Truyền hình số mặt đất DVB t đồ án tốt nghiệp đại học

TÓM TẮT ĐỒ ÁNĐồ án này đi vào tìm hiểu về công nghệ DWDM và các yêu cầu của côngnghệ DWDM tận dụng dải tần rất rộng lớn của sợi quang, thực hiện truyền dẫnhai chiều trên một sợi, tiết ki

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn: ………

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

LỜI NÓI ĐẦU vi

TÓM TẮT ĐỒ ÁN vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tổng quan về công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng 1

1.2.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang 2

1.2.2 Nguyên lý cơ bản kỹ thuật WDM 3

1.3 Các tham số 5

1.3.1 Suy hao xen 5

1.3.2 Xuyên âm 6

1.3.3 Độ rộng phổ của kênh 7

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM 7

1.4.1 Ưu điểm 7

1.4.2 Nhược điểm 9

1.5 Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ 9

1.5.1 Số kênh bước sóng 10

1.5.2 Độ rộng phổ của nguồn phát 11

1.5.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến 15

1.6 Kết luận chương 21

CHƯƠNG 2 SỢI QUANG VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG WDM 22 2.1 Giới thiệu 22

2.2 Sợi quang 22

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang 23

2.2.2 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 23

2.2.3 Các thông số của sợi quang 25

2.3 Cáp quang 29

2.3.1 Yêu cầu kết cấu của cáp quang 29

2.3.2 Cấu trúc và các thành phần của cáp 30

2.3.3 Các loại cáp quang được khuyến nghị sử dụng trong hệ thống DWDM 32

2.4 Laser phát 36

2.4.1 Các phương thức điều chế laser 37

2.4.1.1 Điều chế trực tiếp 37

2.4.1.2 Điều chế gián tiếp 37

2.4.2 Ổn định bước sóng và điều khiển laser 38

2.4.3 Các loại LD sử dụng trong hệ thống DWDM 39

2.5 Bộ điều chỉnh công suất 44

2.6 Các bộ tách/ghép bước sóng 44

2.6.1 Nhóm dựa trên nguyên lí tán sắc góc 44

2.6.2 Nhóm dựa trên nguyên lí giao thoa 46

2.6.3 Ghép/tách kênh sử dụng ống dẫn sóng kiểu cách tử ống dẫn sóng quang (AWG) 47

2.6.4 Bộ ghép/tách kênh sử dụng bộ lọc quang 48

2.7 Bộ khuếch đường quang đại 49

2.7.1 Nguyên lí khuếch đại EDFA 50

2.7.2 Phương pháp khuếch đại EDFA 51

2.8 Bộ xen/rẽ quang (OADM) 55

2.9 Bộ nối chéo quang 57

2.10 Các thiết bị bù tán sắc 58

2.11 Bộ thu quang 59

2.11.1 Photodiode PIN 59

2.11.2 APD 61

2.12 Tìm hiểu một số thiết bị sử dụng 62

2.12.1 Hệ thống truyền dẫn quang CPL 62

2.12.2 Hệ thống OME 6500 73

2.12.3 Hệ thống kết nối chéo, chuyển mạch HDXC 73

2.13 Kết luận chương 76

CHƯƠNG III THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ DWDM 77

3.1 Giới thiệu 77

3.2 Thực trạng sử dụng và nhu cầu tăng dung lượng tuyến truyền dẫn quang WDM do VTN quản lý 77

3.3 Lý thuyết thiết kế tuyến thông tin quang DWDM 79

3.3.1 Thiết kế dựa trên quỹ công suất 80

3.3.2 Thiết kế dựa trên OSNR 80

3.3.3 Thiết kế dựa trên mô phỏng 81

3.3.4 Giới thiệu phần mềm optisystem 86

3.3.5 Mô hình tham chiếu hệ thống WDM và tính toán các thông số ký thuật 88

3.4 Thiết kế tuyến thông tin quang DWDM sử dụng phần mềm Optiwave 88

3.4.1 Bài toán 88

3.4.2 Phân tích bài toán 89

3.4.3 Tiến hành mô phỏng 91

3.4.3 Kết quả 101

3.5 Kết luận chương 106

KẾT LUẬN 107

PHỤ LỤC 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây nền kinh tế nước ta phát triển nhanh, tiến đếnhội nhập toàn cầu dẫn tới nhu cầu trao đổi thông tin tăng mạnh Sự bùng nổ củamạng internet cũng như hàng loạt các dịch vụ mới yêu cầu băng thông rộng rađời như truyền hình cáp, truyền hình độ phân giải cao, truyền hình hội nghị,mạng riêng ảo VPN, mạng WAN vvv Lĩnh vực viễn thông đem lại lợi nhuận caonên nhiều doanh nghiệp đầu tư, khai thác và cung cấp các dịch vụ viễn thông tạonên một thị trường sôi động Tuy nhiên xây dựng một mạng truyền dẫn vớikhoảng cách lớn và phạm vi rộng không phải nhà khai thác viễn thông nào cũnglàm được Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam VNPT là nhà khai thácviễn thông lớn ở Việt Nam đã xây dựng được một mạng lưới viễn thông rộngkhắp các tỉnh thành trong nước và mở rộng kết nối đi quốc tế Trong đó, mạngtruyền dẫn quang đường trục Bắc - Nam đóng vai trò hết sức quan trọng, nơi tậptrung truyền tải lưu lượng chính trong nước Lưu lượng truyền dẫn qua mạngđường trục tăng nhanh từ 2.5Gbps (công nghệ SDH), đến năm 2010 là 20Gbps

và hiện nay đã là 240Gbps với công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng mật

độ cao (DWDM) DWDM đem lại truyền dẫn ở tốc độ cao bằng cách ghép nhiềukênh bước sóng ở của sổ 1550nm mà không cần thay đổi mạng quang hiện có

Để tiếp cận công nghệ mới hiện đại, đang được sử dụng rộng rãi trên các tuyếntruyền dẫn quang đường trục, tuyến nối quốc tế…Em lựa chọn đề tài “ Nghiêncứu thiết kế tuyến thông tin quang, sử dụng công nghệ DWDM”

Nội dung đồ án bao gồm ba phần chính sau :

 Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bướcsóng

 Chương II: Nghiên cứu các thiết bị sử dụng trong hệ thống DWDM

 Chương III: Thiết kế tuyến thông tin quang dung lượng 240Gb/s

Em xin trân trọng cảm ơn Ths Nguyễn Thị Kim Thu đã tận tình hướngdẫn về nội dung và phương pháp, giúp em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp

Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo đã giúp đỡ chúng em trongsuốt thời gian học tập và hoàn thành chương trình đào tạo

Nghệ An, ngày …… tháng… năm 2012

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đi vào tìm hiểu về công nghệ DWDM và các yêu cầu của côngnghệ DWDM tận dụng dải tần rất rộng lớn của sợi quang, thực hiện truyền dẫnhai chiều trên một sợi, tiết kiệm đầu tư cho đường dây, tính linh hoạt, tính kinh tế

và độ tin cậy cao, kết cấu đấu chéo nhanh, tăng số bước sóng trên một sợiquang….Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đô caoDWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộngdung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống.DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụ băng rộngtrên mạng và là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tương

lai Trong đồ án này cũng đã trình bày thiết kế sử dung phần mềm OptiSystem

cho việc mô phỏng tính toán tuyến thông tin quang 80Gb/s

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Chỉ số kĩ thuật của laser bơm 980 nm 51

Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của DOSC 65

Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật của CMD4 66

Bảng 2.5: Các thông số kỹ thuật của WSS 67

Bảng 2.6: Các thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại 69

Bảng 2.7: Các thông số kỹ thuật của WSS 72

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng 2

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng 4

Hình 1.3: Độ rộng phổ của kênh 7

Hình 1.4: Sơ đồ tính toán quĩ công suất 12

Hình 1.5: Tán sắc PMD 14

Hình 1.6: Hiệu ứng FWM 18

Hình 2.1: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 23

Hình 2.2: Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) 23

Hình 2.3: Sự truyền ánh sáng trong sợi GI 24

Hình 2.4: Chiết suất dạng dịch độ tán sắc 25

Hình 2.5: Chiết suất dạng san bằng tán sắc 25

Hình 2.6: Công suất truyền trên sợi 26

Hình 2.7 Dạng xung vào và xung ra sau hiện tượng tán sắc 28

Hình 2.8 Cấu trúc tổng quát của cáp quang 30

Hình 2.9 Phân loại sợi quang theo tán sắc 35

Hình 2.10 Cấu trúc hệ thống WDM 36

Hình 2.11: Điều chế gián tiếp 38

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển laser 39

Hình 2.13: Tán xạ Bragg 40

Hình 2.14: Cấu tạo lưới phản xạ siêu chu kì 42

Hình 2.15: Bộ phát quang có điều chỉnh ngoài khoang 43

Hình 2.16: Bộ phát quang DFB hai cực điều chỉnh được bước sóng 43

Hình 2.17: Vị trí bộ điều chỉnh công suất 44

Hình 2.18: Bộ tách kênh sử dụng cách tử với thấu kính 45

Hình 2.19: Bộ tách kênh sử dụng cách tử kết hợp lăng kính Grin 45

Hình 2.20: Bộ ghép kênh sử dụng chuỗi lọc MZI 46

Hình 2.21: Bộ tách kênh sử dụng cách tử sợi quang 46

Hình 2.22: Bộ tách kênh sử dụng AWG 47

Hình 2.23: Bộ tách kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng điện môi 48

Hình 2.25: Phổ khuếch đại EDFA 53

Hình 2.26: Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc 54

Hình 2.27: Khuếch đại EDFA hai tầng 54

Hình 2.28: Bộ xen/rẽ quang OADM 55

Hình 2.29: OADM cố định 56

Hình 2.30: OADM điều khiển 56

Hình 2.31: Bộ nối chéo OXC kiểu chuyển mạch không gian 58

Hình 2.32: Cấu trúc và nguyên lí hoạt động PIN 60

Hình 2.33: Cấu trúc và nguyên lí hoạt động PAD 61

Hình 2.34: Chức năng của môdun DOSC 64

Hình 2.35: Chức năng của môdun CMD4 65

Hình 2.36: Chức năng của môdun WSS 67

Hình 2.37: Chức năng của môdun khuyếch đại 69

Hình 2.38: Mặt trước của môdu giám sát quang OPM 71

Hình 2.39 : Sơ đồ chức năng mô tả của DRA 72

Hình 2.40: Cấu hình bảo vệ 74

Hình 2.41: Cấu hình bảo vệ MSP 74

Hình 2.42: Cấu hình bảo vệ MS-SPING 75

Hình 2.43: Cấu hình bảo vệ SNCP 75

Hình 3.1: Sơ đồ của tuyến truyền dẫn WDM có sử dụng khuyếch đại quang 80

Hình 3.2: Cấu hình tham chiếu của hệ thống 82

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Chú giải tiếng anh Chú giải tiếng việt

3R Re-Shap, Re-Time, Re-amplify Bù tán sắc, đồng bộ, khuếch đạiAPD Avanlance Photodiode Đi ốt tách sóng quang thác

ASE Amplified Spontaneous Emision Phát xạ tự phát được khuếch đạiATM Asynchronuos Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộAWG Arrayed Waveguide Grating Ma trận ống dẫn sóng kiểu lưới

B-ISDN Broadband- Intergrated Service

Digital Network

Mạng số tích hợp đa dịch vụbăng rộng

CGS Cross Gain Saturation Bão hòa khuếch đại chéo

DBR Distributed Bragg Reflection Phản hồi tán xạ Bragg phân bốDCM Dispersion Compensating

DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố

HDTV High Difinition Television Truyền hình độ phân giải caoDISP-C Dispersion Compensation Bù tán sắc

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuyếch đại Raman phân bốDSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

DST Discrete Since Transform Biến đổi rời rạc

DWDM Desen Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bướcsóng mật độ cao

DX Digital Cross Connect Kết nối chéo số

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi có pha tạp

Erbium

ESCON Enterprise Systems Connection Mạng kết nối công ty

ESI Extenal Synchorous Interface Khối giao tiếp đồng bộ ngoài

FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

GPRS Global Positioning Radio

IM- DD Intensity Modulation - Direct

Detection

Điều chế cường độ - Tách trựctiếp

ITU-T International Telecommunication

MPI Multi Path Interface Xuyên nhiễu đa kênh

MVOA Monitored Variable Otiacal

Attennuator

Bộ phận giám sát điều chỉnh suyhao quang

MZI Mach Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach Zehnder

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

NZDSF None-Zezo Dispersion Shifted

Fiber

Sợi quang dịch chuyển tán sắckhác không

OADM Optical Add Drop Multiplexer Bộ xen rẽ sóng quang

ODMUX Optical Demultiplexer Bộ tách sóng quang

OMUX Optical Mutltiplexer Bộ ghép sóng quang

OSNR Optical Signal-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quangOXC Optical Crossconnect Nối chéo quang

PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ

PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc bán dẫn P-N có lớp tự

dẫn bên trongPMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mốt phân cực

PRC Primary Reference Clock Tần số đồng hồ chuẩn

SASE Stand Alone Synchoronization

Equipment

Thiết bị khôi phục đồng bộchuẩn

SBS Stimulated Brillouin Scatting Tán xạ Brillouin kích thíchSDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp đồng bộ số

SPM Self-phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scatting Tán xạ Raman kích thích

SSG Super Structure Grating Kết cấu lưới siêu chu kì

SSU Synchronistation Supply Unit Thiết bị cung cấp đồng bộ

STM Synchorous Transmision Mode Chế độ chuyển giao đồng bộTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian

VOA Variable Optiacal Attenuator Bộ suy hao điều chỉnh được

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bướcsong

WT Wavelengh Tranponder Chuyển đổi bước sóngXPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

1.1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển chưatừng có về nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn, chính điều này đã sản sinh ramột lượng thông tin rất lớn truyền tải trên mạng tạo ra nhiều áp lực mớicho mạnghiện tại Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hơn bao giờ hết Đểđáp ứng yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi trường lýtưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn Đối với hệ thống dung lượng thấp,công nghệ TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn của mộtkênh cáp đơn lên 10Gbps, thậm chí là 40Gbps Tuy nhiên, việc tăng tốc cao hơnnữa là không dễ dàng vì các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phứctạp và đắt tiền Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, bản thân các mạch điện tử sẽkhông thể đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho cácgiải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệrất cao Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn chế mà cácmạch điện hiện tại chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phân chiatheo bước sóng WDM ra đời Thế hệ sau của WDM là DWDM có thể ghép một

số lượng lớn bước sóng trong vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệthống lên hàng trăm Gbps

1.2 Tổng quan về công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng

Trong hệ thống đơn kênh, khi tốc độ đường truyền đạt đến mức độ nào

đó, người ta thấy các hạn chế của các mạch điện tử trong việc nâng cao tốc độcũng như kéo dài cự ly truyền dẫn Thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trêntuyến truyền dẫn rất tốn kém vì cấu trúc hệ thống khá phức tạp Do đó, kỹ thuậtghép kênh quang ra đời nhằm khắc phục được những hạn chế trên

Các phần tử quang trong hệ thống thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trongviệc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹthuật xử lý tín hiệu nhanh Về lý thuyết, ta có thể làm tăng đáng kể dung lượng

truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trêncùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một cách hợp lý và đầu thu

có thể thu được các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có bộ tách bước sóng.Đây chính là cơ sở kỹ thuật ghép bước sóng

1.2.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh họa như hình1.1 Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng λ1,λ2,…,λn.Các tín hiệu quang làm việc ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vàocùng một sợi dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ởphía phát nhờ bộ ghép kênh, bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ

và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để đến phía thu Các bộtách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu vớicác bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng là tận dụng hữuhiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợiquang 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 Hệ thống WDM dựa trên

cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để truyền đi nhiều bước sóng ánh sángkhác nhau, điều thiết yếu lúc này là việc truyền đồng thời nhiều bước sóngcùng một lúc không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng đại diện cho mộtkênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sựriêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1nm 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 - 16kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2.5Gbps cho tín hiệu mạngquang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhà cung cấp WDM đã sớmphát triển các thiết bị nhằm cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệthống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cungcấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbps và tiến tới đạt tốc độ Tbpstruyền trên một sợi đơn [14].

1.2.2 Nguyên lý cơ bản kỹ thuật WDM

Trong hệ thống thông tin quang điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quangchỉ có thể truyền tín hiệu từ một nguồn phát tới một bộ tách quang ở hướng thu.Như vậy để truyền các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi phải cónhiều sợi quang khác nhau Trong thực tế thì nguồn quang có độ rộng phổ tươngđối hẹp, vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần vốn rấtrộng của sợi quang Về mặt lí thuyết có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên nhiềulần bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi quang nếucác nguồn phát có phổ cách nhau một khoảng hợp lí và ở phía thu có các bộ táchbước sóng quang Đây chính là cơ sở cho kĩ thuật ghép kênh theo bước sóngWDM

Nguyên lí cơ bản của kĩ thuật WDM là các tín hiệu quang có các phổ khácnhau và không chồng lấn lên nhau được ghép lại với nhau, sau đó truyền trênmột sợi quang đến đầu thu Tại đầu thu tín hiệu có bước sóng tổ hợp đó đượctách ra thành các tín hiệu có bước sóng riêng biệt và đưa tới các đầu thu tươngứng Trong kĩ thuật ghép bước sóng quang có hai loại hệ thống: Hệ thống WDMđơn hướng và hệ thống WDM song hướng Hình 1.2 mô tả cấu trúc của hai hệthống này

Trong kĩ thuật ghép sóng quang đơn hướng các tín hiệu cần truyền (ởhướng phát) với các bước sóng khác nhau được ghép lại (λ1, λ2,… λN) với nhau

và sau đó truyền trên cùng một sợi quang thứ nhất Tại đầu thu sẽ tách các tínhiệu quang thành các tín hiệu thành phần trước khi đưa tới các bộ thu quangtương ứng Hướng ngược lại (hướng thu) các sóng quang (λ1, λ2,… λN) đượcghép và truyền trên sợi quang thứ hai

Trong kĩ thuật ghép sóng quang hai hướng các tín hiệu cần truyền (hướngphát) với các bước sóng khác nhau (λ1, λ2,… λN) được ghép lại với nhau vàtruyền trên sợi quang Tại đầu thu sẽ tách các tín hiệu quang thành các tín hiệuthành phần trước khi đưa tới đầu giải điều chế quang tương ứng Hướng ngượclại (hướng thu) các tín hiệu quang với các bước sóng (λ’

1, λ’

2,…, λ’

N) cũng đượcghép lại với nhau và truyền trên sợi quang trên

Hình 1.2: a) Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng b) Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

Máy thu quang

Máy thu quang

tách kênh

Bộ tách kênh/

ghép kênh

Máy thu quang

Máy phát quang

Máy phát quang

Bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Máy phát quang

Máy phát quang

Trong hai hệ thống trên hệ thống WDM đơn hướng được phát triển vàứng dụng tương đối rộng rãi Hệ thống WDM hai hướng yêu cầu khắt khe hơn vìkhi thiết kế gặp phải nhiều vấn đề như can nhiễu nhiều kênh (MPI), ảnh hưởngcủa phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, xuyên âm nên ít sử dụnghơn Tuy nhiên, hệ thống WDM song hướng giảm thiểu được số lượng sợi quang

và các bộ khuếch đại quang [14]

1.3 Các tham số

Các bộ ghép bước sóng thụ động được sử dụng hiện nay thường là các

bộ vi quang học (micro-optic) và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wavefibre coupler) Mỗi loại đều có ưu nhược điểm

Các bộ vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối các thấu kính đểghép vào sợi quang Các khó khăn trong việc định vị và ghép nối làm hạn chếcác đặc tính kỹ thuật, đặc biệt là đối với các sợi đơn mode Tuy nhiên, việc sửdụng các bộ vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính của bộ lọc rộng rãi hơn

Các bộ ghép sợi ít chịu ảnh hưởng của các khó khăn nêu trên nhưng lại

bị hạn chế trong việc lựa chọn các đặc tính cần có của bộ lọc, chẳng hạn nhưmức độ bằng phẳng của băng thông

Có 3 tiêu chuẩn cơ bản để xác định đặc tính của bộ ghép bước sóng:+ Suy hao xen

+ Xuyên âm

+ Độ rộng phổ của kênh

1.3.1 Suy hao xen

Suy hao xen ở đây được xác định như lượng tổn hao công suất trên tuyếntruyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng Khác với các couplerthông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước sóng:

Lk = -10log O(λk)/Ik(λk) MUX (1-1)

Li = -10log Oi(λi)/I(λi) DEMUX (1-2) Trong đó:

I(λi), O(λk) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung Ik(λk)

là công suất tín hiệu bước sóng λk đi vào cửa thứ k của bộ ghép, tín hiệu này

được phát từ nguồn phát quang thứ k.

Oi(λi) là công suất tín hiệu bước sóng λk đi khỏi cổng thứ i của bộ tách.Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của bộghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc do phản xạ Mức

độ ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên hệ thống còn tùy thuộcvào loại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng

1.3.2 Xuyên âm

Xuyên âm là sự dò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia Nó làm tăng nềnnhiễu, do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Hiện tượng này đượcsinh ra do các yếu tố sau:

+ Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện

+ Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát.+ Do phổ của các nguồn phát chồng lấn lên nhau

+ Do hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa công suất cao vào sợi quang.Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tínhiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang kênh khác có bước sóng khác với λi.Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên âm nào đó và làm giảm chấtlượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau đượcdiễn giải bằng suy hao xen và được tính bằng dB như sau:

Di(λi) = -10log Ui(λk)/I(λk) (1-3)

Trong đó: Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk

do có sự dò tín hiệu ở cửa thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóngλi

Trong thiết bị ghép - giải hỗn hợp, việc xác định suy hao xen kênh cũngđược áp dụng như bộ giải ghép Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loạixuyên kênh Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đườngtruyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk) Xuyên kênh đầu gần là do cáckênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(λi) Khicho các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từngthiết bị

1.3.3 Độ rộng phổ của kênh

Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh Độ rộngnày phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh Độ rộng phổ giữa các kênhtùy thuộc vào từng nguồn phát Ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau sẽ

có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác khác nhau

+ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng lớn của sợi quang

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng tần rộng lớn của sợi quang(đoạn sóng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang sovới truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần Từ đó tăng dunglượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giá thành, có giá trị ứng dụng và giá trị kinh

tế rất lớn Hiện nay, hệ thống thông tin sợi quang chỉ truyền dẫn trong một kênhtín hiệu bước sóng, mà bản thân sợi quang trong khu vực bước sóng có tổn haothấp rất rộng, có rất nhiều bước sóng có thể sử dụng nhưng hiện nay người ta chỉ

sử dụng một bộ phận rất nhỏ trong tần phổ tổn hao thấp của sợi quang Mặc dùcũng sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang

trộn Erbium (EDFA) (1530 ~1565 nm), nhưng cũng chỉ chiếm 1/6 dải tần của

nó Cho nên công nghệ WDM tận dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode,

do đó ở mức độ cao đã giải quyết vấn đề truyền dẫn

+ Truyền dẫn nhiều tín hiệu

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó

có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việctổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệutương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phươngtiện (như âm tần, thị tần, số liệu, văn bản, đồ hoạ,… )

+ Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Do các phương tiện thông tin đều dùng phương thức hoàn toàn song công,

vì vậy dùng công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đườngdây Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như:mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ (LAN) nhiềuđường nhiều địa chỉ…, do đó rất quan trong đối với ứng dụng mạng

+ Tiết kiệm đầu tư cho đường dây

Dùng công nghệ WDM có thể ghép kênh N bước sóng truyền dẫn trongsợi quang đơn mode, khi truyền dẫn đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm

số lượng lớn sợi quang Ngoài ra, thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệthống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suấttương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổi nhiềuđối với hệ thống cũ Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuêkênh quang, ngoài việc thuê sợi hoặc thuê cáp

+ Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện

Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, khi đó tốc độ tương ứng củanhiều linh kiện quang điện tất nhiên là không đủ Việc sử dụng công nghệ WDM

có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại

có thể truyền dẫn dung lượng lớn

+ Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng

Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lýtưởng, cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ IP) Thông qua

việc tăng thêm một bước sóng phụ để đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượngmới mong muốn, (ví dụ hiện nay thực hiện công nghệ IP trên WDM) Sử dụngcông nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó

có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai

1.5 Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ

Để thấy được vai trò quan trọng của công nghệ này đối với viêc phát triển

hệ thống mạng, trong chương này chúng ta sẽ xem xét những nét chung nhất vềcông nghệ DWDM so với các công nghệ truyền dẫn khác

Để giải quyết vấn đề băng thông và phát triển hệ thống đa dịch vụ trêncùng một mạng, công nghệ DWDM đã thực hiện ghép nhiều bước sóng trên cùngmột sợi quang Với việc tăng số bước sóng ghép trên một sợi quang một cáchđáng kể so với công nghệ WDM trước đây, điểm nổi bật của DWDM chính làkhả năng cho phép truyền trên sợi quang một lưu lượng khổng lồ lên tới hàngTerabits/s Tuy nhiên, để đạt được điều này một cách có hiệu quả thì hệ thốngDWDM có những yêu cầu rất đặc biệt đối với các chức năng quang như: độ linhhoạt cao, kết cấu đấu chéo nhanh, các bộ lọc và nguồn laser phải có khả năngđiều hưởng, các bộ thu phải có tạp âm thấp và độ nhạy cao

Các hệ thống DWDM hiện nay làm việc trên các kênh bước sóng theokhuyến nghị của ITU-T dành cho DWDM Nhiều bước sóng ghép trên mộtsợi quang đã mang lại sự linh hoạt và mềm dẻo cho cả các dịch vụ và băngthông Mỗi kênh bước sóng có thể truyền tải một loại lưu lượng khác nhaunhư SONET/SDH trên một kênh, ATM trên một kênh khác, tín hiệu thoại TDMhay Internet trên một kênh khác nữa

+ Một số vấn đề cần quan tâm:

DWDM thực hiện ghép một số lượng lớn các bước sóng quang đã đượcđiều chế trên một sợi quang Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường

nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứng dụng

hệ thống này thường là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và có dung lượngtruyền dẫn lớn Giống như bất cứ một công nghệ nào, DWDM cũng tồn tạinhững giới hạn và những vấn đề kỹ thuật Trong chương này, chúng ta sẽ xemxét một số tham số như: số kênh bước sóng, độ rộng phổ nguồn phát, quỹ côngsuất, tán sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

1.5.1 Số kênh bước sóng

Một trong những vấn đề quan trọng là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênhbước sóng và số kênh cực đại hệ thống có thể sử dụng được Số kênh bước sóng

sử dụng phụ thuộc vào:

+ Khả năng băng tần của sợi quang

+ Khả năng tách / ghép các kênh bước sóng

+ Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

+ Quĩ công suất quang

+ Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

+ Độ rộng phổ của nguồn phát

+ Khả năng tách ghép của hệ thống WDM

Mặc dù hệ thống DWDM hoạt động tại vùng cửa sổ truyền dẫn 1550 nm

có khoảng cách giữa các kênh khoảng 100 nm, nhưng do dải khuếch đại của cácthiết bị khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35 nm (Theo qui định của ITU-

T thì dải khuếch đại này nằm từ bước sóng 1530 nm - 1565 nm) nên trong thực

tế các hệ thống DWDM không tận dụng được hết băng tần của sợi quang Gọi ∆λλ

là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta sẽ có:

f = c. /2 (1-4)

Như vậy tại bước sóng λ = 1550 nm, với ∆λλ = 35 nm thì f = 4,37.1012Hz.Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5 Gbps thì theo tiêu chuẩnNyquisst với phổ cơ sở của tín hiệu là 2x2.5 = 5GHz, thì số kênh bước sóng cựcđại có thể đạt được N = 847 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang Đây là sốkênh tính theo lí thuyết tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn thì đòi hỏi các thànhphần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao Để tránh xuyên âm giữa các

kênh này cần có bộ phát rất ổn định và một bộ lọc quang có khả năng chọn lọcbước sóng cao.

Dựa vào khả năng công nghệ hiện nay, ITU- T đưa ra qui định về khoảngcách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0.8 nm) hoặc 50 Ghz (0.4 nm) vớichuẩn tần số là 193.1 THz như được chỉ ở phần phụ lục

Với công nghệ hiện nay DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần 1530

-1560 nm còn gọi là băng C:

+ 80 ~ 100 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 2,5 Gbps

+ 32 ~ 40 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 10 Gbps

Dải băng tần từ 1560 - 1600 nm hay còn gọi băng L đã bắt đầu đem vào

sử dụng với:

+ 100 ~ 200 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 2,5 Gbps

+ 64 ~ 100 kênh ứng với tốc độ mỗi kênh là 10 Gbps

Trong tương lai sẽ mở rộng băng tần DWDM sang dải tần từ 1480 nm

-1520 nm còn gọi là băng tần S với:

+ 80 ~ 100 kênh tương ứng với tốc độ mỗi kênh là 2,5 Gbps

+ 32 ~ 40 kênh tương ứng với tốc độ mỗi kênh là 10 Gbps [17]

1.5.2 Độ rộng phổ của nguồn phát

Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát đảm bảo cho các kênh bước sóngkhông chồng lấn lên nhau hay nói cách tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thucác kênh lân cận nhau Khoảng cách này phụ thuộc vào các thiết bị DWDM như

bộ tách ghép kênh, bộ lọc… và dung sai của các thiết bị DWDM

Một cách lí tưởng có thể xem hệ thống DWDM như là sự xếp chồng củacác hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi mà khoảng cách các kênh bước sóng là đủlớn và công suất phát hợp lí Mối liên hệ giữa các hệ thống phổ nguồn phát đượcthể hiện bởi tham số đặc trưng cho sự giãn phổ, kí hiệu là Δ, băng tần tín hiệu vàtán sắc Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợiquang thì sẽ có biểu thức:

 = B.D.RMS (1-5)

Trong đó:

B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn

D là độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền dẫn.

- Quỹ công suất

Trong DWDM khoảng cách truyền dẫn là rất lớn, khoảng cách giữa cáctrạm khuếch đại đường quang cũng lớn Do vậy công suất quang phải đủ lớn để

bù đắp phần công suất bị suy hao trên đường truyền, để máy thu đảm bảo tỉ số tínhiệu trên tạp âm Thông thường suy hao của sợi quang G.652 tại cửa sổ truyềndẫn 1500nm là 0.25dB/km Tín hiệu quang bị suy hao do nhiều nguyên nhân nhưsuy hao do sợi quang, do mối hàn nối, do các connector quang, do các thànhphần quang thụ động… Như vậy, suy hao tổng cộng khoảng 0.275dB/km

L

Hình 1.4: Sơ đồ tính toán quĩ công suất

Như chỉ ra hình vẽ 1.4, quĩ công suất quang được xác định như sau:

Quĩ công suất quang = (Pout - Pin)/a (1-8)Trong đó:

Pout là công suất quang phát

Pin là công suất quang thu

a là hệ số suy hao (dB/km) (Theo ITU- T thì a = 0.275dB/km)

- Tán sắc

Bản chất của tán sắc là do phổ của xung quang chứa nhiều bước sóng, màtốc độ lan truyền các bước sóng quang là khác nhau trong sợi quang và đến cuối

sợi quang là khác nhau Nó làm cho xung quang ở cuối sợi quang bị giãn ra sovới ở đầu vào sợi quang Các xung quang giãn ra sẽ gây ra sự giao thoa giữa cácxung quang lân cận và sẽ gây ra BER càng lớn.

Tán sắc tỉ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của ánh sángtruyền trong sợi quang càng rộng Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị dãn ra mộtlượng:

D = KCD .∆λλ.L (1-9)Trong đó: KCD là hệ số tán sắc của sợi có đơn vị là ps/(nm.km)

Δλ là độ rộng phổ ánh sáng quang

L là chiều dài sợi quang

Tán sắc tổng cộng bao gồm tổng tán sắc thành phần như tán sắc mode, tánsắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng

Tán sắc mode tồn tại trong các sợi quang đa mode (MI) khi mà các tiasóng truyền lan trong sợi theo các đường khác nhau do đó dẫn đến thời gian lantruyền các mode là khác nhau Tuy nhiên trong thông tin quang chỉ sử dụng sợiquang đơn mode (SI) nên không tồn tại tán sắc mode

Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất củavật liệu làm nên lõi sợi, nên nó tạo ra sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóngánh sáng

Tán sác ống dẫn sóng do sợi đơn mode chỉ giữ được 80% năng lượng ánhsáng truyền trong lõi sợi vì vậy còn 20% năng lượng truyền ngoài bề mặt sợi

Các phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến hệthống DWDM tốc độ cao có dùng khuếch đại EDFA là:

+ Bù tán sắc bằng sợi DCM sử dụng cách tử sợi Bragg

+ Dùng FEC để sửa lỗi

Đối với hệ thống DWDM hiện nay cần phải quan tâm đến ảnh hưởng củatán sắc mode phân cực (PMD).

Tán sắc mode phân cực PMD là thuộc tính cơ bản của sợi quang đơnmode và các thành phần hợp thành Trong đó năng lượng của bất kì bước sóngnào cũng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc truyềnkhác nhau như trên hình 1.5 Do vận tốc truyền của hai mode chênh nhau đôichút nên thời gian truyền cùng khoảng cách là khác nhau gây ra trễ nhóm(GVD) Vì vậy PMD gây nên hiện tượng giãn rộng xung tín hiệu làm giảm chấtlượng truyền dẫn Về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng giống như ảnhhưởng của tán sắc ống dẫn sóng Tuy nhiên vẫn có sự khác nhau, tán sắc ống dẫnsóng tương đối ổn định còn PMD trong sợi đơn mode ở bất kì bước sóng nàocũng không ổn định

(1-Trong đó: PMDtotal là tán phân cực của sợi quang, đơn vị ps

K là hệ số tán phân cực của sợi quang, có đơn vị là ps/ km1/2

L là chiều dài của sợi, đơn vị km

- Nguyên nhân của tán sắc mode phân cực là:

Do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang nên có sự khác biệt về chiếtsuất đối với trạng thái phân cực trực giao, được gọi là sự chiết quang Sự khácbiệt chiết suất sẽ sinh ra vận tốc mode khác nhau Trong sợi đơn mode hiệntượng này bắt nguồn từ sự không tròn hoặc ovan của lõi sợi theo hai cách: Ống

dẫn sóng ovan (vốn có tính chiết quang) và trường lực căng cơ học tạo nên bởilõi ôvan gồm cả chiết quang phụ

Sự chiết quang của các vật liệu trong suốt như thuỷ tinh được tạo ra từ cấutrúc tinh thể đối xứng Và vì vậy PDM trong các thành phần quang có thể sinh ra

từ sự chiết quang của các thành phần con trong các thành phần hợp thành Tínhiệu truyền trên các đường song song nhau có độ dài quang khác nhau cũng gây

ra hiện tượng trễ nhóm

Sự phân cực trong sợi đặc trưng cho sự chiết quang lực cơ học Nhiềuphần tử không phải là thủy tinh được đưa vào trong lớp vỏ sợi nên ở lõi xuất hiệntrường lực không đối xứng giống nhau dọc theo chiều dài của sợi Khi ánh sángphân cực bị ghép trong một đoạn sợi thì trường điện ở đầu ra của ánh sáng đầuvào được phân tích thành hai mode phân cực được duy trì dọc theo sợi và nănglượng của chúng sẽ không bị ghép

Ngoài những nguyên nhân trên, chiết quang sinh ra bởi uốn cong của sợi

Sự uốn cong đã làm thay đổi mật độ phân tử cấu trúc sợi, làm cho hệ thống khúc

xạ mất đối xứng Tuy nhiên chiết quang do uốn cong không phải là nguyên nhânchủ yếu sinh ra PMD

1.5.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

Khi công suất trong sợi quang nhỏ thì sợi quang được xem như môitrường tuyến tính, tính phi tuyến của sợi quang (chủ yếu do chiết suất) có thể bỏqua Tuy nhiên khi công suất ánh sáng trong sợi quang vượt quá một ngưỡng nào

đó thì tính phi tuyến sẽ ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợiquang Khi đó xuất hiện hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang, nghĩa là suy hao vàchiết suất phụ thuộc vào công suất tín hiệu quang trong sợi Hiệu ứng phi tuyến

sẽ gây một số hiện tượng như: Xuyên âm giữa các kênh quang, suy giảm mức tínhiệu từng kênh dẫn

Nhìn chung có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành hai loại:

Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm tán xạ Raman (SRS) và hiệu ứng tán xạBrillouin (SRB) Hiệu ứng liên quan đến chiết xuất phụ thuộc vào công suấtquang: Bao gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM) vàtrộn bốn bước sóng (FWM)

- Hiệu ứng tự điều chế pha (SPM)

Hiệu ứng tự điều chế pha SPM là hiệu ứng mà chiết suất của môi trườngtruyền dẫn mà chiết suất của môi trường thay đổi theo cường độ ánh sáng truyềntrong đó:

2

2 0

n

n   NL   11)

(1-Với:

n0 là chiết suất tuyến tính

n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2 = 1.22x10-22 (V/m2) đối với sợi SI)

E là trường quang

Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến ФNL của trường quang lantruyền trong sợi quang Giả sử bỏ qua sự suy hao quang thì sau khoảng cách Lthì pha của trường quang sẽ là:

NL

const L

E n n nL

sẽ thay đổi theo thời gian Sự thay đổi theo thời gian có nghĩa là trong xung tínhiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm ν0 với một giá trịбννNL, với:

(1-Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn saucủa xung dịch đến tần số ν < ν0 và sườn trước của xung dịch đến tần số ν > ν0.Điều này cũng có nghĩa phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền Trong

hệ thống DWDM do các kênh có khoảng cách kênh gần nhau, hiện tượng dãnphổ có thể gây ra hiện tượng xuyên nhiễu các kênh với nhau

- Hiệu ứng điều chế pha chéo SPM

Đối với hệ thống DWDM, hệ số tán sắc tại một bước sóng nào đó khôngchỉ phụ thuộc vào công suất ánh sáng của sóng đó mà còn phụ thuộc vào côngsuất của các bước sóng khác lan truyền trong sợi Trong trường hợp này, chiếtsuất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i là:

n

#

2 2

2 2 14)

(1-Với:

N là tổng số kênh quang

Ei là cường độ quang tại bước sóng thứ i

Từ công thức (1.14) số hạng thứ nhất ứng với hiệu ứng SPM, số hạng thứ

2 ứng với hiệu ứng XPM Nếu giả thiết công suất của các kênh là như nhau thìảnh hưởng của hiệu ứng XPM gấp 2N lần hiệu ứng SPM XPM có quan hệ đếnphương thức điều chế, khi điều chế ASK thì ảnh hưởng đến tính năng của hệthống là lớn nhất Có thể thông qua việc giảm công suất của các kênh tín hiệu đểgiảm XPM Ngoài ra, XPM không chỉ phụ thuộc vào công suất của kênh tín hiệu

mà còn phụ thuộc vào số kênh tín hiệu Số kênh tín hiệu càng nhiều, ảnh hưởngcủa XPM càng lớn

- Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM)

Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra hiệu ứng FWM trong sợi đơnmode Hiện tượng xảy ra khi 2 hoặc 3 sóng quang có tần số khác nhau sẽ tươngtác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới như hình 1.6 Tương tác này có thểxuất hiện giữa các bước sóng WDM hoặc giữa các bước sóng tạp âm ASE củacác bộ khuếch đại quang Hiệu suất của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiệnphù hợp về pha Mặt khác trong sợi quang luôn tồn tại tán sắc nên điều kiện phùhợp về pha rất khó xảy ra Tuy nhiên với môi trường truyền dẫn là các sợi có tánsắc thấp, và khoảng cách truyền dẫn là tương đối lớn và các kênh là gần nhau thìđiều kiện này coi như là sấp xỉ đạt được

Giả sử có ba bước sóng ứng với các tần số là ωi, ωj và ωk thì tổ hợp tần sốmới tạo ra là ωijk được tính theo công thức:

ijk  i  j  k (1-15)

Với hệ thống WDM có N kênh thì tổng số tín hiệu FWM là (N3 – N2)/2

Hình 1.6: Hiệu ứng FWM.

Theo quan điểm lượng tử ánh sáng thì hiệu ứng FWM là hiệu ứng màtrong đó có sự phá hủy một số phonton bước sóng mà tạo ra một số phonton ởbước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng và động lượng Nếu gọi

Pilk(L) là công suất ứng với tần số ωijk thì :

( ) 1024 ( 6 ( 3 ) ) 2 22 exp( )

2 2 0

6

L P

P P S

L c

n L

eff ijk

η là hiệu suất quá trình WDM

c là vận tốc ánh sáng trong chân không

Seff là diện tích vùng lõi hiệu dụng

Pi, Pj, Pk công suất tương ứng tới các bước sóng λi, λj, và λk

α là độ cảm phi tuyến bậc 3

Hiệu suất η của quá trình WDM phụ thuộc vào diều kiện phù hợp về pha.Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh khi điều kiện này được thỏa mãn (tức là động lượngcủa phonton được bảo toàn) Về mặt toán học thì điều kiện này có thể được biểuthị như sau:

(ijk) = (i) + (j) + (k) (1-17)

Do việc tạo ra một số tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệuứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM.Hơn nữa, nếu khoảng cách các kênh bằng nhau thì tần số mới tạo ra có thể rơivào tần số các kênh tín hiệu, gây ra xuyên âm các kênh làm giảm chất lượng hệthống

Vì hệ thống WDM chỉ làm việc ở vùng cửa sổ 1550 nm và do tán sắc củasợi 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 (G.653) xấp xỉ từ 0 đến 3 ps/nm.km nên hệ thống WDM làm việc trên sợi đơn mode bị ảnh hưởng bởi hiệuứng FWM ít hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển.

Ảnh hưởng của FWM càng lớn nếu khoảng giữa cách các kênh càng nhỏcũng như khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậyhiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự li truyền dẫn hệ thống WDM

Nếu gọi Pu(L) là công suất của bước sóng Stoke trong sợi quang thì:

Ps(L) = P0exp (grP0L/K.Seff) (1-18)Trong đó:

P0 là công suất bước sóng tín hiệu đầu vào

gx là hệ số khuếch đại Raman

K là hệ số đặc trưng cho mối quan hệ phân cực giữa tín hiệu, bước sóngstoke và phân cực của sợi Đối với sợi thông thường thì K 2

Công thức (1-18) có thể dùng tính toán mức công suất P0 mà hiệu ứngRSR ảnh hưởng lớn đến hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman (P0th) ( P0th là côngsuất của tín hiệu đầu vào ứng với nó, công suất của bước sóng Stoke và của bướcsóng tín hiệu đầu ra bằng nhau)

P0th ≈ 32 Seff (L.gx) (1-19)

Từ công thức (1-20) sẽ tính toán được: đối với hệ thống đơn kênh để hiệuứng SRS có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất P0 phảilớn hơn 1W (Nếu trong hệ thống không sử dụng khuyếch đại quang trên đườngtruyền) Tuy nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơnnhiều vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đo côngsuất của các kênh có bước sóng ngắn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần nănglượng cho các bước sóng lớn) làm giảm hệ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệthống Để đảm bảo suy giảm S/N không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất củatừng kênh phải thỏa mãn điều kiện sau (theo nguyên lí của Chraplyvy):

10 28 10 21

12

(1-20)Với N:

N là số kênh bước sóng

∆λf là khoảng cách giữa các kênh bước sóng

Như vậy trong hệ thống DWDM thì hiệu ứng này cũng hạn chế số kênhbước sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiềudài của hệ thống Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tínhiệu thì hiệu ứng này cũng gây ra xuyên kênh

- Hiệu ứng SBS

Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có sự tạothành các bước sóng Stoke với các bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sángtới Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: Hiệu ứng SBS liên quan đếncác phonon âm học còn hiệu ứng SRS liên quan đến các phonon quang Chính sựkhác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hưởng khác nhau đến hệ thốngWDM Trong hiệu ứng này, một phần ánh sáng bị tán xạ do các phonon âm học

và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ và dịch tới bước sóng dài hơn (tương đươngvới độ dịch tần là khoảng cách 11Ghz tại bước sóng 1550 nm) Tuy nhiên chỉ cóphần ánh sáng bị tán xạ là theo chiều ngược lại (tức là ngược chiều với chiềutruyền tín hiệu) mới có thể truyền đi trong sợi quang, vì vậy trong hệ thốngDWDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBSkhông gây ra xuyên âm kênh

Trong tất các các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xẩy ra hiệuứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW Nhưng do hiệu ứng SBS giảm tỉ lệvới ΔVB/∆λVlazer (∆λVB là băng tần khuyếch đại Brillouin, ∆λVlazer là độ rộng phổ củalazer) và băng tần khuyếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10-100 MHz) nênhiệu ứng này cũng khó xảy ra Chỉ với hệ thống với nguồn phát có độ rộng phổrất hẹp thì mới có thể ảnh hưởng bởi hiệu ứng SBS Người ta tính toán được mứccông suất ngưỡng đối với tín hiệu SBS như sau:

B eff

p u eff

V gL

V V KA P

21 21)

(1-Trong đó:

G là hệ số khuếch đại Brillouin

Aeff là diện tích hiệu dụng của sợi quang

K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stoke

và phân cực của sợi Đối với sợi thông thường K≈ 2

∆λVB là băng tần khuếch đại Brillouin

ΔVp là độ rộng phổ của tín hiệu

Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh vàkhoảng cách giữa từng kênh trong hệ thống DWDM Hiệu ứng này không phụthuộc vào số kênh của hệ thống[15]

1.6 Kết luận chương

Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đôcaoDWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộngdung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống.DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụ băng rộngtrên mạng và là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tươnglai Các thành phần cấu thành hệ thống DWDM sẽ được xem xét ở

CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ

THỐNG WDM

2.1 Giới thiệu

Với việc tăng số bước sóng ghép trên một sợi quang một cách đáng kể sovới công nghệ WDM trước đây, điểm nổi bật của DWDM chính là khả năng chophép truyền trên sợi quang một lưu lượng khổng lồ lên tới hàng Terabits/s Tuynhiên, để đạt được điều này một cách có hiệu quả thì hệ thống DWDM có nhữngyêu cầu rất đặc biệt đối với các chức năng quang như: độ linh hoạt cao, kết cấuđấu chéo nhanh, các bộ lọc và nguồn laser phải có khả năng điều hưởng, các bộthu phải có tạp âm thấp và độ nhạy cao… Chương 2 sẽ tập trung tìm hiểu cácthành phần cơ bản và yêu cầu đối với từng thành phần thiết bị trong hệ thốngmạng DWDM

2.2 Sợi quang

Sợi quang là một trong những thành phần quang trọng nhất của mạng, nó

là phương tiện truyền dẫn vật lý Sợi quang được chế tạo từ SiO2 một nguyênliệu rất rẻ và phổ biến vì nó có trong cát thường Sợi quang có ba cửa sổ truyềndẫn:

Vùng cửa sổ một: Người ta dùng LED chế tạo ra cửa sổ quang có bướcsóng 850 nm, mức suy hao  = 1dB/Km, hệ số tán sắc lớn

Vùng cửa sổ hai: Ứng với bước sóng 1310 nm, có hệ số suy hao  =0.5 dB/Km, hế số tán sắc nhỏ  TS = 3,5 – 5 ps/nm.Km

Vùng cửa sổ thứ ba: Ứng với bước sóng 1550 nm, có hệ số suy hao nhỏnhất  = 0,154 dB/Km Với kỹ thuật cao có thể chế tạo được sợi quang đơnmode có  = 0,14 dB/Km

Suy hao tại ba vùng cửa sổ này là thấp nhất, ở Việt Nam thường dùng ởcửa sổ thứ ba (= 1550 nm) Ghép kênh theo bước sóng là công nghệ làm tăng

dung lượng đường truyền bằng cách tăng số kênh quang truyền trên sợi quangthay vì chỉ dùng một kênh quang Vì vậy, yêu cầu môi trường truyền dẫn phải có:

+ Hệ số suy hao nhỏ

+ Hệ số tán sắc nhỏ[15]

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang

Sợi gồm một lõi dẫn quang bằng thủy tinh có chiết suất n1, bán kính là a,đường kính là dk Và lớp bọc bằng thủy tinh bao xung quanh ruột có chiết suất n2,với n1 > n2, đường kính dm Các tham số n1, n2 và a quyết định đặc tính truyền dẫncủa sợi quang, người ta gọi đó là các tham số cấu trúc

Khi ánh sáng truyền trong lõi, sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạtoàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đó, ánh sáng có thểtruyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uống cong (với một độ conggiới hạn) như hình 2.1

Hình 2.1: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

2.2.2 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang

- Sợi quang có chiết suất nhảy bậc ( SIMM: Step Index Multi Mode)

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏbọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quangphóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các con đường khác nhaunhư hình vẽ

n1

Hình 2.2: Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:

1

n

C

V  (2.1)

Trong đó: C là vận tốc ánh sáng trong chân không, C = 3.10 8 m/s

n1 chiết suất môi trường trong lõi sợi

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời giantruyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới hiện tượng khiđưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộnghơn ở cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thểtruyền dẫn tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thểkhắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

- Sợi quang có chiết suất giảm dần (GIMM: Graded Index Multi Mode).

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parapol, vì chiết suất thay đổimột cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uống cong dần Đường truyềncủa các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau, vận tốc truyền cũng thayđổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn với vận tốc truyền lớnhơn và ngược lại, tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn với vận tốctruyền nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất

ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đườngparapol thì đường đi các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tianày bằng nhau hình 2.3 Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI [13]

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thủy tinh có chiết suất lớn thì phảipha thêm nhiều tạp chất nhưng điều này lại làm tăng suy hao Dạng này chỉ đảmbảo độ chênh lệch chiết suất Δ nhưng có chiết suất lõi n1 không cao.

+ Dạng dịch độ tán sắc

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1310 nm.Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550 nm bằng cáchdùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 2.4

Hình 2.5: Chiết suất dạng san bằng tán sắc

2.2.3 Các thông số của sợi quang

2.2.3.1 Suy hao của sợi quang

Công suất quang truyền tải trên sợi giảm dần theo cự ly với quy luật hàm

số mũ tương ứng như tín hiệu điện Biểu thức của hàm số truyền công suất códạng:

P (z) = P (0) × e10 z 2)

(2-Trong đó: P (0) là công suất ở đầu sợi (z = 0)

P (z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

 là hệ số suy hao ( < 0)

P1 =P0 P2 = P (L)

L

Hình 2.6: Công suất truyền trên sợi

Hệ số suy hao của sợi tính theo công thức :  

2

1

lg10

P

P dB

A  (2-3) Trong đó : P1 = P (0) công suất đưa vào sợi

P2 = P (L) công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình :  (dB /km) = L A((km dB)) (2-4)

Trong đó : A là suy hao của sợi.

L là chiều dài của sợi

Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang

- Suy hao do hấp thụ

+ Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại

Các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những nguồn hấp thụnăng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan(Mn), cobar (Co) và niken (Ni) Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vàonồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó Để có được sợi quang có

độ suy hao dưới 1 dB/Km cần phải có thủy tinh thật tinh khiết với nồng độ tạpchất không quá 10-9

+ Sự hấp thụ của ion OH

Các liên kết giữa SiO2 và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệukhi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độhấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950 nm, 1240 nm, 1400 nm Như vậy độ

ẩm là một trong những nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang

+ Sự hấp thụ cực tím và hồng ngoại

Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sựhấp thụ vẫn xảy ra Vì bản thân thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng

cực tím và vùng hồng ngoại, sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại sẽ gây trở ngạicho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang.

- Suy hao do tán xạ

+ Tán xạ Rayleigh

Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ khôngđồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thủy tinh, các khuyết tậtnhư bọt khí, các vết nứt sẽ gây ra hiện tượng tán xạ Khi kích thước của vùngkhông đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng trở thànhnhững nguồn điểm để tán xạ Các tia truyền qua những điểm không đồng nhấtnày sẽ tách ra nhiều hướng khác nhau, chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tụctruyền theo hướng cũ phần còn lại sẽ truyền theo hướng khác, thậm chí truyềnngược lại nguồn quang

+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo

Khi tia sáng truyền đến những chỗ khuyết tật (lõi) giữa lõi và lớp bọc, tiasáng sẽ bị tán xạ Lúc đó có một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản

xạ khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ qua lớpbọc và suy hao dần

- Suy hao bị uốn cong

+ Vi uốn cong

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao củasợi cũng tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua nhữngchỗ vi uốn cong đó Hay nói cách khác, sự phân bố thường bị xáo trộn khi đi quanhững chỗ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng khỏi sợi Đặc biệt là sợiđơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất là bước sóng dài

+ Uốn cong

Khi sợi uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng

- Suy hao mối hàn

Khi hàn nối các sợi quang, chúng ta nối đầu sợi quang lại với nhau chuẩntrục Nếu lõi của hai sợi không được gắn với nhau chính xác và đồng nhất thìphần ánh sáng đi qua khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn, gây ra suyhao