng cho công suất đầu ra lớn nhất tại cùng góc. Khoảng cách giữa các bước sóng này là độ rộng phổ tự do của bộ lọc (FSR). Như vậy FSR bằng khoảng cách giữa các bước sóng mà tại đó thay đổi một góc 2. Khi hai bước sóng cùng nằm trong một khoảng tại FSR thì chúng phản xạ ở các góc phản xạ khác nhau. Gọi là bước sóng mà tại đó . Theo công thức (2-36) ta có: = (2-38) Dải phổ tự do bậc m là khoảng cách giữa 2 bước sóng và , và được xác định như sau: FSRm= - == (2-39) Công thức (2-39) chỉ ra rằng bậc nhiễu xạ càng lớn thì FSR càng nhỏ. Để xác định độ phân giải phổ của bộ lọc ta xem xét hai kênh ở bước sóng , . Giả sử 2 bước sóng này có công suất lớn nhất tại các bước sóng có góc khúc xạ là và . Ta có: suy ra vì rất nhỏ nên hay: (2-40) Trong đó m là bậc nhiễu xạ. Hình 2.20 chỉ ra đồ thị phân bố công suất theo góc bức xạ tại hai bước sóng và . Theo tiêu chuẩn về độ phân giải Rayleigh, độ chênh lệch giữa hai đỉnh nhiễu xạ phải bằng độ chênh lệch giữa hai hướng có góc nhiễu xạ nhỏ nhất (hình 2.20). Do đó, với một bước sóng xác định thì bằng độ chênh lệch giữa hai góc nhiễu xạ có X đạt giá trị lớn nhất và nhỏ nhất đầu tiên. Hình 2.20 Cách tử Bragg khả chỉnh Theo công thức (2-37), X đạt giá trị lớn nhất tại =0 và X đạt giá trị nhỏ nhất đầu tiên tại Thay vào công thức(2-36)ta có: Do đó: Vì rất nhỏ nên : vậy : (2-41) Kết hợp công thức (2-40) và (2-41), ta có để tách được các kênh quang có khoảng cách kênh phải thoả mãn : (1-42) Theo công thức (2-42), muốn tăng độ phân giải phổ của bộ tách kênh, ta có thể tăng N hoặc giảm FSR. Tổng số kênh quang mà cách tử có khả năng phân tách là: Nch= < (2-43) Như vậy Nch tăng tỉ lệ theo N c) Các ứng dụng của cách tử nhiễu xạ Nói chung, các bộ tách kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ bao gồm ba phần chính là các phần tử vào (là một sợi truyền dẫn) và phần tử ra (là mảng sợi), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc grating. Cách tử Thấu kính tròn đầu mảng sợi l1, l2, l3, l4 l1 l2 l3 l4 Hình2.21 Sơ đồ bộ ghép kênh Finke. Cách tử Thấu kính tròn đầu mảng sợi l1, l2, l3, l4 l1 l2 l3 l4 Hình 2.22 Sơ đồ bộ ghép kênh Finke. Hình 2.21 là cấu hình đơn giản của bộ tách kênh Finke. Trong đó, mảng đầu sợi quang được đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc gratting được đặt tai tiêu cự bên kia của thấu kính đó. Bộ tách kênh thực tế loại này đã thực hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2đến 1,7dB (triển vọng có thể tách được 10 kênh). Lăng kính chuẩn trực Cách tử l1 l2 l1,l2 Cách tử Lăng kính Grin l1 l2 l1,l2 a) b) Hình 2.22. Bộ tách Littrow a) Cấu trúc cơ bản, b) Cấu trúc thực tế sử dụng Hình 2.22 là bộ tách Littrow với a) là cấu trúc cơ bản, b) là cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN. Hình 2.23 là bộ tách kênh sử dụng nhiễu xạ Planar và gương cầu lõm. Cách tử nhiễu xạ được đặt trước hệ thống đầu mảng sợi quang, phần giữa có một khe hở hẹp. Gương cầu lõm có tác dụng làm thay đổi hướng của bất kì tia đa bước sóng nào thành chùm tia song song quay trở lại cách tử. Tia này khi đã đến cách tử sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa. Các tia sáng có cùng bước sóng sẽ hội tụ trên cùng một sợi quang. Cấu trúc này có hệ số truyền đạt và hội tụ bằng 1. Vì vậy, hiệu suất ghép khá cao. Số lượng kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang. Từ năm 1993, có thể ghép được 6 kênh (đối với LED) và 22 kênh (đối với nguồn Laser). Nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể lên tới 49 kênh. Cách tử Gương lòng chảo l1, l2,..., ln l1 ln Hình 2.23 Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo. Ngoài ra, có thể sử dụng cách tử lòng chảo để phản xạ ánh sáng. Góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc bề mặt răng cưa. A B C N Hình 2.24 Cách tử hình lòng chảo. Cách tử lòng chảo Sợi vào Các sợi đầu ra Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo Một ứng dụng của cách tử lòng chảo như hình 2.25, thiết bị loại này đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc lăng kính). Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 3,6 dB. Tóm lại thiết bị tách kênh quang dùng các cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc thường được sử dụng theo các cách như chỉ ra ở trên. 2.2.3.3 Cách tử phản xạ Bragg a. Cách tử phản xạ Bragg sợi Cách tử phản xạ Bragg sợi quang là một đoạn sợi quang có chiết suất thay đổi theo chu kì dọc theo lõi sợi quang. Cách tử sợi quang Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài quá 15cm, do hạn chế về chiều dài của mặt nạ pha. Công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể điều biến theo yêu cầu tạo nên cách tử sợi quang nhiều bậc. Nhờ đó, một số lớn các bộ lọc được tạo ra với các thông số khá hoàn thiện. Cách tử Bragg sợi quang được tạo ra bằng cách chiếu chùm tia tử ngoại vào sợi quang. Chùm tia tử ngoại được chiếu qua một mặt nạ pha và tạo ra các mẫu giao thoa làm thay đổi cấu trúc lõi sợi quang một cách có chu kì. Kết quả là ta nhận được một cấu trúc chiết suất lõi sợi quang ổn định và cố định. Cách tử phản xạ Bragg hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: khi chiếu một chùm sáng đa sắc qua cách tử chỉ có duy nhất một bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg bị phản xạ trở lại, các bước sóng khác được truyền qua. Để xác định điều kiện phản xạ Bragg, thay vào công thức (2-38) : (2-44) trong đó n là chiết suất lõi sợi quang. Như vậy có thể coi cách tử là một khoang cộng hưởng có bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg. Tại các bước sóng không thoả mãn điều kiện trên thì ánh sáng không bị ảnh hưởng và truyền qua cách tử đến đầu thu. Về cơ bản cách tử Bragg hoạt động như một bộ lọc quang. Bộ lọc quang loại cách tử Bragg có suy hao xen thấp, đặc tính phổ có dạng bộ lọc băng thông (BPF) với khả năng đạt được khoảng cách giữa các kênh là 50GHz. Đó là một đặc tính hoàn toàn thuyết phục. Ta có thể tạo ra bộ lọc khả chỉnh từ một cấu trúc cách tử Bragg. Có hai phương pháp thay đổi băng thông của bộ lọc là điều khiển bằng nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt được tốc độ điều chỉnh cao hơn. Hình 2.26 Cách tử phản xạ Bragg sợi L Hình 2.27 Bộ lọc quang dùng cách tử Bragg 1 2 3 4 3dB Coupler 3dB Coupler Cách tử Bragg A B C b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg Hình 2.27 một bộ tách kênh quang ứng dụng công nghệ trên. Thiết bị bao gồm hai coupler 3dB và hai cách tử phản xạ Bragg. Khi đưa chùm sáng đa sắc có bước sóng vào cổng 1, chùm sáng qua Coupler 3dB thứ nhất được chia thành hai luồng đến 2 cách tử. Giả sử bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg, ánh sáng có bước sóng bị phản xạ bởi cách tử. Hình 2.27B chỉ ra hai đường đi của ánh sáng phản xạ đến cổng 2. Cả hai luồng ánh sáng đều bị dịch pha một góc 90o nên tín hiệu ở đầu ra cổng hai rất lớn. Cổng 1 cũng có hai luồng tín hiệu đi ra. Nhưng hai luồng này ngược pha nhau nên tín hiệu tổng tại cổng 1 bằng không. Hình 2.27C chỉ ra đường đi của ánh sáng tới cổng 3 hai luồng này ngược pha nhau và bị triệt tiêu. Cổng 4 cũng có hai đường tín hiệu ra đi theo hai đường khác nhau, hai đường này đồng pha nên được cộng hưởng. Như vậy bước sóng bị phản xạ và được đưa tới cổng 2. Các bước sóng còn lại được đưa tới cổng 4. Khi ghép thêm các bộ lọc thích hợp nối tiếp vào cổng 4 sẽ tách được các bước sóng khác trong chùm sáng đa sắc. Bước sóng trung tâm của bộ lọc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ cách tử. Có hai cách thực hiện: điều khiển bằng nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi quang bằng tải cơ. Hình 2.28 Cách tử phản xạ Bragg có cách tử hình quạt Một ứng dụng khác của cách tử phản xạ Bragg được chỉ ra trên hình 3.29. Sợi quang được đặt trên đỉnh cách tử hình quạt. Chu kỳ là . Khi bước sóng của ánh sáng tới thoả mãn điều kiện Bragg thì phản xạ xảy ra rất mạnh. Với là một bước sóng cho trước. Ta có thể tạo thành bộ lọc quang có bước sóng trung tâm là bằng cách điều chỉnh vị trí tương đối giữa cấu trúc cách tử và sợi quang để đạt được giá trị thích hợp. 2.3.3.4 Bộ lọc quang âm phản xạ Bragg Khi cho sóng âm truyền dọc theo sợi quang, chiết suất sợi quang sẽ thay đổi theo chu kì. Sợi quang hoạt động như một cách tử phản xạ Bragg chu kì L (hình 2.29) Khi cho một chùm sáng đa sắc chiếu vào sợi quang có góc tới qB (hình vẽ), thì bước sóng thoả mãn điều kiện sau sẽ phản xạ: 2n. sin(qB)L=l (2-45) Các bước sóng khác không thoả mãn điều kiện (3-48) sẽ được truyền qua trong suốt. Kết quả là ta tạo được bộ lọc quang dựa trên hiệu ứng âm quang. l2, l3, l4,... L qB l1 l1, l2, l3, l4,... Hình 2.29 Bộ lọc quang âm cách tử Bragg 2.3 Bộ khuếch đại quang 2.3.1 Sự cần thiết sử dụng các bộ khuếch đại quang Các bộ khuếch đại quang đóng vai trò cực kì quan trọng trong các mạng cáp đường dài. Trước đây khi chưa có khuếch đại quang, việc đưa kĩ thuật ghép bước sóng quang WDM ứng dụng vào mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng hệ thống chưa thực sự chứng tỏ được tính kinh tế của mình so với các giải pháp tăng dung lượng khác. Khi đó, phương pháp chuẩn để khắc phục suy hao của tín hiệu quang là đặt các bộ lặp điện dọc theo tuyến ở những cự ly cần thiết. Bộ lặp điện như vậy bao gồm : một photodetector để tách tín hiệu quang vào (tín hiệu này rất yếu do suy hao đường truyền và bị nhiễu bởi các hiệu ứng và ảnh hưởng khác), một bộ khuếch đại điện, mạch định thời để duy trì định thời của tín hiệu, một Laser phát kèm theo một bộ điều khiển. Các bộ lặp này bị hạn chế bởi tốc độ của các thành phần thiết bị điện, bởi vậy các hệ thống thông tin quang có dung lượng rất lớn nhưng chỉ được sử dụng hạn chế do sự có mặt của các bộ lặp điện. Với các bộ khuếch đại quang không bị giới hạn bởi bất kì băng tần điện cũng như thiết bị điện tử nào vì bộ khuếch đại quang sẽ khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, không qua bất kì chuyển đổi điện nào. Khuếch đại tín hiệu quang không bị phụ thuộc bởi dạng tín hiệu và dạng điều chế do nó chỉ tác động vào thành phần biên độ chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu. Khi thay đổi phương pháp điều chế tín hiệu thì cũng không cần thay đổi bộ khuếch đại. Với hệ thống WDM, khuếch đại quang cho phép khuếch đại đồng thời các kênh quang trong toàn bộ dải bước sóng.Do đó bộ khuếch đại quang sợi chính là chìa khoá cho sự phát triển của tất cả các mạng quang dung lượng lớnvà có cự li xa. 2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA Sự ra đời của khuếch đại quang sợi là một tiến bộ rất lớn trong lĩnh vực công nghệ viễn thông, đơn giản hoá rất nhiều cho việc lắp đặt các mạng cáp quang diện rộng. Hiện nay, các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp erbium EDFA được ứng dụng rộng rãi hơn cả do nó có hệ số khuếch đại cao, công suất lớn và mức nhiễu gần như lí tưởng, công tác tại bước sóng 1550nm là bước sóng truyền dẫn tối ưu ở hiện tại và tương lai, kết hợp dễ dàng được với sợi quang. EDFA không nhạy cảm với hiệu ứng phân cực và loại trừ được nhiễu xuyên âm giữa các kênh có các bước sóng khác nhau. Với những khả năng to lớn như vậy, EDFA được coi như là một trạm lặp thế hệ mới, nó được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông hiện tại và tương lai. a) Cấu trúccủa EDFA Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được cấu trúc bởi một đoạn sợi quang sợi pha tạp Erbium cùng các thành phần cần thiết khác.Các thành phần này gồm các thành phần thiết bị ghép thụ động WDM, bộ cách li quang Isolator và thiết bị tích cực như Laser bơm…. Có 3 loại cấu hình bơm ,bơm xuôi,bơm ngược va bơm cả hai hướng.Hình vẽ 2.30 a,b c mô tả cấu trúc điển hình của mổi loại bộ khuếch đại quang sợi. EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Ebium, thực hiện chuyển đổi năng lượng phát xạ của nguồn bơm thành công suất tín hiệu. Nguồn bơm của laser thường ở hai bước sóng 1480 nm và 980 nm. Bơm ở bước sóng 1480nm có hiệu suất thấp hơn so với bước sóng 980 nm và mức độ đảo mật độ cũng thấp hơn. Tuy nhiên, laser bơm tại bước sóng 1480nm có công suất phát lớn hơn so với laser 980nm. EDFA thường có dải bước sóng khuyếch đại là 30 đến 35 nm (1535 nm-1565 nm). Hình 2.30 Các cấu hình bơm Tín hiệu ra EDF Isolator Isolator Coupler WDM Tín hiệu vào Dòng bơm vào vào a) Bơm cùng chiều Isolator Coupler WDM EDF Tín hiệu ra Isolator Tín hiệu vào Dòng bơm vào b) Bơm ngược chiều Tín hiệu vào Coupler WDM Coupler WDM EDF Dòng bơm vào Tín hiệu ra Dòng bơm vào c) Bơm song hướng Theo lý thuyết, hệ số nhiễu của EDFA đạt được giới hạn lượng tử (giới hạn lượng tử này gây ra do phát xạ tự phát). Thực nghiệm cho thấy, hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt được là xấp xỉ 3dB, giá trị thực tế có thể nằm trong dải 3,5á6 dB. Độ khuếch đại của EDFA là cực kì cao, G đạt tới 45dB (tức 10500lần) khi sử dụng một bộ khuếch đại 2 tầng. EDFA lại có độ nhạy phân cực thấp, đó là một ưu điểm lớn của hệ thống các bộ khuếch đại mắc chuỗi. Các đặc tính bão hoà tốt do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm. Thời gian sống dài ở trạng thái kích thích (10 ms) của các ion Er3+ là ưu điểm lớn nhất của EDFA so với các loại bộ khuếch đại khác. Do trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơm trong một thời gian dài, nên công suất bơm yêu cầu để giữ được mức năng lượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ 10mW đến 20 mW để đạt được hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB. Với các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau, sự xuyên âm đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứng với những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bưóc sóng này xuyên qua bước sóng khác, để mang năng lượng từ bước sóng này sang bước sóng khác. Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo, thậm chí trong trường hợp bão hoà sâu. Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong một mạng quang vì nó là một thành phần có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silica. Nhược điểm chính của EDFA, đó là phổ khuếch đại của EDFA không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không như nhau đối với mọi bước sóng. Tuỳ thuộc vào yêu cầu thiết kế hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng (hình 2-30) - Bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) Là thiết bị EDFA có công suất vào lớn,được sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu.Do công suất ra tương đối cao nên có thể bỏ qua tạp âm ASE. - Bộ khuếch đại đường dây LA (Line Amplifier)Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) đê tăng chiều dài khoảng lặp.Yêu cầu có khả năng khuếch đại có công suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất. - Bộ tiền khuếch đại PA (Pre – Amplifer) Là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp,được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu.Để đại được mức tạp âm ASE thấp,người ta sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng nguồn phát. BA MUX DMUX LA PA Hình 2.31Các vị trí của bộ khuếch đại quang trên tuyến thông tin quang Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống. Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm giảm. Do đó, thường sau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để phục hồi tín hiệu. 2.4 Bộ thu quang Bộ thu thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện. Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về bước sóng sử dụng và phương thức điều chế. Đồng thời bộ thu phải được thiết kế sao cho đưa ra mức tín hiệu phù hợp. Bộ thu quang thường sử dụng Photodiode làm phần tử tách sóng quang. Ngoài ra còn có bộ làm phẳng đáp ứng tần số, bộ khuếch đại, bộ lọc... Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào phương pháp điều chế sử dụng. Có hai loại Photodiode hay sử dụng là PIN và ADP. Photodiode PIN có yêu cầu công suất thấp, nhưng kém nhậy cảm chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại ở trước. APD thường sử dụng cho các tuyến thông tin đường dài. Thành phần cấu tạo chính của Photodiode là một số lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược. Thông qua hiệu ứng quang điện một photon đi qua lớp tiếp giáp sẽ kích thích và tách ra một cặp điện tử – lỗ trống trong miền p (hoặc n) của hệ thống. Các điện tử được giải phóng trong miền p sẽ chạy sang miền n (hoặc các lỗ trống trong miền n sẽ chạy sang miền p). Kết quả là sẽ tồn tại một dòng điện chạy trên mạch ngoài. Một trong những tham số quan trọng của bộ thu là độ nhạy máy thu. Nó là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu được tín hiệu và đạt được tỷ số lỗi BER yêu cầu. 2.5 Sợi quang Sợi quang là thành phần rất quan trọng. Trong hệ thống truyền dẫn quang, sợi quang đóng vai trò là phương tiện truyền dẫn. Hiện nay, sợi quang đơn mode tuân theo khuyến nghị G 652 được sử dụng nhiều nhất. Giá trị tán sắc không nằm ở bước sóng 1310 nm. ở vùng 1550nm tán sắc rất lớn, cỡ 18ps/nm.km. Tuy nhiên, suy hao ở vùng bước sóng 1550 nm thấp hơn rất nhiều so với vùng 1310nm, hơn nữa bộ khuếch đại quang EDFA làm việc tại vùng này, nên sợi quang dịch tán sắc DSF (tuân theo khuyến nghị G.653) ngày càng ứng dụng nhiều hơn. Sợi quang dịch tán sắc có tán sắc bằng không ở bước sóng 1550 nm. Sợi quang này phù hợp cho các hệ thống ghép mật độ thưa, hoặc hệ thống kênh mật độ khá cao, cự ly lớn, nhưng không thích hợp cho các hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM vì hiệu ứng trộn tần 4 sóng xảy ra rất mạnh. Sợi quang NS-DSF (tuân theo khuyến nghị G655) có mức tán xạ thấp ở cửa sổ thứ 3. Loại sợi này rất phù hợp cho công nghệ DWDM cự ly dài. 1300 1400 1500 1600 Hình 2.32 Tán sắc của một số loại sợi quang Sợi quang G.655 Sợi quang G.653 Sợi quang G.652 Bước sóng (nm) Tán sắc (ps/nm.km) 0 -10 -20 10 20 Chương iii Một số vấn đề công nghệ then chốt Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn đối với việc xây dựng mạng thông tin quang nhưng hiện nay vẩn còn một số vấn đề công nghệ.Ví dụ:yêu cầu đối với bước sóng và tính ổn định của nguồn quang;tính phi tuyến của sợi quang hạn chế rất nhiều công suất ra của bộ khuyếch đại,hiệu ứng trộn bốn bước sóng gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh;khi tốc độ truyền dẫn cao phải khắc phục ảnh hưởng của tán sắc;vấn đề giám sát bộ khuyếch đại quang vv…Dưới đây đề tài sẽ giới thiệu những vấn đề chính sau. 3.1 ổn định bước sóng của nguồn quang Trong điều kiện hoạt động bình thường, các nguồn quang chịu rất nhiều điều kiện bên ngoài tác động cũng như các điều kiện từ bên trong, ví dụ như các thay đổi điều kiện nhiệt độ, sự tác động của nhiễu, độ già hoá các linh kiện...Các sự tác động đó gây nên những thay đổi không chỉ về công suất mà còn thay đổi về bước sóng nguồn quang Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại, do đó sẽ làm giảm chất lượng BER của hệ thống. Công suất tín hiệu không ổn định cũng khiến cho tuổi thọ các linh kiện làm việc trong hệ thống không đảm bảo, độ tin cậy của hệ thống giảm. Bước sóng của nguồn quang không ổn định s