đồ án :một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao

đồ án :một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ caoCác phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương:Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê.Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết kế xấu nhất và thống kê.Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn.Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án.Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp.

Mục lục

Mục lục I Chương 1 Thuật ngữ viết tắt III Chương 2 Danh mục hình vẽ V Danh mục bảng biểu VII

Chương 3 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 10

Mô hình tuyến thông tin quang 10

Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang 11

3.2 Tổng quan về các phương pháp thiết kế 21

Chương 4 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao 29

Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số 29

4.2 Tính toán theo số liệu thống kê 64

4.3 So sánh hai phương pháp 78

Kết luận 80

Chương 5 Tài liệu tham khảo 81

Chương 1 Thuật ngữ viết tắt

Từ viết

tắt

APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc

DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt

DWDM Density Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium

FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường

MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode

NF Noise Factor Hệ số tạp âm

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm

pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất

p-i-n Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

SLM Single Longitudinal Mode Laser đơn mode

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóngXMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha

Chương 2 Danh mục hình vẽ

Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản 10

Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang 15

Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền 15

Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung 18

Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác 20

Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp 25

Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp 25

Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp 26

Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp 26

Hình 2-10 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm 32

Hình 2-11 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất 37

Hình 2-12 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc 38

Hình 2-13 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau 38

Hình 2-14 Đồ thị bù dạng mắt 40

Hình 2-15 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 42

Hình 2-16 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER 43

Hình 2-17 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào 43

Hình 2-18 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm 46

Hình 2-19 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản 51

Hình 2-20 Ví dụ bộ phân kênh 52

Hình 2-21 Đồ thị bù lại xuyên âm liên kênh 54

Hình 2-22 Lược đồ bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa 56

Hình 2-23 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa

(mô hình Gausse) 57

Hình 2-24 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại 67

Hình 2-25 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm 70

Hình 2-26 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm 70

Hình 2-27 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng 71

Hình 2-28 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng 71

Hình 2-29 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 74

Hình 2-30 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 75

Hình 2-31 Giá trị bù tán sắc trung bình 76

Hình 2-32 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc 76

Hình 2-33 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 77

Danh mục bảng biểu

Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử 28

Bảng 2-2 Bù công suất cho một số giá trị epsilon 31

Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại 34

Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm 34

Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB 35

Bảng 2-6 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] 42

Bảng 2-7 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên 48

Bảng 2-8 Các thuật ngữ sử dụng 51

Bảng 2-9 Giới hạn xác suất của hệ thống 65

Bảng 2-10 Giá trị tán sắc màu thống kê 73

Lời nói đầu

Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang

đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng,

có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch

vụ trong hiện đại và cả tương lai.

Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không phải đơn giản Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang Thiết kế tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc biệt quan trọng Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác Vì vậy, việc tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang.

Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS Bùi Trung Hiếu, Ths Vũ Hoàng Sơn, đồ án của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc

độ cao Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định Bố cục đồ án gồm 2 chương:

Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê

Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc

độ cao” Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết

kế xấu nhất và thống kê

Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ

em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án.

Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp.

Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008

Sinh viên

Lê Đức Vượng

Chương 3 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang

Mô hình tuyến thông tin quang

Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang, và phần thu quang Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin quang

Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản.

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode)

Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang So với môi trường truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này

Nơi phát

tín hiệu

Thiết bị phát

Môi trường truyền dẫn

Thiết bị thu

Nơi thu tín hiệu đến

Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh.

Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang

Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham số

Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm:

 Suy hao

 Tán sắc

 Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

 Quỹ thời gian

 Nhiễu

Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số này cũng khác nhau Với các hệ thống có cự ly không quá dài thì tham số quỹ thời gian luôn được đảm bảo Còn đối với nhiễu thì chủ yếu là do thiết bị quyết định, vấn đề này lại phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị Do đó, ở đây chủ yếu xét đến các tham số ảnh hưởng là suy hao, tán sắc, và hiệu ứng phi tuyến Các tham số này cũng ảnh hưởng khác nhau với các hệ thống khác nhau

 Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì tham số chủ yếu cần quan tâm là suy hao

 Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì tham số quan tâm gồm

có suy hao và tán sắc

 Đối với các hệ thống WDM cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 tham

số trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến Các tham số trong hiệu ứng phi tuyến thì có các hiệu ứng Kerr và hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS) Trong hiệu ứng Kerr thì lại bao gồm hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và hiệu ứng điều chế pha chéo Tuy nhiên trong phần hiệu ứng phi tuyến này, chỉ

xét ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và điều chế pha chéo.

Dưới đây xét đến ảnh hưởng của các tham số này

3.1.1 Suy hao

Việc truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó có tác động vào quá trình thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang

Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang hay giữa các thiết bị xen rẽ kênh … cũng có thể gây ra suy hao trên tuyến truyền dẫn Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng gây ra suy hao Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi nên có thể giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau Bên cạnh suy hao ngoài bản chất

là suy hao bản chất bên trong sợi quang Trong quá trình truyền tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi quang cũng có suy hao làm cho cường độ tín hiệu giảm xuống khi đi qua một cự

ly nào đó Các dạng suy hao bản chất gồm suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng Trong các dạng suy hao trên, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu Suy hao bức xạ là do sự sai lệch cấu trúc hình học của sợi gây ra

Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao và được xác định bằng tỉ số giữa công suất quang đầu vào P incủa sợi dẫn quang dải L với công suất quang đầu raP out Tỷ số công suất này là một hàm bước sóng, nếu gọi

α là hệ số suy hao thì ta có thể xác định hệ số này bởi công thức sau:

)log(

=

Với α được tính theo dB/km và chiều dài L được tính theo km Các sợi truyền dẫn quang thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao, lúc đó công suất đầu vàoP ingần như bằng công suất đầu ra P outvà α ≈ 0dB/km

Từ công thức trên có thể suy ra được công thức tính cự ly truyền dẫn:

)log(

110

out

in

P

P L

α

Nếu gọi công suất tín hiệu quang trung bình phát vào sợi quang là P t và công suất tín hiệu quang trung bình nhỏ nhất P rectại đầu vào của bộ thu quang với tốc độ truyền dẫn là B Khi đó, cự ly truyền dẫn cực đại được tính:

)log(

110max

rec

t

P

P L

α

Cự ly truyền dẫn L còn phụ thuộc vào tốc độ bít là do công suất thu được P rec phụ thuộc vào tốc độ bít B, vì rằng P rec =N p hvB trong đó hv là năng lượng photon và N plà

số photon trung bình trên bit được yêu cầu tại bộ thu quang

Như vậy, cự ly truyền dẫn L giảm theo hàm logarit với sự tăng tốc độ bít B tại bước sóng hoạt động của hệ thống Có 3 vùng bước sóng hoạt động tiêu biểu đó là (vùng tại đó mà suy hao tín hiệu là nhỏ nhất) vùng bước sóng 0.85µm, vùng bước sóng 1.3µm

và vùng bước sóng 1.55µm Trong các vùng bước sóng thì cự ly truyền dẫn ngắn nhất khi hệ thống hoạt động ở bước sóng 0.85µm do tại vùng này suy hao tín hiệu tương đối lớn Khoảng cách lặp của các tuyến sử dụng hệ thống này khoảng từ 10 đến 30 km hoàn tuỳ theo tốc độ bít Ngược lại cự ly lớn hơn 100 km hoàn toàn có thể thực hiện được với

hệ thống hoạt độn tại vùng bước sóng 1.55µm.

3.1.2 Tán sắc

Suy hao mặc dù có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, nhưng nó chỉ được quan tâm đặc biệt khi hệ thống thông tin quang có cự ly ngắn, dung lượng thấp Tuy nhiên khi khoảng cách tăng lên thì suy hao không còn là vấn đề quan trọng nữa, bởi

vì suy hao dễ dàng được khắc phục bởi các bộ khuếch đại Khi suy hao không còn là vấn

đề quan trọng thì tán sắc trở thành mối quan tâm chủ yếu nhất ảnh hưởng tới cự ly truyền dẫn và tốc độ bít

Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang

Như trên đã nói tín hiệu khi truyền qua sợi quang sẽ bị méo và suy hao Suy hao

là do sợi quang còn méo là tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra

Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và trễ nhóm

Tuy nhiên hầu hết các hệ thống truyền dẫn đều sử dụng sợi quang đơn mode nên tán sắc đơn mode trở thành một yếu tố hết sức quan trọng và vì vậy ở đây chỉ xét đến tán sắc bên trong mode

Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra trong một mode

Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát Độ rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó Có thể mô tả độ dãn xung bằng công thức sau đây:

Như vậy, tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm 2 thành phần chính là tán sắc mode

và tán sắc bên trong mode Tán sắc bên trong mode lại gồm có tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu Tán sắc bên trong mode còn được gọi là tán sắc màu CD (chromatic dispersion) Do chỉ xét đến sợi đơn mode nên ở đây quan tâm đến tán sắc màu

Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh sáng tín hiệu Hình vẽ 1-2 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc nhóm của một xung ánh sáng đối với các bước sóng khác nhau trong một sợi cáp quang thông tin đơn mode thông thường

Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang

Trên hình vẽ 1-2, chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng Như chúng ta đã biết, trên thực tế không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhất định Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ

Δλ0 truyền qua một sợi cáp quang đơn mode Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn Như vậy, sau một quãng đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị chèn lên nhau (hình 1-3) Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2 xung riêng biệt Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu

Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền a) Xung tại đầu phát b) Xung tại đầu thu

3.1.3 Hiệu ứng phi tuyến

Trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng, có cự ly dài, dung lượng rất lớn thì ngoài tham số suy hao và tán sắc còn phải tính đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến là do tương tác lẫn nhau giữa các kênh với các bước sóng khác nhau được ghép trong sợi quang

3.1.3.1 Tự điều chế pha SPM

Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng được gọi là hiệu ứng Kerr quang, trong đó toàn bộ các trường tham gia vào tương tác phi tuyến ở cùng một tần số Chỉ số chiết suất biến đổi như sau:

2 là chiết suất lõi và vỏ

n 2 là hệ số chiết suất phi tuyến

nj là chỉ số chiết suất tuyến tính

n 2 ≈3.10−20m2/W với sợi silica

Hệ số truyền dẫn phi tuyến:

A

P n

A

P n n

n c

n

eff

eff

j j

j

2

2 2

.

2

2

2

' '

'

γβ

λπβ

λπ

πλλ

πω

β

+

= +

= +

γ = Aeff là hằng số truyền dẫn phi tuyến

Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là:

eff in

L in

L z in

z in

L L

NL

L P e

P e

P

dz e P dz

z P dz

)1

(

1

|

1

)

(.)

(

0

0 0

'

γα

γα

γ

γγ

ββφ

α α

Pin giả thiết là không đổi Thực tế sự phụ thuộc của Pin vào thời gian làm cho φNL

thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển tần số mà từng bước ảnh hưởng tới hình dạng xung qua GVD Để giảm ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến thì độ dịch pha phi tuyến cần thỏa mãn điều kiện φNL<<1 Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của công suất quang:

αγ

γ << => << =

11

eff in

eff in in

L P L

P

P (1-8)Với α =0.2dB/Km=0.046Km− 1,γ =2W− 1.Km− 1, ta có:

Pin << 0.023

2

046

Rõ ràng sự phụ thuộc chiết suất vào công suất quang là một yếu tố giới hạn với

hệ thống truyền thông quang Hiện tượng phi tuyến tương ứng với giới hạn này được gọi

là tự điều chế pha SPM vì độ dịch pha φNLđược cảm ứng bởi chính trường quang SPM

tương tác với tán sắc sắc thể trong sợi để thay đổi tốc độ mở rộng xung khi nó lan truyền trong sợi quang Khi tán sắc sắc thể trong sợi quang càng tăng ảnh hưởng của SPM càng lớn Nó dẫn đến việc thay đổi các thành phẩn trong xung quang Hiệu ứng này có thể xem như là cơ chế chirp phi tuyến, tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung

có thể bị chirp không chỉ đơn giản do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương tác phi tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi Điều này dẫn đến sự dịch các sườn xung, xung lên bị dịch về phía bước sóng dài hơn và xung xuống bị dịch về phía bước sóng ngắn hơn và dẫn tới một sự dịch tần trên mỗi sườn xung mà tương tác với tán sắc sợi để mở rộng xung

Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung

3.1.3.2 Điều chế chéo pha (XPM)

Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ trường của sóng ánh sáng có thể

cũng dẫn đến hiện tượng phi tuyến được biết là điều chế chéo pha Nó chỉ xuất hiện

trong hệ thống đa kênh và xảy ra khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi

sử dụng các tần số sóng mang khác nhau Độ dịch pha phi tuyến cho một kênh riêng

không phụ thuộc vào chỉ số chiết suất của kênh khác Độ dịch pha cho kênh j là:

=  + ∑≠ 

M j m m j

eff

NL

j γ.L P 2 P

φ (1-9)Trong đó: M là tổng số kênh

Pj là công suất kênh j (j=1,M )

Hệ số 2 chỉ ra rằng XPM ảnh hưởng bằng 2 lần SPM với cùng công suất Độ dịch

pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ thuộc vào

kiểu bit của kênh lân cận

Nếu ta giả sử công suất các kênh bằng nhau, độ dịch pha trong trường hợp xấu

nhất khi tất cả các kênh truyền đồng thời tất cả các bit 1 là:

Sự dịch

xung

Xung bị mở rộng khi lan truyền trong sợi

Chirp tần số

Xung đã phát

Tần số

φ 1 => Pj<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá trị γ và

α ở vùng λ=1,55µm Rõ ràng XPM có thể là nhân tố giới hạn công suất chính.

Tóm lại: Với những xung quang rộng tương đối (>100ps), ảnh hưởng của tán sắc

không đáng kể Với những xung quang ngắn hơn, ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến hoạt động cùng nhau trên xung dẫn đến nhiều đặc tính mới Cụ thể sự mở rộng xung quang do tán sắc được giảm nhiều với sự có mặt của SPM và GVD dị thường

3.1.3.3 Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing)

Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ có gốc của nó trong độ cảm phi tuyến bậc 3 được biểu hiện bởiχ( 3 ) Hiện tượng phi tuyến khác được biết từ sự trộn 4 sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của χ( 3 ) trong sợi thủy tinh Nếu 3 trường quang với tần số sóng mang ω1,ω2,ω3 lan truyền đồng thời trong sợi, χ( 3 )tạo ra trường thứ tư mà tần số ω4của nó liên quan với các tần số qua công thức: ω4= ω1±ω2 ±ω3.

Về nguyên lý sẽ xuất hiện nhiều tần số tương ứng với các sự kết hợp khác nhau của các dấu +, - Tuy nhiên trong thực tế hầu hết sự kết hợp của chúng không xây dựng được yêu cầu thích ứng pha Sự kết hợp của dạng ω4=ω1+ω2 −ω3 là gây rắc rối nhất

cho hệ thống truyền thông quang đa kênh vì chúng có thể gần với pha được thích ứng khi bước sóng nằm ở vùng tán sắc bằng 0

Hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu năng trộn là:

- Đầu tiên là khoảng cách kênh Hiệu năng trộn sẽ tăng mạnh mẽ khi khoảng cách kênh trở nên gần hơn

- Thứ hai là tán sắc sợi Hiệu năng trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi và lớn nhất ở vùng tán sắc bằng không vì khi đó các sản phẩm trộn không mong muốn sẽ di chuyển cùng tốc độ Do vậy trong thực tế, các sợi dịch tán sắc thường được thiết kế để có tán sắc dư ở bước sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của FWM

Hình vẽ sau mô tả hiệu năng trộn 4 sóng trong sợi đơn mode

Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác

nhau theo khoảng cách kênh

Ở mức cơ bản, một quá trình FWM có thể xem như một quá trình tán xạ mà hai photon năng lượng ω1 và ω2 tạo ra 2 photon năng lượng ω3 và ω4 Điều kiện thích ứng pha bắt đầu từ yêu cầu duy trì động lượng Quá trình FWM cũng có thể xẩy ra khi hai phonon bắt đầu suy biến (ω1 =ω2), vì vậy ω4 =2.ω1−ω3.

FWM không ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh nhưng lại trở nên quan trọng với các hệ thống đa kênh mà sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (wavelength division multiplexing ) Một lượng công suất lớn của kênh có thể được truyền tới kênh lân cận qua FWM Sự truyền năng lượng như vậy không chỉ làm suy hao công suất cho một kênh riêng mà còn dẫn đến xuyên âm giữa các kênh, làm giảm hiệu năng hệ thống quang Tuy nhiên, hiệu ứng FWM cũng có ích với các hệ thống sóng ánh sáng Nó được sử dụng để giải ghép kênh khi ghép kênh phân chia theo thời gian được sử dụng trong miền quang Từ những năm 1933, FWM đã được sử dụng để tạo tín hiệu ngược phổ qua quá trình phân chia pha quang (optical phase conjugation)- một trong các kỹ thuật sử dụng cho sự bù tán sắc và có thể cải tiến hiệu năng của hệ thống ánh sáng được hạn chế tán sắc

3.2 Tổng quan về các phương pháp thiết kế

Có nhiều phương pháp thiết kế một tuyến thông tin quang Đối với các hệ thống đơn giản ta có thể sử dụng phương pháp dùng các công thức tính toán, việc sử dụng các công thức để tính toán các tham số khi thiết kế hệ thống quang được gọi là phương pháp thiết kế theo giải tích Với một số trường hợp khác ta có thể sử dụng phương pháp mô phỏng để tìm ra các yêu cầu của các thiết bị cần được sử dụng

3.2.1 Thiết kế theo phương pháp giải tích

Trong phần này, xét quá trình thiết kế bằng quỹ công suất và thời gian lên

3.2.1.1 Quỹ công suất

Quỹ công suất quang được coi như một yếu tố bao quát tổng hợp quan trọng nhất nhằm khẳng định xem công suất quang có đủ để đi từ thiết bị phát tới thiết bị thu hay không để duy trì các đặc tính tin cậy trong suốt thời gian sử dụng của hệ thống Nếu như tại đầu vào bộ thu yêu cầu một công suất quang trung bình nhỏ nhất là độ nhạy thu Prec

và có một công suất quang trung bình Pt tại đầu ra bộ phát quang thì quỹ công suất CT

của tuyến có thể được xem như là tổng suy hao giữa bộ phát và bộ thu quang Vì thế quỹ công suất quang có thể được biểu diễn dưới dạng đơn giản sau:

s sp f c rec T

Với l clà suy hao bộ nối quang tính bằng dB, αf là hệ số suy hao sợi tính bằng

dB/km, L là độ dài sợi quang trên tuyến và coi như là cự ly truyền dẫn, l splà tổng các suy hao các mối hàn nối sợi tính bằng dB Trong biểu thức trên ta giả thiết chỉ sử dụng 2 bộ nối quang ở hai đầu

Đại lượng M slà dự phòng hệ thống Dự phòng hệ thống là một lượng công suất quang xác định được thêm vào hệ thống để bù vào sự mất mát công suất có thể xảy ra trong quá trình quá trình khai thác hệ thống, chẳng hạn như sự xuống cấp của các thành phần thiết bị, sự thay đổi của nhiệt độ và sự thay đổi các điều kiện môi trường làm giảm hiệu năng của hệ thống, và các biến cố nhỏ khác Trong thiết kế tuyến, dự phòng hệ thống thường lấy giá trị từ 3 đến 8 dB Biểu thức (1-1) có thể được sử dụng để xác định

cự ly truyền dẫn lớn nhất khi đã xác định được các phần tử hệ thống Một khi bước sóng

đã được lựa chọn thì điều cần phải thực hiện là quyết định xem các thiết bị phát và thu

nào nên được dùng Đối với nguồn quang thì xem xét nguồn laze bán dẫn LD hay LED

là phù hợp Tương tự như vậy đối với các thiết bị thu quang thì nên sử dụng bộ tách sóng p-i-n hay APD Việc quyết định này cần quan tâm đến tính kinh tế mà cụ thể là giá cả của hệ thống phải thấp

3.2.1.2 Quỹ thời gian lên

Quỹ thời gian lên cũng được coi là yếu tố quan trọng, nó được đưa ra nhằm xác định xem hệ thống có đủ khả năng để hoạt động tại tốc độ bít đã định hay không Thậm chí ngay cả khi băng tần của các thành phần hệ thống vượt qua tốc độ bít, nó vẫn cho thấy rằng toàn bộ hệ thống có thể không đủ khả năng hoạt động tại tốc độ bít đó Quan niệm thời gian lên được dùng để định rõ băng tần trong các thành phần hệ thống khác nhau Ta có thể mở rộng và chứng tỏ rằng thời gian lên Tr của một hệ thống tuyến tính tăng tử 10% đến 90% giá trị đầu ra sau cùng của nó khi đầu vào có sự thay đổi đột ngột-hàm bước nhảy

Có một quan hệ giữa băng tần ∆f và thời gian lên T rcủa hệ thống tuyến tính Quan hệ này có thể được hiểu bằng việc xem xét mạch RC đơn giản làm ví dụ cho hệ thống tuyến tính Khi điện áp đầu vào mạch RC thay đổi một cách tức thời từ 0 đến V0

thì điện áp đầu ra thay đổi như sau:

RC

t V

Hàm chuyển đổi H(f) của mạch RC sẽ thu được bằng phép biến đổi Fourier biểu thức (1-12) và ta có:

)21(

1)

(

fRC i f

H

π+

Băng tần điện B e =∆f tương ứng với tần số mà tại đó H(f)2 =1/2 và được cho bởi biểu thức B e =(2πRC)−1 Sử dụng biểu thức (1-13) thì giữa B evà T rcó mối quan hệ sau:

e e r

B B

2

2,

Mối liên quan giữa băng tần điện B evà tốc độ bít B phụ thuộc vào dạng tín hiệu

số Với dạng tín hiệu RZ (Return to Zero), khi đó thì B e =Bvà BT r =0.35 Ngược lại với tín hiệu dạng NRZ (Non Return to Zero) thì B e≈B/2 và do đó BT r =0.7 Trong cả hai trường hợp, tốc độ bit đặc trưng đặt ra giới hạn cho thời gian lên lớn nhất có thể cho phép Điều này có nghĩa là hệ thống thông tin phải được thiết kế để đảm bảo rằng T rnằm trong giá trị lớn nhất này, tức là:

/35.0

(1-16)

Trong hệ thống thông tin quang có ba thành phần thời gian lên riêng rẽ Thời gian lên tổng của toàn bộ hệ thống có quan hệ với các thời gian lên thành phần riêng rẽ này một cách xấp xỉ như sau:

2 2 2

rec fib tr

Thời gian lên của sợi sợi quang T fibđược tính thông qua các tán sắc mode và tán sắc vận tốc nhóm được biểu diễn bởi phương trình sau:

2 2

fib T T

Với Tmod là thời gian lên do tán sắc mode và T GVDlà thời gian lên do tán sắc vận tốc nhóm gây ra Đối với sợi đơn mode thì có Tmod = 0 và vì thế mà T fib =T GVD.

Đối với sợi có tán sắc mode thì có thể coi thời gian lên Tmodxấp xỉ thời gian trễ và khi không có sự trộn mode thì:

c

n L

T GVD ≈ 1∆

(1-19)Với L là cự ly truyền dẫn, c là vận tốc của ánh sáng, ∆là sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi vỏ của sợi quang, và n1 ≈n2 Thành phần T GVDcũng có thể được tính xấp xỉ bởi ∆T như sau:

nm, và tán sắc trung bình bằng 3 ps/km.nm Các thời gian lên bộ phát và bộ thu quang tương ứng là 0.25 ns và 0.35 ns Đối với tuyến sử dụng sợi quang đơn mode thì tán sắc mode bằng 0 và khi đó thì T fib =0.3ns Thời gian lên của hệ thống được tính từ biểu thức

(1-17) có kết quả là 0.524 ns Nếu áp dụng biểu thức (1-16) thì hệ thống không thể hoạt động tại tốc độ 1Gbit/s khi dạng tín hiệu là RZ Tuy nhiên nếu chuyển sang mã NRZ thì

hệ thống hoàn toàn có thể hoạt động được Dạng tín hiệu NRZ thường được sử dụng vì

nó cho phép thời gian lên của hệ thống lớn hơn với cùng một tốc độ bít, và như vậy việc thiết kế sẽ thuận lợi hơn nhiều

3.2.2 Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn

Các phương pháp ở trên là tính toán dựa theo các số liệu cụ thể của linh kiện của một nhà sản xuất, tuy nhiên trong một số trường hợp thì để thiết kế một tuyến quang thì không phải lúc nào cũng sử dụng tất cả các linh kiện của một nhà sản suất Khi đó tuyến quang sẽ bao gồm các linh kiện của nhiều nhà sản xuất khác nhau Vì vậy, để thích hợp điều này ta sử dụng phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn nhằm mục đích để có thể thích ứng được các linh kiện của các nhà sản xuất khác nhau và có khả năng mở rộng, sửa

chữa, nâng cấp mạng quang sau khi đã sử dụng Trong phương pháp thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn xét đến phương pháp thiết kế trong trường hợp các giá trị là xấu nhất

và thiết kế theo giá trị thống kê Trước khi xét đến hai phương pháp này, ta nêu ra khái quát về tính tương thích

Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp

Với các hệ thống đa nhịp thì tính tương thích ngang được minh hoạ bởi hình vẽ:

Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp

Đây là trường hợp với tính tương thích chiều ngang trong đó các bộ khuếch đại được cung cấp bởi một nhà cung cấp thiết bị đầu cuối khác (Vendor C) Trong khi các thiết bị đầu cuối phía phát được cung cấp bởi Vendor A, và thiết bị phía thu được cung cấp bởi Vendor B

Rx hoặc RxsVendor C

Không giống với trường hợp trên, một ứng dụng được gọi là “tương thích chiều dọc” khi cả hai đầu cuối của một bộ phận quang là thiết bị đầu cuối của một nhà sản xuất Trong trường hợp này, yêu cầu một tập hợp các tham số hạn chế hơn so với hệ thống tương thích chiều ngang Ở đây, chỉ có các đặc tính cáp (suy hao, tán sắc, DGD, tán sắc) được chỉ rõ Hệ thống tương thích chiều dọc đơn nhịp được minh họa trong hình 12-5.

Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp

Đối với các hệ thống đa nhịp, cũng có thể có tính tương thích chiều dọc Điều này tương tự như hệ thống tương thích chiều dọc đơn nhịp, mà hệ thống đơn nhịp này có tất

cả các thiết bị đều được cung cấp bởi một nhà cung cấp Điều này đuợc minh họa trong hình 12-6 Vì trong trường hợp đơn nhịp thì chỉ có một số tham số rất hạn chế được yêu cầu cụ thể mặc dù tán sắc màu và PMD phải được điều khiẻn tại một đầu cuối đến đầu cuối

Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp

3.2.2.2 Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất

Các giá trị tham số quang trong các khuyến nghị giao diện quang khác nhau được chọn tùy theo tiếp cận thiết kế trường hợp xấu nhất (worst case design)

Phương pháp thiết kế trường hợp xấu nhất có nghĩa là trong một tuyến quang thì tất cả các tham số quang cụ thể đồng thời là giá trị tại khoảng thời gian mà thiết bị hết thời gian sử dụng EOL (End Of Life), tỉ số lỗi bít BER sẽ không xấu hơn giá trị cụ thể của ứng dụng, chẳng hạn là 10− 12 Trong trường hợp này, EOL được xét đến như một

điều kiện, trong đó đặc tính của thiết bị (chẳng hạn như máy phát hoặc máy thu) bị suy giảm không còn thỏa mãn yêu cầu kĩ thuật và vì thế gây ra lỗi.

Vì thế, khi mức công suất quang đầu ra của thiết bị phát quang tại EOL của nó đạt giá trị nhỏ nhất thì độ nhạy thiết bị thu tại EOL là giá trị lớn nhất, suy hao sợi quang tại EOL sẽ có giá trị lớn nhất, và các đặc tính phổ nguồn cần bù tuyến quang với giá trị lớn nhất, các điều này dẫn đến tỉ số lỗi bít BER của hệ thống sẽ không lớn hơn giá trị danh định của ứng dụng, như 10−12 Kết luận này không nói lên rằng thông thường một tuyến quang hoạt động tại BER chuẩn này Thay vào đó, một tuyến quang hoạt động ảo không

có lỗi dưới những điều kiện hoạt động danh định, xác suất mà các tham số quang đồng thời tại giới hạn của trường hợp xấu nhất là rất thấp

3.2.2.3 Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê

Với hệ thống có ít thành phần thì thiết kế tĩnh (hoặc trong trường hợp xấu nhất) là hữu ích, thiết kế đó cung cấp các dự phòng thích hợp với hệ thống Tuy nhiên, với một

hệ thống có nhiều thành phần như hệ thống đa nhịp hoặc đa kênh thì các dự trữ của thiết

kế tĩnh trở nên không phù hợp Việc thiết kế tĩnh (hoặc trong trường hợp xấu nhất) với các hệ thống này sẽ gây ra sự lãng phí không cần thiết Trong bối cảnh này, các nhà khai thác mạng cũng như các nhà sản xuất mạng đã nghiên cứu việc sử dụng thiết kế thống kê (statistical design approach)

Phương pháp thống kê là dựa trên việc thiết kế nâng cấp phần cáp cơ sở và có thể

có chiều dài đoạn lớn hơn chiều dài trong trường hợp xấu nhất Bằng cách thêm vào một xác suất nào đó mà suy hao và tán sắc giữa các điểm R và S lớn hơn các giá trị cụ thể hệ thống, hoặc thiết kế tương thích ngang không thể đạt được, thì các hệ thống quang tốc bít cao cự ly dài có thể có chi phí thấp hơn thông qua việc giảm số lượng các connector

Khi sử dụng phương pháp thống kê, các tham số hệ thống phụ được biểu diễn bằng phân bố thống kê, mà phân bố này được lấy từ nhà sản xuất Các phân bố như thế

có thể được tính toán hoặc bằng số (chẳng hạn phương pháp Monte Carlo) hoặc theo phép phân tích (chẳng hạn độ lệch chuẩn và trung bình Gausse)

Trong phương pháp thiết kế thống kê có hai tham số cần được phân biệt Đó là tham số của hệ thống và tham số của phần tử (linh kiện) Các thông số của hệ thống là các tham số của cả tuyến quang (chẳng hạn suy hao cực đại hoặc tán sắc màu lớn nhất của tuyến …), còn tham số của phần tử thì là tham số cụ thể của một phần tử linh kiện nào đó (chẳng hạn như hệ số suy hao, hệ số tán sắc màu của sợi quang) Các thông số

của hệ thống được xác định bằng cách thiết kế hệ thống trong các thuộc tính thống kê của các thông số phần tử Các ví dụ về quan hệ giữa các tham số phần tử và tham số hệ thống được cho trong bảng 1-1:

Tham số hệ thống Tham số phần tử

Suy hao cực đại

Hệ số suy hao sợi cáp, công suất đầu ra máy phát, độ nhạy máy thu, điểm bù công suất, suy hao mối nối, suy hao connector

Tán sắc màu cực đại Hệ số tán sắc sợi, độ rộng phổ máy phát

DGD cực đại Hệ số cáp PMD, công suất chia giữa trạng thái phân

cực chính với các phần tử khác trong liên kết

Công suất đầu ra cực đại

Hệ số suy hao cáp, bước sóng sợi tán sắc không, vùng sợi hiệu dụng, hệ số sợi phi tuyến, khoảng cách kênh

Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử

Tuy nhiên, trong phương pháp thiết kế thống kê ở đây chỉ một tham số hệ thống trong bất kì hệ thống cụ thể nào được xét thống kê Ví dụ, trong các hệ thống giới hạn tán sắc, tán sắc màu cực là được xét thống kê, trong khi tất cả các tham số khác được xem như sử dụng phương pháp thiết kế trường hợp xấu nhất

Chương 4 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông

tin quang tốc độ cao Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số

4.1.1 Tính toán với tán sắc

4.1.1.1 Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu

Phần này xác định “mô hình epsilon” của khuyến nghị ITU-T G.957 để tính toán hiệu ứng tán sắc của độ rộng trong cả phổ nguồn và điều chế máy phát, trong trường hợp xảy ra chirp và bất kì mode biên nào là không đáng kể Trong nhiều trường hợp thực tế, chirp có thể trội và giới hạn tán sắc theo lí thuyết có trong phần này sẽ cao hơn hoặc thấp hơn so với thực tế

Lí thuyết về tính toán được trình bày trong phụ lục I của Series G Supplement 39 ITU-T Giả thiết rằng độ rộng lí thuyết rms (roof mean square: độ rộng trung bình quân phương) theo Gausse đối với phổ nguồn và điều chế có thể được áp dụng vào dạng chung, và tán sắc bậc hai là nhỏ so với tán sắc bậc một Như trong khuyến nghị ITU-T G.957, sự mở rộng xung cho phép là một phần của chu kì bit bị giới hạn tới một giá trị tối đa, và giá trị này được gọi là giá trị epsilon – ε, và giá trị này được xác định bởi bù công suất

Công thức tán sắc

Các công thức dưới đây được biến đổi tiếp theo phần phụ lục I.7 của tài liệu Series G Supplement 39 ITU-T Thông thường xung đầu vào có chu kì là một phần f của chu kì đối với xung RNZ, giá trị f này được gọi là chu trình làm việc Khi đó ta có: đối với mã đường truyền RZ thì f <1, còn đối với mã đường truyền NRZ thì f = 1 Trong sợi quang dài L km, tốc độ B Gbps với hệ số tán sắc là D ps/km nm tại bước sóng λ μm thì tán sắc màu ps/nm tối đa cho phép kết nối là:

5 2

2

650.819.1

.

f

B B

L D







λ

ε

=

Ở đây Γv được tính theo GHz là độ rộng -20 dB của phổ nguồn trong tần số

quang Độ rộng này tương ứng với độ rộng -20dB của phổ bước sóng Γλ theo nm được đưa ra bởi phương trình:

ν

λ ≈ λ ΓΓ

792299

Ngược lại, nếu tốc độ bít cao/phổ hẹp thì phương trình (2-1) được cho bởi phương trình:

f B

L

Lấy xấp xỉ chính xác 1% của phương trình (2-1) khiΓν >4B f Khi bù tán sắc là 1

dB (lúc đó thì giá trị của εlà 0.3 như được cho ở bảng dưới) và sử dụng mã đường truyền là NRZ (khi đó chu trình làm việc f=1), phương trình (2-4) thành:

548.282

2

2λ ≈

B L

Mối quan hệ giữa ε và bù công suất.

Phương trình liên quan phần mở rộng xung để bù công suất P ISI (tính theo dB) cho các xung NRZ và các laser đơn mode SLM (Single Longitudinal Mode) là:

( )

5 0 5 2

10

2

110or

21log5

P

ISI

ISI

P

−

=επε

+

Kết quả này độc lập với BER, BER khoảng 10− 10 trong khuyến nghị G.957

ITU-T Trong thực tế bù công suất tăng rất ít khi BER tăng đến 10−12, bởi vậy ε có thể giảm khoảng vài phần trăm tại mức bù cụ thể

Bảng (2-1) đưa ra một số giá trị tại một số giá trị bù công suất, có sử dụng lấy xấp

Bảng 2-2 Bù công suất cho một số giá trị epsilon

Đối với laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode) bù công suất cho tạp âm cạnh tranh mode MPN (Mode Partition Noise) được mô hình như:

Việc xác định giá trị của ε đối với các laser MLM trong khuyến nghị G.957

ITU-T , cho phép bù công suất tổng là 1dB, với hệ số Q = 6.36 thì tương ứng với tỉ số lỗi bít BER = 10-10 và hệ số k có giá trị 0.7 cho hệ số của MPN Giá trị cực đại của ε (ε = 0.115) trong khuyến nghị G.957 ITU-T nhỏ hơn giá trị được cho phép trong phương trình (2-7), vì kết quả của sự phán đoán kĩ thuật xác định rằng có nhiều giá trị bảo toàn hơn được sử dụng

Đối với tỉ số lỗi bít BER là 10-12 thì sử dụng giá trị epsilon là 0.109 được suy ra từ phương trình (2-7) với các hệ số Q=7.03 và k=0.76

Các ví dụ chỉ xét laser SLM có MPN bằng 0

Ví dụ

Ở đây, tốc độ bít STM được sử dụng đối với NRZ 10G: 9.95328 Gbit/s, và đối với NRZ 40G: 39.81312 Gbit/s giống trong khuyến nghị G.707/Y.1322 của ITU-T Từ bảng (2-1), ta có ε = 0.3 hoặc 0.48 để bù công suất tương ứng là 1 hoặc 2dB.

Ví dụ 1: Xét tán sắc màu cho phép lớn nhất tại một số tốc độ bít NRZ không xảy

ra chirp với độ rộng nguồn khác không (với chirp hoặc mode biên không đáng kể) khi sử dụng bù công suất là 1dB Như thế phương trình (2-1) tại bước sóng 1550nm cho hình (2-1) (từ phương trình (2-2) tại bước sóng này, trải tần số 100GHz tương đương với việc trải bước sóng khoảng 0.8nm) Các giá trị tán sắc yêu cầu độc lập với loại sợi

Chú ý rằng khi độ rộng phổ nguồn tăng thì giá trị tán sắc màu cho phép lớn nhất giảm Điều này ít thấy tại tốc độ bít cao hơn, mà tại tốc độ đó phổ điều chế tạo nên sự chia nhỏ lớn hơn trong độ rộng phổ tổng

Chiều dài giới hạn tán sắc có được bằng cách chia tán sắc màu cho hệ số tán sắc màu của sợi Ví dụ, với sợi G.652 thì D(1550)=17ps/nm.km, sơ đồ giống như các kết quả hình (2-1) với trục tung được chia thành 17 để hiển thị chiều dài theo đơn vị Km

Hình 2-10 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm

Ví dụ 2: Xét trường hợp giới hạn trong ví dụ 1 của máy phát có độ rộng vạch phổ

hẹp và tốc độ bít cao (các giá trị trên tung độ của đồ thị) Tán sắc màu cho phép được cho bởi phương trình (2-4) biến đổi thành:

2606.117

B

nếu bù công suất là 1 dB (khi đó giá trị của epsilon sẽ là 0.3)

2169.188

B

nếu bù công suất là 2 dB (khi đó epsilon là 0.48)

Bảng (2-2) đưa ra các giá trị tán sắc màu tương ứng (các số 1dB tương ứng với các mặt phẳng đứng trong hình (2-1))

Tốc độ bít NRZ không chirp (Gbps)

Ví dụ 3: Xét nguồn độ rộng phổ vạch hẹp ở dải cao hơn của băng C là tại bước

sóng 1565nm và bù 1dB Như vậy, theo phương trình (2-5) thì chiều dài giới hạn tán sắc được xác định theo công thức:

D B

Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm

Nhắc lại rằng trong các mã ứng dụng hệ thống có: trong cơ quan I (≤25 km), cự ly ngắn S (≤40 km), cự ly dài L(≤80 km), và rất dài V (≤120 km) Các ví dụ trong bảng (2-3) được sử dụng tại bước sóng 1565nm

• Các hệ thống NRZ 10G với sợi G.653 cho các ứng dụng I, S, L và V hoặc với sợi G.655 cho các ứng dụng I, S và L thường không yêu cầu thích ứng tán sắc màu

• Các hệ thống NRZ 10G với sợi G.652 cho các ứng dụng L và V yêu cầu tán sắc màu thích ứng

• Các hệ thống NRZ 40G yêu cầu thích ứng tán sắc cho tất cả các loại sợi và cho các ứng dụng I, S, L và V Đối với loại sợi G.652 thì giới hạn chiều dài NRZ 40G bắt đầu tại vài km.

Ví dụ 4: Trong ví dụ cuối cùng này, xét phương trình (2-4) cho một số trường hợp

tại tốc độ 40Gbps

Dạng mã đường truyền (không chirp) Tán sắc màu cực đại [ps/nm]

Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB

4.1.1.2 Bù công suất do tán sắc màu

Khuyến nghị ITU-T G.959.1 đưa ra việc bù đường truyền tối đa là 1dB cho các hệ thống tán sắc thấp và 2dB đối với các hệ thống có tán sắc cao Các giá trị bù công suất không tỉ lệ với khoảng cách để tránh hoạt động với các điểm bù cao

Trong tương lai, các hệ thống sử dụng các kĩ thuật DA dựa vào độ méo trước (chẳng hạn chirp trước) của tín hiệu quang tại máy phát có thể được giới thiệu Trong trường hợp này, bù tuyến quang có thể được xác định chỉ giữa các điểm với các tín hiệu không méo Tuy nhiên, các điểm này không trùng khớp (cùng thời gian) với các giao diện tuyến chính, và vì thế có thể thậm chí không thể truy nhập Việc xác định bù đường truyền cho việc sử dụng này sẽ được nghiên cứu sau

4.1.1.3 Thiết kế sử dụng bù tán sắc

Trong hệ thống giới hạn tán sắc thì hệ thống nào có tổng tán sắc tích lũy cho một xung truyền mà lớn hơn tán sắc cực đại cho phép thì hệ thống không thể hoạt động do nhiễu giữa các kí hiệu xảy ra nghiêm trọng hoặc sự mở rộng xung ban đầu Vì thế chúng cần thiết phải đặt các khối bù tán sắc DCU (Dispersion Compensate Unit) tại các vị trí khác nhau trong mạng Các sợi quang cũng có khả năng bù tán sắc như sợi dịch tán sắc hoặc sợi FBG là những sợi thông dụng nhất Khi thiết kế một tuyến WDM tốc độ cao

(trong đó tán sắc có thể xem là nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống) thì chúng ta nên sử dụng bản đồ tán sắc để thiết kế hệ thống được hiệu quả.

Bản đồ tán sắc là bản đồ hai chiều mà đồ thị là tán sắc tích lũy với chiều dài truyền dẫn Bản đồ này đặc biệt có ích, nó giúp cho người thiết kế biết được vị nào nên đặt bộ bù tán sắc trong mạng Tán sắc tích lũy được tính toán bằng cách nhân tán sắc yêu cầu kĩ thuật của sợi và laser đối với tốc độ bít cho trước với chiều dài của sợi tương ứng

Ví dụ, sợi SMF có giá trị tán sắc thông thường là 16ps/nm.km, điều đó có nghĩa là với mỗi km truyền dẫn của sợi SMF thì một xung tốc độ 10 Gbps trải rộng ra khoảng 16ps Phải đảm bảo rằng sự mở rộng xung tích lũy khi tín hiệu truyền qua x km phải nhỏ hơn giới hạn tán sắc cực đại (giá trị tán sắc giới hạn cực đại này có thể là 1600ps/km.nm đối với tín hiệu tốc độ 10Gbps)

Từ đây, rõ ràng là tín hiệu có thể đi được 100 km (1600:16) đối với sợi SMF tại tốc độ 10Gbps Khi tín hiệu truyền dẫn ở khoảng cách lớn hơn thì tán sắc tích lũy cũng tăng lên Đối với hệ thống có tốc độ bít cho trước và bước sóng hoạt động cho trước (hoặc băng sóng hoạt động) thì tán sắc tích lũy cho phép cực đại được đưa ra bởi một yêu cầu kĩ thuật chuẩn Tại điểm không trong bản đồ tán sắc, giá trị của đường cong cao hơn giới hạn tán sắc cho phép Chú ý rằng các tham số tán sắc phụ thuộc vào nhiều yếu

tố Các yếu tốc chính là tốc độ bít (điều này được thể hiện bởi độ rộng xung), chiều dài sợi, các tham số tán sắc cơ bản và độ rộng phổ của laser Một nghiên cứu đáng chú ý là

sự thay đổi của bù công suất đối với hệ thống giới hạn tán sắc như một hàm của tham số tán sắc D, giá trị D này được suy ra từ yêu cầu kĩ thuật của sợi cơ bản Giá trị D có thể được xét đến như một thành phần cân bằng giữa tốc độ bít, chiều dài sợi, và độ rộng của nguồn phổ phát xung

Hình 2-11 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất

Có hai kĩ thuật được sử dụng để bù tán sắc Đó là phương pháp bù tán sắc trước (precompensation) và phương pháp bù tán sắc sau (postcompensation) Đúng như tên gọi của nó, bù trước có nghĩa là bù tán sắc trước khi tín hiệu được đưa vào hệ thống Đây là

kĩ thuật bù xung tiên tiến với các khối DCU Ngược lại, kĩ thuật bù tán sắc sau sử dụng thiết bị bù tán sắc được đặt tại cuối sợi Trong kĩ thuật bù trước, có thể đặt khối DCU sau

bộ khuếch đại đường Các khối như thế có các vòng sợi có mặt nghiêng tán sắc ngược với mặt nghiêng tán sắc của sợi truyền dẫn Ví dụ, một sợi truyền dẫn có tham số tán sắc

là 16 ps/nm.km Khối DCU có thể có mặt nghiêng tán sắc xấp xỉ -50ps/nm.km Tín hiệu qua các khối DCU và xung đã được bù tán sắc Ngược lại, với kĩ thuật bù tán sắc sau, các modul DCU được đặc trước các bộ tiền khuếch đại đường, như được chỉ ra ở trong hình 2-3

Khi thêm các khối DCU vào thì suy hao sẽ tăng lên đáng kể Điều này là do sự ghép nối khác nhau giữa sợi truyền dẫn và khối DCU Hơn nữa, các mặt nghiêng tán sắc khác nhau dẫn đến sự ghép đôi không đối xứng pha, điều này để ngăn hiện tượng FWM xảy ra Đây là một ưu điểm của DCU trong việc hạn chế các hiệu ứng phi tuyến Hình 2-

3 và 2-4 cho thấy vị trí của các DCU, cũng như giá trị tán sắc từng chặng

Hình 2-12 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc

Hình 2-13 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau

4.1.1.4 Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống

Nếu phân loại theo số lượng kênh thì có hai loại hệ thống, đó là hệ thống đơn kênh và hệ thống đa kênh Cũng như vậy ta xét dung sai tán sắc màu dư của hệ thống đơn kênh SC và của hệ thống đa kênh MC

Dung sai tán sắc màu dư của hệ thống đơn kênh SC

Tương đối khó để đưa ra một hướng dẫn chung cho dung sai tối đa về tán sắc màu

dư trong hệ thống 1x40Gbps vì một số khía cạnh phải được xét

Khía cạnh đầu tiên là dạng điều chế truyền dẫn: trong trường hợp này xét hình thức truyền dẫn RZ (T FWHM=5ps) Điểm thứ hai là công suất đầu vào quang; trong thực tế các công suất đầu vào thấp cho phép hoạt động trong chế độ tuyến tính nhưng không đảm bảo tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm (OSNR) Mặt khác, nếu công suất đầu vào cao hơn thì mặc dù có OSNR tốt hơn nhưng lại gây ra các hiệu ứng phi tuyến

Các kết quả được thực hiện với khoảng cách bộ khuếch đại 100km trên 500km, công suất quang đầu vào thay trong khoảng từ 0 đến 10dBm, và tán sắc dư thay đổi trong khoảng giữa -30 và 30 ps/nm Hình (2-6) là bù trên sơ đồ dạng mắt theo dB để chống lại tán sắc dư đối với hai công suất đầu vào: 5dBm (đường liền) và 10dBm (đường đứt)

Có thể nhận thấy rằng, việc thiết lập giới hạn trên 1dB trong điểm bù kết thúc mắt ứng với trường hợp bù chính xác, dẫn đến tán sắc dư lớn nhất là khoảng 17ps/nm Giá trị tán sắc dư này tương ứng với dung sai chỉ khoảng 1km trên tổng chiều dài kết nối khi sử dụng sợi G.652 và khoảng 4km khi sử dụng sợi G.655

Các nghiên cứu trên không phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng bù tán sắc, mặc dù

rõ ràng tính khả dụng của thiết bị có thể điều hướng được sẽ cho phép giải quyết tốt vấn

đề này Khi đề cập tới các sợi bù tán sắc (DCF), hệ thống sẽ được sửa đổi để chứa các bộ khuếch đại trạng thái kép Các kết quả trong hình (2-5) chỉ đúng đắn khi phát vào sợi DCF công suất quang thấp hơn 3dBm để giảm các hiệu ứng phi tuyến

Hình 2-14 Đồ thị bù dạng mắt

Dung sai tán sắc màu dư trên hệ thống đa kênh Nx40Gbps

Trong trường hợp hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng, cũng cần lưu ý tới độ dốc tán sắc sợi Do độ dốc tán sắc, mỗi kênh WDM được đặc trưng bởi một giá trị

hệ số tán sắc khác nhau Giá trị này được xấp xỉ tại vùng bước sóng 1550nm như phương trình:

( )λ =D(1550)+S0(λ−1550)

trong đó D là hệ số tán sắc, S là hệ số độ dốc tán sắc và λ là bước sóng kênh

Lúc này vẫn tương đối khó để tìm các thiết bị bù tán sắc có thể bù chính các độ dốc tán sắc Sau này, khi đề cập tới các hệ thống WDM, thiết bị bù tán sắc được chọn để

bù tán sắc chính xác cho kênh trung tâm trong khi các kênh bên chịu tán sắc dư Tại điểm này, dung sai tán sắc dư lớn nhất cho mỗi kênh có thể được đánh giá lại trong hình 2-5 Một giá trị như thế đưa ra giới hạn tại cùng thời gian 3 con số: số kênh N, khoảng cách kênh và chiều dài hệ thống

Khi một số kênh được đặc trưng bởi tán sắc dư lớn hơn thì nó vẫn có thể thu được hiệu năng chấp nhận được bằng cách thêm thiết bị bù đặt sau bộ giải ghép kênh và với giá trị tối ưu cho mỗi kênh

4.1.1.5 Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF

Trong phần này cung cấp một ví dụ thực tế của các đề cập trên

Xét một hệ thống truyền dẫn WDM 4x40Gbps trên sợi G.652 sử dụng DCF với các thông số sau:

 Bốn kênh WDM cách nhau 200GHz tại các bước sóng:

 Các thông số khác giống như trong phần các giả thiết

Vì độ dốc tán sắc là khác nhau từ các DCF nên các kênh khác nhau có tán sắc khác nhau và vì thế chúng không có bù bằng nhau

DCF được chọn để bù chính xác cho kênh thứ 3 (λ3 =1557.36nm) Sau bộ lọc điện

chúng ta đánh giá hiệu năng hệ thống bởi thiết bị kết thúc dạng mắt theo dB

Hình 2-6 chỉ ra mỗi kênh, sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của kênh đối với kênh thứ 3 Theo cách này chúng ta có thể đánh giá tán sắc dư tại các vị trị của bộ khuếch đại