TỔNG QUAN về hệ THỐNG TRUYỀN dẫn QUANG tốc độ CAO

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Sơ đồ khối tổng quát 1.3 Phân loại hệ thống WDM 1.4 Các phần tử hệ thống WDM 1.4.1 Bộ phát quang .4 1.4.2 Bộ thu quang 1.4.3 Sợi quang 1.4.4 Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) 1.4.5 Bộ xen / rẽ bước sóng: (OADM) 10 1.4.6 Bộ nối chéo quang: (OXC) 12 1.4.7 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): .13 1.4.8 Bộ chuyển đổi bước sóng 14 1.5 Các tham số gép kênh quang theo bước sóng 14 1.5.1 Suy hao xen 14 1.5.2 Xuyên kênh 15 1.5.3 Độ rộng kênh 17 1.5.4 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến .17 1.6 Cấu trúc mạng truyền tải quang 18 1.6.1 Cấu trúc mạng Mesh 19 1.6.2 Cấu trúc mạng hình 19 1.6.3 Cấu trúc mạng Mesh Ring hai lớp 21 1.7 Ưu nhược điểm hệ thống WDM 22 1.7.1 Ưu điểm 22 1.7.2 Nhược điểm 22 CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG HỆ THỐNG COHERENT .23 Phạm Quốc Việt Lớp: L11CQVT02_N CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 2.1 Giới thiệu chung 23 2.1.1 Khái niệm thông tin quang coherent 23 2.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Coherent 24 2.2 Các dạng điều chế quang Coherent .26 2.2.1 Điều chế ASK .26 2.2.2 Điều chế PSK .27 2.2.3 Điều chế FSK .29 2.3 Các phép giải điều chế 30 2.3.1 Tách sóng Homodyne 30 2.3.2 Tách sóng Heterodyne 31 CHƯƠNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRONG HỆ THỐNG COHERENT .36 3.1 Nhiễu pha 36 3.2 Nhiễu cường độ 38 3.3 Không tương xứng phân cực .38 3.4 Tán sắc sợi quang 39 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT .40 4.1 Mô theo thiết kế 40 4.1.1 Tham số toàn cục 42 4.1.2 Kết mô thay đồi tham số để đạt BER = 10-12 .46 Phạm Quốc Việt Lớp: L11CQVT02_N CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Y Phạm Quốc Việt Lớp: L11CQVT02_N CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Phạm Quốc Việt Lớp: L11CQVT02_N CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO 1.1 Giới thiệu chung Hệ thồng thông tin quang tố độ cao sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) cơng nghệ “trong sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp phân giải (tách kênh), khơi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác 1.2 Sơ đồ khối tổng quát Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm giới hạn cho phép Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot Khi xét đến tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần kênh bước sóng, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ) Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: Ðộ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch khơng q dB) Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thơng tin quang thơng thường: PIN, APD Hình 3.1 : Sơ đồ chức hệ thống WDM 1.3 Phân loại hệ thống WDM Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG WDM Hình 1.1 : Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng Hệ thống WDM chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng song hướng minh hoạ hình 1.2 Hệ thống đơn hướng truyền theo chiều sợi quang Do vậy, để truyền thông tin hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều sợi quang nên cần sợi quang để trao đổi thông tin điểm Cả hai hệ thống có ưu nhược điểm riêng Giả sử công nghệ cho phép truyền N bước sóng sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:  Xét dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng  Khi cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) hai đầu liên kết có khả nhận biết cố cách tức thời  Ðứng khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế cịn phải xét thêm yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu có nhiều bước sóng sợi quang, đảm bảo định tuyến phân bố bước sóng cho hai chiều sợi quang khơng dùng chung bước sóng  Các khuếch đại hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, số bước sóng khuếch đại hệ thống song hướng giảm ½ theo chiều nên hệ thống song Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM hướng, khuyếch đại cho công suất quang ngõ lớn so với hệ thống đơn hướng 1.4 Các phần tử hệ thống WDM 1.4.1 Bộ phát quang Các nguồn quang sử dụng hệ thống thông tin cáp sợi quang Diode Laser (LD) Diode phát quang (LED) Laser “Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại ánh sáng nhờ xạ kích thích.Hoạt động Laser dựa hai tượng tượng xạ kích thích tượng cộng hưởng sóng ánh sáng lan truyền Laser Tín hiệu quang phát từ LD LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào phát dạng số tương tự Thiết bị phát quang thực biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng cách biến đổi dịng vào qua nguồn phát quang Bước sóng ánh sáng nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát xạ vùng 1100 nm đến 1600 nm Sử dụng điều biến để giảm chirp, tốc độ điều biến cao tạo định dạng tín hiệu quang khác (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) đảm bảo tín hiệu quang có độ rộng phổ hẹp bớc sóng xác theo tiêu chuẩn Mơ hình điều chế ngồi Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG WDM Hình 1.2 : Sơ đồ điều chế Yêu cầu với nguồn quang: - Độ xác bước sóng phát: Đây u cầu kiên cho hệ thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ln bị dao động yếu tố khác nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hố linh kiện Ngồi ra, để tránh xuyên nhiễu tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách bước sóng thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao - Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ định nghĩa độ rộng phổ nguồn quang tính cho bước cắt dB Để tăng nhiều kênh dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách kênh nhỏ độ rộng đường phổ hẹp tốt, không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn đạt điều nguồn phát laser phải nguồn đơn mode (như loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố) - Dòng ngưỡng thấp: Điều làm giảm bớt vấn đề lãng phí cơng suất việc kích thích laser giảm bớt công suất không mang tin tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng nhiễu (phát sinh có cơng suất lớn) Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM - Khả điều chỉnh bước sóng: Để tận dụng tồn băng tần sợi quang, nguồn quang phải phát dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động cần khả điều chỉnh bước sóng - Tính tuyến tính: Đối với truyền thơng quang, khơng tuyến tính nguồn quang dẫn việc phát sinh sóng hài cao hơn, tạo xuyên nhiễu kênh - Nhiễu thấp: Có nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạ nh tranh mode, nhiễu pha, Nhiễu thấp quan trọng để đạt mức BER thấp truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt 1.4.2 Bộ thu quang Phần thu quang gồm tách sóng quang, kênh tuyến tính kênh phục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần thường sử dụng photodiode PIN APD Yêu cầu quan trọng thu quang công suất quang phải nhỏ (độ nhạy quang) thu tốc độ truyền dẫn số ứng với tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép Bộ thu quang hệ thống WDM Hình 1.3 Sơ đồ khối bên thu 1.4.3 Sợi quang Cấu tạo sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm có hai lớp: - Lớp có dạng hình trụ trịn, có đường kính d = 2a, làm thủy tinh có chiết suất n1, gọi lõi (core) sợi Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM CHƯƠNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRONG HỆ THỐNG COHERENT Những phân tích độ nhạy phần trước dựa giả thiết điều kiện làm việc lý tưởng hệ thống TTQ coherent có linh kiện hồn hảo Trong hệ thống thực tế có nhiều chế vật lý làm giảm độ nhạy máy thu, là: nhiễu pha, nhiễu cường độ, phối hợp phân cực tán sắc sợi Trong phần này, thảo luận chế làm giảm độ nhạy kỹ thuật cải thiện hoạt động thiết kế máy thu thích hợp 3.1 Nhiễu pha Nhiễu pha liên quan tới laser phát dao động nội Lý hiểu từ biểu thức dịng tách sóng phương pháp tách sóng homodyne heterodyne , biến động pha dẫn tới biến động dòng làm giảm SNR I p P s+ P L +2 √ Ps P L cos ⁡( w s t−w L t+ ϕ ) Cả pha tín hiệu ws pha dao động w L nội cần phải trì tương đối ổn định để tránh giảm độ nhạy Nếu gọi NP số photon đến thu khoảng thời gian bit giá trị cho phép NP làm cho độ thiệt thịi cơng suất trì mức 1dB phụ thuộc vào phương thức điều chế kỹ thuật giải điều chế Nhìn chung, độ rộng phổ yêu cầu nghiêm ngặt máy thu homodyne Mặc dù độ rộng phổ cho phép mức độ phụ thuộc vào thiết kế vịng khóa pha điển hình nên NP < 5.10-4 để có độ thiệt thịi cơng suất < 1dB Trái lại, thu ASK FSK không đồng cho phép Np lớn 0.1 Lý thực tế máy thu sử dụng tách sóng đường bao bỏ qua thơng tin pha Ảnh hưởng biến động pha chủ yếu làm rộng băng tần tín hiệu Tín hiệu khôi phục cách tăng độ rộng băng tần lọc BPF Về nguyên tắc, độ rộng phổ dung hịa băng tần BPF tăng lên cách thích hợp Tuy nhiên, trả giá nhiễu máy thu tăng tăng dải thông lọc BPF Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG WDM Hình sau cho thấy độ nhạy thu giảm theo NP điều chế ASK FSK Hình 3.1 Độ nhạy máy thu NP tăng Chọn laser diode làm việc với mode dọc có độ rộng vạch phổ hẹp, đồng thời bước sóng phải điều chỉnh (trong phạm vi vài nanomet) nhằm đảm bảo ws= wL (homodyne) tạo trung tần yêu cầu (heterodyne) Laser MQW với độ rộng phổ đạt giá trị nhỏ, cỡ 0,1 MHz thích hợp cho TTQ coherent Cách khác dùng máy thu phân tập pha Những thu sử dụng hai hay nhiều tách sóng mà đầu chúng kết hợp để tạo tín hiệu độc lập với hiệu pha w I F =w s - w L Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Kỹ thuật hoạt động tốt cho dạng điều chế ASK, FSK DPSK 3.2 Nhiễu cường độ Một giải pháp cho vấn đề nhiễu cường độ dùng thu cân Hình 3.2 Bộ thu cân Một linh kiện quang gọi optical hybrid kết hợp đầu vào tín hiệu dao động nội đưa đầu qua số cổng có độ dịch pha thích hợp Đầu từ cổng xử lý kết hợp dòng điện độc lập với w I F Ưu điểm thu cân :  Tất cơng suất tín hiệu tới dao động nội sử dụng cách có hiệu tất thu cân sử dụng tồn cơng suất tín hiệu tránh mát  Đồng thời thu cân sử dụng hết công suất dao động nội nên dễ dàng cho hệ thống hoạt động giới hạn nhiễu lượng tử 3.3 Không tương xứng phân cực Trạng thái phân cực tín hiệu thu khơng đóng vai trị thu tách sóng trực tiếp đơn giản dịng photon tạo phụ thuộc vào số lượng photon tới Nhưng thu quang coherent lại địi hỏi tương xứng trạng thái phân cực tín hiệu từ dao động nội với tín hiệu thu Phương pháp thông dụng sử dụng để giái vấn đề phân cực dùng máy thu hai cổng tương tự chống nhiễu cường độ khác chỗ hai nhánh xử lý thành phần phân cực trực giao Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 3.4 Tán sắc sợi quang Để tránh tượng tán sắc tượng tán sắc hệ thống Coherent cần phải sử dụng Laser bán dẫn họa động chế độ đơn mode dọc với độ rộng phổ hẹp Sử dụng điều chế để tránh tượng chirp tần số Đồng thời bù tán sắc sợi quang thông qua kỹ thuật cân điện miền IF Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Mô tuyến truyền dẫn quang coherent QAM có tốc độ truyền 10Gbps quãng đường 100 km với kỹ thuật tách sóng homodyne 4.1 Mơ theo thiết kế Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Tuyến truyền dẫn quang Coherent 4_QAM 10Gbps 4.1.1 Tham số toàn cục Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Tốc độ bit : 10Gbps Chiều dài chuỗi: 128bit/s Số mẫu bit: 64 Số mẫu = Chiều dài chuỗi x Số mẫu bit = 128 x 64 = 8192 Sợi quang sử dụng G.625có tham số: cửa sổ truyền 1550nm chiều dài L=50km Độ tán sắc : D=16.75 ps/nm.km Độ dốc tán sắc : 0.075 ps/nm^2.km Khuếch đại quang EDFA: L=50km suy hao sợi : 50 x 0.2=10dB Độ lợi khuếch đại 10dB Quang phổ tín hiệu phát Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Quang phổ tín hiệu thu Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Cơng suất tín hiệu phát Cơng suất tín hiệu thu kênh Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Tỉ lệ lỗi Bit BER  Mắt quang  BER kênh Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT 4.1.2 Kết mô thay đồi tham số để đạt BER = 10-12 Khi thay đổi tham số hệ thống tỉ số lỗi bit BER thay đổi theo  Thay đổi công suất Laser phát Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT  Thay đổi hệ số hệ số suy hao sợi quang : ta thay đổi lên thành 0.2025 dB Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Sau thay đổi ta có tỉ lệ lỗi bit BER mới:  Mắt quang Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT  BER kênh Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG COHERENT Phạm Quốc Việt LỚP: L11CQVT02_N Trang ... QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO 1.1 Giới thiệu chung Hệ thồng thông tin quang tố độ cao sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng... CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Y Phạm Quốc Việt Lớp: L11CQVT02_N CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Phạm Quốc Việt Lớp: L11CQVT02_N CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG... cầu quan trọng thu quang công suất quang phải nhỏ (độ nhạy quang) thu tốc độ truyền dẫn số ứng với tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép Bộ thu quang hệ thống WDM Hình 1.3 Sơ đồ khối bên thu 1.4.3 Sợi quang