Giáo trình bài giảng môn MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG

 Kỹ năng: Rèn cho sinh viên có kỹ năng nghiên cứu, phân tích, đánh giá về các công nghệ trên mạng truyền tải quang  Nội dung:  Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM  Chương 2:

Trang 1

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

 Thời lượng môn học:

 4ĐVHT (36LT + 18TL + 6TH)

 Mục tiêu:

 Kiến thức: Trang bị cho sinh viên các kiến thức về ghép kênh quang

theo bước sóng WDM, các kỹ thuật khuếch đại quang, xu hướng phát triển của mạng quang

 Kỹ năng: Rèn cho sinh viên có kỹ năng nghiên cứu, phân tích, đánh

giá về các công nghệ trên mạng truyền tải quang

 Nội dung:

 Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM

 Chương 2: Khuyếch đại quang

 Chương 3: Truyền tải IP/WDM

 Chương 4: Một số công nghệ, kỹ thuật và xu hướng nghiên cứu trong mạng truyền tải quang

Trang 2

MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG

 Tài liệu tham khảo:

 Cao Hồng Sơn Công nghệ IP trên WDM Nhà xuất bản Bưu Điện, 8-2005.

 Hoàng Văn Võ Công nghệ và mạng thế hệ sau Nhà xuất bản Bưu Điện, 2008

 Vũ Văn San Hệ thống Thông Tin Quang, tập 2 Nhà xuất bản Bưu Điện, 2008.

 Đỗ Văn Việt Em Hệ thống thông tin quang II Học viện Công nghệ Bưu chính

Viễn thông, 2007.

 J M Senior, “Optical Fiber Communications: Principles and Practice” Second

edition, Prentice Hall, 1993.

 G Keiser, “Optical Fiber Communications” Third edition, McGraw-Hill, 2000.

 J Gowar Optical Communication Systems Second edition, Prentice-Hall, 1993.

 G P Agrawal Fiber-Optic Communication Systems Second edition, John Wiley

& Sons, 1997.

 Silvello Betti, Giancarlo De Marchis, Eugenio Iannoe Coherent Optical

Communications Systems John Wiley & Sons, Inc, 1995.

Trang 3

 Tài liệu tham khảo:

 Max Ming – Kang Liu Principles and Applications of Optical

Communications, 2001.

 Gerard Lachs Fiber Optic Communications – Systems, Analysis, and

Enhancements McGraw-Hill, 1998.

 Peter Tomsu and Christian Schmutzer, "Next Generation Optical

Networks", Prentice Hall PTR, 2002.

 D Marcuse, A R Chraplyvy, et al., “Effect of Fiber Nonlinearity on Long

Distance Transmission”, J Lightwave Tech., Vol 9, No.1, pp 121-128,

1991.

 G P Agrawal, Nonlinear Fiber Optics New York: Academic, 1995.

 Đánh giá:

 Tham gia học tập trên lớp: 10%

 Thực hành/Thí nghiệm/Bài tập/Thảo luận: 30 %

 Kiểm tra giữa kỳ: 10%

 Kiểm tra cuối kỳ: 50 %

Trang 4

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

WDM

Trang 5

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

Trang 6

HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG WDM

 1.1 NGUYấN Lí GHẫP KấNH THEO BƯỚC SểNG

QUANG (WDM) )

 Khái niệm WDM:

- Nhu cầu truyền số liệu tăng cao  dung l ợng truyền dẫn tăng nhanh

- Hệ thống truyền dẫn TDM truyền thống bị giới hạn về tốc độ.

- Cửa sổ truyền dẫn trong sợi quang:

- WDM là kỹ thuật cho phép truyền dẫn nhiều kênh b ớc sóng quang trên cùng một sợi quang.

Trang 7

HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG WDM

 Các dải băng tần hoạt động trong WDM:

• O-band (Original band):

Trang 8

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

 Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn WDMTransmitter

Combinin

Trang 9

Trang 10

Trang 11

 Mô hình chung hệ thống WDM: (điểm- điểm)

PA LA

Máy phát quang

Máy thu quang

Khuếch đại trung kế quang

BA - Bộ khuyếch đại cụng suất

PA - Bộ tiền khuyếch đại quang

LA - Bộ khuyếch đại đường truyền

S - Bước súng kờnh giỏm sỏt quang (OSC)

Trang 12

 Các tham số của hệ thống WDM

a Số lượng kênh bước sóng N

b Khoảng cách giữa các kênh bước sóng Dl

c Băng thông sử dụng của hệ thống N x Dl

d Tốc độ truyền tin trên mỗi kênh bước sóng B

e Dung lượng của hệ thống N x B

f Dung lượng truyền dẫn của hệ thống N x B x L

g Hiệu suất sử dụng kênh bước sóng B/Dl

Bước sóng 

#1 #2 … # k … # N-1 #N Côn

g suất quan g



Băng thông sử dụng của hệ thống

~ B

Trang 13

Bảng 1.1- Các tham số chính của một số hệ thống WDM trong các phòng thí nghiệm.

Số kênh bước sóng N

Tốc độ kênh B (Gbit/s)

Khoảng cách truyền dẫn L (km)

Dung lượng truyền dẫn (Tb/s-km)

Trang 14

Bảng 1.2- Các tham số chính của một số hệ thống WDM

hiện đang được khai thác trên thế giới.

Số kênh bước sóng N

Tốc độ kênh B (Gbit/s)

Khoảng cách truyền dẫn Dl

Dung lượng truyền dẫn (Pb/s-km)

Trang 15

 Phân loại và các chuẩn của hệ thống WDM

Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM)

Hệ thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM – Coarse WDM)

Hệ thống WDM ghép mật độ cao (DWDM – Dense WDM)

Trang 16

 1.2- CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM

Trang 17

- Đảm bảo tín hiệu quang có độ rộng phổ hẹp tại b ớc sóng chính xác theo tiêu chuẩn.

Trang 18

Trang 19

Trang 20

 Bé t¸ch/ ghÐp b íc sãng: (OMUX/ ODEMUX)

- OMUX : kÕt hîp c¸c b íc sãng rêi r¹c kh¸c nhau thµnh tÝn hiÖu

tæ hîp ® a vµo sîi quang.

- ODEMUX : t¸ch tÝn hiÖu tæ hîp WDM thµnh c¸c kªnh b íc sãng riªng biÖt ® a tíi bé thu.

D 10 lg

Xuyên kênh i sang kênh j: Xuyên kênh tổng ở kênh j:

Trang 21

• C¸ch tö nhiÔu x¹ ph¼ng

• C¸ch tö Bragg sîi quangM¶ng c¸ch tö dÉn sãng (AWG)

Bé ghÐp xen (interleaver), bé ghÐp quang (coupler),…

Trang 22

 Bé t¸ch/ ghÐp b íc sãng: (OMUX/ ODEMUX)

- Ph¹m vi øng dông cña mét sè kü thuËt:

Trang 23

 Bộ tách/ ghép b ớc sóng: (Bộ lọc quang)

- Yêu cầu:

Phạm vi điều chỉnh rộng Xuyên âm thấp (th ờng < -20 dB) Tốc độ điều chỉnh nhanh

Suy hao xen nhỏ

ít nhạy cảm phân cực

ổn định với môi tr ờng hoạt động

sig - độ rộng băng tần của tớn hiệu đa kờnh.

ch - khoảng cỏch kờnh.

 - dải phổ tự do.

Trang 24

 Bộ lọc F- P: Gồm 2 g ơng song song

 Điều chỉnh b ớc sóng bằng cách thay đổi khoảng cách 2 g ơng.

Tốc độ điều chỉnh điển hình  100 s

 Độ rộng băng tần tín hiệu WDM sig = N ch < L  Xác định khoảng cách 2 g ơng.

sig = 100 GHz khi L < 1 mm với n = 1,5

 Độ rộng băng tần bộ lọc F-P: FP << ch, nh ng phải đủ lớn để truyền dẫn kênh đ ợc lựa chọn (có tốc độ bit là B) FP  B

Trang 26

 Bộ lọc màng mỏng đa lớp:

Gồm các lớp màng mỏng có chiết suất thay đổi luân phiên hoạt động nh các bộ phản xạ có độ dày bằng 1/4 b ớc sóng (/4n).

Multiwavelength

light

Multilayer interference filter

Demultiplexed wavelenghts

theo một số cách: điều chỉnh điện

tử, điều chỉnh quang nhiệt …

 Phạm vi điều chỉnh cỡ 40 nm với độ

rộng băng tần <0,35nm ở vùng

1550nm.

Trang 27

 Bộ lọc Mach- Zehnder:

 Gồm 2 coupler 3dB kết nối với nhau trên 2 nhánh có độ dài khác nhau  gây ra sự dịch pha phụ thuộc b ớc sóng giữa 2 nhánh.

Sự giao thoa cộng h ởng xẩy ra tại một đầu ra cho một b ớc sóng xác định

 Độ truyền qua:

 Phạm vi điều chỉnh cỡ 4 nm, tốc độ điều chỉnh cỡ ns

 Dễ dàng nối tầng và chế tạo trên các đế silica, InP hoặc LiNbO3

Trang 28

Trang 29

 AOTF t¹o ra chuçi c¸c sãng siªu

Trang 30

Tia bÞ nhiÔu x¹

Tia tíi

Ph¸p tuyÕn c¸ch tö

Tia nhiÔu x¹

d Chu kú c¸ch tö

n

Trang 31

§iÒu kiÖn Littrow Mét sè cÊu h×nh cô thÓ:

Trang 32

 Đ ợc chế tạo dựa trên sợi quang đ ợc

chiếu UV tạo ra sự thay đổi chiết

suất tuần hoàn

 ánh sáng đi qua bị phản xạ trở lại

tại b ớc sóng gần với b ớc sóng Bragg:

B = 2neffd/m trong đó neff chiết suất hiệu dụng lõi

Trang 33

 Gồm 2 coupler sao kết nối với nhau qua mảng ống dẫn sóng có

độ trễ lan truyền khác nhau  gây ra sự dịch pha phụ thuộc b ớc sóng trên ống dẫn sóng.

 Các b ớc sóng khác nhau hội tụ tại các cổng đầu ra khác nhau

 Bộ tách/ ghép b ớc sóng: (Cách tử)

 Mảng cách tử dẫn sóng- AWG:

Trang 34

 Dịch pha của tín hiệu có  truyền từ cổng đầu vào thứ p tới

đầu ra thứ q qua ống dẫn sóng thứ m:

 Tín hiệu đạt cực đại tại đầu ra (nhờ giao thoa cộng h ởng) khi thỏa mãn điều kiện:

 Dải phổ tự do của AWG:

 AWG có dải điều chỉnh cỡ 40 nm, tốc độ điều chỉnh cỡ 10 ms (cơ chế quang nhiệt)

 ứng dụng trong các bộ tách/ghép, định tuyến  dung l ợng lớn.

 Bộ tách/ ghép b ớc sóng: (Cách tử)

 Mảng cách tử dẫn sóng- AWG:

Trang 35

3 2

Trang 36

Á nh sá ng đi và o

Á nh sá ng phả n xạ Khoá

Á nh sá ng đi ra

Á nh sá ng đi và o

Á nh sá ng phả n xạ

Á nh sá ng đi ra

SWP

Bộ quay pha Faraday

SWP Mặ t phẳ ng  / 2

(a)

(b)

Trang 37

 Bộ tách/ ghép b ớc sóng: (Coupler) HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG WDM

 Kích th ớc NxM thay đổi phụ thuộc vào ứng dụng:

~ 100x100 cho LAN

~100x106 cho phát video quảng bá

Trang 38

tÝn hiÖu WDM vµ chuyÓn tiÕp c¸c b íc sãng cßn l¹i

Trang 39

 Cấu hình OADM đơn giản:

R T

R: Bộ thu quang T: Bộ phỏt quang Amplifier

Cỏc luồng xen/rẽ

Trang 40

 Bé xen/ rÏ b íc sãng: (OADM) HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

Trang 41

 Chức năng chuyển đổi các kênh b ớc sóng giữa các cổng

đầu vào và các cổng đầu ra tín hiệu đa kênh khác nhau

 Bộ nối chéo quang: (OXC) HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG WDM

Trang 42

 OXC sử dụng thêm các bộ chuyển đổi b ớc sóng để tăng

độ linh hoạt khi sử dụng trên mạng, cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên b ớc sóng có trên mạng.

 Bộ nối chéo quang: (OXC)

Trang 43

 1.3- MỘT SỐ VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG WDM

Trang 44

• Băng thông các bộ khuếch đại

• Khi truyền tải tín hiệu WDM đi xa, phải sử dụng các bộ khuếch đại tại các khoảng cách thích hợp

• Băng thông của các bộ khuếch đại quang là yếu tố quyết định băng thông sử dụng của các kênh trong hệ thống WDM.

• Erbium (EDFA) sử dụng băng C, băng L

Trang 45

 Độ bằng phẳng

- Để giải quyết vấn đề độ bằng phẳng khuếch đại, có hai giải pháp:

+ Sử dụng các bộ lọc kết hợp với bộ khuếch đại một cách hợp lý để san phẳng phổ khuếch đại

+ Sử dụng phương án phát tín hiệu quang không đồng đều về mặt công suất ngay tại các bộ phát quang

Hình 1.21 Phổ các kênh tín hiệu sau khi đi qua một bộ khuếch đại và sau khi đi qua

nhiều bộ khuếch đại

Đáp ứng hệ thống sau nhiều tầng

khuếch đại Đáp ứng của một

khuếch đại

Trang 46

 Xuyên kênh

 Sự can nhiễu tín hiệu từ một

kênh bước sóng này sang một kênh bước sóng khác

 Xuyên kênh tuyến tính

j là các kênh khác với kênh i, N số kênh

bước sóng, Pj công suất của kênh bước sóng j trước khi qua bộ lọc, Tj hệ số truyền đạt của bộ lọc tại bước sóng j.

 Dòng tín hiệu cho kênh i

 Ii là dòng điện ứng với Pi, Ij là dòng điện

ứng Pj Ich dòng điện của kênh cần tách

và Ix dòng điện dò từ các kênh khác sang

P …i-2 i-1 i i+1 i+2 …

t qua ng

Cô

ng suấ

t qua ng

Hình 1.22 Mô tả hiện tượng xuyên kênh tuyến tính: (a) phổ các kênh bước sóng trước khi qua phần tử có chức năng lọc (b) đặc tính truyền đạt của bộ lọc cho kênh thứ i (c) phổ tín hiệu cho kênh

X ch N

i

j j j

i I T I I I

I    

Trang 47

 Cân bằng bù tán sắc các kênh quang

- Bù tán sắc sử dụng DCF

- Cân bằng bù tán sắc các kênh quang

Trang 48

 Các hiệu ứng quang phi tuyến: xảy ra khi công suất

quang tín hiệu trong phần tử, thiết bị quang lớn hơn một

ngưỡng nhất định.

- Loại 1: phát sinh do tác động qua lại giữa các photon ánh sáng với

môi trường truyền dẫn ánh sáng: tán xạ kích thích Brillouin (SBS)

và tán xạ kích thích Raman (SRS).

- Loại 2: sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất môi trường truyền dẫn

vào công suất quang của tín hiệu: hiệu ứng tự điều pha (SPM -

Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM -

Cross-Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM - Four-Wave

Mixing)

Trang 49

 Hiệu ứng tán xạ Raman kích thích

Hình 1.25 Hiệu ứng Raman trong hệ thống WDM Các bước sóng đầu vào Các bước sóng đầu ra

Sợi quang

Trang 50

 Hiệu ứng Brillouin kích thích :

 Tương tự như SRS Ánh sáng tới tương tác với môi trường

truyền và mất một phần năng lượng để chuyển lên bước sóng dài hơn

 Bước sóng Stokes ở hiện tượng Brillouin có khoảng cách cỡ

11 GHz so với bước sóng bơm.

 Sóng Stokes chỉ sinh ra trên hướng ngược lại với sóng bơm.

Trang 51

 Hiệu ứng trộn bốn sóng : là hiệu ứng sinh ra các tần số hài là tổng

hợp từ 3 tần số gốc fi, fj, fk khi có điều kiện tương hợp về pha

Trang 52

1.4 – MẠNG TRUYỀN TẢI WDM:

Trang 53

 Phân loại theo cấu hình :

Trang 54

 Phân loại theo vùng phủ địa lý :

 Mạng đường trục WDM (mạng lõi)

 Mạng đô thị WDM

 Mạng truy cập

Trang 55

 Các phần tử mạng trong hệ thống truyền tải WDM :

 Phần tử đầu cuối

 Phần tử lặp

 Phần tử xen rẽ (OADM)

 Phần tử nối chéo(OXC)

Trang 56

 Quản lý và báo vệ trong mạng WDM :

 Quản lý: Chức năng quản lý trong mạng WDM có thể

được thực hiện trên một bước sóng riêng biệt.

Bảo vệ đoạn ghép kênh quang

Bảo vệ 1+1 (W-UPSR) Bảo vệ 1:1, 1:n (W-BLSR)

Lớp đoạn truyền dẫn quang Bảo vệ đường truyền quang

Bảo vệ 1+1, 1:1

Trang 57

CHƯƠNG 2

KHUẾCH ĐẠI QUANG

Trang 58

 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

 2.2 KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA)

 2.3 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA

Trang 59

 Trong mọi hệ thống thông tin quang, suy hao của sợi làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn

 Đối với các hệ thống quang cự ly dài, để bù suy hao th ờng sử dụng các trạm lặp quang - điện (rất phức tạp và đắt tiền đối với hệ thống quang WDM).

 Giải pháp khác: dùng các bộ khuếch đại quang (OA) để khuếch

đại trực tiếp tín hiệu quang.

 1980: một số loại bộ OA đã đ ợc nghiên cứu chế tạo

 SOA : Semiconductor Optical Amplifier

 RFA : Raman-based Fiber Amplifier

 EDFA : Erbium-doped Fiber Amplifier

 1990: ứng dụng OA để bù suy hao

 Với các hệ thống quang: EDFA đ ợc sử dụng phổ biến nhất

 Đối với các hệ thống cự li dài: RFA hoạt động tốt hơn

Trang 60

Trang 61

 Độ rộng băng tần khuếch đại :

khuếch đại G của các tín hiệu quang ở các tần số khác nhau

- Bo được xác định bởi điểm -3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của

bộ khuếch đại

 Công suất ra bão hòa

 HÖ sè K§ G gi¶m khi c«ng suÊt tÝn hiÖu t¨ng (b·o hoµ G)

 Công suất ở đầu ra tại điểm G giảm 3 dB được gọi là công

suất ra bão hòa Psat, out.

Trang 62

 Nhiễu bộ khuếch đại

- Các bộ KĐ gây ra nhiễu và làm giảm tỉ số SNR

- Nguồn nhiễu: phát xạ tự phát (ASE-Amplified Spontaneous Emission)

- Mật độ phổ nhiễu phát xạ tự phát gần nh là không đổi:

- Hệ số đảo mật độ (hs phát xạ tự phát):

- Giá trị nhiễu bộ KĐ đ ợc định nghĩa:

- SNR là tỉ số SNR điện tạo ra trong bộ tách quang





N N

N

nsp

in n

SNR SNR

Trang 63

 Nhiễu bộ khuếch đại

- Với mọi bộ KĐ: Pout=GPin

- SNR của tín hiệu vào khi hạn chế đ ợc nhiễu bắn:

- Để đánh giá SNR của tín hiệu KĐ cần thêm phân bố phát xạ tự

phát vào nhiễu máy thu.

- Phát xạ tự phát kết hợp với tín hiệu tạo ra dòng trong bộ tách

quang có đáp ứng R:

- Vì Ein và Esp có pha ngẫu nhiên khác nhau Dòng nhiễu:

f h

P f

RP q

G R



cos )

I 



Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	2,37 MB