Đề tài Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM

Đại học Công Nghệ Thông Tin Đại học Quốc Gia Tp.HCM Đề tài: Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM Các thành viên trong nhóm Nguyễn Tiến Thành – 08520354 Phạm Ngọc Sơn – 08520317 Nguyễn Vũ An – 08520517 Hoàng Mạnh Hưng – 08520165 Dương Sơn Thông – 08520391 Giáo viên ThS. Ngô Hán Chiêu 1 Mục lục Mục lục ................................................................................................................................................... 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................................... 6 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM .................................................................. 10 I: Sự phát triển của công nghệ WDM ................................................................................................. 10 II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang .......................................................................................... 11 III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản .............................................. 15 1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng ............................................................... 15 1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: ........................................................................................ 15 1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi ........................................................................................ 16 2: Các tham số cơ bản .................................................................................................................... 18 Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM ....................................................... 20 I: Các thiết bị WDM vi quang ............................................................................................................ 21 1: Các bộ lọc thiết bị ...................................................................................................................... 22 1.1. Bộ tách hai bước sóng ......................................................................................................... 24 1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng ............................................................................................ 25 1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): ................................................. 26 2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: ................................................................... 29 2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: .............................................................................. 29 2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: ................................................................................. 30 2.2.1. Mở đầu ......................................................................................................................... 30 2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng................................................................................................. 31 2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: .......................................................................... 33 2.2.4. Cách tử hình long chảo ................................................................................................. 35 2.2.5. Cách tử Bragg: .............................................................................................................. 36 2 II. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI ................................................................................................ 38 III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. ................................... 41 1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. ............................. 41 1.1 Nguyên lý chung .................................................................................................................. 41 1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: ....................................................................................... 42 1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. ............................................................................................ 43 2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM......................................................... 46 Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM ..................................................................................................................................... 49 I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh .............................................................................. 50 1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là ..................... 50 2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: .......................... 50 II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát ........................... 57 1: Ổn định bước sóng của nguồn quang .......................................................................................... 57 2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát................................................................................................. 57 III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang ................................................................................... 58 IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM ............................................................................. 58 V: Tán sắc – Bù tán sắc...................................................................................................................... 59 IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................ 62 1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): .......................................................................... 63 2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): ...................................................................... 64 3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): .................................................................................. 65 4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): ................................................................................ 67 5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): ....................................................................................... 67 6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: .............................................. 69 3 VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM ............................ 69 1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: .............................................................................. 70 2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA: ................................................................................................ 72 3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: .................................................................... 73 Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM ............................................................................ 74 I. 1. Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) ......................... 74 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA............................................................................. 74 2: Đặc tính của EDFA .................................................................................................................... 77 2.1: Đặc tính khuếch đại ............................................................................................................. 77 2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu .......................................................................................................... 78 2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng ................................................................. 82 Chương V: Mạng WDM ........................................................................................................................ 84 I: Phân cấp mạng WDM..................................................................................................................... 84 II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM ................................................................................................. 86 1. Mạng WDM chuyển mạch kênh quang........................................................................................ 86 2. Mạng WDM chuyểm mạch gói: .................................................................................................. 87 III. Điểm mút của mạng WDM ......................................................................................................... 88 1. Điểm nút OXC: ......................................................................................................................... 88 2. Điểm nút OADM: ...................................................................................................................... 91 IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM ................................................................. 93 1. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. ...................................................................................... 93 2. Chọn đường trong mạng WDM .................................................................................................. 95 V: Bảo vệ mạng WDM ...................................................................................................................... 96 1. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH.................................................................................................... 96 2. Bảo vệ đoạn ghép kênh: ............................................................................................................. 97 4 VI. WDM và SDH. ........................................................................................................................... 97 VII. Mạng quang và hỗn hợp quang điện............................................................................................ 98 VIII. Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM ................................................................................ 99 IX. Thiết kế cấu trúc mạng WDM ...................................................................................................... 99 V. Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng ...................................................................................... 101 1. Mở đầu .................................................................................................................................... 101 2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng.............................................................................................. 101 2.1. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: ............................................................................................ 101 2.2. Cấu trúc nút:...................................................................................................................... 102 2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. ............................................................ 104 3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng................................................................................................ 104 4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM ......................................................................................... 106 KẾT LUẬN ......................................................................................................................................... 108 5 Viết tắt ADM AG AN AOTF APD AWGM ATM ADP AW C DCA DEMUX DSF DXC DLE DWDM FBG EDFA FDM FFWF GMPLS GW IP ISDN LAN LC LCP LCG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Tiếng AnhTiếng Việt Add/drop multiplexerBộ ghép kênh xen kẽ Auxiliary GraphDựng một đồ thị phụ Acces NodeNút truy nhập Acousto OpticBộ lọc thanh quang Turnable Filtercó điều chỉnh Avalanche PhotodiodeĐiốt quang thác Arrayed - WavelengthBộ ghép kênh lưới quang Grating Multiplexerdẫn sóng kiểu dàn Asynchronous Transfer ModePhương thức truyền không đồng bộ Avalanche Photo DiodeĐiốt quang thác Available WavelengthBước sóng khả dụng CoreĐường trục Distinct Channel AssignmentGán kênh riêng biệt DemultiplexerBộ giải ghép kênh Dispersion Shifted FiberSợi dịch tán sắc Digital Cross ConnectNối chéo số Dynamic Lightpath EstablishmentThiết lập luồng quang Differential WavelengthGhép kênh chia bước Division Multiplexersóng vi sai Fibre GratingLưới sợi quang Erbium doped fiber ampliferKhuếch đại sợi quang trộn erbium Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia tần số First Fit Wavelength FirstThuật toán gán bước sóng theo thứ tự bước sóng Generalized Multiple ProtocolChuyển mạch nhãn đa Label Swithchinggiao thức tổng quát GatewayCổng Internet ProtocolGiao thức internet Integrated service digital networkMạng số liên kết dịch vụ Local Area NetworkMạng cục bộ Logical ConnectionKết nối logic Least Congested PathĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhất Logical Connection GraphHướng kết nối logíc biểu đồ 6 LF LEC LL LSP LSR LU M∑ MESH MPLS NP- Largest First Least Converter First Least Loaded Label Swithched Path Label Swithching Router Least Used Max-Sum Mesh Multi Protocol Label Swithching Subset of class NP problem complete Non-Zero Dispersion Shifted Fiber Optical add/drop multiplexer Optical Circulator Optical/Electrical/ Optical Optical Channel Optical Line Amplifier Optical Cross Connect Optical Time Division Multiplex Routing and Wavelength Assignment Synchronous Digital Hierarchy Sequential Graph Coloring Synchronous Optical Network Sub-Network Connection Protection Synchronous Transport Module Static Wavelength Routing Space Optical Switch Total wavelength and Available wavelength Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất Chuyển đổi bước sóng theo thứ tự cao nhất Thuật toán gán bước sóng dựa trên tải ít nhất Luồng chuyển mạch nhãn Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất Thuật toán gán bước sóng dựa trên tổng dung lượng lớn nhất Dạng lưới Chuyển mạch nhãn đa giao thức Tập hợp con của lớp các bài toán NP mà nó được xem là khó giải Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Bộ đấu vòng quang Quang/ Điện/ Quang Kênh quang Khuếch đại đường quang Nối chéo quang Ghép kênh quang phân chia thời gian Định tuyến và gán bước sóng Phân cấp số đồng bộ Tô màu đồ thị tuần tự Mạng quang đồng bộ Bảo vệ kết nối mạng con Modun truyền tải đồng bộ Bộ định tuyến bước sóng tĩnh Chuyển mạch quang không gian Tổng bước sóng của các bước sóng khả dụng 7 NZ-DSF OADM OC O/E/O Och OLA OXC OTDM RWA SDH SGC SONET SNCP STM SWR SOS TAW TDM Thr TSI WADM WC WDM WGR WP WR WRS OSC DFK DFF SMF DCF CBFG OA OADM OXC OMS-DP OMS-SP OMS RWA SLE WCA RCL RCA Rsv WRN Time Division Multiplexing Thr - Protecting Threshold Time Slot Interchanger Wavelength Add- Drop Multiplexer Wavelegth Converter Wavelength Division Multiplex Waveguide Grating Router Wavelength Path Wavelength Router Wavelength Router Switch Optical Supervision Chanel Dispersion Shifted Fiber Dispersion Flattened Fiber Single Mode Fiber Dispersion Compensating Fiber Chirper Bargg Fiber Grating Optical Amplifier Optical Add Drop Multiplexer Optical Cross Connect Optical Multiplexer Section Dedicated Protection Optical Multiplexer Section Shared Protection Optical Multiplexer Section Routing and Wavelength Assignment Static Lightpath Establishment Wavelength conveter Awave Relative Capacity Loss Routing and Channel Assignment Wavelength Reservation Wavelength Router Network Ghép kênh phân chia theo thời gian Ngưỡng bảo vệ Trao đổi khe thời gian Bộ nhập tách bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng Ghép kênh chia bước sóng Bộ định tuyến lưới quang dẫn sóng Đường bước sóng Bộ định tuyến bước sóng Khoá định tuyến bước sóng Kênh giám sát quang Sợi dịch tán sắc Sợi tán sắc phẳng Sợi đơn mode Sợi bù tán sắc Cách tử Bargg Khuếch đại quang Bộ xen tách quang Kết nối chéo quang Bảo vệ dùng riêng mức đoạn ghép kênh quang Bảo vệ dùng chung mức đoạn ghép kênh quang Đoạn ghép kênh quang Định tuyến gán bước sóng Thiết lập luồng quang tĩnh Bộ chuyển đổi bước sóng Tổn thất dung lượng tương đối Định tuyến và gán kênh Gán bước sóng đặt trước Mạng định tuyến bước sóng LỜI NÓI ĐẦU 8 Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Báo cáo gồm có 5 chương với nội dung tóm tắt cụ thể như sau: Chương I : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi Chương II: Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị Chương III: Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Chương IV: Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển giám sát hệ thông WDM Chương V: Giới thiệu chung về mạng WDM 9 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM I: Sự phát triển của công nghệ WDM Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn như ngày nay. Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm 1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được gọi là hệ thống WDM băng rộng. Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh 400GHz. Đến giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này đã tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng. Các hệ thống WDM ban đầu sử dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do kinh tế. Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang EDFA đã chuyển hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các hệ thống WDM mới lắp đặt gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz. Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần 100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm giá thành của các nhà cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi băng tần lớn sẽ được tiếp tục đẩy mạnh. 10 Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống WDM. Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối với độ ổn định của laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản lý tán sắc, hiệu ứng phi tuyến... Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện tử đang đảm nhận. Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị điện tử làm giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng các hiệu ứng quang khác. Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật độ cao sẽ đạt tới giới hạn của nó. Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi quang cũng đã được kiểm chứng. Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM, trong tương lai không xa sẽ xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp tốc độ cao. II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng. Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mang viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc. Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác, đó là: Ø Ø Ø Suy hao truyền dẫn nhỏ Băng tần truyền dẫn rất lớn Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ 11 Ø Ø Ø Ø Ø Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao Có kích thước và trọng lượng nhỏ Sợi có tính cách điện tốt Độ tin cậy cao Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau: Hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch 12 điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến. Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ 13 nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang. Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình 1.2): Hình 1.2: Độ rộng của nguồn quang và dải thông của sợi quang 14 III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản 1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên. Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là: 1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế l1 , l 2 ,...., l n thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín 15 hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên. Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi 1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng l1, l2, ..., ln qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng ln+1, ln+2,..., l2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 1.4). Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công). Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang 16 Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định. Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn. Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn...., bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống. Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến. Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng. Như vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Người ta chia loại thiết bị OWDM làm ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng. Hình 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp. Hỡnh 1.5. Mụ tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX). 17 2: Các tham số cơ bản Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị hai hướng (bộ ghép/tách hỗn hợp). Các ký hiệu I(li) và O(lk) tương ứng là các tín hiệu được ghép đang có mặt ở đường chung. Ký hiệu Ik(lk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(li) là tín hiệu có bước sóng li đã được tách và đi ra cửa thứ i. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát. Bây giờ ta xem xét các thông số: ·Suy hao xen: được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị truyền dẫn quang WDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng: O(li ) I i (li ) Oi (li ) I (li ) Li(MUX) = -10log (1.1) Li(DEMUX) = -10log (1.2) Với Li là suy hao tại bước sóng li khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. 18 Hình 1.6. Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) và ở bộ ghép - tách hỗn hợp (b) ·Suy hao xuyên kênh: mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trường hợp áp dụng. Nhưng nhìn chung, phải đảm bảo mức xuyên kênh nhỏ hơn (- 30dB) trong mọi trường hợp. Trong một bộ tách kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng li sang các kênh khác có bước sóng khác với li. Nhưng trong thực tế, luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Di(lk) = -10log [Ui(lk)/I(lk)] (1.3) Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ tách kênh ở hình 1.6 a) thì Ui(lk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng lk do có sự dò tín hiệu ở cửa ra thứ i, mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng li. Trong thiết bị ghép/tách hỗn hợp như ở hình 1.6 b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách. Ở trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(lk) sinh ra Ui(lk). “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui(lj). Khi cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị. · Độ rộng kênh: là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng. Nếu nguồn phát quang là các diode Laser thì độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra (ví dụ khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh hoạt động). Đối với nguồn phát quang là diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn. 19 Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM Trong chương trước, chúng ta đã có tầm nhìn bao quát về một tuyến truyền dẫn quang và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM. Các thiết bị OWDM rất đa dạng, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thu động, nguồn quang phổ hẹp, các thiết bị vi quang, các thiết bị phân cực quang, quay pha, cách tử quang, ghép sợi .... Nhưng tưu trung lại, chúng làm việc chủ yếu theo hai nguyên tắc chính: nguyên tắc tán sắc góc và nguyên tắc lọc quang. Ngày nay, cùng với những tiến bộ không ngừng trong nhiều lĩnh vực khác của ngành công nghiệp truyền thông, đặc biệt là với công nghệ mới đầy hấp dẫn này, các thiết bị WDM không ngừng được đổi mới và cải tiến cho phù hợp nhằm vươn tới những ngưỡng dung lượng truyền dẫn khổng lồ với chi phí đầu tư thấp. Chương này nhằm đề cập đến các vấn đề kỹ thuật từ cơ bản đến phức tạp đã và đang được sử dụng trong các thiết bị WDM. Các phần tử sử dụng trong hệ thống OWDM rất đa dạng, nhưng có thể phân loại ra như hình 2.1: 20 Hình 2.1: Phân loại thiết bị Để đơn giản khi xem xét các thiết bị WDM, chúng ta chủ yếu lấy bộ tách kênh theo bước sóng để phân tích, bởi vì nếu xét ở một mức độ nào đó thì nguyên lý các thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, do đó hoạt động của các bộ ghép kênh cũng được giải thích tương tự bằng cách đơn giản là thay đổi hướng tín hiệu đầu vào và đầu ra. Các bộ tách (hay các bộ ghép) được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo là: · Thiết bị WDM vi quang · Thiết bị WDM ghép sợi. Ở loại thứ nhất, việc tách/ghép kênh dựa trên cơ sở các thành phần vi quang. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode, chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode. Loại thứ hai dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn mode. I: Các thiết bị WDM vi quang Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc. Thiết bị lọc chỉ hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời điểm, nhằm để tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng. Để thực hiện thiết bị hoàn chỉnh, 21 người ta phải tạo ra cấu trúc lọc theo tầng. Còn thiết bị phân tán góc lại đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng. 1: Các bộ lọc thiết bị Trong thiết bị ghép-tách bước sóng vi quang thường sử dụng bộ lọc bước sóng bằng màng mỏng. Thí dụ bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng thể hiện như hình 2.2. Hình 2.2. Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng. Bộ lọc có cấu trúc đa lớp gồm các lớp điện môi rất mỏng, có chiết suất cao và thấp đặt xen kẽ nhau. Bộ lọc làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ một phần đặt song song cách nhau chỉ bởi một lớp điện môi trong suốt. Hình 2.3. Cấu trúc của bộ lọc điện môi. Bề dày các lớp bằng 1/4 bước sóng truyền đối với bộ lọc bậc 0 và bằng 3/4l0 đối với bộ lọc bậc 1 và được chế tạo từ vật liệu có hệ số chiết suất thấp như MgF2 có n = 1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46 và vật liệu có chỉ số chiết suất cao như TiO2 có n = 2,2. Khi chùm tia sáng đi vào thiết bị, thì hiện tượng giao thoa ánh sáng xảy ra do phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bước sóng đạt giá trị cực đại và bước sóng đó sẽ được truyền dẫn thông suốt nhất. Các 22 chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn. Đường cong phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc có dạng như hình 2.4: Hình 2.4. Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc. Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt lc (hình 2.5a là thông cao và hình 2.5b là thông thấp). Bộ lọc thông giải có bước sóng trung tâm l0 và độ rộng giải Dl (hình 2.5c). T là hàm truyền đạt của bộ lọc. Hình 2.5. Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao thoa cắt (a)(b) và băng thông (c). Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường được sử dụng để tách 2 bước sóng có khoảng cách xa nhau, chẳng hạn 850 nm và 1300 nm hoặc 1300 nm và 1550 nm. Loại bộ lọc như vậy, thích hợp cho hệ thống WDM sử dụng nguồn quang có dải phổ rộng (LED). Bộ lọc thông giải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LASER). Đối với bộ lọc thông giải có một vài yêu cầu: đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải Dl có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang khi nhiệt độ thay đổi. 23 Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng: 1.1. Bộ tách hai bước sóng Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó việc thực hiện thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính GRIN 1/4 chu kỳ P. Bộ lọc được thiết kế để phát đi l1 và phản xạ l2 sẽ được đặt giữa hai lăng kính. Hình 2.6. Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa a) Cấu hình cơ bản và b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế. Các thiết bị tách bước sóng này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như: 800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv..., với suy hao xen nhỏ hơn 3dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB. 24 1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại (xem hình 2.7): Hình 2.7. Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng. Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các sợi quang vv... Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt. 25 Hình 2.8. Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế. Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực. Ví dụ như ở hình 2.9, thiết bị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn. Hình 2.9. Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi. 1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): Hình 2.10 thể hiện thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng. Các bước sóng 0,81 mm và 0,89 mm từ hai nguồn quang khác nhau được ghép thành một tia chung để truyền 26 qua sợi quang. Các bước sóng 1,2 mm và 1,3 mm từ sợi quang đến được tách thành hai tia ứng với mỗi bước sóng để đưa đến diode tách quang. Thấu kính GRIN tại cổng vào dùng loại 1/4P phân kì, tại cổng ra dùng loại 1/4P hội tụ. Hình 2.10. Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng. Trong đó: BPF - Bộ lọc thông giải LWPF - Bộ lọc thông thấp SWPF - Bộ lọc thông cao. Độ rộng của kênh là 25 nm và 32 nm trong cửa sổ thứ nhất; 47 nm và 50 nm trong cửa sổ thứ hai của sợi quang. Suy hao xen là 1,4 dB cho bước sóng 0,89 mm; 2,6 dB cho bước sóng 1,2 mm; 2,2 dB cho bước sóng 1,3 mm khi dùng Laser diode và 5,2 dB 27 cho bước sóng 0,81 mm khi dùng LED. Suy hao xuyên âm bằng -18 dB cho bước sóng ngắn dùng LED, còn nếu dùng Laser diode thì suy hao xuyên âm bằng -3,9 dB. Một thí dụ khác của bộ MUX-DEMUX dùng gương cầu lõm như hình 2.11. Hình 2.11. Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng. Các đầu sợi quang đặt trên mặt phẳng tiêu D. Gương cầu lõm A phản xạ bước sóng 0,825 mm tới đầu ra. Gương cầu lõm B phản xạ bước sóng 0,870 mm từ sợi chung vào và tới sợi ra. Gương cầu lõm C phản xạ bước sóng 1,3 mm từ sợi chung vào và tới sợi ra khác. Suy hao xen và suy hao xuyên âm như bảng dưới đây: 0,82 5 mm Suy hao xen (dB) Suy hao xuyên âm đầu gần (dB) Suy hao xuyên âm đầu xa (dB) 0,4 0,87 0 mm 0,75 - 0,6 - 78 1,3 mm 1,3 - 40 - 120 28 2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc màng mỏng không thích hợp cho hệ thống có quá nhiều bước sóng hoặc khi bước sóng này quá gần nhau. Trong trường hợp này phải sử dụng phần tử tán sắc góc. Ưu điểm của phần tử tán sắc góc là tán xạ đồng thời tất cả các bước sóng. 2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc (hình 2.12). Do hiện tượng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tức là n = n(l) nên chùm tia sáng có các bước sóng khác nhau ở đầu vào sẽ bị lăng kính phân thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Sneel (sự phụ thuộc của chiết suất vật liệu làm lăng kính theo bước sóng). di dnsin A =´ dll cos r / cos i (2.1) Với: i i’ A n là góc tới là góc ló là góc đỉnh của lăng kính là chiết suất vật liệu làm lăng kính. Hình 2.12. Tán sắc dùng lăng kính Nhược điểm: tán sắc dùng lăng kính có mức độ tán sắc thấp, nên khó tách được các bước sóng gần nhau. Vì vậy người ta chỉ có thể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ bước sóng l1 ở cửa sổ 1300 nm; bước sóng l2 ở cửa sổ 1550 nm). Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không được sử dụng trong công 29 nghệ WDM nữa, thay vào đó người ta sử dụng cách tử nhiễu xạ làm phần tử tán sắc góc. 2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: 2.2.1. Mở đầu Cách tử được cấu tạo gồm nhiều rãnh (như răng cưa), được khắc bằng dụng cụ kim cương, trên bề mặt của các rãnh này được ơhủ một lớp phản xạ, số lượng rãnh trên cách tử có thể lên tới vài nghìn rãnh trên 1 mm. Cách tử có khả năng truyền hoặc tán xạ ánh sáng theo những hướng nhất định tuỳ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đó. Góc tán xạ phụ thuộc vào khoảng cách rãnh (gọi là bước cách tử) và góc tới. Hình 2.13: Sử dụng cách tử để tách bước sóng. Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách tử sẽ được tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau. Khác với lăng kính, cách tử nhiễu xạ cho các góc tán xạ lớn hơn. Khi tách kênh (tách bước sóng) bằng cách tử, nguồn sáng tới gồm nhiều bước sóng từ sợi quang sẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được truyền trên sợi theo các góc khác nhau. Ngược lại khi ghép kênh, một số kênh bước sóng l1, l2,....., ln đến từ các hướng khác nhau có thể được kết hợp thành một hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang. 30 2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng Hình 2.14. Cách tử nhiễu xạ phẳng. Trong đó: N - đường vuông góc với mặt đáy của cách tử M - đường vuông góc với cạnh của rãnh a - góc tới của tia sáng với N a’ - góc nhiễu xạ với N i - góc tới của tia sáng với M i’ - góc nhiễu xạ với M d - chu kì cách tử f - góc nghiêng của rãnh. Từ hình 2.14 và theo kết quả chứng minh thì khi chiếu hai tia sáng vào rãnh cách tử sẽ tạo ra các tia nhiễu xạ cùng pha nếu hiệu số đường đi hai tia sáng thoả mãn điều kiện sau: D0 = d(sina + sina’) = kl Với: k - số nguyên l - bước sóng d - chu kì cách tử k = 0 ứng với truyền trực tiếp k = ± 1 ứng với bậc 1 nhiễu xạ. Nếu hệ số khúc xạ của môi trường bên ngoài cách tử là n thì (2.1) có dạng: nd(sina + sina’) = kl Cũng từ hình 1.15 ta có: i=f-a i’ = a’ - f 31 (2.2) (2.3) Theo quy tắc phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ, nghĩa là i = i’, rút ra: f = (a + a’)/2 Công thức (2.1) có thể viết dưới dạng: (2.4) a +a 'a -a ' 2d sincos= kl 22 a -a ' 2d sin F cos= kl 2 (2.5) Hay (2.5’) Đối với cách tử phản xạ thì f được tính theo điều kiện của Liittrow (khi a=a’). Theo điều kiện này tìm được l ứng với tán xạ bậc 1 là: l1 = 2dsinf Khi a ¹ a’ a -a ' l1 = 2dsinfcos 2 (2.6) (2.7) Theo điều kiện Littrow và ứng với bậc 2 của tán xạ có: l2 = 2dsinf ln = 2d sinf n (2.8) (2.9) Biên độ trường nhiễu xạ mặt bên của rãnh cách tử được xác định theo biểu thức: sin pd / l sin i + sin i ' A = Aln sin pd / l sin i - sin i ' ( ( ) ) (2.10) Khi l = ln thì cường độ nhiễu xạ cực đại và bằng: I ln = Aln () 2 (2.11) Phân bố phổ của nhiễu xạ được xác định theo biểu thức: I l é sin(kp - pnl n / l )ù =êú I ln ë kp - pnl n / l û 2 (2.12) 32 Từ biểu thức trên, xây dựng đường cong phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ bậc một như hình 2.15 a). Trong trường hợp d nhỏ hơn bước sóng thì phân bố phổ của năng lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào f và có dạng như hình 2.15 b). Hình 1.16. Phân bố phổ năng lượng nhiễu xạ bậc một. 2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử bao gồm 3 phần chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành phần thu - phát); phần tử hội tụ quang; phần tử tán sắc góc grating. Hình 2.17. Sơ đồ bộ ghép kênh Grating của Finke. 33 Hình 2.17 là cấu hình đơn giản của một bộ ghép kênh của Finke. Trong đó, mảng đầu sợi quang được đặt tại tiêu cự của một thấu kính tròn, phần tử tán sắc góc grating được đặt tại tiêu cự bên kia của thấu kính đó. Bộ tách kênh thực tế loại này đã thực hiện tách từ 4 đến 6 kênh với suy hao khoảng 1,2 đến 1,7 dB (triển vọng có thể tách được 10 kênh). Hình 2.18. Bộ tách Littrow: a) Cấu trúc cơ bản, b) Cấu trúc thực tế sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách 2 kênh. Trên hình 2.19, đầu mảng các sợi quang được đặt trước một khe đã được quang khắc trên mặt cách tử phản xạ phẳng đặt vuông góc với các rãnh cách tử. Gương cầu lõm có tách dụng làm thay đổi hướng của bất kì một tia đa bước sóng phân kỳ nào thành một tia song song quay trở lại cách tử, tia này khi đến cách tử, sẽ bị tán sắc và phản xạ trở lại gương, phản xạ một lần nữa, tạo ảnh trên vùng mảng sợi quang tuỳ thuộc vào giá trị từng bước sóng. Cấu trúc này có hệ số hội tụ và truyền đạt bằng 1; vì vậy, hiệu suất ghép khá cao, đặc biệt nếu sử dụng gương parabol thì quang sai rất nhỏ, gần bằng 0. Số lượng các kênh có thể ghép trong thiết bị phụ thuộc nhiều vào phổ của nguồn quang: từ năm 1993, đã có thể ghép được 6 kênh (đối với nguốn LED), 22 kênh (đối với nguồn Laser); nếu sử dụng kỹ thuật cắt phổ của nguồn phát LED để nâng cao số kênh ghép thì có thể ghép tới 49 kênh. Đối với nguồn đơn sắc, suy hao xen của thiết bị ghép rất nhỏ (< 2 dB), và có thể đạt đến 0,5 dB cho thiết bị đơn mode vùng bước sóng 1540 nm đến 1560 nm. 34 Hình 2.19. Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo. 2.2.4. Cách tử hình long chảo Hình 2.20. Cách tử hình lòng chảo. Cách tử hình lòng chảo được sử dụng để phản xạ ánh sáng, vì vậy góc nghiêng của rãnh cách tử được tính toán giống như cách tử phản xạ phẳng. Theo thuyết vô hướng thì góc nghiêng của rãnh phải thay đổi liên tục để duy trì đường phân giác của góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ ABC luôn vuông góc với bề mặt của răng cưa. Một ứng dụng của cách tử hình lòng chảo như chỉ ra trên hình 2.21, thiết bị loại này có vẻ như đơn giản hơn vì không sử dụng phần tử hội tụ quang (thấu kính hoặc lăng kính). Thiết bị loại này đã thực hiện ghép 4 kênh, suy hao 2,6 dB; nó có nhược diểm là quang sai không ổn định trong giải phổ rộng. 35 Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo. Tóm lại thiết bị WDM dùng cách tử như phần tử tán sắc góc để tách/ghép bước sóng thường sử dụng theo cách như chỉ ra trên các hình 2.17 đến 2.21; trong hình 2.19 nếu thay gương lòng chảo bằng gương parabol thì có thể hiệu chỉnh quang sai. 2.2.5. Cách tử Bragg: Cách tử Bragg là cách tử được chế tạo ngay bên trong sợi quang. Cáh tử sợi Bragg thông thường trước đây khó sản xuất được với độ dài sợi quá 15 cm do hạn chế về chiều dài sợi cách tử đối với bán kính chùm tia laser hoặc do chiều dài của mạt nạ phase. Hiện nay công nghệ chế tạo hiện đại đã cho phép thay đổi các thông số như độ dài cách tử, chiết suất có thể được điều biến theo yêu cầu, tạo nên cách tử sợi dạng nhiều bậc như bước ren; nhờ đó một số lớn các bộ lọc được tạo ra voiư các thông số khá hoàn thiện. ứng dụng của cách tử sợi Bragg trong module xen/rẽ bước sóng như sau: điều chỉnh bước sóng xen/rẽ dùng cách tử sợi Bragg mạng lại nhiều ưu điểm cho thiết bị OADM. Trong đó, đặc biệt là suy hao xen của thiết bị thấp, đặc tính phổ của bộ lọc có dạng bộ lọc băng thông BPF với khả năng đạt được khoảng cách kênh bước sóng là 50 GHz, đó là một tính năng hoàn toàn thuyết phục. Có hai phương pháp điều khiển bước sóng xen/rẽ đối với thiết bị sử dụng sợi cách tử Bragg, đó là: điều khiển nhiệt hoặc thay đổi độ nén dãn của sợi bằng tải cơ, song cách thứ hai đạt được tốc độ điều chỉnh cao hơn. ứng dụng cách tử sợi Bragg trong bù tán sắc: phổ của xung quang chứa nhiều thành phần bước sóng khác nhau, khi truyền xung dọc sợi quang, thành phần bước sóng ngắn sẽ đi nhanh hơn thành phần bước sóng dài, đây chính là hiệu ứng tán sắc, làm dãn phổ xung quang đó và có thể gây xuyên nhiễu lên các xung quang lân cận. Trước đây đã có nhiều giải pháp bù tán sắc, như sử dụng sợi bù tán sắc DCF, nhưng cách này thực ra còn nhiều nhược điểm như: gây suy hao lớn, gây ra các hiệu ứng phi tuyến khác... Gần đây, cách tử bù tán sắc đã được xem là giải pháp có nhiều hứa hẹn. Bước cách tử trong cách tử bù tán sắc được dịch đi để phản xạ các bước sóng chậm (bước sóng dài) trước khi các thành phần bước sóng nhanh (bước sóng ngắn) đi đến cuối cách tử và bị phản xạ trở lại (xem hình 2.22), module bù tán sắc kiểu này cũng sẽ làm co xung đã bị dãn rộng ra trước khi được truyền đi tiếp hoặc được xử lý. Nếu sợi 36 cách tử càng dài, mức bù tán sắc càng lớn và phổ thiết bị có thể làm việc càng được mở rộng. Nếu quá trình chế tạo sợi không tốt, sẽ gây hiện tượng nhấp nhô (ripple) đối với trễ nhóm tín hiệu quang, do đó có thể làm sai khác đi việc bù tán sắc của thiết bị. Hình 2.22. Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc. Suy hao của module bù tán sắc kiểu này gây ra bởi: suy hao cố định của circulator và các chỗ ghép nối (tổng suy hao này nhỏ hơn 2 dB), suy hao của cách tử sợi Bragg phụ thuộc vào độ dài sợi, khoảng 0,3 dB/m (theo công nghệ chế tạo cảm ứng tia cực tím). Ngoài ra, suy hao này cũng phụ thuộc dải bước sóng làm việc khoảng 0,3 dB/nm. Thực nghiệm cho thấy ưu thế của module bù tán sắc dùng cáh tử sợi Bragg so với bù tán sắc dùng sợi DCF được chỉ ra như trong bảng dưới đây: Bảng 2.1. So sánh độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc. Suy haoSuySuy hao Cách bù tán cực tiểuhao thôngcực đại sắc thường Sợi DCF 404,4 dB4,8 dB6,2 dB km Sợi DCF 406,0 dB6,5 dB6,7 dB km Sợi DCF 407,7 dB8,3 dB8,9 dB km Sợi cách tử2,0 dB2,5 dB3,0 dB Bragg bù tán sắc 37 Với những ưu thế như vậy, thiết bị bù tán sắc bằng cách tử sợi Bragg đã được chế tạo hàng loạt nhờ quá trình chế tạo cách tử điều khiển bằng phần mềm máy tính, chúng sẽ trở thành các module không thể thiếu trong các thiết bị WDM thế hệ thứ hai như OADM, khuếch đại EDFA hai tầng có bù tán sắc. II. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh được quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các đoạn phản xạ, chuẩn trực, hội tụ vv... gây ra. Thiết bị WDM ghép sợi hoạt động dựa trên nguyên lý: khi lõi các sợi quang đặt gần nhau thì công suất quang từ một sợi sẽ chuyển vào các sợi khác. Xét trường hợp hai lõi sợi quang đơn mode, có kích thước và đặc tính quang như nhau nằm song song với nhau trong cùng một vỏ. Khi một lõi có tín hiệu quang thì hệ số ghép đối với lõi thứ hai được xác định theo biểu thức (2.13). æ pd ö A = 2ç÷ è Wad ø 1/ 2 U 2 1 -(Wd / a ) e V 3 WK12 (2.13) Trong đó: A - bán kính lõi d - khoảng cách giữa 2 tần số n1 - hệ số chiết suất của lõi n2 - hệ số chiết suất của vỏ K1 - hàm Bessel bậc nhất loại hai b - thành phần dọc của véc tơ truyền lan mode, gọi là hằng số truyền lan. d = 1 - n2/n1- hệ số chiết suất tương đối V = (2pa/l)(n12 - n22)1/2- tần số chuẩn hoá U = a[(2pn1/l)2 - b2]1/2- hằng số truyền lan ngang trong lõi sợi W = a[b2 - (2pn2/l)2]1/2- độ suy biến tốc độ của trường trong vỏ. Từ biểu thức (2.13) nhận thấy: hệ số ghép phụ thuộc vào các đặc tính hình học, các đặc tính quang (chiết suất), và bước sóng (thông qua V, U, W). Nếu bước sóng cố định, thì khi giảm d sẽ tăng hệ số ghép. Còn nếu d cố định, thì hệ số ghép tăng khi tần số chuẩn hoá giảm (l giảm), vì khi đó sự phân bố trường mode có xu hướng dãn rộng tới vùng vỏ. 38 Công suất ghép giữa hai sợi có dạng sin2(A0L) và công suất lan truyền là cos2(A0L); trong đó L là độ dài đoạn ghép; A0 là hệ số ghép. Trong thực tế ghép theo độ dài z biến đổi, nên công suất ghép sẽ là: sin2òA(z)dz và công suất lan truyền là cos2òA(z)dz. Các thiết bị WDM ghép sợi có thể có hai dạng như hình 2.23, đó là: nung nóng chảy các sợi kề nhau và đánh bóng chỗ tiếp xúc giữa hai sợi. Trong kỹ thuật đánh bóng, mỗi sợi được lắp vào một thấu kính đã đục cong sẵn, có đường kính cong thường bằng 25 cm, cho nên dạng này còn gọi là bộ ghép khối. Còn trong kỹ thuật xoắn nóng chảy, hai lõi sợi được xoắn vào nhau và được nung nóng chảy thành một lõi chung. Khi hai sợi ghép là như nhau thì hiệu suất ghép là tuần hoàn của bước sóng, khoảng cách kênh cực tiểu giữa hai bước sóng được phân tích là: Dl = p /2 (d ( A0 L ) / dl )l (2.14) Trong đó: d(A0L)/ dl là đạo hàm của hệ số ghép theo bước sóng và L là khoảng cách hiệu dụng đoạn ghép. Khi hai sợi ghép khác nhau thì hiệu suất ghép không tuần hoàn nên có Dl: Dl = 5 dbdb L 1- 2 dldl (2.15) Trong đó: db1/dl và db2/dl là các đạo hàm của b theo mode của mỗi sợi. Hình 2.24. Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM. Các bước sóng tương ứng với sự đồng nhất các hàm số lan truyền của hai đường dây này là các bước sóng mà ở đó sự truyền năng lượng được đổi chỗ từ sợi này sang 39 sợi kia. Băng thông của bộ ghép sợi nóng chảy có dạng gần như hình sin làm hạn chế việc lựa chọn nguồn phát. Rõ ràng rằng các LED không thể được sử dụng vì phổ của nó rộng. Như vậy chỉ có các diode laser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng nếu tránh được suy hao xen và xuyên kênh lớn. Hình 2.25. Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1550nm với kỹ thuật ghép nóng chảy 2 sợi như nhau. Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép được kéo dài cho đến khi giá trị ghép theo yêu cầu đạt được ở những bước sóng đã định. Ví dụ ghép nóng chảy 1300/1550nm có độ dài ghép 20 nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB. Đường cong truyền dẫn của thiết bị này như trên hình 2.25. Khi cần ghép nhiều hơn hai bước sóng, phải ghép nối tiếp các bộ ghép (cấu hình rẽ nhánh). Trên hình 2.26 là bộ ghép gồm 3 mối ghép nối tiếp các bước sóng: l1 = 1320nm, l2 = 1280nm, l3 = 1240nm và l4 = 1200nm. Hình 2.26. Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phương pháp mài bóng so với phương pháp ghép nóng chảy là có thể điều hưởng được bằng cách dịch chuyển vị trí tương 40 đối của hai sợi với nhau. Ghép theo phương pháp nóng chảy thì giá thành hạ. Có thể kết hợp cả hai phương pháp để đạt được hiệu quả tối ưu. Các thiết bị WDM ghép sợi phù hợp với các bộ ghép kênh đơn, suy hao phổ biến ở mức 4 đến 6 dB. Đối với bộ tách kênh, yêu cầu xuyên kênh phải nhỏ, thường thích hợp với các bộ grating vi quang. III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. 1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. 1.1 Nguyên lý chung Chức năng ghép hoặc ghép bước sóng của một hệ thống quang hai hoặc ba chiều, thường tạo nên quan hệ giữa sợi quang truyền dẫn và một tập sợi quang đầu vào hoặc đầu ra. Thí dụ trong coupler Y, sợi quang truyền dẫn được phản ảnh đến hai sợi quang khác thông qua thiết bị chia quang và một hoặc nhiều thấu kính hội tụ. Trong thiết bị ghép bước sóng, sợi quang truyền dẫn được phản ảnh tới các vị trí khác nhau trên mặt phẳng tiêu (là mặt phẳng nằm trên tiêu điểm của thấu kính và vuông góc với trục của thấu kính), tuỳ thuộc vào bước sóng khi sử dụng cách tử và các thấu kính hội tụ. Như vậy, những dụng cụ trên tạo nên mối quan hệ giữa chủ thể và trường ảnh. Nếu vị trí của sợi quang trong các trường khác nhau được điều khiển thích hợp thì một số coupler hoặc một số bộ ghép được thực hiện ngay trên một phần tử. Những thiết bị này được gọi là những phần tử công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. Trong một phần tử SOFT, một bộ tách quang học được sử dụng gồm một dãy P sợi quang chia thành từng tập con có n+1 sợi quang. Chẳng hạn, một dãy p = 21 sợi quang, các dụng cụ quang như nhau tách tín hiệu quang từ một sợi quang đầu vào thành n = 2 sợi quang đầu ra thì sẽ có P/n+1 = 7 tập con (nghĩa là có 7 coupler quang giống nhau trên cùng một phần tử). 41 Hình 2.27. Bộ tách SOFT 2 bước sóng (P = 21). Nguyên lý này đặc biệt thích hợp để tiết kiệm chi phí cho các mạng có một số coupler hoặc một số bộ tách/ghép bước sóng đặt ở cùng một địa điểm. Thí dụ trong một trung tâm, trong trạm đầu cuối xa, hoặc điểm rẽ nhánh của mạng thông tin video. Trên một thiết bị, mỗi tập các sợi quang đầu vào và đầu ra khác nhau có thể thích ứng với một tập hợp các bước sóng khác nhau, nghĩa là các bộ ghép không nhất thiết phải như nhau. Điều này đặc biệt quan trọng khi thiết kế máy đo quang phổ nhiều kênh hoặc bộ ghép bước sóng. 1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: Hình 2.28 là bộ ghép dùng cách tử nhiễu xạ phẳng (R), thấu kính hội tụ (O) và dãy sợi đơn mode đặt trên mặt phẳng tiêu F. Hình 2.28. Bộ ghép kênh nhiều sợi dùng cách tử theo phương pháp SOFT. Sợi quang được đánh số thứ tự từ 1 đến P, i là sợi quang đầu vào và j là sợi quang đầu ra, nếu li j là bước sóng truyền trong môi trường giữa mặt phẳng tiêu và cách tử thì viết được: d(sinai + sinaj) = li j(2.16) d - chu kỳ cách tử. Nếu sợi quang trên mặt phẳng tiêu F sắp xếp sao cho sinai+1 = sinai + u, với u là hằng số, ta được: Sinaj = sinai + (j - i)u(2.17) Vàd[2sinai + (j - i)u]] = li j(2.18) 42 Có thể tìm được li j đối xứng qua đường chéo i = j và các bước sóng tương ứng với đường chéo i + j = const là như nhau. Hình 2.29. Ma trận chỉ rõ mối liên hệ sợi đầu vào và bước sóng tại sợi đầu ra. 1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. Về mặt lý thuyết, một bộ tách hoặc một bộ ghép có thể tách hoặc hép n bước sóng, và nếu một tập P sợi quang thì có thể tách được P/(n+1) lần bước sóng. Nhưng P/(n+1) nhất thiết phải là số nguyên. Điều này có thể thực hiện được mà không gây suy hao phụ và các bộ tách/ghép là độc lập nhau. Có thể lựa chọn vị trí sợi đầu vào và sợi đầu ra từ ma trận theo các bước sau đây: ·Đi vào sợi 1, đi ra từ các sợi P, P-1, P-2, P+1-n (P là số lượng cực đại của sợi quang và n là số lượng bước sóng cần ghép hoặc tách). ·Vẽ các đường chéo i+j = const, chẳng hạn như i+j = P+1, i+j = P, i+j = P- 1,... , i+j = P+2-n. ·Đi vào sợi P-n, giao điểm của đường nằm ngang P-n với đường chéo i+j = const nói trên cho ta các bước sóng tương ứng với mỗi sợi đầu ra. · · Ø Đi vào sợi P-2n-1 và lặp lại cách như trên. Tiếp tục cho đến hết. Bộ tách kênh 2 bước sóng nhân 3. Cho P = 9, n = 2. Tìm mối liên hệ giữa các sợi đầu vào và đầu ra. Trước hết vẽ ma trận 9x9 như hình vẽ sau: 43 Hình 2.30. Ma trận xác định mối liên hệ của các sợi vào và sợi ra khi P=9,n=2 Các bước tính toán: · · Vào sợi 1, ra tại các sợi 8 và 9. Vẽ đường chéo i+j = 9 và i+j = 10 ·Vào sợi P-n = 7, giao điểm của đường nằm ngang này với đường chéo là bước sóng trên mỗi sợi đầu ra 2 và 3. · Vào sợi P-2n-1 = 4 và tìm được bước sóng ra trên các sợi đầu ra 5 và 6. Kết quả tính toán được thể hiện như hình 2.31: Hình 2.31 Kết quả tính cho P = 9, n = 2. 44 Ø Bộ tách 3 bước sóng nhân 2. Cho P = 8, n = 3. Ma trận để tính toán như hình 2.32: Hình 2.32. Ma trận tính cho P = 8, n = 3. Các bước tính toán: · · Vào sợi 1, ra trên các sợi 6, 7 và 8. Vẽ các đường chéo i+j = const = 7, 8, 9. ·Vào sợi P-n = 5 và giao điểm đường này với đường chéo cho ta bước sóng đầu ra các sợi 2, 3, 4. Kết quả tính toán như hình 2.33. 45 Hình 2.33 Kết quả tính cho P = 8, n = 3. 2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM Nhìn lại suốt quá trình phát triển của WDM, ta thấy những tiến bộ vượt bậc về mặt công nghệ trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị WDM. Mới đầu chỉ là các thiết bị tách /ghép kênh sử dụng lăng kính hoặc cách tử đơn giản với số kênh cho phép là bốn. Đến nay, các sản phẩm thương mại của một số hãng chào mời với số kênh bước sóng là 80, trong phòng thí nghiệm người ta đã tiến hành ghép 170 bước sóng cho một tuyến WDM dung lượng 1 Tbit/s qua một sợi đơn mode chuẩn (SSMF). Khoảng cách kênh bước sóng, cũng vì thế đã giảm đi từ con số lúc đầu là 400 GH Hình 2.34. Các bước chế tạo AWG Một trong những ý tưởng để đạt được chi phí thấp nhất cho một chức năng quang là công nghệ vi mạch quang PLC (Planar Lighwave Circuit), giống như ý tưởng về IC, thực hiện tích hợp hàng loạt chức năng quang trên một đế, tạo ra một vi mạch quang. Vi mạch quang bao gồm nhiều mạch quang (optical circuits) trên một đế Silic, được sản xuất nhờ các công nghệ cực kỳ tiên tiến trong lĩnh vực công nghiệp quang bán dẫn. Nhờ vậy rất nhiều các thành phần quang có thể được chế tạo và tích hợp với nhau thành một chip có những chức năng quang hoàn chỉnh. Hình 2.34 chỉ ra quá trình chế tạo được sử dụng trong công nghiệp PLC. Đầu tiên một lớp phủ có chiết suất ncl (cladding) được lắng đọng trên đế (kỹ thuật được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn); sau đó lắng đọng tiếp một lớp được gọi là lớp lõi 46 (core) có chiết suất nco , thường nco nhở hơn 1% của ncl. Sau đó lớp lõi này được in mẫu theo kỹ thuật in quang lito; mẫu dẫn sóng (waveguide) được chế tạo trên lớp lõi đó bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, ví dụ trên hình 2.35 “vệt” waveguide được tạo ra bằng kỹ thuật quang khắc; có thể tạo ra nhiều waveguide như vậy bằng việc phân bố hình học và tạo lớp hoặc sử dụng các kỹ thuật khắc khác nhau. Sau cùng, một lớp cladding khác sẽ được phủ lên lớp có khắc các mẫu waveguide , lớp phủ trên cùng này cũng có chiết suất như lớp cladding dưới, có chiết suất ncl. Để đánh giá sản phẩm, người ta căn cứ vào chỉ số hiệu dụng b (là hằng số truyền lan) của phần tử dẫn bước sóng waveguide. Waveguide còn tồn tại một số những nhược điểm như: bề mặt quang khắc không phẳng; do sự dao động của nhiều chỉ số như chiết suất, độ sâu quang khắc.... Hình 2.35: Cấu tạo của một waveguide trên nền đé Silic Từ một cấu trúc dẫn sóng waveguide như đề cập ở trên, có thể chế tạo được rất nhiều các vi mạch quang phức tạp với các chức năng khác nhau. Các chức năng đó có thể là: phần tử tách/ghép bước sóng; các coupler quang; phần tử chuyển mạch; các bộ suy giảm điều chỉnh được; các phần tử khuếch đại, hay bất cứ một phần tử cần thiết nào của một module như OADM hoặc các bộ bù tán sắc động (Dynamic Dispersion Compensator). 47 Hình 2.36: Các phần tử cơ bản của một AWG Hình 2.37: Cấu tạo và hoạt động của một AWG Tín hiệu quang được dẫn bởi các phần tử dẫn sóng “waveguide” (1) tới vùng thấu kính “lens region” (2), các thấu kính trong vùng 2 này thực hiện chia công suất quang và đưa vào vùng ma trận cách tử “grating array” (3). Mỗi waveguide trong miền grating array có sai lệnh về độ dài một khoảng chính xác D L so với các waveguide lân cận. Do đó, tín hiệu quang trong mỗi waveguide sẽ cực đại tại mỗi thời điểm trễ pha khác nhau tại đầu ra (4). Gọi DF là độ trễ pha của tín hiệu, ta có: DF = 2pb DL l (2.19) 48 miền thấu kính thứ hai (5) tại đầu ra của grating array có nhiệm vụ tái hội tụ các tín hiệu quang từ đầu ra cuả các waveguide. Cuối cùng, mỗi tín hiệu tại đầu ra của waveguide sẽ được hội tụ tại các waveguide khác nhau của đầu ra (6). Để WDM hoạt động ổn định và đạt các yêu cầu như lý thuyết đề ra thì tất cả các waveguide phải được chế tạo chính xác, điều này phụ thuộc vào công nghệ in lito quang (photolithography) và công nghệ chế tạo bán dẫn. Các sản phẩm AWG thương mại có thể xử lý tới 40 bước sóng với khoảng cách giữa chúng là 100 GHz hoặc 50 GHz. Một ưu thế của AWG là suy hao xen của nó không tăng tuyến tính theo số kênh bước sóng giống như hiện tượng đã xảy ra đối với các bộ tách/ghép sử dụng bộ lọc màng mỏng hay dùng cách tử Bragg. Tại thời điểm hiện nay, AWG đang là giải pháp tốt nhất cho các sản phẩm WDM mật độ kênh cao. Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 49 Bất cứ một công nghệ nào cũng tồn tại những giới hạn và những vấn đề kỹ thuật. Khi triển khai công nghệ WDM vào mạng thông tin quang, cần phải lưu ý một số vấn đề sau: · · · · · · · Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang Vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh Vấn đề tán sắc, bù tán sắc Quỹ công suất của hệ thống Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM Chương này sẽ lần lượt đề cập đến từng vấn đề, đòng thời đưa ra các phương án giải quyết cho từng trường hợp. I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực đại có thể sử dụng là bao nhiêu. Số kênh cực đại của hệ thống phụ thuộc vào: 1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là · Băng tần của sợi quang · Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM 2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: · Tốc độ truyền dẫn của từng kênh · Quỹ công suất quang · Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến · Độ rộng phổ của nguồn phát · Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM 50 Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100 nm nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rọng khoảng 35 nm (theo khuyến nghị của ITU-T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530 nm đến 1565 nm đối với băng C; hoặc từ 1570 nm đến 1603 nm đối với băng L). Chính điều này làm các hệ thống WDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi quang, nói cách khác hệ thống WDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ dải tần bằng phẳng có tổn hao thấp của sợi quang. Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau. Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau. Sử dụng khoảng cách kênh không đều nhau để hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang. Dưới đây chỉ đề cập đến hệ thống có khoảng cách kênh đều nhau. Nếu gọi Dl là khoảng cách giữa các kênh, ta có: Df = c Dl l2 (3.1) Như vậy, tại bước sóng l = 1550 nm, với Dl = 35 nm xét đối với riêng băng C thì ta sẽ có Df = 4,37.1012 Hz = 4370 GHz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh là 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2.2,5 = 5 GHz. Khi đó số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = Df /5 = 874 kênh trong dải băng tần của bộ khuếch đại quang (OFA). Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C. Tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần phải có các nguồn phát quang rất ổn định và các bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận. 51 Tần số trung tâm danh định là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang. Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thóng thống WDM khác nhau, cần phải chuẩn hoá tần số trung tâm của các kênh, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100 GHz (xấp xỉ bằng 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 THz (mặc dù đã đưa ra các sản phẩm mà khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz, song các sản phẩm thương mại vẫn chủ yếu theo quy định của ITU-T đã nêu). Dưới đây là bảng liệt kê các tần số trung tâm danh định lấy 50 GHz và 100 GHz làm khoảng cách giữa các kênh trong khoảng bước sóng từ 1534 nm đến 1560 nm. Bảng 3.1. Tần số trung tâm danh định Số thứ tự Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 50GHz (THz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 195,40 195,35 195,30 195,25 195,20 195,15 195,10 195,05 195,00 194,95 Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 100 GHz (THz) 195,40 - 195,30 - 195,20 - 195,10 - 195,00 - Bước sóng trung tâm danh định (nm) 1534,25 1534,64 1535,04 1535,43 1535,82 1536,22 1536,61 1537,00 1537,40 1537,79 52 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 194,90 194,85 194,80 194,75 194,70 194,65 194,60 194,55 194,50 194,45 194,40 194,35 194,30 194,25 194,20 194,15 194,10 194,05 194,00 193,95 193,90 194,90 - 194,80 - 194,70 - 194,60 - 194,50 - 194,40 - 194,30 - 194,20 - 194,10 - 194,00 - 193,90 1538,19 1538,58 1538,98 1539,37 1539,77 1540,16 1540,56 1540,95 1541,35 1541,75 1542,14 1542,54 1542,94 1543,33 1543,73 1543,93 1544,53 1544,92 1545,32 1545,72 1546,12 53 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 193,85 193,80 193,75 193,70 193,65 193,60 193,55 193,50 193,45 193,40 193,35 193,30 193,25 193,20 193,15 193,10 193,05 193,00 192,95 192,90 192,85 - 193,80 - 193,70 - 193,60 - 193,50 - 193,40 - 193,30 - 193,20 - 193,10 - 193,00 - 192,90 - 1546,52 1546,92 1547,32 1547,72 1548,11 1548,51 1548,91 1549,32 1549,72 1550,12 1550,52 1550,92 1551,32 1551,72 1552,12 1552,52 1552,93 1553,33 1553,73 1554,13 1554,54 54 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 192,80 192,75 192,70 192,65 192,60 192,55 192,50 192,45 192,40 192,35 192,30 192,25 192,20 192,80 - 192,70 - 192,60 - 192,50 - 192,40 - 192,30 - 192,20 1554,94 1555,34 1555,75 1556,15 1556,55 1556,96 1557,36 1557,77 1558,17 1558,58 1558,98 1559,39 1559,79 Trong một hệ thống WDM số lượng bước sóng không thể quá nhiều, bởi vì điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy định trị số lớn nhất đối với số lượng bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và công nghệ. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương đối bằng phẳng trên đường cong tăng ích của bộ khuếch đại quang, để cho hệ số tăng ích của các kênh khi đi qua bộ khuếch đại quang là gần như nhau, điều này tiện lợi cho thiết kế hệ thống. Đối với bộ khuếch đại sợi quang pha trộn erbium, phần tương đối bằng phẳng của đường cong tăng ích là từ 1540 nm đến 1560 nm. Một hệ thống WDM 16 kênh và 8 kênh trên thực tế có bảng phân phối kênh như dưới đây: 55 Bảng 3.2. Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh Thứ tự 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tần số trung tâm (THz) Bước sóng (nm) 192 192 192 192 192 192 192 192 192 193 193 193 193 193 193 1560,61 * 1559,79 1558,98 * 1558,17 1557,36 * 1556,55 1555,75 * 1554,94 1554,13 * 1553,33 1552,52 * 1551,72 1550,92 * 1550,12 1549,32 * 56 16 193 1548,51 (Bước sóng trung tâm của 8 kênh trong hệ thống 8 kênh chọn các giá trị bước sóng có dấu *) II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát 1: Ổn định bước sóng của nguồn quang Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiển nguồn quang: thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự trênh lệnh trị số giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng trung tâm. 2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động một cách độc lập với nhau hay nó cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép được rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến 1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả mãn được yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ 57 rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến... Có thể xem hệ thống WDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ của tín hiệu phía thu với phổ của tín hiệu phía phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho sự giãn phổ, ký kiệu là D; độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn ký hiệu là B; độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền ký hiệu là D. Gọi x là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có: x = B.D.D. Từ công thức trên có thể tính được độ giãn rộng phổ nguồn phát: D = x/B.D. Với độ giãn rộng phổ này và khoảng cách kênh bước sóng chọ theo bảng tần số trung tâm (bảng 3.1) ta tìm được độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát. III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang Xuyên nhiễu giữa các kênh trong sợi quang ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu, chính vì vậy có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống WDM. Có thể chia ra làm hai loại xuyên nhiễu chính sau đây: - Xuyên nhiễu tuyến tính: do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh được sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh. - Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang gây nên (sẽ đề cập cụ thể ở phần sau). IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép. Giả sử máy phát phát tín hiệu đi tới phía thu với một mức công suất Pph nhất định, công suất của tín hiệu sẽ bị suy giảm dần trên đường truyền dẫn do rất nhiều nguyên nhân như: suy hao do bản thân sợi quang gây ra, suy hao do các thành phần 58 quang thụ động...cự ly truyền dẫn càng dài thì công suất tín hiệu bị suy hao càng nhiều, nếu suy hao quá lớn làm cho công suất tín hiệu đến được máy thu nhỏ hơn công suất ngưỡng thu nhỏ nhất (Pthu min) cho phép thì thông tin truyền đi sẽ bị mất. Để máy thu thu được thông tin thì công suất tín hiệu đến máy thu phải nằm trong dải công suất của máy thu. Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max Như vậy để đảm bảo được thông tin thì công suất phát phải càng lớn khi cự ly truyền dẫn càng lớn. Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ lặp tín hiệu trên đường truyền. Trước đây khi chưa có bộ khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền sẽ được bù lại thông qua việc sử dụng các trạm lặp điện 3R, quá trình này được thực hiện tương đối phức tạp. Đầu tiên, phải tách tất cả các kênh (nhờ thiết bị DEMUX), biến đổi các kênh tín hiệu quang này thành các kênh tín hiệu điện, thực hiện khuếch đại từng kênh, biến đổi từng kênh trở lại tín hiệu quang, sau đó mới thực hiện ghép các kênh tín hiệu quang này lại với nhau (nhờ thiết bị MUX), điều này làm cho việc tính toán, thiết kế tuyến thông tin quang gặp nhiều khó khăn. Việc sử dụng các trạm lặp điện 3R không những làm cho số lượng thiết bị trên tuyến tăng lên mà còn làm giảm quỹ công suất của hệ thống (do suy hao xen của các thiết bị tách/ ghép bước sóng là tương đối lớn). Tuy nhiên, khi bộ khuếch đại quang sợi EDFA ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất quang cho hệ thống không còn khó khăn nữa, nó làm giảm bớt số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM (cấu tạo và nguyên lý làm việc của EDFA sẽ được đề cập đến ở chương sau). V: Tán sắc – Bù tán sắc 59 Sau khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên. Do đó, lại yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện được việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài. Bây giờ ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ cao lại lại càng thể hiện rõ rệt. Ví dụ sợi quang G. 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chế ở khoảng 928 km, nếu tốc dộ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ còn 58 km. Bảng 3.3. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết) Tốc độ 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s 20 Gbit/s 40 Gbit/s 1550 nm(G.652) 928 km 58 km 14,5 km 3,6 km 1550 nm(G.655) 4528 km 283 km 70 km 18 km 1310 nm(G.652) 6400 km 400 km 100 km 25 km Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Tán sắc tổng cộng bao gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, và tán sắc dẫn sóng: - Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đường đi khác nhau, có cự ly đường truyền khác nhau và do đó thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau. - Tán sắc vật liệu: chỉ số chiết suất trong sợi quang thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu, vận tốc nhóm Vnhóm của mode là một hàm số của chỉ số chiết suất, cho nên các thành phần phổ khác nhau của mode đã cho sẽ lan truyền đi ở các tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào bước sóng, vì thế tán sắc vật liêu là một hiệu ứng tán sắc 60 bên trong mode, và là yếu tố quan trọng đối với các sợi đơn mode và các hệ thống sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang LED. - Tán sắc dẫn sóng: do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, còn 20% năng lượng ánh sáng truyền trong vở sợi nhanh hơn năng lượng truyền trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào hằng số lan truyền b (b là hàm của a/l, với a là bán kĩnh lõi sợi). Tán sẵc dẫn sóng thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần được quan tâm ở sợi đơn mode. Các phương pháp chính có thể sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc là làm hẹp độ rộng phổ nguồn phát hoặc sử dụng một số phương pháp bù tán sắc như: · Sử dụng sợi G.653 ( sợi có mức tán sắc nhỏ tại cửa sổ truyền dẫn 1550nm) · Bù tán sắc bằng phương pháp điều chế tự dịch pha SPM · Sử dụng các phần tử bù tán sắc thụ động. · Bù tán sắc bằng sợi DCF (Dispersion Compensated Fiber) Việc sử dụng kỹ thuật WDM là một phương pháp không làm tăng mức độ tán sắc của hệ thống vì kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tín hiệu. Có một loại tán sắc mà thường được bỏ qua đối với các hệ thống tốc độ thấp, nhưng đối với các hệ thống tốc độ cao thì cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của nó, đó là tán sắc mode phân cực. Khái niệm tán sắc mode phân cực như sau: Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization Mode Dispersion) là một thuộc tính cơ bản của sợi quang đơn mode và các thành phần hợp thành, trong đó năng lượng tín hiệu của bất kỳ bước sóng nào cũng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc truyền khác nhau. Do vận tốc của hai mode chênh lệch nhau nên thời gian truyền qua cùng một khoảng cách là khác nhau và được gọi là sự trễ nhóm DGD (Differential Group Delay). Tán sắc mode phân cự sẽ làm dãn rộng xung tín hiệu, gây nên suy giảm dung lượng truyền dẫn. Về phương diện này ảnh hưởng của tán sắc 61 mode phân cực cũng giống như ảnh hưởng của các tán sắc khác. Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn đó là: các tán sắc khác là một hiện tượng tương đối ổn định trong khi đó, tán sắc mode phân cực trong sợi đơn mode ở bất cứ bước sóng nào cũng là không ổn định. Nguyên nhân là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang cũng như các thành phần quang hợp thành, nên có sự khác biệt về chiết suất đối với cặp trạng thái phân cực trực giao, sự khác biệt này được gọi là sự lưỡng chiết. Sự khác biệt chiết suất sẽ sinh ra lệch thời gian truyền sóng giữa hai mode phân cực. Trong sợi đơn mode, hiện tượng này bắt nguồn từ sự không tròn của lõi sợi quang. Sự lưỡng chiết còn sinh ra do sự uốn cong của sợi, sự uốn cong làm thay đổi mật độ phân tử cảu cấu trúc sợi, làm cho hệ số khúc xạ mất đối xứng. Tuy nhiên lưỡng chiết uốn cong không phải là nguyên nhân chủ yếu sinh ra tán sắc mode phân cực. IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Đối với hệ thống thông tin sợi quang, công suất quang không lớn, sợi quang có tính năng truyền dẫn tuyến tính, sau khi dùng EDFA, công suất quang tăng lên, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phi tuyến tính, hạn chế rất lớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và hạn chế cự ly truyền dẫn dài không có trạm lặp. Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ bao gồm: · Tán xạ bị kích Brillouin (SBS) · Tán xạ bị kích Raman (SRS) Do ảnh hưởng của hiệu suất khúc xạ bao gồm: · Tự điều chế pha (SPM) · Điều chế pha chéo (XPM) · Trộn tần bốn sóng (FWM) Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất đưa vào sợi quang. 62 1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): Hiệu ứng Raman là do quá trình tán xạ mà trong đó photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại ddược phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stocke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang (ánh sáng này có cường độ lớn), quá trình này trở thành quá trình kích thích mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho một phần năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stocke. Nếu gọi Ps(L) là công suất của bước sóng Stocke trong sợi quang thì: Ps(L) = P0exp(grP0L/(K.Seff)) Trong đó: P0 là công suất của ánh sáng tín hiệu đưa vào gr là hệ số tán xạ Raman Seff là diện tích hiệu dụng vùng lõi K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stocke và (3.2) phân cực của sợi, thông thường K » 2. L là chiều dài tuyến. Công thức trên dùng để tính toán mức công suất P0 mà tại đó hiệu ứng SRS ảnh hưởng lớn tới hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman P0th (P0th là công suất tín hiệu đầu vào mà ứng với nó công suất của bước sóng Stocke và công suất của bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau). P0 » th 32S eff Lg r (3.3) 63 Qua tính toán cho thấy, đối với hệ thống đơn kênh để hiệu ứng SRS có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất phải lớn hơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đường truyền). Tuy nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Để đảm bảo suy giảm không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thoả mãn: 10,28 x10 2 P< N ( N - 1)Leff Df (3.4) Với: N là tổng số kênh quang D¦ là khoảng cách giữa các kênh. Như vậy trong hệ thống WDM hiệu ứng này làm hạn chế số kênh, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này còn gây xuyên nhiễu giữa các kênh. 2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có một phần ánh sáng bị tán xạ và bị dịch tới bước sóng dài hơn bước sóng tới, ánh sáng có bước sóng dài hơn này gọi là ánh sáng Stocke. Điểm khác nhau của hai hiệu ứng này là độ dich tần xảy ra trong hiệu ứng SBS nhỏ hơn độ dịch tần xảy ra trong hiệu ứng SRS (độ dịch tần trong hiệu ứng SBS là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm). Trong hiệu ứng SBS chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược lại (tức là ngược chiều với chiều tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang. Vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các 64 kênh cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên nhiễu giữa các kênh. Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW. Tuy nhiên do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với DfB/DfLaser (DfB là băng tần khuếch đại Brillouin, DfLaser là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 - 100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy ra. Chỉ các nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới bị ảnh hưởng của hiệu ứng SBS. Người ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau: Pth = 21 Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin Aeff là vùng lõi hiệu dụng DfP là độ rộng phổ của tín hiệu K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực (thông thường thì K =2). KAeff Dv B + Dv P gLeffDv B (3.5) Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống. 3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): SPM là hiệu ứng xảy ra khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo (nói cách khác là chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền trong đó), ta có: n = n0 + DnNL = n0 + n2 E 2 (3.6) 65 Trong đó: n0 là chiết suát tuyến tính n2 là hệ số chiết suất phi tuyến tính (n2 = 1,22.10-22 đối với sợi SI) E là cường độ trường quang. Hiệu ứng này gây ra sự dịch pha phi tuyến FNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang (đạo hàm của pha tức là tần số). Giả sử bỏ qua suy hao thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là: 2pnL 2pL n0 + n 2 E F== ll ( 2 ) = const + F NL (3.7) Đối với trường quang có cường độ không đổi, hiệu ứng SPS chỉ làm quay pha của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên đối với trường quang có cường độ thay đổi thì dịch pha phi tuyến FNL sẽ thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trung xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị là dvNL, với: dvNL = (-1/2p)(dvNL/dt) (3.8) Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số ff0. Điều này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây xuyên nhiễu giữa các kênh. Nếu xét đến ảnh hưởng của tán sắc thì sẽ thấy dạng xung bị biến đổi dọc theo sợi (tán sắc tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài tuyến). Nếu goi D là hệ số tán sắc của sợi, thì: · Với Df0) sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp (f<f0), do đó xung bị dãn ra. 66 · Với D>0: thành phần tần số cao (f>f0) sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp (f<f0) làm cho xung bị co lại. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì sự biến đổi tần số quang cũng càng lớn, làm ảnh hưởng lớn đối với xung hẹp, khó khăn trong việc nâng cao tốc độ trong hệ thống. 4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): Do trong hệ thống WDM có nhiều bước sóng cùng lan truyền trên một sợi quang, nên hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cường độ sáng của bản thân sóng ấy mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền trong sợi. Trong hệ thống này chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là: Dn NL = n2 E i + å E j 2 { 2 } (3.9) Trong đó: n2 là hệ số chiết suất phi tuyến Ei, Ej là cường độ trường quang của bước sóng thứ i, thứ j. Điều này dẫn tới pha của tín hiệu bị điều chế bởi cường độ ánh sáng của các kênh khác và gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh. 5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ tương đối mạnh sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Sự tương tác này có thể xảy ra giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước sóng tín hiệu với bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) của các bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chính và mode bên của một kênh 67 tín hiệu. Giả sử có 3 bước sóng với tần số wi, wj, wk tương tác với nhau thì tần số mới tạo ra có bước sóng là wijk. Theo quan điểm cơ lượng tử thì FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ỏ các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về động lượng. Nếu gọi Pijk(L) là công suất của bước sóng wijk trong sợi quang, thì: 1024p 6 Pijk (L ) = h6c 3 22 n0 lijk c ( ) 2 L2Pi Pj Pk . exp(- aL )2S eff (3.10) Trong đó: h là hiệu suất của quá trình FWM c là tốc độ ánh sáng Seff là diện tịch hiệu dụng vùng lõi Pi, Pj, Pk là công suất tương ứng với các bước sóng li, lj, lk c(3) là độ cảm phi tuyến bậc 3. Hiệu suất h của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha. Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động lượng của photon được bảo toàn). Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc, nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra. Tuy nhiên với môi truờng là loại sợi có tán sắc rất nhỏ và các kênh có khoảng cách gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt được Do việc tạo ra các tần số mới là do sự tương tác của các tần số tín hiệu, nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. 68 Sự suy giảm công suất làm giảm tỉ số S/N dẫn đến làm tăng BER của hệ thống. Các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm, tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là nhỏ hơn 3 ps/nm.km. Từ đó ta thấy, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM sử dụng sợi dịch tán sắc DSF (Dispersion Shifted Fiber). Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ, và mức công suất của mỗi kênh càng lớn. Như vậy hiệu ứng FWM sẽ làm hạn chế dung lượng truyền dẫn của hệ thống WDM. 6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: Với xu thế phát triển công nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay đã tìm được một số phương pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng của những hiệu ứng trên đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM có số lượng kênh quang tương đối ít (nhỏ hơn 16 kênh), tổng công suất truy nhập sợi quang thường không lớn hơn +17 dBm, nhỏ hơn nhiều so với trị số ngưỡng gây ra hiệu ứng SRS, do đó sẽ không có ảnh hưởng của SRS; sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ dao động tần số thấp có thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng băng hẹp SBS; Hiệu suất trộn tần bốn sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợi quang, sử dụng sợi quang G.655 có thể khắc phục được hiệu ứng FWM, hơn nữa giảm tán sắc của sợi quang, là lựa chọn tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao; điều chế pha chéo (XPM) thường phát sinh trong hệ thống WDM có nhiều hơn 32 kênh tín hiệu, có thể khắc phục bằng phương pháp tăng tiết diện hữu dụng vùng lõi của sợi quang G.652; tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại với hiệu ứng dãn xung của tán sắc, ở mức độ nhất định, có thể lợi dụng SPM để bù sự dãn xung do tán sắc. VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM 69 EDFA (Ebrium Doped Fiber Amplifier) là bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang có pha trộn nguyên tố đất hiếm Ebrium với nồng độ ít hơn 0,1%; nguồn bơm laser để kích thích các ion Er3+; ngoài ra còn có các bộ phối ghép, bộ cách ly... EDFA thường được gọi là bộ khuếch đại quang sợi (nguyên lý hoạt động và cấu tạo cụ thể sẽ được đề cập ở chương 4). Việc nghiên cứu chế tạo thành công bộ khuếch đại EDFA và ứng dụng chúng vào trong mạng WDM đã làm cho công nghệ WDM phát triển nhanh tróng. Cho đến nay, hầu như tất cả các hệ thống WDM dù là hệ thống thử nghiệm hay hệ thống thương mại đều sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. EDFA được sử dụng tại đầu phát (gọi là bộ khuếch đại công suất) để bù vào tổn hao của bộ ghép kênh bước sóng, nâng cao công suất đưa vào sợi quang (vì bộ ghép kênh bước sóng có tổn hao cố hữu không thể khắc phục được, mà tổn hao này sẽ tăng nhanh tróng theo số kênh tín hiệu được ghép). Ở đầu thu, để bù vào tổn hao, nâng cao độ nhạy máy thu cũng cần bố trí bộ khuếch đại quang sợi (gọi là bộ tiền khuếch đại). Khi dùng bộ khuếch đại sợi quang làm bộ khuếch đại đường dây, cự ly truyền dẫn được nâng lên. Tuy nhiên khi sử dụng EDFA trong mạng WDM cần lưu ý một số vấn đề sau: 1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: Hiện nay băng tần khuếch đại của EDFA đạt 35 ~ 40 nm, độ bằng phẳng của tăng ích trong băng tần không hoàn toàn lý tưởng, do công suất truyền dẫn của các kênh tín hiệu có thể biến đổi lên xuống, làm cho các kênh tín hiệu ứng với mỗi bước sóng khác nhau được khuếch đại với các mức độ khác nhau. Để đạt được độ đồng nhất về phổ khuếch đại đối với mọi bước sóng cần được khuếch đại, các bộ khuếch đại sử dụng bộ lọc để làm suy giảm nhiều hơn đối với các kênh bước sóng có mức sông suất vào lớn hơn, nhằm đạt được độ cân bằng về khuếch đại giữa các kênh. Thế nhưng công suất ra yêu cầu vẫn phải lớn cho toàn bộ băng được khuếch đại, do vậy phải yêu cầu có một công suất bơm đủ lớn để đạt được sự hài hoà về độ phẳng khuếch đại giữa các kênh và mức khuếch đại yêu cầu. Vấn đề là đặt bộ làm phẳng ở đâu trong module khuếch 70 đại. Nếu đặt ở đầu ra của bộ khuếch đại thì sẽ có sự lãng phí về công suất bơm, nếu đặt ở đầu vào bộ khuếch đại thì lại làm tăng hệ số tạp âm của thiết bị. Nếu một số kênh bước sóng nào đó đã đi qua các bộ định tuyến, OADM... thì công suất của kênh đó sẽ khác với công suất của các kênh khác tại đầu vào bộ khuếch đại. Nhưng yêu cầu tại đầu ra của bộ khuếch đại là công suất của các kênh được khuếch đại phải xấp xỉ nhau và không được phụ thuộc vào mức công suất vào của từng kênh hay số kênh được khuếch đại, để đảm bảo tỉ số S/N c