Đề tài Khuếch đại quang sợi và khả năng ứng dụng vào mạng viễn thông

Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 1 mục lục Ch−ơng I : Kỹ Thuật khuếch đại quang sợi…………………………………………………….…..7 I Tổng quan về hệ thống thông tin quang……………………....7 II Kỹ thuật khuếch đại quang…………………………………..10 1. Giới thiệu sơ l−ợc về kỹ thuật khuếch đại quang. ........................10 2. Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại :.......................13 3. Khuếch đại laser bán dẫn (SLA)...................................................15 3.1 Bộ khuếch đại Febry- Perot. ..................................................17 a. Dải thông 3dB. ..........................................................................18 b. Sự bão hoà hệ số khuếch đại :...................................................19 3.2 Bộ khuếch đại sóng chạy TWA. ............................................20 a. Dải thông 3dB ...........................................................................20 b. Hệ số khuếch đại bão hoà. .....................................................20 c. Xuyên âm...............................................................................20 4. Khuếch đại quang sợi ...................................................................22 5. Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) .....23 5.1 Cấu trúc của modul EDFA ....................................................23 5.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA. ..........................................27 5.3 Xu h−ớng phát triển của các modul EDFA. ..........................28 a. Bộ khuếch đại quang sợi phản xạ đơn h−ớng và hai h−ớng: .28 b. Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất. .......................29 c. Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại. ...............................30 d. Cấu trúc cải tiến đặc tính khác. .............................................30 5.4 Tối −u hoá độ dài sợi pha tạp Erbium (EDF). .......................31 5.5 Các thông số kỹ thuật của modul EDFA ...............................33 a. Công suất bơm và b−ớc sóng bơm.........................................33 b. Khuếch đại trong EDFA........................................................35 c. Nhiễu trong bộ khuếch đại EDFA. ........................................38 d. Hình ảnh nhiễu của bộ khuếch đại quang: ............................42 5.6 Đánh giá các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống truyền dẫn thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA. .............................44 a. Nhiễu tích luỹ: .......................................................................44 b. Điều chỉnh tán sắc .................................................................45 Ch−ơng II: khả năng ứng dụng của khuếch đại quang vμo mạng viễn thông……………………………….………………..49 I. Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang sợi:………………..49 1. Tổng quan về khả năng ứng dụng của khuếch đại quang sợi. ......49 Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 2 2. Các loại khuếch đại quang th−ờng dùng ......................................50 2.1 Khuếch đại công suất.............................................................50 2.2 Tiền khuếch đại .....................................................................52 2.3 Khuếch đại đ−ờng truyền: .....................................................53 II ứng dụng khuếch đại quang sợi vào hệ thống ghép kênh quang theob−ớcsóng……………………………………………………...…...56 1. Nguyên lý cơ bản của ghép b−ớc sóng quang WDM...................57 2. Đánh giá kỹ thuật WDM ..............................................................59 3. ứng dụng của kỹ thuật WDM .......................................................60 4. Hệ thống WDM có sử dụng EDFA ..............................................62 5. Các thiết bị quang cơ bản trong hệ thống WDM có sử dụng EDFA …………………………………………………………………..64 5.1 Bộ xen/rẽ kênh quang WADM (Wavelengh Add-Drop Multiplexer.......................................................................................64 5.2 Thiết bị đấu nối chéo quang (OXC - Optical Crossconnect).69 5.3 Bộ chuyển đổi b−ớc sóng (WC - Wavelength Conversion)...71 5.4 Bộ cách ly quang (OI - Optical Isolator): ..............................75 6. Cấu trúc một số hệ thống WDM sử dụng EDFA điển hình .........77 6.1 Phân loại cấu trúc: .................................................................77 6.2 Hệ thống WDM có sử dụng EDFA .......................................78 a. Hệ thống ghép b−ớc sóng theo một h−ớng trên một sợi quang ……………………………………………………………...78 b. Hệ thống ghép b−ớc sóng theo hai h−ớng trên cùng một sợi quang ............................................................................................79 c. Cấu trúc mạng Điểm - Điểm..................................................81 d. Cấu trúc mạng đa điểm - đa điểm..........................................82 e. Cấu trúc mạng vòng (Ring) ...................................................84 f. Cấu trúc mạng đ−ờng trục .....................................................86 7. Một số vấn đề cần xem xét khi xây dựng hệ thống WDM có sử dụng EDFA .................................................................................................87 7.1 Kênh b−ớc sóng. ....................................................................87 7.2 Độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát ....................................88 7.3 Xây dựng quĩ công suất của tuyến WDM có sử dụng EDFA89 a. Công suất phát quang Pt(t):....................................................90 b. Độ nhạy thu ...........................................................................92 c. Suy hao sợi truyền dẫn...........................................................94 7.4 Xem xét về tán sắc.................................................................94 7.5 Xem xét sự thiệt thòi công suất do các hiệu ứng phi tuyến gây ra…………………………………………………………………96 a. Đền bù công suất (Penalty)....................................................96 b. ảnh h−ởng của hiệu ứng phi tuyến.........................................97 7.6 Các tham số của EDFA ảnh h−ởng đến hệ thống WDM có sử dụng EDFA ......................................................................................98 Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 3 Ch−ơng III: ứng dụng khuếch đại quang sợi vμo mạng viễn thông Việt Nam…………..100 1. Khả năng sử dụng khuếch đại quang trên tuyến đ−ờng trục SDH 2,5Gbit/s ở Việt Việt Nam. ..............................................................100 2. ứng dụng khuếch đại quang sợi trong mạng nội hạt...................104 3. ứng dụng khuếch đại quang trong cáp quang biển. ....................107 Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 4 Lời nói đầu Sự trao đổi thông tin xuất hiện trong xã hội loài ng−ời từ rất sớm, từ xa x−a con ng−ời đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu cho nhau và đây có thể coi là hình thức thông tin sớm nhất. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng đ−ợc phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại nh− ngày nay. ở trình độ phát triển cao về thông tin nh− hiện nay, các hệ thống thông tin quang nỗi lên là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã đ−ợc triển khai nhanh chóng trên mạng l−ới viễn thông các n−ớc trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các cự ly và tốc độ truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất l−ợng dịch vụ viễn thông tốt nhất. ở Việt Nam, thông tin quang đã và đang đ−ợc coi là moi tr−ờng truyền dẫn chủ đạo, vì thế chúng đ−ợc thiết lập và lắp đặt ngày càng nhiều trên mạng l−ới. Chúng ta đang sống ở thế kỷ 21, một thế kỷ của công nghệ thông tin và chúng ta đang đứng tr−ớc xu h−ớng chung là hội nhập và toàn cầu hoá thì nhu cầu về thông tin liên lạc và các ph−ơng tiện giải trí ngày càng cao, kéo theo sự gia tăng của các loại hình dịch vụ với tính hoàn thiện và độ phức tạp ngày càng cao. Để đáp ứng đ−ợc những nhu cầu bức thiết của khách hàng đòi hỏi phải nâng cấp mạng viễn thông ngày càng hiện đại để có thể cung cấp đ−ợc các dịch vụ đó. Mạng thông tin quang hiện nay mặc dù là một mạng thông tin tiên tiến nhất nh−ng nó còn có hạn chế về chất l−ợng truyền dẫn đó là băng thông còn hẹp và khoảng cách truyền dẫn ngắn. Vì thế chúng ta phải cải thiện hệ thống thông tin quang có nghĩa là cải thiện băng thông và khoảng cách truyền dẫn. Nếu chúng ta sử dụng các kỹ thuật thông th−ờng để nâng cấp tuyến thì sẽ rất tốn kém chi phí cho các giải pháp đó và có thể làm phức tạp mạng và làm giảm độ an toàn mạng. Trong khi đó kỹ thuật khuếch đại quang và kỹ thuật ghép kênh quang theo b−ớc sóng giải quyết đ−ợc hai vấn đề này. Kỹ thuật ghép kênh quang theo b−ớc sóng cho phép ghép nhiều b−ớc sóng Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 5 trên cùng một sợi quang, do đó có thể tăng dung l−ợng truyền dẫn mà không cần phải tăng thêm sợi quang, nh−ng WDM chỉ thực sự có ý nghĩa khi nó kết hợp với khuếch đại quang. Kỹ thuật khuếch đại quang làm tăng công suất tín hiệu cho phép kéo dài khoảng cách truyền dẫn thông tin, nó giúp cho việc giảm bớt số trạm lặp trên tuyến. Kỹ thuật khuếch đại quang còn đ−ợc ứng dụng trong nhiều hệ thống trên mạng viễn thông. Do vậy, trong đề tài này em đã tìm hiểu về kỹ thuật khuếch đại quang và khả năng ứng dụng của nó trong mạng viễn thông nói chung và mạng viễn thông Việt Nam nói riêng. Trong đó em có tím hiểu về sự kết hợ của khuếch đại quang với kỹ thuật ghép kênk quang theo b−ớc sóng WDM. Nh−ng với thời gian có hạn và khả năng có hạn nên khi nghiên cứu về kỹ thuật quang tiên tiến hiện nay nên em không thể tránh khỏi những sai sót trong đề tài, em mong đ−ợc sự giúp đỡ của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn để cho em có thể hoàn thiện hơn đề tài của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong nhà tr−ờng đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình giúp đỡ và dìu dắt em trong suốt 5 năm học và trong quá trình làm đề tài, đặc biệt em xin chân thàn cảm ơn Thầy: Chu Công Cẩn thầy giáo trực tiếp h−ớng dẫn em,cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những ng−ời đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Hà nội tháng 5 –2004 Sinh viên Nguyễn Duy D−ơng Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 6 AGC Automatic Gain Control Tự động điều chỉnh khuếch đại AP Apotaption Function Chức năng thiết lập APC Automatic Power Control Tự động điều chỉnh công suất ASE Amplifier Spontaneous Emission Khuếch đại bức xạ tự phát BA Booster amplifier Khuếch đại công suất BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi bù tán sắc DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang tán sắc dịch chuyển EDF Erbium DopedFiber Sợi quang pha tạp Erbium EDFA Erbium DopedFiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium FPA Febry- Perot amplifier Khuếch đại Febry- Perot ICI Interchannel interferent Nhiễu xuyên kênh LA Line amplifier Khuếch đại đ−ờng truyền NF Noise Figure Hình ảnh nhiễu OA Optical amplifier Khuếch đại quang OAN optical access network Mạng truy nhập quang ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang OFA Optical Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi OFDM Optical Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số ONU Optical Network Unit Khối mạng quang OLT Optical Line Termination Đầu cuói đ−ờng quang OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian OXC Optical Cross Connection Kết nối chéo quang OI Optical Isolation Bộ cách ly quang PA Pre- amplifier Tiền khuếch đại PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động SLA Semiconductor Laser Amplifier Khuếch đại laser bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ TWA Travel Wavelength amplifier Khuếch đại sóng chạy WADM Wavelengh Add-Drop Multiplexer Bộ xen tách kênh theo b−ớc sóng WC Wavelength conersion Bộ chuyển đổi b−ớc sóng WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh phân chia theo b−ớc sóng Thuật ngữ viết tắt Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 7 Ch−ơng I : Kỹ Thuật khuếch đại quang sợi I. Tổng quan về hệ thống thông tin quang Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng t−ơng tự các hệ thống thông tin khác vì thế thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung .Đây là nguyên lý mà loài ng−ời đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin , tín hiệu cầu truyền đi đ−ợc phát vào môi tr−ờng truyền dẫn t−ơng ứng, và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cầu truyền. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi tr−ờng truyền dẫn ở đấy chính là sợi dẫn quang ,nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tia từ phía phát tới phía thu. Vào năm 1960, việc phát minh ra Laserddeer làm nguồn phát quang đx mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng .Theo lý thuyết thì nó cho phép thực hiện thông tin với l−ợng kênh rất lớn v−ợt rất nhiều lần các hệ thống Viba hiện có. Hàng loạt các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển đ−ợc tiến hành ngay sau đó. Một số kết quả thu đ−ợc nh−ng tiếc rằng chi phí quá tốn kém, kinh phí tập trung vào sản xuất các thiết bị để v−ợt qua đ−ợc các cản trở do điều kiện thời tiết (m−a, tuyết ....) gây ra là rất lớn, chính vì vậu nó ch−a thu hút đ−ợc sự chú ý của mạng l−ới. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên đ−ợc chế tạo mặc dù suy hao lớn (khoảng 1000ds/Km),đã tạo ra đ−ợc một mô hình hệ thống có xu h−ớng linh hoạt khả thi hơn .Tiếp theo là KAO,Hockman và Werts năm 1966 đã nhận thấy sự suy hao cua sợi quang là do tạp chất có trong vật liệu chế tạo. Những nhận định đó đã đ−ợc sáng tỏ khi Kapron,Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20ds/Km vào năm 1970. Suy hao nay cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn t−ơng đ−ơng với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng đó các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ lần l−ợt ra đời. Đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã đ−ợc phổ biến khá rộng với vùng b−ớc sóng làm việc 1300nm. Và bây giờ sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ khoảng 0,154ds/Km tại b−ớc sóng dài hơn là 1550nm Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 8 cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hai thập niên qua. Giá trị suy hao này đã gần đạt tới mức tính toán trên lý thuyết cho các sợi quang đơn mốt là 0,14ds/Km . Cùng với sợi quang, công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang đã tạo ra hệ thống thông tin quang với −u điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin các kim loại là: - Suy hao truyền dẫn. - Băng tần truyền dẫn rất lớn. - Không bị ảnh h−ởng của nhiều điện từ. - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin. - Có kích th−ớc và trọng l−ợng nhỏ. - Sợi có tính cách điện tốt. - Tin cậy và linh hoạt. - Sợi đ−ợc chế tạo từ vật liệu rất có sẵn. Do các −u điểm trên mà hệ thống thông tin quang đ−ợc áp dụng rộng rải trên mạng l−ới. Chúng có thể xây dựng làm các tuyến đ−ờng trục trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng mọi môi tr−ờng lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho đến xuyên lục địa, v−ợt đại d−ơng... Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu d−ới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn từ Châu Âu Bắc Mỹ và Nhật Bản. Ngoài các luồng tốc độ đó có một tiêu chuẩn mới phát triển trong những năm gần đây gọi là SONET (Synchronous Optical Network), tốc độ truyền dẫn ở tiêu chuẩn này hơi khác, nó xác định cấu trúc khung đồng bộ để gửi một l−u l−ợng ghép kênh số trên sợi quang. Hiện nay các hệ thống thông tin quang đã đ−ợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng đ−ợc cả tín hiệu t−ơng tự (Analog) và số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số l−ợng cáp quang hiện nay đ−ợc lắp đặt trên thế giới với số l−ợng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều n−ớc Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 9 lấy cáp quang làm môi tr−ờng truyền dẫn chính cho mạng viễn thông. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao. * Bảng tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản. Phân cấp Khối Bắc Mỹ Khối Châu Âu Nhật Bản Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại Tốc độ bit Mbit/s Số kênh thoại 1 2 3 4 5 1,544 6,312 44,736 274,176 274,176 24 96 672 4032 4032 2,048 8,448 34,368 139,264 565,184 30 120 480 1920 7680 1,544 6,312 32,064 97,728 396,200 24 96 480 1440 5760 - Cấu trúc và thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang th−ờng phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo h−ớng này. Theo quan niệm thống nhất đó, ta xét cấu trúc của tuyến thông tin gồm các thành phần chính sau: - Phần phát quang. - Cáp sợi quang. - Phần thu quang. Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp quang bao gồm các sợi dẫn quang và các lớp vở bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi tr−ờng bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và mạch khuếch đại, tái tạo tín hiện hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 10 các bộ nối quang Counetor, các mối hàn, các bộ nối quang, chia quang và trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. II. Kỹ thuật khuếch đại quang 1. Giới thiệu sơ l−ợc về kỹ thuật khuếch đại quang. Nh− ta đã biết, ở các tuyến thông tin quang truyền thống khi cự ly truyền dẫn dài tới mức phân bổ suy hao không thoả mãn, suy hao v−ợt quá tuyến công suất dự phòng thì cần phải có các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu trên đ−ờng truyền. Các trạm lặp ở đây thực hiện khuếch đại tín hiệu thông qua các Nguồn phát quang Các thiết bị khác Khuếch đại Bộ thu quang Trạm lặp Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Mạch điều khiển Bộ nối quang Sợi dẫn quang Mối hàn sợi Bộ chia quang Phát quang Mạch điện Thu quang Khuếch đại quang Chuyển đổi tín hiệ Đầu thu quang Tín hiệu điện ra Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan tuyến thông tin quang Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 11 quá trình biến đổi quang - điện và điện –quang. Nh− vậy có nghĩa là tín hiệu quang rất yếu không thể truyền xa đ−ợc nữa sẽ đ−ợc các trạm lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian tái tạo, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang đủ lớn để truyền lên đ−ờng truyền. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ng−ời ta thực hiện đ−ợc quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện, đó gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Kỹ thuật khuyếch đại quang vừa ra đời đã khắc phục đ−ợc nhiều hạn chế của trạm lặp nh− về băng tần, cấu trúc phức tạp, cấp nguồn, ảnh h−ởng của nhiễu điện… việc phát triển và ứng dụng các bộ khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang còn đ−a ra một ý t−ởng lớn cho quá trình phát triển các tuyến thông tin hoàn toàn ding khuếch đại quang và từ đó tiến tới phát triển mạng toàn quang. Khuếch đại quang có thể đ−ợc đặt ở các phần khác nhau cua rhệ thống thông tin. Tuỳ thuộc vào vùng lắp đặt khuếch đại trên tuyến truyền dẫn mà khuếch đại quang có thể đ−ợc sử dụng nh− : + Khuếch đại công suất + Khuếch đại đ−ờng truyền + Khuếch đại thu Khuếch đại công suất : Bộ khuếch đại này đặt sau nguồn sáng để khuếch đại công suất tín hiệu truyền. Nó đ−ợc sử dụng khi nguồn sáng có công xuất ra bị giới hạn. Khuếch đại thu: Ng−ợc với bộ khuếch đại công suất, khuếch đại công suất tín hiệu thu yếu tr−ớc khi đi vào bộ tách sóng. Khuếch đại đ−ờng truyền: khi khoảng cách truyền dài một số bộ khuếch đại đ−ờng truyền phải đ−ợc sử dụng. Trong tr−ờng hợp này, các bộ khuếch đại quang đ−ợc đặt có chu kì trên tuyến truyền dẫn. Đối với sợi quang Soliton xung ánh sáng đ−ợc truyền đi không cần mở rộng, khuếch đại đ−ờng truyền đ−ợc sử dụng để cung cấp một mức công suất nhỏ cho sợi quang phi tuyến. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 12 Có nhiều xu h−ớng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang, thành công chủ yếu tập trung vào hai loại chính: + Các bộ khuếch đại Laser bán dẫn SLA. + Các bộ khuếch đại quang sợi OFA. Đặc điểm của các bộ khuếch đại quang đ−ợc thể hiện qua bảng sau: Thuộc tính Khuếch đại Laser FPA Khuếch đại Laser TWA Khuếch đại quang sợi Nguyên lý Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ môi tr−ờng Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ môi tr−ờng Bức xạ từ nghịch đảo độ tích luỹ môi tr−ờng Công suất bão hoà lối ra (dB) 8 9 11 Băng tần khuếch đại (Hz) 1-3G >5T 0.5-4T Hệ số tạp âm dB 6-9 5.2 3-5 Suy hao ghép vào sợi Lớn Lớn Nhỏ Phân cực tín hiệu TE-mode TE-mode TE-mode Hệ số khuếch đại tuyến tính dB 25-30 20-30 40-50 Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 13 B−ớc sóng công tác 1.3- 1.55àm 1.3- 1.55àm 1.52- 1.57àm Dòng/ công suất bơm 10mA 100mA 20- 100mW Nhiễu xuyên kênh Lớn Lớn Bỏ qu 2. Các tiêu chuẩn của hệ thống sử dụng khuếch đại : Nh− ta đã biết ở trên công suất bão hoà và nhiễu xuyên kênh là các yếu tố quan trọng trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. D−ới đây là một số tiêu chuẩn khi thiết kế các bộ khuếch đại quang: 1. Khuếch đại công suất cao: Đạt đ−ợc công suất cao là mục đích chính của việc thiết kế bộ khuếch đại quang. Tuỳ theo công suất đầu vào mà công suất đạt đ−ợc là 10-30dB. Nh−ng khuếch đại bão hoà làm giảm độ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng. 2. Hiệu suất bơm ngoài cao: công suất bơm ngoài theo nhu cầu tỉ lệ với độ khuếch đại yêu cầu. Để đạt đ−ợc độ khuếch đại lớn tại công suất bơm nhỏ phỉa có hiệu suất bơm ngoài cao. Yêu cầu này dẫn tới sụ phát triển của các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA, các bộ EDFA này v−ợt trội hơn thế hệ tr−ớc của chúng dựa trên cơ sở hiệu ứng tán xạ Raman kích thích. Một bộ EDFA điển hình có hiệu suất bơm từ 6-10dB/mW. 3. Hiệu ứng bão hoà thấp: khuếch đại bão hoà là không đáng quan tâm trong các bộ khuếch đại bán dẫn nh−ng rất quan trọng đối với các bộ khuếch đại quang sợi. 4. Băng tần rộng: đối với bộ khuếch đại quang thì khuếch đại băng tần rộng là điều mong muốn bởi 2 lý do quan trọng: thứ nhất nó có thể đ−ợc sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu tại các b−ớc sóng khác nhau. Điều này là quan trọng với kỹ thuật ghép kênh theo b−ớc Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 14 sóng WDM. Thứ 2 là, tại băng tần rộng, độ khuếch đại của bộ khuếch đại sẽ nhạy cảm đối với b−ớc sóng của tín hiệu vào. Điều này cho phép hệ thống truyền dẫn tránh đ−ợc sự trôi b−ớc sóng. 5. Không phụ thuộc vào sụ phân cực: nói chung, khuếch đại công suất cũgn phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng vào. Đây là nguyên nhân gây ra bởi các hệ số giam cầm lỗ trống khác nhau của độ phân cực khác nhau. Để khắc phục vấn đề này hai bộ khuếch đại có thể đ−ợc kết hợp với nhau nh− sau: 6. Nhiễu bổ sung thấp: do bức xạ phát bên trong kênh khuếch đại nên các bộ khuếch đại quang cũng làm tăng thêm nhiều ở tín hiệu vào. Hơn nữa, do độ khuếch đại của bộ khuếch đại, nhiễu bức xạ phát cùng đ−ợc khuếch đại. Nhiễu này là nhiễu bức xạ phát, nó thêm vào mức suy hao nhỏ nhất là 8 dB. Do các bộ khuếch đại không đ−ợc thiết kế phù hợp mức suy hao công suất làm cho nhiễu ASE tăng lên. 7. Xuyên kênh thấp: khi một bộ khuếch đại quang đ−ợc sử dụng để khuếch đại nhiều tín hiệu vào tại các b−ớc sóng khác nhau, nhiễu xuyên kênh là quan trọng để chắc chắn rằng không có nhiễu từ tín hiệu này sang tín hiệu khác. Nếu hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào tổng công suất tín hiệu vào thì sữ không có nhiễu xuyên kênh ICI (Interchannel interferent) hoặc xuyên kênh (crosstalk). Tuy nhiên, Bộ nối Bộ tách tín hiệu phân cực Hình 1.2: Khuếch đại không phụ thuộc phân cực sử dụng 2 bộ khuếch đại riêng biệt cho 2 b−ớc sóng phân cực trực giao Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 15 vì khuếch đại bão hoà nên độ khuếch đại phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào. Kết quả là, khi công suất của một kênh giảm, các kênh khác có công suất lớn hơn dẫn đến ICI hoặc xuyên kênh. Thực tế, công suất trung bình của tín hiệu vào là không đổi, chỉ có công suất tức thời của chúng là có thể thay đổi do c−ờng độ điều chế. Vì vậy, khi độ khuếch đại của bộ khuếch đại không tăng tức theo công suất của tín hiệu vào thì bộ khuếch đại công suất phải không đổi điều chế c−ờng độ. Bộ EDFA dáp ứng đ−ợc các điều kiện trên vì các hạt mang điện tồn tại lâu tại trạng thái kích thích siêu bền. 8. B−ớc sóng công tác phù hợp: nh− ta đã biết có hai b−ớc sóng quan trọng sử dụng trong truyền dẫn quang là 1300nm và 1550nm. Tại b−ớc sóng 1300nm tán sắc sợi là nhỏ nhất và tại 1550nm suy hao sợi là nhỏ nhất. Vì các bộ khuếch đại chỉ giải quyết đ−ợc vấn đề suy hao nên ng−ời ta th−ờng sử dụng các bộ khuếch đại tại b−ớc sóng 1300nm. Nói chung sẽ không có vấn đề gì nếu sử dụng các bộ khuếch đại bán dẫn làm từ hợp chất nhóm III và V. Nh−ng bộ EDFA có thể khuếch đại b−ớc sóng ánh sáng xung quanh b−ớc sóng 1550nm do dải năng l−ợng Erbium. 9. Suy hao bộ nối thấp: khi một bộ khuếch đại quang đ−ợc sử dụng trên một tuyến thông tin quang, nó bổ sung thêm suy hao bộ nối. Suy hao bộ nối thấp có thể đạt d−ợc khi sử dụng kết nối tốt giữa khuếch đại quang và sợi quang. Để hiểu rõ hơn về khuếch đại quang, ta sẽ đi tìm hiểu về các loại khuếch đại quang sau: 3. Khuếch đại laser bán dẫn (SLA) Các bộ khuếch đại laser bán dẫn có cấu trúc cơ bản dựa trên cấu trúc laser bán dẫn thông th−ờng, có độ sâu rộng vùng tích cực W, độ dày d, dài L và chỉ số chiết suất N. Tính phản xạ bề mặt đầu vào và đầu ra là R1 và R2. Thiết bị đ−ợc định thiên d−ới mức ng−ỡng phát để tránh dao động laser xuất hiện. Các vỏ chống phản xạ đ−ợc áp dụng vào các mặt laser để giảm tính phản Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 16 xạ của nó. Điều này làm tăng băng tần khuếch đại và tạo ra các đặc tính truyền dẫn ít phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện thiên áp, nhiệt độ và tính phân cực ánh sáng đầu vào. Hai loại cơ bản của bộ khuếch đại SLA đó là khuếch đại Fabry-Perot (FPA) và khuếch đại sóng chạy(TWA). Với FPA, hai mặt tinh thể đ−ợc chia tách hoạt động nh−ngững g−ơng đầu cuối, phản chiếu một phần tạo thành hốc Fabry-Perot. Hệ số phản xạ của các mặt xấp xỉ khoảng 32%. Nh−ng có thể thay đổi đ−ợc nhờ thay đổi độ rộng màng chất điện môi đ−ợc thêm vào. Tín hiệu ánh sáng tới đ−ợc kết hợp trong hốc ở đó nó đ−ợc khuếch đại liên tiếp nhiều lần giữa các g−ơng và phát xạ lại với c−ờng độ cao hơn. Cấu trúc của bộ khuếch đại sóng chạy TWA cũng giống hệt FPA ngoại trừ các mặt đầu cuối của hốc đ−ợc phủ những lớp chống phản xạ ngăn cản sự hồi tiếp bên trong. Do đó, tín hiệu ánh sáng qua thiết bị chỉ đ−ợc khuếch đại một lần, đ−ợc phát ra mạnh hơn đầu cuối kia. Do vậy về cơ bản, một TWA và FPA với các hệ số phản xạ g−ơng đầu cuối hai mặt tiến tới 0. W d R1 R2 Pout Pin Hình 1.3: Sơ đồ phác thảo bộ khuếch đại Laser bán dẫn Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 17 3.1 Bộ khuếch đại Febry- Perot. Hình 2.2a mô tảacaus tạo đơn giản của một bộ khuếch đại Febry- Perot. Và giả sử rằng hệ số khuếch đại công suất qua mỗi lần chuyển tiếp là Gs. C−ờng độ tr−ờng của ánh sáng tới h−ớng vào FPA là Ei và sẽ là t1Ei khi đi vào trong hốc. Sau một lần di chuyển qua bộ khuếch đại có chiều dài L, tín hiệu ban đầu t1E1 sẽ đ−ợc khuếch đại nhờ môi tr−ờng khuếch đại và thành t1 eEG jkLis −ê .. vì g−ơng bên phải có độ trong suốt t2, biên độ tín hiểua sau lần di chuyên r đầu tiên là t1t2 eEG jkLis −ê .. Tín hiệu phản xạ có biên độ trở lại g−ơng bên trái, ở đó biên độ của nó sẽ là eEGrt jkLis 221 − . Sau khi phản xạ ở g−ơng bên trái, sóng phản xạ eEGrrt jkLis 2211 − sẽ đ−ợc khuếch đại thêm lần nữa nhờ môi tr−ờng khuếch đại và ở đầu ra của g−ơng bên phải nó sẽ là eEGeEGrtrrt jkLtsjkLis 2212211 −− .Điều này sẽ lặp lại đối với tất cả các sóng phản xạ, chúng ta thấy rằng tr−ờng ra sẽ bao gồm vô số các thành phần đã đ−ợc truyền dẫn. Nếu chúng ta giả sử rằng thời gian đi qua hốc nhỏ hơn khoảng thời gian của tr−ờng tín hiệu tới Ei , tr−ờng ra Et sẽ là tổng hợp của tất cả các thành phần đã đ−ợc truyền dẫn. Ta có: Dòng Lớp chống phản xạ Dòng ánh sáng vào ánh sáng vào Hình 1.4 :Cấu trúc của các loại SLA a. Cấu trúc của FPA b. Cấu trúc của TWA Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 18 ( ) eGrrtteEE jkL m mjkL it s 2 0 21 21 −∞ = − ∑= (1) (1 ) : là một cấp số nhân với argument( Grr s21 )e jkL2− . Với 121 <Grr s (1) trở thành : eGrr ettGEE jkL s jkL s it 2 21 21 1 − − −= (2) Từ (2) G đ−ợc xác định: ( )( )( ) kLsitG GrrGrr rrGEE ss sin1 2212 21 2 421 11 + −−== − (3) G là hệ số khuếch đại công suất FPA. Gs là hệ số khuếch đại công suất của môi tr−ờng khuếch đại, ti và ri t−ơng ứng là tính truyền và tính phản xạ của hai mặt. a. Dải thông 3dB. Dải thông 3dB đ−ợcđịnh nghĩa ở tần số mà hệ số khuếch đại công suất G(γ). Và đ−ợc xác định bằng công thức: Ei Et i1 eEGrt jis 2 21 − eEGrrt is 2 121 − Mặt 1 rt 11 / eEGt j is 2 1 − eEGrt is 2 21 − eEGGrrt iss121 − eEGGrrtt iss12 21 eEGtt is 2 21 − ∑=Ei Mặt 2 rt 22 / Hình1.5: Sơ đồ tổng quan của bộ khuếch đại Fabry-Perot Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 19 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −=Δ − G G s s dB R R L C 2 1 sin 13 πν (4) b. Sự bão hoà hệ số khuếch đại : Hệ số khuếch đại qua một lần di chuyển qua môi tr−ờng khuếch đại có chiều dài L tuân theo quy luật hàm số mũ: { }LgGs α−Γ= exp (5) Với Γ: Hệ số hạn chế đặc tr−ng cho sự phân tán của tr−ờng quang tích cực. α: Hệ số suy giảm g: Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trên một đơn vị chiều dài. Do vậy Gs tăng theo quy luật hàm mũ cùng với sự tăng chiều dài thiết bị. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại bên trong bị giới hạn bởi sự bão hoà hệ số khuếch đại. Với công suất quang đủ lớn, nếu tăng thêm công suất tín hiệu đầu vào cũng không đem lại kết quả đáng kể ở đầu ra. Sự bão hoà hệ số khuếch đại xãy ra bởi vì khi công suất tín hiệu quá lớn, không có các hạt mang đủ lớn (lỗ trống - điện tử) để cung cấp đủ cho sự khuếch đại hoạt động. Sự bão hoà khuếch đại đ−ợc xác định bởi: ( ) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ = P P g in out g 1 0 νν (6) Do vậy từ (5) và (6) ta có : ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + Γ= L P P g G in out s α 1 0 (7) Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 20 3.2 Bộ khuếch đại sóng chạy TWA. Một bộ khuếch đại sóng chạy TWA đ−ợc xem nh− một bộ khuếch đại FPA mà các hệ số phản xạ mặt đ−ợc coi nh− bằng 0. a. Dải thông 3dB Dải thông 3dB của TWA gấp khoảng 3 lần của FPA. Vì dải thông của TWA lớn hhơn nhiều lần so với FPA, hệ số khuếch đại lớn nhất của TWA sẽ nhỏ hơn nhiều. Tuy nhiên, dải thông rất rộng sẵn có của TWA về cơ bản có thể giảm để tăng hệ số khuếch đại, khi tăng chiều dài L của bộ khuếch đại trong khi vẫn giữ hệ số phản xạ ở mức nhỏ, dù kết quả là hệ số khuếch đại của TWA sẽ tăng. b. Hệ số khuếch đại bão hoà. Cũng nh− FPA, hệ số khuếch đại tín hiệu lớn nhất của TWA cũng bị giới hạn bởi hệ số khuếch đại bão hoà. Tuy nhiên, với công thức (7) thì điều này không có ý nghĩa nữa. Sự khác nhau giữa TWA và FPA nằm ở bên trong TWA, tất cả sự khuếch đại chỉ xãy ra một lần. Hệ số khuếch đại Gs đ−ợc xác định: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡+= G G P PG sin sat s 0ln1 (8) Go: Hệ số khuếch đại lớn nhất của bộ khuếch đại . c. Xuyên âm Xuyên âm xãy ra khi các tín hiệu quang, hoặc các kênh riêng biệt đ−ợc đ−a vào cùng lúc và đ−ợc khuếch đại đồng thời cùng trong một bộ khuếch đại. Nhìn chung, khi một vài kênh đ−ợc đ−a đồng thời vào trong một bộ khuếch đại quang, hệ số khuếch đại của một kênh riêng biệt bị ảnh h−ởng bởi c−ờng độ của các kênh khác. ảnh h−ởng của nó phụ thuộc vào thời gian sống hạt mang te của môi tr−ờng khuếch đại. Khi tốc độ dữ liệu đầu vào nhỏ hơn nhiều so với nghịch đảo của te, hệ số khuếch đại bộ khuếch đại sẽ thay đổi theo tất Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 21 cả công suất vào tức thời Pin. Ng−ời ta đã chứng minh rằng, khi tốc độ dữ liệu vào lớn hơn nhiều 1/te, Pin ở (8) đ−ợc thay bằng giá trị trung bình. *. Tạp âm bộ khuếch đại. Một giới hạn nữa ảnh h−ởng tới hệ số khuếch đại là do tạp âm trong bộ khuếch đại Laser bán dẫn và tạp âm này cũng đ−ợc khuếch đại cùng với tín hiệu. Sự tổ hợp tự phát của điện tử và lỗ trống trong môi tr−ờng bộ khuếch đại gây ra khuếch đại bức xạ tạp âm tự phát. Tạp âm tự phát có thể đ−ợc xem nh− quá trình ngẫu nhiên, kết quả là rất nhiều xung ngắn bị phân tán theo môi tích cực. Quá trình ngẫu nhiên này đ−ợc mô tả bởi phổ công suất tạp âm nền và mật độ phổ công suất ASE đ−ợc cho bởi: ( )( )hvvG SPASEN 1−ℵ= η (9) Trong đó ηSP : là hệ số bức xạ tự phát h : là hằng số Plăng ℵ : hệ số tạp âm d− ( )( ) ( )GR GGR S Ss 1 1 1 11 − −+=ℵ * Kết luận: Từ việc phân tích phổ khuếch đại Laser bán dẫn, xem xét hoạt động và một vài đặc tính của nó, ta thấy mặc dù SLA có cấu trúc nhỏ hơn, hoạt động tốt hơn 1300nm và 1550nm, đặc biệt TWA có băng tần rộng hơn nh−ng nó lại gặp một số trở ngại nh− : băng tần khuếch đại hạn chế 3ữ5GHz và công suất bão hoà thấp, sự phụ thuộc phân cực của ánh sáng, nhiễu lớn do tín hiệu đ−ợc khuếch đại nhiều lần trong FPA làm ASE tăng. Chính các nh−ợc điểm nàyđã hạn chế khả năng ứng dụng của SLA vào mạng Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 22 viễn thông. Hy vọng rằng trong t−ơng lai những hạn chế này sẽ đ−ợc khắc phục. Trong khi đó các bộ khuếch đại quang sợi lại có tính năng v−ợt trội hơn hẳn nh− SLA; không nhạy với hiệu ứng phân cực ánh sáng, công suất bão hoà lối ra cao và khả năng nhiễu gần nh− lý t−ởng tại cửa sổ truyền dẫn 1550nm nên hiện nay các bộ khuếch đại quang sợi đã đ−ợc triển khai và ứng dụng trên mạng viễn thông và nó sẽ phát triển hơn trong t−ơng lai. 4. Khuếch đại quang sợi Việc sử dụng các sợi quang có pha tạp đất hiếm làm bộ khuếch đại tín hiệu quang cho các tuyến truyền dẫn quang đã có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng tốc độ và cự ly truyền dẫn. Các sợi này đ−ợc xem nh− là sợi quang tích cực, chúng có khả năng khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu có kích thích phù hợp. Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại đ−ợc mô tả nh− hình vẽ sau: Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E1 đ−ợc kích thích từ một nguồn bức xạ có b−ớc sóng phù hợp nó sẽ hấp thụ năng l−ợng và chuyển đổi tới mức cao hơn E2. Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ hoặc nếu nh− có một mức năng l−ợng thấp hơn (E3) nó sẽ thả không bức xạ tói mức đó. Từ đây điện tử có thể phân rã xuóng mức E1( hình a) hoặc E4(hình b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng l−ợng d− ra thu Phân rã E2 E1 E3 λbơm Phân rã E2 E1 E3 λbơm Phân rã E4 a b Hình1.6: a: Cơ chế bức xạ trong 3 mức b: Cơ chế bức xạ trong 4 mức Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 23 đ−ợc nhờ sự phát photon có b−ớc sóng dài hơn b−ớc sóng kích thích. Nếu thời gian sóng của mức E3 đủ dài để các điện tử đ−ợc nguồn bơm kích thích thì có thể xãy ra nghịch đảo mật độ tích luỹ. Đây là điều kiện để các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn ở mức tới ( E1 hoặc E4). Có nhiều các ion đất hiếm có các dãi huỳnh quang cho khả năng bức xạ kích thích và khuếch đại tín hiệu nh− Nd+3 (Neodium), Er+3(Erbium) Ho+3(Holmi) và Tm+3(Tuli)… Trong các sợi pha các tạp chất này thì sợi quang pha tạp Erbium là đ−ợc phát triền mạnh nhất trong truyền dẫn sợi quang vì nó phát ra tín hiệu ở b−ớc sóng phù hợp với b−ớc sóng có suy hao nhỏ sẵn có của sợi dẫn quang- vùng b−ớc sóng 1550nm. Các bộ khuếch đại sử dụng sợi pha tạp Erbium đ−ợc gọi là EDFA. Sau khi nghiên cứu về khuếch đại bán dẫn SLA và khuếch đại quang sợi OFA ng−ời ta đ−a ra bảng so sánh sau: Thông số Khuếch đại bán dẫn Khuếch đại quang sợi Hệ số khuếch đại công suất Cao Cao Hiệu ứng bão hoà Nhỏ Lớn Hiệu suất bơm Cao Cao Băng thông Nhỏ đối với FPA Lớn Phụ thuộc phân cực Có Có ASE Nhỏ Lớn Xuyên kênh Lớn Không đáng kể B−ớc sóng công tác 1300-1550nm 1550nm Suy hao đấu nối Vài dB Không đáng kể 5. Nghiên cứu bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 5.1 Cấu trúc của modul EDFA EDFA là một loại khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier). Vì thế nó đ−ợc xem nh− là một hộp đen có ít nhất hai cửa quang và phần nối điện để cấp nguồn nh− đ−ợc chỉ ra ở hình vẽ sau. Các cửa quang Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 24 th−ờng đ−ợc phân biệt thành cửa đầu vào và cửa đầu ra và có thể bao gồm các sợi không đ−ợc kết cuối hoặc kết cuối bằng các bộ nối quang. Các tín hiệu sau khi đi qua OFA sẽ đ−ợc khuếch đại ở lối ra của OFA. Để thực hiện đ−ợc chức năng này, cấu trúc và các thành phần cơ bản của modul EDFA đ−ợc chỉ ra nh− hình 1.6 Các thành phần của một modul EDFA bao gồm sợi pha tạp Erbium EDF (Erbium Doped Fiber), laser bơm, các bộ ghép b−ớc sóng WDM và các bộ cách ly quang. Phần tử quan trọng nhất của modul EDFA là một đoạn sợi quang có pha tạp Erbium (EDF) có chiều dài từ vài mét đến vài chục mét, sợi này đ−ợc xem là sợi tích cực vì chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nếu nh− có kích thích phù hợp. Đoạn sợi có lõi SiO2 hoặc SiO2 - Al2O3 pha trộn thêm Er3+ với nồng độ từ 100ữ2000ppm. Các sợi EDFA này th−ờng có lõi nhỏ hơn và khẩu độ số NA cao hơn so với sợi tiêu chuẩn. Ngoài sự pha tạp Erbium trong vùng lõi, cấu trúc của EDFA là giống với cấu trúc của sợi đơn mode tiêu Cách ly WDM EDF Cách ly quang Laser bơm Mối Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc của modul EDFA. Bộ khuếch đại quang sợi Tín hiệu vào Tín hiệu ra Hình1.7 Khuếch đại quang sợi Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 25 chuẩn hay sợi tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion Shifted Fiber) t−ơng ứng với các khuyến nghị G.652 hay G.653 ITU-T, đang sử dụng trên các hệ thống truyền dẫn quang. Để thu đ−ợc độ khuếch đại phải cung cấp năng l−ợng quang cho sợi pha tạp Erbium, các laser công suất cao đ−ợc dùng làm laser bơm để cung cấp năng l−ợng quang (năng l−ợng bơm) cho EDF. B−ớc sóng hoạt động của laser bơm là 980nm hoặc 1480nm, công suất bơm tiêu biểu là từ 10mWữ80mW. Bộ ghép b−ớc sóng WDM dùng để ghép ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào EFA, hoặc trong một số tr−ờng hợp nó lại tách tín hiệu này. Các bộ cách ly quang có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống chẳng hạn nh− phản xạ Rayleich từ các bộ nối quang, ng−ợc lại từ các bộ khuếch đại quang tới mức chấp nhận đ−ợc. Sợi pha tạp Erbium là thành phần quan trọng nhất của modul EDFA. Các ion Erbium đ−ợc đặt ở vùng lõi trung tâm của EDF. Vùng lõi trung tâm ( đ−ờng kính 5μm) của EDF là nơI mà c−ờng độ sóng tín hiệu và bơm là Vùng c−ờng độ cao đ−ợc pha với 100:2000ppm erbium Đ−ờng kính 250μm Lõi bán kính 3-6 pha với chỉ số chiết xuất Δn=0.01- 0.05 Vỏ silica đ−ờng kính 125μm Hình1.9 : Cấu trúc hình học lõi sợi pha tạp Erbium Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 26 cao nhất. Sự sắp xếp của các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lấn năng l−ợng tín hiệu và bơm lớn nhất cho các ion, kết quả là khuếch đại tốt hơn. một lớp vỏ thuỷ tinh chỉ số thấp hơn bao quanh vùng lõi tạo thành cấu trúc ống dẫn sóng và làm tăng độ bền cơ học. Một lớp vỏ bảo vệ đ−ợc thêm vào, đ−ờng kính tổng cộng là 250μm. Lớp vỏ bọc này với chỉ số khúc xạ tăng tập trung ở vỏ để loại bỏ các ánh sáng không mong muốn truyền trong vỏ. Cấu trúc sợi pha tạp Erbium cũng giống nh− các sợi đơn mode tiêu chuẩn. Đặc tính quan trọng của EDF là khuếch đại/ suy hao trên một dơn vị chiều dài ở các b−ớc sang tín hiệu và b−ớc sóng bơm. Điều này có đ−ợc là do các mặt cắt ngang thu hút, vật phát xạ và hệ số giam cầm đối với ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu. • Các mức năng l−ợng Các nguyên tử Erbium hoá trị 3 là nh−ng nguyên tố tích cực trong bộ khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại quang. Sự chuyển tiếp quang thích hợp đ−ợc chỉ ra ở hình vẽ. Các b−ớc sang t−ơng ứng với các mức chuyển tiếp đ−ợc chỉ ra có mối quan hệ với trạng thái nền. Quan sát vào hình vẽ biểu đồ năng l−ợng EDFA ta thấy: V ùn g bơ m Giản đồ năng l−ợng 2H11/2 4S3/2 4F9/2 4I9/2 4I11/2 4I13/2 N2 4I15/2 520 543 660 810 980 148 0 155 0 Không bức xạ K hu ếc h đạ i 15 50 -1 66 0 T ự ph át Trạng thái nền Siêu bền Hình 1.10: Biểu đồ năng l−ợng đối với ion Erbium có hoá Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 27 Tên phía bên phải là số l−ợng tử th−ờng ding để ấn định cho mỗi chuyển tiếp. Những số này đ−ợc tạo ra bởi công thức 2S+Lj ( với S là số l−ợng tử quay, L là động l−ợng góc quỹ đạo, j là tổng động l−ợng góc (L+S)). LSj ở đây dùng để chỉ các mức năng l−ợng ion. Các tr−ờng “ Local crytalline” xáo trộn cấu trúc năng l−ợng ion và đem lại kết quả là mỗi mức năng l−ợng LSj chia thành nhiều mức. Sự chia tách này liên quan đến hiệu ứng stark. Do kết quả của sự hỗn độn này trong cấu trúc phân tử thuỷ tinh, mỗi ion có h−ớng và độ dài tr−ờng khác nhau, dựa trên sự chia tách Stark khác nhau. Sự chia tách này chịu trách nhiêm đối với việc dải thông khuếch đại lớn của bộ khuếch đại pha tạp đất hiếm. Trong cấu trúc năng l−ợng ion của LSj số các đ−ờng “Stark- split” là (2j+1)/2 đối với mỗi mức. Do vậy các mức 4I13/2 và 4I15/2 sẽ t−ơng ứng có 7 và 8 đ−ờng stark. Kết quả trong 56 sự chuyển tiếp có thể chúng trải ngang qua dải 1550nm. Các b−ớc sóng 1480nm,980nm,800nm,670nm và 521nm cũng cho phép kích thích ion Erbium. Tất cả những b−ớc sóng này đã đ−ợc sử dụng để bơm cho các EDFA. Các bộ khuếch đại quang đ−ợc chia thành các hệ thống laser 2,3,4 mức. Một EDFA đ−ợc bơm từ dải 4I13/2 đã đ−ợc coi nh− hệ thống 2 mức, vì sự chuyển tiếp tín hiệu và tín hiệu bơm là giữa những dải năng l−ợng nh− nhau. Bơm ở 980nm tạo thành hệ thống 3 mức nơi mà sự phân rã một cách nhanh chóng năng l−ợng ion (2μs) không bức xạ từ mức 4I11/2 đến trạng thái siêu bền 4I13/2 . Các bộ khuếch đại cơ bản dựa trên các hệ thống 2 hoặc 3 mức phải đ−ợc thiết kế để hạn chế sự hấp thụ lại của tín hiệu do sự hiện diện cảu sự hấp thụ ở trạng thái bền ở b−ớc sóng tín hiệu. Hệ thống 4 mức là sự mở rộng của hệ thống 3 mức ở đó có một mức năng l−ợng đ−ợc thêm vào ở phía d−ới mức thấp hơn của sự chuyển tiếp khuếch đại . các hệ thống 4 mức không có sự hấp thụ lại tín hiệu trạng thái nền mà có thể giảm đặ tính của bộ khuếch đại dựa trên hệ thống 3 mức. 5.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA. Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể đ−ợc phân cấp thành bức xạ kích thích và bức xạ tự phát. Khi các ion Erbium Er3+ đ−ợc kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 28 không phát xạ từ các mức năng l−ợng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái siêu bền 4I13/2 . Tín hiệu quang tới sẽ đi đến với các ion Erbium đã đ−ợc kích thích. Quá trình bức xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và h−ớng quang nh− tín hiệu tới. Nh− vậy đã đạt đ−ợc quá trình khuếch đại quang trong EDFA. Các ion đã đ−ợc kích thích mà không t−ơng tác với ánh sáng tới sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10ms. Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha và h−ớng ngẫu nhiên. Tiêu biểu có ít hơn 1% phát xạ tự phát đ−ợc giữ lại bởi mode sợi quang và nó trở thành một nguồn nhiễu quang. ở đầu ra của bộ khuếch đại quang EDFA không những tín hiệu đ−ợc khuếch đại mà nhiễu này cũng sẽ đ−ợc khuếch đại và tạo ra bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission). ASE làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu qua bộ khuếch đại. 5.3 Xu h−ớng phát triển của các modul EDFA. a. Bộ khuếch đại quang sợi phản xạ đơn h−ớng và hai h−ớng: Để đa dạng hoá việc ứng dụng, từ các modul tiêu chuẩn đơn h−ớng và song h−ớng, trong thời gian tới sẽ có một số dạng cấu hình cải tiến với các modul khác nhau. Tr−ớc hết phải kể đến modul phản xạ đơn h−ớng và song h−ớng. Trong các EDFA phản xạ, một thiết bị đ−ợc đặt tại đầu ra của EDFA đề phản xạ ánh sáng bơm và tín hiệu ánh sáng bơm và tín hiệu đi qua EDFA hai lần sẽ cho bộ khuếch đại thực tăng lên. Các EDFA hai h−ớng so với EDFA bơm tiêu chuẩn ở hình vẽ sẽ minh hoạ cho ánh sáng bơm đ−ợc trong EDFA nhờ một g−ơng l−ỡng sắc. Cấu hình này có thể cho ra đ−ợc khuếch đại tín hiệu tăng cao gần nh− gấp hai lần so với cấu hình chuẩn do có sự khuếch đại kép ở EDFA phản xạ. WDM Input Output Laser bơm Hình 1.11: Cấu hình EDFA bơm xuôi tiêu chuẩn EDF Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 29 Hiện tại và t−ơng lai, các cấu hình EDFA hai h−ớng sẽ đ−ợc ứng dụng nhiều và cho ra các −u điểm hơn so với cấu hình phản xạ. Các tín hiệu quang ở đầu vào cả hai đầu EDFA vì vậy cấu hình này gọi là cấu hình tín hiệu hai h−ớng. Tuy nhiên cấu trúc này dẫn đến giá thành đắt khi phải sử dụng nguồn công suất bão hoà rất cao. b. Tự động điều chỉnh khuếch đại và công suất. Trong các hệ thống khuếch đại quang, các đáp ứng phi tuyến của EDFA đối với tín hiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến sự biến đổi công suất ngoài ý muốn, và điều này làm suy giảm tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống. Trong các hệ thống sử dụng nhiều bộ khuếch đại quang mắc chuỗi, ảnh h−ởng của bão hoà khuếch đại tại bất kì trạng thái EDFA nào cũng đặc biệt có hại vì các chuỗi đ−ợc thiết kế để hoạt động tại mức thông suốt tín hiệu một cách chính xác. Trong các hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo b−ớc sóng WDM, công suất tổng từ sự xếp chồng của vài kênh quang có thể thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian. Điều này gây ra trôi công suất tín hiệu và sự tự điều chế trong kênh tần số thấp ngoài ý muốn. Nh− vậy, thực hiện việc điều chỉnh WDM Input Output Laser bơm Hình 1.12: Cấu hình EDFA phản xạ EDF WDM Input Output Laser bơm Hình 1.13: Cấu hình EDFA bơm hai h−ớng cơ bản EDF WDM Cách ly Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 30 khuếch đại là cần thiết và giải pháp cho các vấn đề nêu trên là sự điều chỉnh khuếch đại AGC. Cũng t−ơng tự nh− thế với hệ thốnh yêu cầu công suất tín hiệu đầu ra không đổi, yêu cầu giảm dao động công suất đầu ra, sử dụng APC. c. Cân bằng và làm phẳng phổ khuếch đại. Cân bằng phổ khuếch đại là rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh WDM kết hợp EDFA. Nh− ta đã biết, băng tần khuếch đại là không đồng dạng về phổ và thể hiện một vài gợn sóng, sự khác nhau về độ khuếch đại là xãy ra tại các kênh quang có khoảng cách b−ớc sóng lớn. Trong chuỗi các bộ khuếch đại quang, ngay cả sự khác nhau nh− về phổ khuếch đại cũng có thể dẫn tới sự khác biệt lớn về công suất tín hiệu thu đ−ợc, điều này gây ra sự khác nhau lớn về BER giữa các tín hiệu thu đ−ợc tới mức không thể chấp nhận đ−ợc Cân bằng khuếch đại nghĩa là làm cho khuếch đại đồng đều ở các kênh quang riêng rẽ. Làm phẵng khuếch đại nghĩa là tạo ra đ−ợc băng tần phổ khuếch đại đồng đều ở các kênh quang riêng rẽ. Nh− vậy, khi ở tr−ờng hợp ứng dụng hai kênh, cân bằng khuếch đại có thể đ−ợc thực hiện nhờ biện pháp đơn giản nh− sau: khi có độ dài đã cho của EDFA, công suất bơm có thể đ−ợc chọn để các bộ khuếch đại trong các vùng đỉnh và vai gồm các b−ớc sóng 1580nm và 1540nm là chính xác bằng nhau, vì sự khác biệt là do ảnh h−ởng của sự tái hấp thụ tín hiệu ở b−ớc sóng ngắn. Một cách cân bằng khuếch đại khác là đặt các kênh quang tại các b−ớc sóng mà nó cho ra các độ khuếch đại bằng nhau ở điều kiện bơm lớn nhất. d. Cấu trúc cải tiến đặc tính khác. Để cải thiện đặc tính của EDFA, một số cấu trúc biến đổi có sự thay đổi chút ít về cấu hình của EDFA: + Trong cấu hình này, đầu tiên là cấu hình thay đổi độ dài EDF để thu đ−ợc độ khuếch đại cao hơn. + Thứ hai là tách độ dài EDF thành hai phần bằng bộ cách ly. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 31 + Ph−ơng pháp thứ ba để tăng độ khuếch đại của EDFA là đặt thêm vào độ dài EDF một bộ lọc quang băng thông hẹp. Với bộ khuếch đại EDFA tham số quan trọng nhất là độ dài của sợi pha tap Erbium EDF. Độ khuếch đại và hình ảnh nhiễu của EDFA đều bị ảnh h−ởng mạnh từ độ dài sợi EDF rồi sau đó là cấu hình bơm. Để thiết kế đ−ợc một bộ khuếch đại EDFA có hiệu quả cao nhất cần tối −u hoá độ dài EDF. 5.4 Tối −u hoá độ dài sợi pha tạp Erbium (EDF). Mục đích chính của thiết kế tối −u EDFA là lựa chọn độ dài EDF để có độ khuếch đại cao. Độ khuếch đại của EDFA phụ thuộc chủ yếu vào độ dài EDF, và dự báo độ khuếch đại là phức tạp do bản chất phân bố hai h−ớng của bộ khuếch đại. Ta có thể coi EDFA nh− một chuỗi của nhiều bộ khuếch đại quang nhỏ ghép lại với nhau có độ dài tăng dần. Vậy độ khuếch đại G thực đ−ợc cấu thành từ toàn bộ phần tử khuếch đại g(z) dọc theo trục z của EDF và có thể viết nh− sau: ( )dzzgG L∫= 0 exp (9) ở đây L là độ dài của EDF. Trong các tham số của EDF th−ờng có phổ hấp thụ và bức xạ kích thích thu đ−ợc từ sợi thuỷ tinh pha tạp Erbium. Phổ khuếch đại g*(λ) và phổ suy hao α(λ) đo đ−ợc xác định từ: ( ) ( ) ( )Ng te λλλ σ Γ=* (10) ( ) ( ) ( )Nta λλλα σ Γ= (11) Trong đó σe: tiết diện bức xạ σa: Tiết diện hấp thụ Γ(λ) : Là hệ số chồng lấn giữa tr−ờng mode qua tích luỹ ion Erbium ( ) ( )ab 22 /exp1 −−=Γ λ (12) a: là bán kính lõi sợi b: bán kính phủ Er3+ Nt: mật độ ion Erbium Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 32 Khi ánh sáng bơm và ánh sáng tín hiệu truyền trong cùng một h−ớng dọc theo sợi và bức xạ tự phát không đáng kể, công suất tín hiệu Ps đ−ợc thay đổi khi đi qua lat EDF là: ( ) PPP sss zgdz d α−= (13) αs: là hệ số suy hao của sợi Hệ số khuếch đại g(z) là khác nhau giữa tích luỹ ion ở mức trên và mức d−ới và có thể đ−ợc viết nh− sau: ( ) ( ) ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −= N N N Ng tt zg 12 * λαλ (14) Trong đó : N2: mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền( hoặc tích luỹ ở mức trên –4I13/2) N1: mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái nền( hoặc tích luỹ ở mức trên –4I152) Mật độ của Er3+ là Nt=N1+N2: ánh sáng bơm có thể đ−ợc phân tích t−ơng tự. Đối với bơm ở dải hấp thụ 980nm, tích luỹ da tạp 4I11/2 là không đáng kể. Sự hiếm của mức bơm thoả mãn danh định khi tốc độ phân ra không bức xạ từ mức bơm Wnr lớn hơn nhiều tốc độ bơm Wpump : ( ) Ah p pap pump PW ν λσ=Ư (15) Trong đó : Pp : Công suất bơm νp: Tần số bơm. A: Diện tích tr−ờng mode ở đây, giả thiết mật độ ion Er3+ là hằng số trong vùng bán kính EDF rb. Các mật độ tín hiệu và bơm đ−ợc xem là đồng nhất trong lõi pha tạp. Diode laser bơm (LD) là LD đơn mode. Bơm đơn mode đ−ợc tập trung tại tần số γ=γp. Công suất bơm phải cao hơn ng−ỡng bơm. ( ) ( )τλλσ γ pp p th Ah P Γ= â (16) Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 33 τ: Là thời gian tồn tại tự phát của ion ở trạng thái giả bền. Tín hiệu tỏng tr−ờng hợp này tập trung ở γs. Công suất tín hiệu bão hoà đ−ợc cho bởi: ( ) ( ) ( )τλλσλσ γ ssase p sat Ah P Γ+= (17) Qua đó ta thấy công suất bơm sẽ giảm dọc theo sợi. Nếu độ dài EDF là quá dài, một phần nào đó của sợi sẽ bơm d−ới ng−ỡng nghịch đảo và nó tái hấp thụ tín hiệu. EDF mà quá ngắn sẽ hấp thụ quá ít công suất bơm. Độ dài tối −u tăng theo công suất bơm và giảm theo sự tăng công suất tín hiệu. Từ hình vẽ đã chỉ ra độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào độ dài bộ khuếch đại cho cả bơm ở 980nm và 1480nm. Kết quả cho thấy rằng bơm ở 980nm cho hệ số khuếch đại cao hơn ở 1480nm. Hệ số khuếch đại tăng khi công suất bơm tăng. Để thu đ−ợc cùng giá trị độ khuếch đại, độ dài khuếch đại tối −u khi bơm ở 1480nm thì dài hơn ở 980nm. Sự khác nhau này là do hệ số hấp thụ khoẻ hơn khi bơm ở 980nm so với khi bơm ở 1480nm. Để biết tai sao chỉ có λ=980nm và λ=1480nm đ−ợc sử dụng làm b−ớc sóng bơm. Ta sẽ nghiên cứu các thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA 5.5 Các thông số kỹ thuật của modul EDFA a. Công suất bơm và b−ớc sóng bơm. Nh− đã đ−ợc giải thích ở trên, có một vài vùng b−ớc sóng bơm cho phép kích thích các ion Erbium. Đặc tính khuếch đại của sợi EDFA đ−ợc bơm ở mỗi vùng bơm đ−ợc nghiên cứu d−ới dạng hệ số khuếch đại, tỷ lệ phần cắt ngang bức xạ kích thích bơm và phần cắt ngang hấp thụ bơm, hiệu suất biến đổi công suất, và các đặc tính nhiễu. Nhìn chung độ khuếch đại lúc đầu cũng tăng mạnh với hàm mũ theo sự tăng của công suất bơm và rồi ngả thấp xuống khi công suất bơm v−ợt qúa một giá trị nào đó nh− đ−ợc minh hoạ ở hình 1.8. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có đơn vị là dB/mW là một đ−ờng nghiêng lớn nhất tiếp tuyến với đ−ờng cong khuếch đại đi qua gốc tọa độ nh− đ−ợc chỉ ra ở đ−ờng chấm chấm trong hình vẽ. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 34 Cả hai loại b−ớc sóng bơm 1480nm và 980nm đều đ−ợc dùng tốt trong các EDFA B−ớc sóng bơm 1480nm đ−ợc dùng trong EDFA vì một số lý do sau: - Tính sẵn có của công suất bơm cao có từ các diode laser bán dẫn hoạt động tại b−ớc sóng này. - Hiệu suất công suất tốt vì có sự khác nhau nhỏ giữa b−ớc sóng 1480nm và 1550nm. - Khi bơm cho EDFA từ xa, suy hao sợi sẽ thấp hơn. - Phổ hấp thụ băng rộng yêu cầu tính chính xác về b−ớc sóng laser bơm ít nghiêm ngặt hơn. B−ớc sóng bơm 980nm cho ra đặc tính nhiễu của EDFA tốt hơn, khuếch đại tín hiệu trong các hệ thống nhiều kênh quang ít bị méo hơn, và thiết bị này ít nhạy cảm với nhiệt độ cao hơn so với b−ớc sóng bơm 1480nm. Nh−ng nó cũng yêu cầu tính chính xác về b−ớc sóng bơm chặt chẽ hơn. Việc so sánh b−ớc sóng bơm 980nm và 1480nm dựa trên quan hệ giữa độ dài sợi EDF và khuếch đại tín hiệu cho cả hai b−ớc sóng ở cùng một công suất bơm đã đ−ợc nghiên cứu. Nhìn chung bơm ở 980nm có hiệu quả hơn bơm ở 1480nm và ta Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 35 có thể xây dựng đ−ợc bộ EDFA có độ khuếch đại cao hơn với độ dài EDF ngắn hơn bằng việc sử dụng b−ớc sóng bơm 980nm. b. Khuếch đại trong EDFA Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang đ−ợc xác định nh− sau: s spout P PP G )( −= (18) Trong đó Ps và Pout t−ơng ứng là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang. Ngoài khuếch đại, bộ khuếch đại quang cũng phát ra ASE và ở đây Psp là công suất nhiễu đ−ợc phát từ bộ khuếch đại quang nằm trong băng tần quang (hay còn đ−ợc gọi là băng tần phát xạ tự phát đ−ợc khuếch đại). Việc xác định độ khuếch đại trong bộ khuếch đại quang sợi là một quá trình phức tạp do bản chất phân bố hai h−ớng của nó. Để thu đ−ợc độ khuếch đại thực của bộ khuếch đại, phần cắt ngang (hay mặt cắt) bức xạ kích thích σe và phần cắt ngang hấp thụ σa là các yếu tố quan trọng cần đ−ợc xem xét. Độ khuếch đại thực của bộ khuếch đại quang sợi có thể xác định tùy thuộc vào mức biến đổi trung bình của tích lũy ion Erbium. Mức nghịch đảo trung bình đ−ợc thiết lập bằng các mức bơm và tín hiệu. Độ khuếch đại sẽ phụ thuộc vào công suất bơm, đây là một hình ảnh có ý nghĩa đối với các EDF khác nhau. • Khuếch đại quang tín hiệu nhỏ Khuyến nghị G.661 ITU-T đã xác định độ khuếch đại tín hiệu nhỏ là độ khuếch đại khi nó hoạt động trong chế độ tuyến tính, nơi mà nó hoàn toàn không phụ thuộc vào công suất quang tín hiệu đầu vào, tại mức công suất quang và tín hiệu bơm đã cho. Điều này đ−ợc hiểu là vùng khuếch đại tín hiệu nhỏ t−ơng ứng với các mức công suất đầu vào, nơi mà độ khuếch đại tín hiệu không làm giảm độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Để xác định vùng Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 36 khuếch đại tín hiệu nhỏ, ng−ời ta th−ờng dự báo bằng nhiễu đầu vào hiệu dụng Pn,eff của bộ khuếch đại. Pn,eff ≈ 2hνB0 ∼ 30nW/nm đối với λ=1550nm ở đây hν là năng l−ợng photon và B0 là băng tần quang của bộ khuếch đại quang. Nhiễu đầu vào hiệu dụng đ−ợc khuếch đại lên từ độ khuếch đại và sẽ thu đ−ợc công suất nhiễu đầu ra của bộ khuếch đại. Độ khuếch đại tín hiệu nhỏ là tham số quan trọng trong việc xác định vị trí của bộ EDFA trên tuyến. Nếu nh− công suất tín hiệu lớn sẽ làm giảm độ khuếch đại thực, và dẫn đến làm giảm quỹ công suất của tuyến thông tin quang. • Khuếch đại b∙o hoà Đặc tính khuếch đại bão hoà của EDFA là một tham số quan trọng. Công suất tín hiệu thu đ−ợc ở đầu ra bộ khuếch đại quang là một giá trị đặc biệt hấp dẫn vì nó có liên quan tới cự ly truyền dẫn và cự ly khoảng lặp của các hệ thống truyền dẫn dài, và nó làm tăng số đầu ra trong cấu hình phân bố sợi quang. EDFA th−ờng hoạt động tại các mức tín hiệu đầu vào đủ lớn để tạo ra sự bão hoà khuếch đại. Sự bão hoà độ khuếch đại đ−ợc xem nh− là sự giảm độ khuếch đại trong lúc công suất tín hiệu tăng. Độ khuếch đại của bộ khuếch đại quang có thể đ−ợc viết nh− sau: ( ) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= sat out sat in P P G GG P P GGG 1exp1exp 00 (19) Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 37 ở đây G0 là độ khuếch đại tín hiệu nhỏ nh− đã đề cập ở trên. Công suất bão hoà Psat tại b−ớc sóng xác định là công suất đ−ợc yêu cầu để nghịch đảo một lớp (lát cắt) của sợi pha tạp Erbium đủ để thu đ−ợc sự truyền thông tín hiệu quang, hoặc nói một cách khác là đủ để cho độ khuếch đại bằng không. • Độ nghiêng của khuếch đại. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của EDFA trong thông tin quang sợi là việc sử dụng nó trong các hệ thống ghép kênh quang. Trong các hệ thống ghép kênh theo b−ớc sóng WDM với cự ly xa, phổ khuếch đại của bộ khuếch đại phải duy trì phẳng để tránh sự trội lên về công suất của một kênh nào đó. Sự thay đổi hoặc nghiêng trong phổ khuếch đại xảy ra khi các kênh ghép b−ớc sóng đ−ợc thêm vào hoặc rẽ xuống trong chùm tín hiệu WDM sẽ làm giảm đặc tính của hệ thống thông tin dài. ở đây, sự nghiêng độ khuếch đại đ−ợc xác định nh− là tỷ số của sự biến đổi khuếch đại tại b−ớc sóng đo đ−ợc với sự thay đổi khuếch đại tại b−ớc sóng chuẩn, nơi mà các thay đổi khuếch đại đ−ợc tạo ra do có sự biến đổi điều kiện đầu vào. Ngoài độ nhiêng khuếch đại, một khái niệm khác nữa cũng đ−ợc quan tâm ở đây là độ dốc khuếch đại. Cần phải phân biệt giữa độ dốc khuếch đại tĩnh và độ dốc khuếch đại động. Điểm khác nhau giữa độ dốc tĩnh và động là do có sự thay đổi về mức nghịch đảo bộ khuếch đại phát sinh từ sự thay đổi b−ớc sóng của tín hiệu đầu vào bão hoà mạnh. • Phổ khuếch đại của EDFA. Phổ khuếch đại của EDFA là tham số quan trọng vì băng tần khuếch đại là một tham số trọng yếu để xác định băng truyền dẫn. Đặc tính này đã đ−ợc nghiên cứu với các sợi EDF khác nhau theo góc độ mở rộng băng tần của các EDFA.Bằng cách thay đổi vật liệu chủ trong sợi thuỷ tinh Silica sang thuỷ tinh Flouride gốc ZrF4 và thuỷ tinh fluorophospate cũng hứa hẹn mở rộng và làm phẳng đ−ợc băng tần khuếch đại. Đặc biệt sợi EDF gốc flouride cho ra đ−ợc Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 38 vùng khuếch đại phẳng trong dải b−ớc sóng từ 1530nm đến 1560nm. Ngoài ra, khi tăng độ dài EDF, phổ khuếch đại có thể thu đ−ợc trong khoảng b−ớc sóng từ 1570nm đến 1620nm. c. Nhiễu trong bộ khuếch đại EDFA. Nhiễu trong tín hiệu khuếch đại quang là một chủ đề quan trọng trong các hệ thống thông tin quang. Các đặc tính nhiễu thể hiện là một tham số chủ chốt mà nó xác định đặc tính trên toàn bộ hệ thống nh− cự ly truyền dẫn và tốc độ bít lớn nhất. Có hai dạng nhiễu đặc tr−ng là: nhiễu quang (hay còn đ−ợc gọi là nhiễu tr−ờng quang), và nhiễu c−ờng độ (hay còn đ−ợc gọi là nhiễu dòng photo). • Nhiễu quang trong bộ khuếch đại EDFA. Nhiễu quang là tham số quan trọng nhất liên quan tới các đặc tính nhiễu trong các hệ thống sử dụng khuếch đại quang. Nh− đã xem xét về các ion Er3+ trong sợi EDF ở trên. Các photon bức xatj phát có h−ớng và pha ngẫu nhiên. Một số các photon bức xạ tự phát đ−ợc giữ lại ở các mode của sợi dẫn quang. Vì các photon đ−ợc giữ lại này lan truyền dọc bên trong sợi, chúng lại đ−ợc khuếch đại. Quá trình này tạo ra bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại ASE. Để xác định thành phần nhiễu nhỏ nhất của bộ khuếch đại và tính không chắc chắn về tín hiệu đầu ra thoả mãn nguyên lý Heisenberg, công suất nhiễu tối thiểu đầu ra bộ khuếch đại Psp,min đ−ợc xác định: ( )BGhvPsp 1min, −= (20) Với B là một nữa băng tần B0 của bộ khuếch đại quang. Giả thiết rằng sự thăng giáng của tín hiệu tồn tại là do tác động của nhiễu trọng. Độ khuếch đại G và tín hiệu lớn thì công suất đầu ra của bộ khuếch đại quang là có thể đạt đ−ợc nhỏ nhất sẽ t−ơng ứng với sự khuếch đại của một photon trong băng tần B: ( ) 01 BGhNP sptASE m −= ν (21) mt: Số các mode lan truyền ngang trong quá trình phân cực Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 39 ( )BNP Ghvspsp 01−= (22) Đ−ợc gọi là công suất bức xạ tự phát của bộ khuếch đại quang. Từ biểu thức trên có thể xác định đ−ợc công suất ASE tổng PASE đ−ợc lấy trên toàn bộ các mode mà sợi quang đ−a ra trong băng tần B0. Trong các bộ khuếch đại quang sợi thực tế, tiêu biểu th−ờng có hai mode lan truyền phân cực trong bức xạ tự phát. Hệ số bức xạ tự phát đ−ợc viết nh− sau: NN NN ae e sp 12 2σσ σ −= (23) σe, σa : tiết diện bức xạ kích thích và tiết diện hấp thụ. N1, N2 : t−ơng ứng là các mật độ tích luỹ trung bình ở trạng thái siêu bền ( mức trên) và nền (mức đất). Để cho đơn giản ta đặt : σση ae= và N2 và N1 là hàm của trục Z dọc theo sợi thì nhiễu của bộ khuếch đại quang N(z) khi không có tín hiệu đầu vào đ−ợc viết nh− sau: ( ) ( )1 12 2 −−= GzN NN N η η (23) Với G là một hàm số của Z trong tr−ờng hợp nghịch đảo tích luỹ môi tr−ờng là âm, tức là 0 12 <−NNη , khuếch đại G sẽ nhỏ hơn 1 và Nsp là âm, nh−ng công suất nhiễu PASE luôn d−ơng và bằng ( )GNP spsp −= 1 . Trong tr−ờng hợp ở mức ng−ỡng cảu nghịch đảo môi tr−ờng, tức là : 0 12 =−NNη , Nsp không xác định, nh−ng thực tế công suất nhiễu lại đ−ợc xác định và bằng LNPsp 12η= trong đó L là độ dài sợi EDF, ở tr−ờng hựop môi tr−ờng nghịch đảo là lớn hơn 0, tức là 0 12 >−NNη ta có Nsp >1. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 40 Tr−ờng hợp nghịch đảo môi tr−ờng hoàn toàn, khi mà toàn bộ các nguyên tử ở trạng thái kích thích tức là Nt=0, thì hệ số bức xạ tự phát Nsp tiến tới giá trị nhỏ nhất cuả nó là bằng 1. Trong tr−ờng hợp này công suất nhiễu đàu ra giảm tới giá trị nhiễu l−ợng tử đ−ợc khuếch đại : ( )BGhvPsp 1min, −= . Nh− vậy có thể nói rằng nhiễu đầu ra của bộ khuếch đại quang nhỏ nhất thu đ−ợc khi đạt đ−ợc nghịch đảo tích luỹ hoàn toàn trong môi tr−ờng khuếch đại. Trong thực tế hệ số bức xạ tụ phát Nsp là một sự xác định chất l−ợng đối với nghịch đảo tích luỹ. Giá trị Nsp gần bằng 1 là giá trị thấp nhất có thể thu đ−ợc. Giá trị này có thể đạt đ−ợc khi bơm mạnh ở vùng có b−ớc sóng 980nm. • Nhiễu c−ờng độ trong bộ khuếch đại EDFA: Nh− đã biết, c−ờng độ ánh sáng đến đ−ợc bộ tách sóng quang biến đổi thành dòng điện. Dòng photon ban đầu Iph(t) sẽ đ−ợc phát ra trong bộ tách sóng quang khi có một công suất quang P(t) từ nguồn phát đi tới. )()()( tP h etRPtI ph ν η== Nhiễu c−ờng độ là một yếu tố trội làm giới hạn đáng kể năng lực của các hệ thống thông tin quang.Vì bộ tách sóng quang biến đổi nhiễu c−ờng độ trực tiếp thành nhiễu điện. Các loại nhiễu c−ờng độ th−ờng đ−ợc xem xét trong hệ thống là: nhiễu l−ợng tử ( nhiễu bắn phá), nhiễu phách giữa tín hiệu và bức xạ tự phát, nhiễu phách giữa bức xạ tự phát với bức xạ tự phát và nhiễu phản xạ - Nhiễu l−ợng tử Nhiễu l−ợng tử có nguồn gốc phát sinh là do tính không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc các photon tại bộ tách sóng. Khi nhiễu trội là nhiễu l−ợng tử, nó đ−ợc coi nh− là giới hạn nhiễu bắn hoặc nhiễu l−ợng tử. Cả tín hiệu từ Laser phát và ASE đâu tham giavào nhiễu l−ợng tử. Vì vậy, nhiễu l−ợng tử ttrong tr−ờng hợpnày bao gồm cả nhiễu l−ợng tử từ tín hiệu đầu vào đ−ợc khuếch đại và nhiễu l−ợng tử từ bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 41 - Nhiễu phách tín hiệu-tự phát: Nhiễu phách tín hiệu-tự phát là do có sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại ASE gây ra dao động c−ờng độ. Ta không thể tránh khỏi các nhiễu này trong các hệ thống sử dụng EDFA và nhiễu này là nhiễu tham gia đầu tiên vào tổng nhiễu trong các hệ thống thông tin đ−ợc khuếch đại quang. Nhiễu phách này t−ơng tự nh− ở trong tr−ờng hợp phách hai tần số trong bộ trộn Heterodyne để phát ra một tần số khác. Do tính trộn này phụ thuộc phân cực nên tín hiệu sẽ chỉ phách với các thành phần ASE cùng phân cực tín hiệu. Nh−ng ASE th−ờng là không phân cực, vì thế chỉ có một nữa tham gia vào mật độ nhiễu phách tín hiệu – tự phát. Hinh 2.17 mô tả nhiễu phách này: - Nhiễu phách tự phát-tự phát. Nhiễu phách tự phát-tự phát là phách giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát SE và dẫn đến nhiễu c−ờng độ. Toàn bộ phổ ASE sẽ đóng góp vào nhiễu phách c−ờng độ tự phát-tự phát. Nếu nh− ASE là không phân cực, ASE ở một trong hai phân cực trực giao sẽ đóng góp vào nhiễu phách tự phát-tự phát tổng. Trong hình 2.18, tổng số các cặp phách có thể giảm đi khi mà băng tần quang giảm. B0 λs B−ớc sóng λ Nhiễu phách Tín hiệu-tự phát Tín hiệu đ−ợc khuếch đại ASE P hổ q ua ng Hình 1.16 Nhiễu phách tín hiệu-tự phát giữa tín hiệu đ−ợc khuếch đại và các thành phần phổ của ASE. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 42 - Nhiễu phản xạ (nhiễu giao thoa nhiều luồng) Trong bộ khuếch đại quang th−ờng có sự phản xạ tại hai đầu sợi EDF. Quá trình này tạo ra sự biến đổi của nhiễu pha laser thành nhiễu c−ờng độ. Nhiễu c−ờng độ nh− vậy sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tại bộ thu quang. Nhiễu đã đ−ợc biến đổi đ−ợc biết nh− là nhiễu giao thoa nhiều luồng hoặc MPI (Multipath Interference) hoặc có thể đ−ợc gọi là nhiễu quá mức. Các tham số quan trọng xác định biên độ của MPI là các mức phản xạ, độ khuếch đại quang, độ rộng phổ tín hiệu và trễ thời gian giữa hai phản xạ. Khi các phân cực của luồng quang bị trễ và không trễ là đồng bộ với nhau, nó sẽ tạo ra nhiễu c−ờng độ t−ơng đối RIN (Relative Intensity Noise) tồi nhất và giao thoa trung bình gần nh− là ở dạng bậc hai. Nh−ng nhiễu phản xạ có thể đ−ợc bỏ qua nếu nh− ánh sáng đi tới bộ khuếch đại quang là hoàn toàn kết hợp để cho tham số nhiễu phản xạ nref bằng không. d. Hình ảnh nhiễu của bộ khuếch đại quang: Hình ảnh nhiễu NF (Noise Figure) của bộ khuếch đại quang là một hình ảnh minh hoạ đặc tr−ng có ý nghĩa xác định sự suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu sau khi đi qua bộ khuếch đại. Hình ảnh nhiễu mà lớn sẽ bất lợi cho đặc tính của hệ thống, nó tạo ra tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thu đ−ợc kém, tăng jitter Nhiễu phách Tự phát-tự phát Hình 1.16: Nhiễu phách tự phát-tự phát giữa tín hiệu đ−ợc khuếch đại và các thành phần phổ ASE. B−ớc sóng λ ASE P hổ q ua ng B0 Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 43 trong các hệ thống soliton và tăng tích luỹ ASE dọc theo tuyến truyền dẫn dài có nhiều bộ khuếch đại quang mắc nối tiếp. Trong các hệ thống thông tin quang analog, nhiễu pha cho biến đổi nhiễu c−ờng độ do các phản xạ quang bên trong cũng là yếu tố chính tham gia vào hình ảnh nhiễu. Khuyến nghị G.661 ITU-T đã định nghĩa rằng hình ảnh nhiễu là sự suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu do truyền tín hiệu giới hạn l−ợng tử qua bộ khuếch đại quang sợi (OFA), đ−ợc tính bằng (dB). Nh− vậy, hình ảnh nhiễu đ−ợc xác định là: Trong tr−ờng hợp này hình ảnh nhiễu đ−ợc xác định t−ơng ứng là NF = 10log(NF) và đ−ợc tính là dB. Các tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đ−ợc xem xét tại đầu ra của bộ tách sóng quang lý t−ởng mà nó có khả năng biến đổi từng photon của ánh sáng tới thành dòng tín điện (hiệu suất l−ợng tử η = 1). Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu vào SNRin đ−ợc xác định là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ nguồn nhiễu l−ợng tử. Nó đ−ợc xác định thông qua việc sử dụng một nguồn phát lý t−ởng và bộ thu lý t−ởng. Rồi sau đó bộ khuếch đại quang đ−ợc mắc xen vào và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra đ−ợc xác định. Khi chỉ có nhiễu phách tín hiệu-tự phát đ−ợc xem xét, hình ảnh nhiễu đ−ợc xác định ở nhiều kết quả báo cáo nh− là: spNNF 2= Hình ảnh nhiễu NF, mà nó đ−ợc xác định từ nhiễu phách tín hiệu-tự phát, sẽ không chỉ phụ thuộc vào băng bơm mà còn phụ thuộc vào công suất bơm, b−ớc sóng và cấu hình bơm. Hình ảnh nhiễu trở nên lớn nếu nh− bộ khuếch đại quang là qúa dài. Hơn thế nữa, các đặc tính nhiễu bão hoà của EDFA cũng quan trọng. Một số nhà nghiên cứu đã chỉ ra các đặc tính bão hoà và NF đối với cả bơm xuôi và bơm ng−ợc hai h−ớng. Tr−ờng hợp mà nhiễu thấp đ−ợc coi là tham số quan trọng. ở các ứng dụng khác của EDFA nh− các bộ khuếch đại out in SNR SNRNF = Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 44 đ−ờng truyền cho các tuyến truyền dẫn dài, thì cả nhiễu thấp và công suất đầu ra lớn đều đ−ợc chú ý: họ tìm ra rằng, ASE truyền ng−ợc sẽ làm xuống cấp hình ảnh nhiễu. 5.6 Đánh giá các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống truyền dẫn thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA. Thiết bị khuếch đại quang sợi cho phép thiết kế cấu hình hệ thống truyền dẫn quang mới nvà linh hoạt hơn so với mức công suất phát cao, khoảng cách giữa các trạm lặp dài hơn. tuy nhiên bên cạnh những −u điểm không thể phủ nhận đ−ợc của bộ khuếch đại quang chúng ta cần phải tính đến hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề tán sắc, hiệu ứng phân cực và nhiễu tích luỹ khi áp dụng công nghệ mới này vào mạng viễn thông. ảnh h−ởng của các hiệu ứng này dẫn đến các hệ thống truyền dẫn ra sao? Phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng và yêu cầu chất l−ợng truyền dẫn của từng tr−ờng hợp cụ thể. Để thiết kế các hệ thống OFA sao cho có độ tin cậy và có hiệu quả kinh tế cao trên cơ sơ các tham số các giao diện quang của các khuyến nghị ITU ng−ời ta đã đ−a ra các giải pháp: - Nhiễu tích luỹ - Điều chỉnh tán sắc Khả năng phát huy hiệu quả sử dụng các thiết bị khuếch đại quang sợi hoàn toàn phụ thuộc các giải pháp kĩ thuật tiên tiến khắc phục hai vấn đề trên. a. Nhiễu tích luỹ: Trong các hệ thống truyền dẫn có sử dụng nhiều bộ OFA, nhiễu tự phát từ các bộ OFA cũng đ−ợc khuếch đại nhiều lần nh− ánh sáng tín hiệu. Do bức xạ tới ASE đ−ợc khuếch đại tại mỗi bộ OFA và bổ sung thêm, bức xạ ASE tổng cộng tăng lên tỷ lệ thuận với số bộ OFA, công suất tín hiệu so với mức nhiễu sẽ giảm t−ơng ứng theo. Công suất nhiễu có thể v−ợt qua công suất mức nhiễu. Nh− vậy, nhiễu ASE đ−ợc tích luỹ nằm ở trong và ngoài dãi tín hiệu. Nhiễu tích luỹ ASE làm suy giảm hệ số khuếch đại OFA và tỷ lệ S/N của hệ thống bởi vì nhiễu phách liên quan tới ASE là yếu tố Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 45 chính làm giảm tỷ số S/N ở phía thu. Thực tế, nhiễu phách tăng tỷ lệ với số bộ OFA nh− vậy tỉ lệ lỗi bit BER cũng giảm theo số bộ OFA. Mặc dù nhiễu tích luỹ trong các hệ thống có sử dụng bộ lọc sẽ giảm đi khi đi qua các bộ lọc, nh−ng bức xạ ASE nằm trong băng tần tín hiệu thì vẫn tăng tỷ lệ với số bộ OFA. Nh− vậy giải pháp hạn chế tối thiểu nảh h−ởng nhiễu tích luỹ là giảm khoảng cách giữa các bộ OFA trong khi vẫn duy trìkhuếch đại bù suy hao trên đ−ờng truyền. Có hai giải pháp sau để làm giảm bức xạ ASE: - Dùng bộ lọc quang ASE. - Sử dụng hiệu ứng tự lọc. Với các hệ thống có sử dụng vài chục bộ OFA hoặc nhiều hơn, hiệu ứn tự lọc đ−ợc sử dụng. Hiệu ứng này điều chỉnh b−ớc sóng tín hiệu thành b−ớc sóng tự lọc để cho nhiễu ASE thu đ−ợc tại bộ tách sóng bị suy giảm, d−ờng nh− là có sử dụng bộ lọc băng hẹp. Để sử dụng ph−ơng pháp này, khoảng cách giữa các bộ OFA đ−ợc thu hẹp lại và chọn hệ số khuếch đại của OFA là nhỏ để cho mức ASE ban đầu là thấp. Với hệ thống sử dụng một vài bộ OFA thì ph−ơng pháp tự lọc này phát huy hiệu quả thấp. Hiệu ứng tự lọc phụ thuộc vào dạng phổ tín hiệu, tiết diện ngang bức xạ và hấp thụ, mức độ nghịch đảo tích luỹ của OFA. B−ớc sóng tự lọc có thể thay đổi khi biến đổi thành phần chế tạo sợi EDFA, công suất quang nối vào, suy hao giữa các bộ khuếch đại còn phụ thuộc vào b−ớc sóng bơm vàdộ dài sợi EDF. Để thực hiện hiệu ứng có hiệu quả nhất, cần phải làm trùng ba b−ớc sóng sau: b−ớc sóng tín hiệu, b−ớc sóng có hệ số tán sắc tối −u, b−ớc sóng tự lọc. b. Điều chỉnh tán sắc Kỹ thuật khuếch đại quang cho phép kéo dài khoảng lặp, phục hồi tín hiệu suy hao có hiệu quả, tuy nhiên vấn đề tán sắc đ−ờng truyền đã hạn chế khả năng ứng dụng của thiết bị OFA trên mạng viễn thông. Sau đây là một số giải pháp khắc phục có hiệu quả hiện t−ợng tán sắc: • Sử dụng cáp sợi quang tán săc dịch chuyển theo khuyến nghị CCITT G.653 trong đó hệ số tán sắc là 3ps/Km tại λ=1550nm. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 46 • Sử dụng cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị CCITT G.652 có hệ số tán sắc là 20ps/Km tại λ=1550nm nh−ng có l−u ý tới một số điều kiện về giao diện quang theo khuyên snghị ITU G.957, chẳng hạn độ rộng phổ của nguồn laser phải nhỏ hơn 1nm. Đây là giải pháp có tính khả thi và có hiệu quả kinh tế cao bởi vì có thể khai thác các tuyến cáp quang đã lắp đặt sẵn và cáp sợi quang G.653. • Sử dụng thiết bị tán sắc thụ động. Đây là thiết bị có tính chất cố định hệ số tán sắc trong dải b−ớc sóng lựa chọn. • Có một giải pháp khắc phục tối −u đó là sử dụng hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang để bù tán sắc của sợi, đ−ợc gọi là kỹ thuật truyền dẫn Soliton. Ph−ơng pháp này cho phép các xung ánh sáng truyền đi không thay đổi dạng xung ban đầu bằng kỹ thuật nén xung. Tóm lại để phát huy hiệu quả sử dụng khuếch đại quang sợi phải giải quyết vấn đề sau: - Nhiễu tích luỹ do khuếch đại - Điều chỉnh tán sắc. - Các hiệu ứng phi tuyến và các hiệu ứng phân cực Trên cơ sở đó mà phân bố khoảng cách giữa cácbộ OFA và hệ số khuếch đại của chúng sao cho hợp lý nhất. Với các −u điểm của EDFA nh− đã nêu ở đầu phần này chính là câu trả lời cho sự tiến cử nhanh của EDFA trong việc triển khai EDFA vào các hệ thống thông tin thực tế. Nh− ta đã biết một trạm lặp thông th−ờng mang 3 chức năng: tạo lại dạng xung, khôi phục thời gian, khuếch đại tín hiệu, mỗi trạm lặp chỉ khuếch đại đ−ợc một b−ớc sóng còn khi EDFA đ−ợc sử dụng làm trạm lặp, nó đ−ợc coi nh− một trạm lặp thế hệ mới với một chức năng duy nhất khuếch đại tín hiệu quang thành tín hiệu quang tức là nó chỉ tác dụng vào thành phần biên độ của tín hiệu chứ không tác động vào thành phần thời gian và dạng tín hiệu nên EDFA không phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu. Hơn nữa EDFA có Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 47 khả năng khuếch đại nhiều b−ớc sóng trong cùng một sợi nên tăng đ−ợc dung l−ợng truyền dẫn khi sử dụng kỹ thuật WDM tới 10ữ20Gbit/s. Hơn nữa khi EDFA đ−ợc sử dụng làm khuếch đại quang thì nó có rất nhiều −u điểm nổi trội so với các trạm lặp thông th−ờng: + Nó có thể thay thế một loạt các trạm lặp thông th−ờng trên tuyến đang khai thác và khi thiết kế tuyến mới sẽ cho phép xây dựng các tuyến thông tin cự ly xa với tốc độ bit lớn và đơn giản hoá hệ thống rất nhiều cả trong việc xây lắp, khai thác và bảo d−ỡng sau này. + EDFA cho phép tạo ra các cấu trúc mạng quang tối −u cho các tuyến truyền dẫn quang đ−ờng trục, mạng nội hạt, mạng truy nhập và đặc biệt phù hợp với các tuyến cáp quang biển.(Khi muốn tăng dung l−ợng truyền dẫn chỉ phải thay đổi các thiết bị đầu cuối trên đất liền chứ không phải lôi cáp lên nh− các trạm lặp thông th−ờng). Ngoài ra EDFA cũng rất thuận tiện cho việc nâng cấp mạng l−ới bởi vì nó không phụ thuộc vào tốc độ đ−ờng truyền và dạng điều chế tín hiệu. Bên cạnh những −u điểm đáng kể trên, EDFA còn có những mặt hạn chế đó là không những tín hiệu đ−ợc khuếch đại khi đi qua EDFA mà nhiễu bức xạ tự phát cũng đ−ợc khuếch đại làm tăng mức nhiễu tại phía thu dẫn đến suy giảm chất l−ợng tín hiệu. Đặc biệt trong tr−ờng hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đ−ờng truyền, tạp âm trong các bộ khuếch đại quang phía tr−ớc sẽ đ−ợc khuếch đại bởi bộ khếch đại quang phía sau. Sự khuếch đại và tích luỹ tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất, tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống d−ới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao, thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây hiện t−ợng bão hoà ở bộ khuếch đại. Mặt khác khi EDFA đ−ợc dùng làm BA thì nó có thể gây ra ứng phi tuyến trong sợi do công suất phát vào sợi cao còn khi EDFA sử dụng làm PA thì th−ờng đòi hỏi phải thiết kế theo các chỉ tiêu hết sức phức tạp do nó phải thu công suất tín hiệu đã bị suy yếu rất nhiều tại phía thu, thêm vào đó Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 48 để loại bớt nhiễu bức xạ tự phát ASE thì PA th−ờng đ−ợc sử dụng kết hợp với bộ lọc mà giá của mỗi bộ lọc này là rất đắt. Các EDFA hoạt động tại b−ớc sóng 1550nm là b−ớc sóng có tán sắc không tối −u nên tán sắc trong các hệ thống sử dụng EDFA cũng rất phức tạp. Mặc dù vẫn còn tồn tại một vài nh−ợc điểm trên song do có những −u điểm nổi bật hơn tất cả các công nghệ khuếch đại hiện thời nên nó vẫn đ−ợc ứng dụng rộng rãi nhất trong các loại hình mạng quang khác nhau. • Kết luận: Khuếch đại quang nói chung và khuếch đại quang sợi EDFA nói riêng là mộtkỹ thuật thông tin quang tiên tiến và rất quan trọng trong việc triển khai xây dựng các hệ thống thông tin quang. Do có nhiều −u điểm , trong đó nổi trội là độ khuếch đại cao, nhiễu thấp và có nhiều −u điểm nổi trội về công nghệ mà các bộ khuếch đại quang sợi đã nhanh chóng đ−ợc đ−a vào sử dụng trên mạng l−ới viễn thông. Sự có mặt của các thiết bị khuếch đại quang trên tuyến đã làm thay đổi rất nhiều cấu trúc của tuyến thông tin quang. Chúng cho phép kéo dài cự ly truyền dẫn rất nhiều và làm tăng tốc độ bit đ−ờng truyền. Các bộ khuếch đại quang sợi EDFA có thể cho phép ta xây dựng các tuyến thông tin quang dài không có trạm lặp và mở ra việc ứng dụng hết sức hấp dẫn trong thông tin quang v−ợt đại d−ơng. Một ứng dụng hết s−c quan trọng là sử dụng khuếch đại quang trong các hệ thống thông tin quang WDM. Mộtbộ khuếch đại quang có thể khuếch đại nhiều kênh quang và cho phép giảm số l−ợng thiết bị trên tuyến. Một bộ khuếch đại EDFA có thể thay thế hàng loạt các thiết bị lặp và giảm giá thành đầu t− toàn tuyến, đơn giản hoá cấu trúc hệ thống. Từ đó việc quản lý bão d−ỡng cũng thuận lợi hơn rất nhiều. Cũng chính vì cấu trúc và đặc điểm hoạt động của chủng loại thiết bị này mà cho phép ta dễ dàng nâng cấp hệ thống thông tin quang hiện tại thành các hệ thống hiện đại hơn, cho phép mở rộng dung l−ợng và kéo dài cự ly truyền dẫn cũng nh− cải thiện chất l−ợng truyền dẫn BER. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 49 Ch−ơng II: khả năng ứng dụng của khuếch đại quang vμo mạng viễn thông I. Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang sợi: 1. Tổng quan về khả năng ứng dụng của khuếch đại quang sợi. Khả năng ứng dụng của khuếch đại quang sợi OFA trong các hệ thống truyền dẫn quang cho thấy −u điểm rõ rệt. Ưu điểm nổi bật nhất là kéo dài khoảng lặp. Việc khai thác OFA cho phép tháo bỏ nhiều trạm lặp thông th−ờng trên tuyến hiện có, trong tr−ờng hợp thiết kế tuyến mới sẽ tạo điều kiện đơn giản hoá hệ thống khi lắp đặt thiết bị ở nhiều vị trí. OFA cũng cho phép nghiên cứu tối −u các cấu thúc mạng quang mới để đáp ứng trong mạng đ−ờng trục, mạng truy nhập hay tuyến cáp quang biển. Mặt khác OFA cũng thể hiện −u điểm khi nâng cấp mạng bởi vì các thiết bị OFA không phụ thuộc vào tốc độ đ−ờng truyền và dạng điều chế tín hiệu. Tuy nhiên việc ứng dụng OFA vào hệ thống truyền dẫn quang cũng đem đến một số vấn đề nảy sinh do mức công suất cao phát ra từ OFA và khoảng cách giữa hai trạm lắp rất lớn. Các hiệu ứng truyền dẫn này liên quan tới tính chất phi tuyến của sợi quang, tính chất phân cực và các đặc điểm khuếch đại của bản thân thiết bị OFA. Độ tán sắc của tín hiệu gây ảnh h−ởng nghiêm trọng đến chất l−ợng hệ thống truyền dẫn. Bởi vậy việc điều chỉnh tán sắc phải đ−ợc xem xét nghiêm túc khi thiết kế hệ thống. Tuỳ thuộc vào các đặc tính kỹ thuật và kinh tế của tuyến thông tin quang mà các bộ khuếch đại quang sợi có thể đ−ợc áp dụng tại từng vị trí trên tuyến. Chúng có thể đ−ợc sử dụng làm bộ khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier) ở phía phát, làm bộ tiền khuếch đại PA (Pre_Amplifier) ở phía thu hay làm bộ khuếch đại đ−ờng truyền LA (Line Amplifier) ở dọc tuyến. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 50 2. Các loại khuếch đại quang th−ờng dùng 2.1 Khuếch đại công suất Khuếch đại công suất là thiết bị quang sợi có công suất bão hoà cao đ−ợc sử dụng trực tiếp ngay sau bộ phát quang để tăng c−ờng mức công suất tín hiệu. Thiết bị BA không cần yêu cầu nghiêm ngặt về nhiễu và lọc quang. Các chức năng khai thác, quản lý và bảo d−ỡng (OAM) cho BA có thể đ−ợc điều hành chung với bộ phát quang. Việc sử dụng các bộ khuếch đại là rất hấp dẫn cho các nhà khai thác, đặc biệt là trong các tr−ờng hợp mà trong đó các vị trí trung gian với các thiết bị tích cực là không thể hoặc không nên lắp đặt. Trong bất cứ tr−ờng hợp nào, càng ít trạm lặp trung gian trên đ−ờng truyền thì càng dễ dàng cho việc bảo d−ỡng và nâng cao độ tin cậy của tuyến truyền dẫn. Bởi vì công suất quang lối ra t−ơng đối cao nên nhiễu do bức xạ tự phát đ−ợc khuếch đại (ASE) nó xuất hiện tất yếu do quá trình phát photon trong OFA. Các thành phần nhiễu ngoài băng tín hiệu có thể bỏ qua nhờ bộ lọc quang. Tuy nhiên việc ứng dụng nhiều bộ BA có thể gây nên các tính chất phi tuyến trong sợi quang, từ đó ảnh h−ởng tới công suất hệ thống: Phát quang Thu quang Đ−ờng truyền dẫn LA PA BA Hình vẽ 2.1: Sơ đồ hệ thống thông tin quang Phía phát Phía thu Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 51 Khối khuếch đại quang Tách tín hiệu vào ra Điều khiển Laser bơm 1 Điều khiển dòng Điều khiển nhiệt độ Điều khiển Laser bơm 2 Điều khiển dòng Điều khiển nhiệt độ Điều khiển Bus SGI bus SGI bus Khối điều khiển chung ALS Đo công suất nguồn quang vào Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất Khối giao tiếp nguồn Giao diện giám sát Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 52 2.2 Tiền khuếch đại Tách tín hiệu vào ra Điều khiển Laser bơm Điều khiển dòng Điều khiển nhiệt độ Điều khiển bộ lọc quang Điều khiển Bus SGI bus SGI bus Khối điều khiển chung ALS Đo công suất nguồn quang phát Hình 2.3: Sơ đồ khối của bộ tiền khuếch đại Khối giao tiếp nguồn Giao diện giám sát Khối khuếch đại quang Bộ lọc quang có điều chỉnh Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 53 PA là thiết bị khuếch đại quang sợi có nhiễu rất thấp đ−ợc sử dụng trực tiếp ở tr−ớc các bộ thu quang để nâng cao độ nhạy máy thu. Điều kiện mức nhiễu ASE thấp có thể thực hiện thông qua sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp. Trong tr−ờng hợp này, việc điều chỉnh tự động b−ớc sóng trung tâm của bộ lọc tiền khuếch đại để cho b−ớc sóng phát ra phù hợp là cần thiết, điều này sẽ thoả mãn các yêu cầu về độ dung sai b−ớc sóng ban đầu và độ ổn định của nó trong khoảng băng rộng. Nh− đã biết cách sử dụng PA là ph−ơng pháp đơn giản và trực tiếp nâng cao đáng kể quỹ công suất quang của hệ thống truyền dẫn. Các chức năng OAM cho các bộ PA có thể đ−ợc điều hành chung cùng với bộ thu quang. Với các hệ thống truyền dẫn tốc độ 10 G bit/s hoặc tốc độ cao hơn, việc sử dụng các bộ PA là giải pháp hợp lý để lại trừ các vấn đề do hiệu ứng phi tuyến của sợi gây nên. 2.3 Khuếch đại đ−ờng truyền: LA là thiết bị khuếch đại quang sợi có nhiễu thấp đ−ợc sử dụng nh− những thiết bị thụ động trên đ−ờng truyền để tăng khoảng cách giữa 2 trạm lập. Trong một mạng thuê bao theo cấu hình điểm - đa điểm , khuếch đại đ−ờng truyền đ−ợc sử dụng để bù suy hao tại các điểm rẽ nhánh. Trong tr−ờng hợp này, khuếch đại đ−ờng truyền có thể thay thế một vài hoặc tất cảc các trạm lặp thông th−ờng đang sử dụng trên các tuyến đ−ờng trục. Với −u điểm nh− vậy có thể giảm bớt thiết bị trên đ−ờng truyền dẫn. Nh− vậy trên các mạng đ−ờng trục thì các bộ LA đóng vai trò bù suy hao tín hiệu, còn các trạm lặp thông th−ờng thì có chức năng sửa méo tín hiệu. Trên các hệ thống truyền dẫn sử dụng nhiều LA cần phải có các kênh thông tin riêng biệt để cảnh báo, giám sát và điều khiển các bộ khuếch đại đ−ờng truyền ở xa. Về mặt lý thuyết có thể kéo dài khoảng cách truyền dẫn lên đến hàng nghìn km bằng cách đặt đều đặn các bộ LA với khoảng cách thiết lập theo tính toán thiết kế. Tuy nhiên trong tr−ờng hợp có nhiều bộ LA lắp đặt thì chất l−ợng đ−ờng truyền của hệ thống sẽ suy giảm do nhiễu tích luỹ, các hiệu ứng phân cực, tán sắc tích luỹ và các hiệu ứng phi tuyến khác. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 54 Thử nghiệm cho thấy rằng cấu hình hệ thống truyền dẫn có sử dụng nhiều bộ LA sẽ phức tạp hơn nhiều sẽ phức tạp hơn. Cụ thể là hệ số khuếch đại tổng cộng của nhiều bộ LA lắp đặt nối tiếp sẽ cố định quanh b−ớc sóng xác định phụ thuộc vào cấu hình khuếch đại cụ thể. Điều này sẽ hạn chế khả năng ứng dụng dải b−ớc song khai thác đ−ợc của thiết bị quang sợi . Do đó việc thiết kế hệ thống loại này sẽ khác biệt với hệ thống chỉ sử dụng vài bộ khuếch đại LA trên tuyến. Căn cứ vào việc xác định, BA,LA,PA và dựa vào cấu hình ở hình 3.1 ta có cấu hình ứng dụng thiết bị OFA với cấu trúc khác nhau nh− hình 3.4Dựa vào khả năng và tính kinh tế mà ng−ời ta đặt bộ khuếch đại quang vào vị trí nào trong hệ thống. Tính kinh tế của hệ thống hầu nh− quuết định việc lắp đặt và sử dụng khuếch đại quang cần phải sẽ hơn so với việc ứng dụng các công nghệ khác, nếu không khuếch đại quang sẽ không đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang. So với thiết bị đầu cuối thông th−ờng, việc sử dụng các thiết bị BA,LA,PL sẽ tăng quỹ công xuất nên đáng kể. Với phổ khuếch đại t−ơng đối rộng (khoảng 30mm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến. Nh− vậy hệ thống tr−ớc đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể bị hạn chế về tán sắc, trong tr−ờng hợp đó phải sử dụng một số ph−ơng pháp để giảm bớt ảnh h−ởng của tán sắc, sử dụng sợi bù tán sắc hay sử dụng nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài. Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức −u tiên sử dụng đối với từng loại cũng khác nhau. - LA đòi hỏi phải có giám sát riêng, hơn nữa các điểm trung gian trên đ−ờng truyền cũng làm cho việc bảo d−ỡng trở nên phức tạp hơn. Do đó, mức −u tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong tr−ờng hợp mà khi dùng cả BA và PA vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới sử dụng LA. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 55 T R P Thu Phát T R B Thu Phát T R L Thu Phát T R P Thu Phát L T R L ThuPhát B T R P ThuPhát B L Hình 2.4: Các cấu trúc khác nhau cho các hệ thống sử dụng khuếch đại Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 56 - ứng dụng khuếch đại quang sợi vào hệ thống ghép kênh quang theo b−ớc sóng Trong truyền dẫn số chúng ta đã quen với ghép kênh tín hiệu điện, từ luồng số tốc độ thấp ghép thành luồng số tốc độ cao hơn. Trong vài năm trở lại đây, công nghệ thông tin quang đã đạt đ−ợc nhiều tiến bộ đáng kể. Trong những tiến bộ đã đạt đ−ợc này phải kể đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó cho phép thực hiện việc ghép nhiều tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi quang, nhằm làm tăng đáng kể dung l−ợng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó ra việc ghép kênh quang còn tạo khả năng xây dựng đ−ợc các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đ−ờng truyền đạt tới hàng chục Gbit/s ng−ời ta đã thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn, vì mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng đ−ợc các xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí các giải pháp trở nên rất tốn kém do cơ cấu hoạt động quá phức tạp và công nghệ đòi hỏi rất cao. Do đó kỹ thuật ghép kênh quang ra đời đã khắc phục đ−ợc những hạn chế trên. Các phần tử quang trong thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở những vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh. Kỹ thuật ghép kênh quang còn tận dụng đ−ợc phổ hẹp của laser, lợi dụng đ−ợc các b−ớc sóng có tần số khác nhau để thực hiện truyền nhiều luồng ánh sáng mang tín hiệu trên một sợi quang. Có ba kỹ thuật ghép kênh quang là ghép kênh quang theo tần số (OFDM - Optical Frequency Division Multiplexing),ghép kênh quang theo thời gian (OTDM - Optical Time Division Multiplexing) ghép b−ớc sóng quang (WDM - Wavelength Division Multiplexing). Với mục tiêu của đề tài, nên trong phạm vi đồ án này chúng ta chỉ đi sâu vào nghiên cứu kỹ thuật ghép b−ớc sóng quang WDM. ý t−ởng về ghép b−ớc sóng quang WDM đã đ−ợc xuất hiện từ năm 1953, đến những năm đầu của thập kỷ 80 thì các thiết bị ghép b−ớc sóng quang đã đ−ợc th−ơng mại hoá. Trong các tuyến thông tin quang điểm - điểm thông th−ờng, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu, nghĩa là các nguồn quang khác Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 57 nhau đòi hỏi truyền tín hiệu trên các sợi quang xác định riêng biệt, và các bộ tách sóng quang t−ơng ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Nh− vậy, muốn tăng dung l−ợng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Còn với kỹ thuật WDM, nó thực hiện việc truyền các luồng ánh sáng với các b−ớc sóng khác nhau trên cùng một sợi, cho phép ta tăng dung l−ợng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đ−ờng truyền và cũng không cần sử dụng thêm sợi quang. Vì trong thực tế hiện nay, nguồn phát quang có độ rộng phổ t−ơng đối hẹp, các hệ thống thông tin quang thông th−ờng chỉ sử dụng một phần nhỏ băng tần truyền dẫn vốn rất lớn của sợi quang (sợi SM là 30THz). Về mặt lý thuyết thì ta có thể truyền một dung l−ợng kênh khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều nguồn quang khác nhau hoạt động ở các b−ớc sóng cách nhau một cách hợp lý. ở đầu thu có thể thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc (tách) các b−ớc sóng khác nhau này. 1. Nguyên lý cơ bản của ghép b−ớc sóng quang WDM Giả sử ta có các nguồn bức xạ quang làm việc ở các b−ớc sóng khác nhau: λ1, λ2, λ3.....,λN, kỹ thuật WDM cho phép ghép các tín hiệu quang ở các b−ớc sóng khác nhau này vào cùng một sợi quang nhờ vào thiết bị có suy hao thấp gọi là bộ ghép kênh quang MUX. Tín hiệu sau khi đ−ợc ghép sẽ truyền dọc theo sợi để tới phía thu. Tại phía thu, các bộ tách b−ớc sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các b−ớc sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ tách kênh quang DEMUX . Thông th−ờng bộ ghép kênh quang MUX và bộ tách kênh quang DEMUX đ−ợc đặt chung trong một thiết bị và gọi là Bộ Ghép B−ớc Sóng MUX/DEMUX. MUX DEMU X I1(λ1) IN(λN ON(λ O1(λ1 O(λ1...λ I(λ1...λN Sợi Hình 2.5 Mô tả tuyến truyền dẫn thông tin quang có ghép b−ớc sóng Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 58 Có hai loại hệ thống ghép b−ớc sóng: hệ thống ghép b−ớc sóng theo một h−ớng và hệ thống ghép b−ớc sóng theo hai h−ớng ™ Trong hệ thống ghép b−ớc sóng theo một h−ớng, thiết bị ghép kênh quang MUX đ−ợc dùng để kết hợp các b−ớc sóng khác nhau sau đó truyền trên cùng một sợi, và tại đầu kia thiết bị tách kênh quang DEMUX sẽ tách các b−ớc sóng này tr−ớc khi đ−a vào các bộ thu quang. Trong hệ thống ghép b−ớc sóng theo hai h−ớng thì không qui định là phát ở một đầu và thu ở một đầu, có nghĩa là có thể phát thông tin theo một h−ớng tại b−ớc sóng λ1 và đồng thời cũng phát thông tin khác theo h−ớng ng−ợc lại tại b−ớc sóng λ2. Trong tr−ờng hợp này tại hai đầu cuối ta sử dụng bộ ghép b−ớc sóng MUX/DEMUX. MUX DEMUX Tx1 Tx2 Tx Rx1 Rx2 Rx λ1 λ2 λN λ1 λN λ2 λ1,λ2,.....λN (a) MUX/ DEMUX MUX/ DEMUX λ1,λ2,.....λ (b) Tx1 R'x λ1 λ’1 λN Tx λ'N Rx1 T’ T'x λ1 λ’1 λN Rxλ'N R'x λ’1,λ’2,..... Hình 2.6 a) Hệ thống ghép b−ớc sóng theo một h−ớng b) Hệ thống ghép b−ớc sóng theo hai h−ớng Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 59 2. Đánh giá kỹ thuật WDM Qua những gì đã giới thiệu ở trên chúng ta thấy rằng kỹ thuật WDM là một kỹ thuật mới mẻ, tiên tiến và có rất nhiều −u điểm: + Khi sử dụng kỹ thuật WDM sẽ làm tăng thêm tính linh hoạt của hệ thống, thể hiện là WDM có thể truyền dẫn đ−ợc song công chỉ trên 1 sợi quang và cho phép ghép nhiều b−ớc sóng quang khác nhau trên cùng một sợi với suy hao nhỏ và xuyên kênh thấp. Về mặt lý thuyết thì số b−ớc sóng ghép đ−ợc là rất lớn. + Kỹ thuật WDM giúp tăng dung l−ợng của hệ thống nghĩa là tăng tốc độ truyền dẫn của từng kênh và làm giảm ảnh h−ởng tốc độ truyền dẫn giữa các kênh, nh− vậy là ít bị ảnh h−ởng của tán sắc hơn so với tuyến truyền dẫn quang đơn kênh khi cùng dung l−ợng truyền dẫn. + Kỹ thuật WDM có khả năng định tuyến và chuyển mạch trong vùng quang nhờ sử dụng Bộ ghép b−ớc sóng, −u điểm này góp phần giúp cho việc thực hiện mang quang hoá hoàn toàn. + Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung l−ợng của các hệ thống sẵn có mà không cần tăng số l−ợng cáp và không cần tăng tốc độ, dẫn đến đơn giản cho thiết bị đầu cuối và tránh đ−ợc việc dùng các công nghệ cao để chế tạo thiết bị tốc độ cao, do đó giảm đ−ợc giá thành hệ thống, lợi dụng đ−ợc độ rộng phổ hẹp của Laser và tận dụng triệt để băng thông lớn của sợi quang (với SMF là 30 THz). Nói nh− vậy không có nghĩa là kỹ thuật WDM là không có những hạn chế - Trong kỹ thuật WDM hiện nay, số l−ợng kênh quang đ−ợc ghép trên một cửa số truyền dẫn còn hạn chế. - Mỗi kênh quang đòi hỏi phải có một nguồn phát riêng biệt. Để ổn định b−ớc sóng của nguồn phát đòi hỏi phải có sơ đồ điều khiển phức tạp. Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 60 - Các b−ớc sóng khác nhau sẽ đ−ợc khuếch đại với các hệ số khuếch đại khác nhau, do đó chất l−ợng kênh không đều. - Do đặc tính của bộ lọc là không lý t−ởng nên th−ờng xuyên có sự xuyên kênh giữa các kênh ngắn. - Đặc biệt, đối với các hệ thống WDM do ảnh h−ởng của các hiệu ứng phi tuyến nh− : FWM, XPM, SPM... nên số kênh b−ớc sóng truyền trên sợi là hạn chế và do đó sẽ hạn chế việc tăng dung l−ợng cuả hệ thống, nhất là đối với các hệ thống cự ly xa. - Quỹ công suất quang bị giảm đi do tuyến truyền dẫn phải sử dụng các thiết bị WDM. 3. ứng dụng của kỹ thuật WDM Kỹ thuật WDM là một công nghệ tiên tiến và có nhiều −u điểm do vậy nó có khả năng và phạm vi ứng dụng là rất lớn: + Khi hệ thống hiện tại không đáp ứng đ−ợc các nhu cầu về dung l−ợng thì ta sử dụng WDM để tăng dung l−ợng. + WDM đ−ợc ứng dụng để phát triển kênh chất l−ợng cao hoặc băng thông rộng trên một sợi quang, trong khi nếu sử dụng kỹ thuật khác thì rất tốn kém và chất l−ợng không đạt yêu cầu. + WDM sử dụng trong tr−ờng hợp cần thiết truyền cả tín hiệu t−ơng tự và tín hiệu số trên cùng một sợi quang. + WDM có thể đ−ợc dùng để truyền song công trên một sợi quang. + Ngoài ra WDM còn đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp cần có kênh dự phòng khi gặp sự cố, cũng nh− dự phòng một số b−ớc sóng cho t−ơng lai. Nói chung thì kỹ thuật WDM có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, sau đây ta đi sâu vào các ứng dụng của WDM a) ứng dụng của kỹ thuật WDM vào mạng nội hạt Đồ án tốt nghiệp Khuếch đại quang sợi vμ khả năng ứng dụng vμo mạng viễn thông Nguyễn Duy D−ơng 61 Ngày nay mạng nội hạt vẫn chủ yếu sử dụng môi tr−ờng truyền dẫn kim loại (cáp đồng) và môi tr−ờng truyền dẫn vô tuyến, điều này hạn chế cho việc triển khai các dịch vụ Viễn Thông băng rộng nh− truyền hình hoặc truyền số liệu tốc độ cao...Do vậy để truyền dẫn băng thông rộng thì ta sử dụng sợi quang trong mạng nội hạt, trên cơ sở đó thì cung cấp các dịch vụ mới cho mạng nội hạt. Để thực hiện truyền tín hiệu băng rộng trên mạng cáp