tinh toán thiết kế tuyến thông tin quang WDM trong mạng truyền tải quang

REG Regenerator Trạm lặp 3RSBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp đồng bộ số SNCP Sub-Network Connection Protection Bảo vệ mạch v

TS Pham cong Hung

MỤC LỤC

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

MỤC LỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC TỪVIÊT TẮT

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH

THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 1

I Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang 1

II

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 2

III

II Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 13

III Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 13

III 1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc 13

111.2 Sợ i quang có chiết suất giảm dần 14

111.3 Các dạng chiết suất khác 14

IV Các thông số của sợi quang 15

IV 1 Suy hao 15

IV 2 Tán sắc 20

V Các loại cáp quang trên thị trường được khuyên nghị sử dụng trong hệ thống WDM 24

v.l Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652 24

V 2 Sợi DSF (dispersion-shiíted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.653 .25

V 3 Sợi CSF (cut-off shiíted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.654 27

V 4 Sợi NZ-DSF (non-zero dispersion shiíted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.655 27

VI Các hiệu ứng trong sợi quang 30

VI 1 Các hiệu ứng ảnh hưởng tới nănglượng của xung quang 30

VI 2 Các hiệu ứng ảnh hưởngtới hình dạng xung quang 35 CHƯƠNG III: MỘT số THIÊT BỊ CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN QUANG WDM 39

I Chuẩn nguồn quang WDM 39

1.1 Các yêu cầu cơ bản của nguồn quang trong hệ thống thông tin quang 39

1.2 Điot phát quang LD (Laser Diode) 41

1.3 Đặc tính kỹ thuật 42

1.4 Điều chế LD ở tần số cao 45

II Thiết bị khuếch đại quang sợi 46

II 1 Chức năng của bộ khuếch đại quang OA 46

11.2 Nguyên lý hoạt động 46

11.3 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM 48

11.4 Khuếch đại quang sợi thế hệ mới cho hệ thống WDM 51

111.3 OPM - module giám sát hệ thống trong OADM 70

111.4 Module điều chỉnh cân bằng tán sắc DEM 71

111.5 M ột số sản phẩm OADM thương mại 72

IV Thiết bị kết nối chéo oxc 74

IV 1 Sự ra đời của công nghệ chuyển mạch quang hoàn toàn 74

IV 2

Thiết bị kết nối chéo quang oxc 77

CHƯƠNG IV: ÚNG DỤNG WDM TRONG MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VIỆT NAM 79 I Các thành phần và hoạt động của mạng quang WDM 79

1.1 Lớp mạng truyền tải 79

1.2 Các phần tử của lớp quang 79

1.3 Chức năng OAM&P lớp quang 81

1.4 Gi ải pháp kỹ thuật cho lớp quang 84

1.5 Xâ y dựng một kết nối quang 85

II Mạng cáp quang đường trục 20Gbps 93

III Tổ chức và định hướng cho cấu trúc mạng NGN của Việt Nam 106 III 1 Mục tiêu xây dựng mạng truyền tải đường trục, mạng truy nhập cho NGN Việt Nam 106

111.2 Các yêu cầu của lớp truyền tải đường trục 108 111.3 Đánh giá khả năng của hệ thống truyền dẫn quang đang sử dụng theo hướng NGN 109

IV Kế t nối trong mạng truyền tải quang NGN 113

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của tuyến thông tin cáp sợi quang 1

Hình 1.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM 3

Hình 1.3 Khái quát ưu điểm của công nghệ WDM 5

Hình 1.4 Biểu diễn cấu trúc của một tuyến WDM đơn giản 6

Hình 1.5 Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền tải 7

Hình 1.6 Hệ thống WDM kiểu tích họp 8

Hình 1.7 Hệ thống WDM kiểu mở 9

Hình 2.1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng 12

Hình 2.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 13

Hình 2.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) 13

Hình 2.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất giảm dân (GI) 14 Hình 2.5 Đường cong suy hao của sợi quang 16

Hình 2.6 Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại 17

Hình 2.7 Sự suy hao hấp thụ của ion OH (với nồng độ 106) 18

Hình 2.10 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính 20

Hình 2.11 Dạng xung vào và ra 21

Hình 2.12 Tán sắc (dmod) thay đổi theo chiết suất 22

Hình 2.13 Tán sắc chất liệu (dmod), tán sắc dãn sóng (dwơ) và tán sắc thể thay đổi theo buớc sóng 23

Hình 2.14 Phân loại sợi quang theo tán sắc 29

Hình 2.15 Hiệu ứng tán xạ SRS 31

Hình 2.16 Hiệu úng trộn bốn bước sóng FWM 33

Hình 2.17 Hiệu úng điều chế dịch pha SPM 36

Hình 2.18 Ví dụ về dạng sóng bị suy hao bởi hiệu úng SPM 36

Hình 2.19 Ví dụ về dạng sóng bị suy hao bởi hiệu ứng XPM 37

Hình 3.1 Quan hệ giữa công suất quang và dòng điện kích thích 42

Hình 3.2 Phổ phát xạ của laser dạng thực tế 44

Hình 3.3 Phổ của laser DFB 44

Hình 3.4 Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b) 46

Hình 3.5 Cấu trúc của khuếch đại quang sợi EDFA 47

Hình 3.6 ứng dụng của EDFA 48

Hình 3.7 Cấu hình EDTFA 51

Hình 3.8 Mô hình truyền dãn WDM 160 kênh bước sóng cho cả hai băng truyền dẫn CvàL 52

Hình 3.9 Cấu hình module khuếch đại quang MOR PLUS của Nortel 55

Hình 3.10 Khuếch đại MOR PLUS trong tuyến WDM 56

Hình 3.11 Cấu hình kết cuối sử dụng thiết bị khuếch đại1600G - band c 57

Hình 3.12 Tiền khuếch đại EDFA (Pre-AMP) cho haihướng 59

Hình 3.13 Bộ khuếch đại công suất (Booster) EDFA 60

Hình 3.14 Bộ khuếch đại EDFA kết hợp tiền khuếch đại và khuếch đại công suất 61 Hình 3.15 Quá trình chuyển năng lượng diễn ra trong bộ khuếch đại Raman 63

Hình 3.16 Cấu trúc bộ khuếch đại Raman 64

Hình 3.17 Băng tần và băng thông của khuếch đại Raman và EDFA 65

Hình 3.18 Thiết bị OADM 68

Hình 3.19 Cấu hình các module quang trong một thiết bị mạng quang 69

Hình 3.20 Kiến trúc OADM xen rẽ n bước sóng sử dụng MOR PLUS 72

Hình 3.21 Kiến trúc OADM xen rẽ 4 bước sóng sử dụng MOR PLUS 73

Hình 3.24 oxc với chuyển mạch kiểu “one wavelength-per-card” 78

Hình 4.1 Lớp SONET và lớp quang của mạng truyền tải 81

Hình 4.2 Chức năng OAM&P lớp quang 83

Hình 4.3 Sơ đồ thiết kế kết nối 86

Hình 4.4 Cấu hình mạng đường trục 20Gbps của VTN 94

Hình 4.5 Các bước sóng sử dụng trong mạng đường trục 20 Gbps 95

của VTN 95

Hình 4.6 Hệ thống DWDM của VTN 96

Hình 4.7 Đường đi của tín hiệu trong mạng DWDM 99

Hình 4.8 Chế độ bảo vệ chuyển mạch SNCP trong mạng DWDM 101

Hình 4.9 Trạm đầu cuối Hà Nội 103

Hình 4.10 Trạm đầu cuối Đà Nang 105

Hình 4.11 Lớp chuyển tải trong cấu trúc NGN 108

Hình 4.12 Cấu hình tuyến cáp quang HNI - ĐNG - Tp HCM 118

Hình 4.13 Sơ đồ bù tán sắc và suy hao của hệ thống 119

MỤC LỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng tổng kết về các loại sợi quang 38

Bảng 3.1 Tham số kỹ thuật EDFA - Pre-Amplifier 59

Bảng 3.2 Chỉ tiêu của các bộ khuếch đại 60

Bảng 3.3 Tham số kỹ thuật của bộ khuếch đại Ram an 64

Bảng 3.4 Một số đặc tuyến quan trọng của các bộ khuếch đại Raman và EDFA 65

Bảng 4.1 Xây dựng một kết nối 85

Bảng 4.2 Bảng tính suy hao vượt quá 87

Bảng 4.3 Suy hao bước tối đa cho phép giảm đi 87

Bảng 4.4 Quy tắc phân chia 88

Bảng 4.5 Suy hao khoảng cách tối đa cho phép và luật bù tán sắc cho 2-32 bước sóng ứng dụng trên cáp NDSF, tốc độ kênh lOGbps hoặc 2,5Gbps 92

Bảng 4.6 Các luật cho 32 bước sóng ứng dụng trên cáp NDSF, lOGbps hoặc kênh 2,5/1 OGbps, 2-32 bước sóng 92

ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đạiATM Asynchronous Transíer Mode Kiểu truyền dẫn không đồng bộ

BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu

phátB-ISDN Broadband-Intergrated Service

Digital Network

Mạng số đa dịch vụ băng rộng

DCF Dispersion Compensator Fiber Sợi bù tán sắc

DCG Dispersion Compensator Grating Cách tử bù tán sắc

Bộ tách kênhPhản hồi phân bốSợi tán sắc dịch chuyển

Bộ đấu chéo sốKhuếch đại quang ErbiumErbium-Doped Silicon-based Fiber Khuếch đại quang Erbium dựaAmpliíier

Erbium-Doped TelluriteAmplifier

Fiber Bragg GratingForward Error CorrectionFrame Relay

Four Wave MixingInternet ProtocolInternationalUnion

trên nền bán dẫn SilicFiber Khuếch đại quang Erbium trênnền bán dẫn Tellurium

Cách tử sợi BraggKhối sửa lỗi trướcChuyển tiếp khungHiệu ứng trộn bốn bước sóngGiao thức Internet

Telecommunication Hiệp hội viễn thông quốc tế

Bộ khuếch đại đường truyềnLine Amplifier

Light Amplication by Stimulate Emission of RadiationLaser Diode

Long Haul AmpliíierLong Haul RepeaterLine Optical Amplifier

Line Terminal EquipmentMetropolitan Area NetworkMicro-electromechanicalModulation Instability

Multi-wavelength Optical RepeaterMulti Protocol Label SwitchingMulti Section-Share Protection Ring

Bộ khuếch đại Long Haul

Trạm lặp đa kênh quangChuyển mạch nhãn đa giao thứcRing bảo vệ luồng đoạn ghépkênh

Khối trung gian

MSP Multiplex Section Protection Bảo vệ đoạn ghép kênh

NDSF Non-Dispersion Shiíted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển bằng

không

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shiíted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển khác

không

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

OAM Optical Amplifier Module Module khuếch đại quang

ODEMUX Optical DEMultiplexing Bộ tách kênh quang

ODU Optical Demultiplexing Unit Đơn vị tách kênh quang

OMU Optical Multiplexing Unit Đơn vị ghép kênh quang

OPM Optical Períormance Monitor Thiết bị giám sát mạng quang

osc Optical Supervisor/Service Channel Kênh giám sát quang

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OTPM Optical Translator Port Module Module cổng chuyển đổi quangOTU Optical Translator ưnit Đơn vị chuyển đổi quang

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp cận đồng bộ số

PDL Polarization Dependence Loss Suy hao phụ thuộc phân cực

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PSTN Publish Service Transport Network Mạng dịch vụ công cộng

PTE Path TeiTninal Equipment Thiết bị đầu cuối đường truyềnQOTU Quad Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quang mật

REG Regenerator Trạm lặp (3R)

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp đồng bộ số

SNCP Sub-Network Connection Protection Bảo vệ mạch vòng thứ cấp

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SONET Synchronous Optical NETvvork Mạng quang đồng bộ

SRS Stimulated Raman Scatterins Tán xạ Raman

SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi cáp quans đơn mode chuẩn

STE Section Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đoạn

STM Synchronous Transport Module Module truyền tải đồng bộ

Netvvork

Mạng quản lý viễn thông

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

MỞ ĐẦU

Trải qua gần 1/4 thế kỷ kể từ khi hệ thống truyền dẫn quang đầu tiên đượcđưa vào khai thác trên mạng viễn thông, chúng ta đã có thể nhận thấy được phươngthức truyền dẫn này đã mang lại những khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch

vụ viễn thông ngày càng phong phú với một nhu cầu về lưu lượng ngày càng lớn hơn,như các dịch vụ Internet, ISDN, B-ISDN, VLAN, CATV Các hệ thống thông tinquang với ưu điểm về băng thông, về cự ly, chất lượng thông tin không bị ảnh hưởngcủa nhiễu sóng điện từ, khả năng bảo mật thông tin đã ngày càng có sức hấp dẫnmạnh mẽ đối với các nhà khai thác và cung cấp các dịch vụ viễn thông

Trong những năm gần đây, gần như tất cả các tuyến truyền dẫn xuyên lục địa,xuyên biển, tuyến đường trục (backbone network) đã được cáp quang hoá Vớinhững tiến bộ vượt bậc trong công nghệ điện tử và điều khiển, công nghệ vật liệuquang đã làm tăng lên rất nhiều năng lực của một hệ thống thông tin quang, dung

chào bán và triển khai tại nhiều nước châu Âu, Bắc Mỹ, Nhật Bản

Tuy nhiên, trong hệ thống thông tin điểm nối điểm thông thường trước đây,một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng, với một nguồn phát quang ở phía phát,một bộ tách sóng quang ở phía thu Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệuquang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang cóthể truyền dẫn với suy hao nhỏ (hình vẽ)

X (|Lim) Một ý tưởng Đặc tính suy hao sợi quang theo bước sóng ng thời nhiều

tín hiệu quang từ các nguốn quang khác nhau có các bước sóng phát khác nhau chocác nguồn thông tin độc lập Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM sẽ thực hiện

ý tưỏng này, trong đó mỗi bước sóng có thế mang các kiểu lưu lượng khác nhau nhưcác tốc độ STM-n của SDH, ATM hoặc Ethernet Gigabit , điều này có nghĩa là hệthống WDM có giao diện mở Đặc điểm này làm cho WDM thích ứng linh hoạttrong môi trường lưu lượng hoà trộn và mẫu lưu lượng thay đổi Do đó, WDM trởthành công nghệ tất yếu trong mạng truyền dẫn hay cụ thể hơn là công nghệ tạo ralớp mạng quang trong tương lai

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nhà cung cấp thiết bị WDM như Siemens,Alcatel, Nortel, Fujitsu , việc lựa chọn thiết bị từ nhà cung cấp nào để sử dụng cóhiệu quả nhất đối với các tuyến thông tin đường trục quốc gia trên cơ sở mạng cũcũng là một vấn đề quan trọng cần phải đặt ra

thống WDM như: sợi quang, bộ khuếch đại quang EDFA, bộ xen rẽ bước sóngquang OADM, bộ đấu chéo quang OXC và ứng dụng WDM trong mạng đường trụccủa nước ta.

Nội dung của đồ án gồm 4 chương:

Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng.Chương II: Kỹ thuật sợi quang

Chương III: Một số thiết bị trong hệ thống thông tin quang WDM

Chương IV

: ứng dụng WDM trong mạng đường trụyen Bac-Nam cuaVietnam

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỂ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM)

Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thếgiới, chúng đáp ứng cả các tín hiệu tương tự và số, chúng cho phép truyền lưu lượngcác tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng sốhoá liên kết đa dịch vụ Đây là những ưu điểm vượt trội của các hệ thống thông tinquang để cho phép tiến tới xây dựng một mạng truyền dẫn hiện đại

I Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang

Bộ phát quang

Tín hiệu

điện vào

Bộ nổi quang

Mạch điều khiển

Mối hàn sợi

Các thiết bị khác Khuếch đại Khuếch đại

quans

Đầu thu quang Khôi phụctín hiệu

Bộ thu quang Hình ĩ 1 Các thành phần cơ bản của tuyến thông tin cáp sợi quang

Tín hiệu điện ra

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, đường truyền cápsợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ phần phát tín hiệuquang và các mạch điện liên kết với nhau Cáp sợi quang bao gồm các sợi quang vàcác lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại của môi trường bên ngoài.Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo hợp thành.Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang,

chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh nhu’hình 1.1.

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quangtrong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang trên tuyến Cấutrúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phầnđiện vào nhau Thiết bị thu 0 trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biếnđổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đua vào đầu vào thiết bịphát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quangrồi phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đãđược sử dụng để thay thế cho các thiết bị trạm lặp quang

Nhìn chung, việc xây dựng hệ thống truyền dẫn quang cần phải tiến hànhthiết kế và lựa chọn cả thiết bị phát, thiết bị thu và cáp sợi quang Mục tiêu để xâydựng hệ thống truyền dẫn quang là phải đưa ra được cấu hình hệ thống thực tế cóchất lượng và hiệu quả Để làm điều này, các tham số hệ thống cần phải thoả mãncác tiêu chuẩn được qui định và nhất là phải tiến hành các phép đo kiểm tra cácthành phần của hệ thống

II Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng quang.Kỹ

thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách tmyền nhiều kênh bước sóng quangđộc

lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trongsợi

Một ví dụ điển hình để mô tả nguyên lý WDM đó là khi ta sử dụng TV Khiđiều chỉnh bộ thu của TV chúng ta thu được nhiều kênh TV khác nhau Mỗi kênhđược truyền ở một tần số vô tuyến khác nhau và chúng ta lựa chọn một trong sốchúng nhờ bộ điều chỉnh kênh (một mạch cộng hưởng trong TV) Tất nhiên, ở đây làsóng vô tuyến còn trong hệ thống WDM là bước sóng quang Ớ một góc độ nào đó,không có sự khác biệt cơ bản nào giữa ghép kênh theo tần số (FDM) và ghép kênhtheo bước sóng (WDM)

Một cách nhìn khác đối với nguyên lý ghép bước sóng đó là xem mỗi kênhbước sóng có một màu sắc khác nhau và như vậy tín hiệu truyền trên hệ thống WDM

sẽ giống như một chiếc cầu vồng Mặc dù bước sóng ứng dụng trong thông tin là

2

-những bước sóng không nhìn thấy, song đây là một cách thức rất trực quan đế mô tảnguyên lý này.

Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghépkênh)

để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân rải ra (tách kênh),khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau Mỗi bước sóng biểu thị chomột kênh quang trong sọi Tuy nhiên, để tránh xuyên nhiễu thì giữa các kênh phải cókhoảng

cách nhất định Khuyến nghị của G.692 của ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và

Hình 1.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống tlĩông tin quang WDM

Có nhiều cách để tạo nên một hệ thống WDM chẳng hạn như sử dụng bước sóng1310nm và bước sóng 1550nm hoặc 850nm và 1310nm Khi số lượng các bước sóng đượcghép bằng hoặc nhiều hơn 8 thì ghép kênh được gọi là mật độ cao DWDM về nguyên lýkhông có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm trên, DWDM nói đến khoảng cách gần giữacác kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống.Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủyếu

là 1550nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dàivà

dung lượng lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ 0,5nm Để thuận tiện, thuật ngữ WDM được dùng đểchỉ

chung cho cả hai khái niệm WDM và DWDM

dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tập chung mọi nỗlực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết quả thu đượckhông mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã dần đếngiới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbps bản thân các mạch điện tử không thểđảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp Thêm vào đó, chi phí cho các giảipháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao.Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới được sử dụng một phần nhỏ.Tuy nhiên, ghép kênh theo bước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theotần số FDM nhưng các hệ thống WDM chỉ được thương mại hoá khi một số côngnghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trongchế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang và đặc biệt là các bộ khuếch đại đườngtruyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman).

Ưu điểm của công nghệ WDM:

So với công nghệ truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những

ưu điểm nổi trội:

• Dung lượng truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc

độ bit nào đó (TDM) Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóngmang tín hiệu TDM 2,5Gbps, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbps đã được thửnghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạttới STM-256 (40Gbps)

• Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thốngđơn kênh tốc độ cao

Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫntăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng(kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kể tácđộng bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc Do đó tránh được sự phức tạpcủa các thiết bị TDM tốc độ cao

• Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi

hệ thống vẫn đang hoạt động

4

-lQC-48 OC-48

Õ

C 5EZa□Ẽp ,

Fiber Amplitier Based Optical Transport - 20 Gb/s CC48:5T

Hình 1.3 Khái quát ưu điểm của công nghệ WDM Nhược điểm của công nghệ WDM:

Bên cạnh những ưu điểm trên, WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở

ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:

• Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang

5

-Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượngnhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù côngnghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

• Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động

hơn

III Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thông thông tin quang WDM

Hình 1.4 Biểu diễn cấu trúc của một tuyến WDM đơn giản.

Một hệ thống WDM cũng giống như một hệ thống TDM truyền thống Sựkhác nhau giữa 2 hệ thống này nằm ở số lượng các kênh tín hiệu đồng thời đượcmang trên sợi quang

Với một hệ thống TDM cơ bản thì chỉ có một tín hiệu quang duy nhất (mộtkênh quang) còn hệ thống WDM lại có thể được coi như nhiều hệ thống TDM songsong sử dụng chung sợi và thiết bị về cơ bản, thành phần quang của một hệ thốngWDM được thế hiện như hình 1.4 gồm:

• Các bộ phát quang

• Bộ ghép kênh/tách kênh quang

• Một hoặc nhiều bộ khuếch đại đường truyền hoặc lặp

• Các bộ xen rẽ kênh (ADM)

6

-• Các thiết bị đấu chéo.

• Sợi quang (thường là cáp)

• Bộ thu quang (có số lượng bộ thu bằng số bộ phát)

IV Khả năng ứng dụng công nghệ WDM trong mạng truyền tải

Úng dụng chủ yếu của công nghệ WDM trong mạng viễn thông được minh hoạqua

vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền tải như trong hình 1.5 Trong đó quan hệ giữacác công nghệ cho mạng truyền dẫn như PDH, SDH thậm chí cả ATM và WDM là quanhệ

Hình ĩ 5 Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền tải

Các tín hiệu SDH, PDH và ATM đại diện cho dịch vụ ở lóp Client mà được mangtrên

hệ thống WDM Nếu xét đến khái niệm phân lóp mạng thì hệ thống WDM được xem nhưlớp phương tiện vật lý, cùng với sợi quang tạo thành lớp kênh quang

Dưới góc độ phát triển hệ thống thì WDM cùng với thiết bị xen/rẽ kênh quang(OADM) và bộ nối chéo quang (OXC) sẽ tạo thành một lóp mạng quang Sự pháttriển này tiến tới một mạng truyền dẫn sử dụng kênh bước sóng hay nói ngắn gọn làlớp mạng quang ở dưới lớp Client, tức là sẽ tách mạng truyền dẫn về topo thành hailớp quang và điện trong đó hệ thống WDM là hạt nhân của lớp mạng quang

Thực tế, có nhiều công nghệ hiện diện trong lớp mạng truyền tải cho nên dướigóc độ truyền dẫn, các hệ thống WDM phải có khả năng thích ứng với mọi dạng lớptrên Hiện tại các hệ thống WDM vẫn được thiết kế chủ yếu để mang tín hiệu SDH từlớp Client Đây cũng là các hệ thống WDM hoàn thiện nhất Đối với các tín hiệuClient khác như PDH, ATM, hay IP, giao diện của hệ thống WDM chưa hoàn thiện.Đối với hệ thống WDM được phát triển để mang SDH, hiện đang có hai xu hướngthực thi, đó là hệ thống WDM tích họp và hệ thống WDM mở.

Đối với STM-n trong WDM kiểu tích hợp, thiết bị ADM và REG (trạm lặp)đều phải có giao diện quang cần phù hợp với yêu cầu của hệ thống WDM để thoảmãn nhu cầu của hệ thống như trong hình 1.6

8

-bước sóng không quy phạm SDH thành -bước sóng tiêu chuẩn Đầu ra OTƯ thoả mãngiao diện G.692, tức bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang thoả mãn truyềndẫn cự ly dài Hệ thống WDM có OTU, không yêu cầu hệ thống SDH có giao diệnquang G.692 nữa Có thể tiếp tục sử dụng thiết bị SDH phù hợp với giao diện G.957,tiếp nhận các hệ thống SDH trước đây (hình 1.7).

sn

Hình 1.7 Hệ thông WDM kiểu mở

Rn

Trong thực tế xây dựng, các nhà khai thác có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn

hệ thống kiểu tích hợp hay kiểu mở Như trong điều kiện hệ thống SDH của nhiềunhà sản suất có thể chọn hệ thống mở, ngược lại chọn kiểu tích hợp để giảm giáthành Nhưng hiện nay ngày càng nhiều hệ thống WDM kiểu mở

Giao diện chuẩn cho hệ thống WDM:

Trong thực tế, nhiều hệ thống WDM sẽ cùng liên kết hoạt động tạo ra mạngtruyền dẫn cung cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối đến đầu cuối (mạng WDM haymạng quang) Để đảm bảo khả năng phối họp hoạt động trên, các khái niệm, nguyêntắc và chỉ tiêu cụ thể cần phải được đưa ra cho từng hoạt động của các phần tử mạng.Tập hợp những thông số này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống

Tiêu chuẩn hoá các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm liênkết mạng, mục đích của nó là nhằm đảm bảo khả năng chuyển giao thông tin người

sử dụng và trao đổi thông tin quản lý giữa các phần tử mạng Ý nghĩa của liên kếtmạng là các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau trong một phân đoạn mạng haynói cách khác là phải bảo đảm tính tưoìig hợp ngang trong mạng

Khuyên nghị G.692 của ITU-T đưa ra tiêu chuẩn cho các hệ thống WDMđiểm-điểm cự ly lớn; tốc độ của từng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 hoặc STM-64; số kênh bước sóng 4, 8, 16 hoặc 32 kênh; loại sợi G.652, G.653, hoặc G.655;khoảng cách cực đại của tuyến khi không dùng khuếch đại quang là 160km và có sửdụng khuếch đại quang là 640km.

Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thông WDM

1) ITU-T G.872: kiến trúc của mạng truyền tải quang

Khuyến nghị này qui định các chức năng của mạng truyền tải quang truyềntải tín hiệu số, bao gồm:

- Kiến trúc chức năng truyền tải của mạng quang

- Quản lý mạng quang

- Các kỹ thuật hồi phục mạng quang

2) ITU-T G.709: giao diện cho mạng truyền tải quang (OTN), khuyên nghị này :

- Phân cấp truyền tải quang (OTN)

- Chức năng của phần mào đầu trong việc hỗ trợ thông tin đa bước sóng

- Cấu trúc khung

- Tốc độ bit

- Phương thức sắp xếp các tín hiệu Client

3) ITU-T G.959: giao diện vật lý của mạng truyền tải quang, khuyến nghị nàyđưa ra các chỉ tiêu đối với giao diện kết nối mạng cho các mạng quang sửdụng công nghệ WDM

4) ITU-T G.692: giao diện quang cho hệ thống đa kênh quang sử dụng khuếchđại quang

5) ITU-T G.957: giao diện quang cho thiết bị và hệ thống SDH

6) ITU-T G.691: giao diện quang cho hệ thống đơn kênh quang tốc độ STM-64,STM-256 và các hệ thống SDH khác sử dụng khuếch đại quang

1 0

-CHƯƠNG II: KỸ THUẬT SỢI QUANG

Sợi quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của mạng Nó làphương tiện truyền dẫn vật lý Sợi quang được chế tạo từ Si02, một nguyên liệu rất rẻ

và phổ biến vì nó có trong cát thường Sợi quang có ba cửa sổ truyền dẫn:

Vùng cửa sổ 1: người ta dùng LED chế tạo ra cửa sổ quang có bước sóng

850nm, mức suy hao a = ldB/km, hệ số tán sắc lớn.

Vùng cửa sổ 2: ứng với bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao a = 0,5dB/km,

hệ số tán sắc nhỏ a rs =3,5-5 ps/km.nm

Vùng cửa sổ 3: ứng với bước sóng 1550nm, có hệ số suy hao nhỏ nhất

(X = 0,154 dB/km Với kỹ thuật cao có thể chế tạo được sợi quang đơn mode có

• Hệ số suy hao nhỏ

• Hệ số tán sắc nhỏ

n \

Lớp bọc (cladding) n2

Lõi (core) n

Lóp bọc (cladding) n2

Hình 2.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

I Các dạng phân bô chiết suất trong sợi quang

II I Sợi quang có chiết suất nhảy bậc

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lóp vỏ bọckhác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóngvào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các con đường khác nhau

Hình 2.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc: V = —

ơ đây n I không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền

sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưamột xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ởcuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền dẫn

tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thẻ khắc phục đượctrong loại sợi có chiết suất giảm dần.

ỈU.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần

Sợi GI (Grade-Index) có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiếtsuất thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần

Hình 2.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất giảm dần (GI)

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nên vậntốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục (đường truyền dài hơn) có vậntốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục (đường truyền ngắn hơn) cóvận tốc truyền nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiếtsuất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đườngparabol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tianày là bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

III.3 Các dạng chiết suất khác

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến, ngoài ra còn có một số dạngchiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt:

- Dạng giảm chiết suất lớp bọc:

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn thì phảipha thêm nhiều tạp chất nhưng điều này lại làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suấtlóp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất A nhưng có chiết suất lõi n| không

cao

- Dạng dịch độ tán sắc:

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1310nm, có thểdịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang códạng chiết suất như hình vẽ:

Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng,đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng, thường dùng sợi quang có dạngchiết suất như hình vẽ:

III Các thông sô của sợi quang

Hai thông số quan trọng của một đường truyền dẫn là suy hao và giải thông

III I Suy hao

IV.Ỉ 1 Định nghĩa

Công suất quang truyền tải trong sợi cũng giảm dần theo cự ly với quy luậthàm số mũ tương ứng như tín hiệu điện Biểu thức của hàm số truyền công suất códạng:

P ( z ) = P ( 0 ) x e Ì O

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

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

a : hệ số suy hao.

p2 = P(l): công suất ở cuối sợi.

- Hệ số suy hao trung bình:

a{dBlkm) = ^Ẽl

L(km)

Trong đó: A: suy hao của sợi

L: chiều dài của sợi

Hình 2.5 Đường cong suy hao của sợi quang

IV 1.2 Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang

Công suất truyền trên sợi quang thất thoát do sự hấp thu của vật liệu, sự tán xạánh sáng và sự khúc xạ chỗ sợi bị uốn cong

1 6

-IV 1.2.1 Suy hao do hấp thụ

• Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại

Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ nănglượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan (Mn),choromiun (Cr), cobar (Co), niken (Ni)

Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bướcsóng ánh sáng truyền qua nó Với tạp chất một phần triệu thì độ hấp thụ của vài tạpchất như hình 2.6

Để có được sợi quang có độ suy hao dưới ldB/km cần phải có thuỷ tinh thậttinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10'9)

• Sự hấp thụ của ion OH:

Các liên kết giữa Si02 và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệu khichế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kế (hình 2.7) Đặc biệt độhấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm và 1400nm

Như vậy, độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân suy hao sợi quang

Hìnlỉ 2.7 Sự suy hao hấp thụ của ion OH (với nồng độ 10' ỏ )

• Sự hấp thụ bằng tia cực tím và hồng ngoại:

Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao, sự hấpthụ vẫn xảy ra Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím vàhồng ngoại Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như hình 2.8

Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng cácbước sóng dài trong thông tin quang

I V 1.2.2 Suy hao do tán xạ

Hấp thự vùnghồng ngoại

1 8

-• 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 thuỷ tinh, các khuyết tật nhưbọt khí, các vết nứt sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ Khi kích thước của vùng không đồngnhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm đểtán xạ Các tia truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ tạo ra nhiều hướng, chỉmột phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyềntheo hướng khác thậm chí truyền ngược lại nguồn quang

Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng(/T4) nên giảm nhanh về phía bước sóng dài như hình 2.9

Ớ bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicat khoảngldB/km - 2dB/km, ở bước sóng 1300nm suy hao chỉ khoảng 0,3dB/km và ở bướcsóng 1550nm suy hao này còn thấp nữa

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

Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc, tiasáng sẽ bị tán xạ Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khácnhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ lớp bọc và suy haodần

I V 1.2.3 Suy hao bị uốn cong

• Vi uốn cong

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợicũng tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ viuốn cong đó Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi quanhững chỗ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi sợi

Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất là về phíabước sóng dài

-Hình 2.11 Dạnq xung vào và ra

Độ tán sắc tổng cộns của sợi quang, ký hiệu D, đơn vị (S) được xác định bởicông thức:

Trong đó: T., T 0 là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (S)

Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km

Đối với loại tán sắc do chất liệu người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km sợiứng với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tĩnh làps/nm.km

IV.2.2 Các nguyên nhân gây tán sắc

Sợi quang đa mode có đầy đủ các thành phần tán sắc như sau:

Tán sắc mode (mode dispersion): do năng lượng của ánh sáng phân tánthành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời giantruyền khác nhau.

Tán sắc thể (chromatic dispersion) bao gồm:

+Tán sắc chất liệu (material dispersion)

+Tán sắc dẫn sóng (waveguide dispersion)

Tán sắc thể nguyên nhân do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đonsắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyềnkhác nhau nên thời gian truyền khác nhau

IV.2.2.1 Tán sắc mode (modal dispersion)

Tán sắc mode là do ảnh hưởng của nhiều đường truyền Hiện tượng này chỉxuất hiện ở sợi đa mode

Dmod (ns/km)

1,00,1

0,01

Hình 2.12 Tán sắc (d mod ) thay đổi theo chiết suất

Sự phụ thuộc của dmod vào số mũ trong hàm chiết suất g được biểu diễn trênhình 2.12 qua đó ta thấy dmođ đạt cực tiểu khi g « 2 và dmod tăng khá nhanh khi có giátrị khác 2 với hai phía

IV.2.2.2 Tán sắc sắc thể

• Tán sắc chất liệu

2 2

-Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánhsáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau Đó là nguyên nhân gây nên tán sắcchất liệu.

Về ý nghĩa vật lý, tán sắc do chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi

nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang Đon vị của độ tán sắc do chất

liệu M là ps/nm.km Sự biến thiên của tán sắc chất liệu M theo bước sóng Ẫ như

hình 2.13

d (Ps/nm.km)

Hình 2.13 Tán sắc chất liệu (d mod ), tán sắc dẫn sóng (d wg ) và tán sắc thể thay đổi

theo hước sóng.

Ớ bước sóng 850nm, độ tán sắc cho chất liệu M khoảng 90 đến 120ps/nm.km

Nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ AÃ = 50 nm thì độ nới rộng xung

quanh khi truyền qua mỗi km là:

Dmat = M AÃ

Dmat = lOOps/nm.km X 50nm = 5ns/km

Còn nếu nguồn quang là laser diode có AẢ = 3 nm thì độ nới rộng xung chỉ

khoảng 0,3ns/km

Ở bước sóng 1300nm tán sắc do chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưngngược dấu nên tán sắc thể bằng không Do đó bước sóng 1300nm thường được chọncho các đường truyền tốc độ cao

Ớ bước sóng 1550nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 20ps/nm.km

• Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng

Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sónggây nên sự tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc do ống dẫn sóng thay đổi theo bước sóngnhư hình 2.13

V Các loại cáp quang trên thị trường được khuyên nghị sử dụng trong hệ thống WDM

v.l Sọi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sọi G.652

Sợi đơn mode là sợi truyền dẫn một mode ánh sáng Loại này có được là dođường kính lõi được giảm đến một kích thước mà nó chỉ cho phép truyền lan mộtmode ánh sáng Lõi của sợi đơn mode thường có đường kính 8pm - lOpm Sợi quangđơn mode có nhiều ưu điểm nổi bật so với so với sợi đa mode như suy hao nhỏ và tánsắc cũng nhỏ hơn do không có tán sắc mode

Sợi SSMF là cáp đơn mode có tán sắc gần bằng 0 trong vùng bước sóng1310nm Thời kỳ ban đầu, cáp này chế tạo ra nhằm mục đích tối ưu hoá sử dụngkhai thác ở vùng bước sóng này Tuy nhiên, cáp G.652 có thể được sử dụng cả ởvùng 1550nm Khi hoạt động ở bước sóng 1550nm thì:

o Hệ số suy hao ~ 0,2dB/km (thực tế hiện nay cáp chế tạo được), (theo

khuyến nghị thì cao hơn, cụ thẻ là < 0,35dB/km - vì khuyến nghị thường đưa

ra tiêu chuẩn maximum)

o Hệ số tán sắc ~ 17ps/nm.km

2 4

-Các tuyến thông tin cáp sợi quang trên thế giới, hiện đang phổ biến sử dụngloại cáp sợi quang đơn mode theo khuyên nghị G.652 của ITU-T.

Sợi G.652 đuợc khuyến nghị dùng bước sóng ở cửa sổ thứ hai của sợi quang(1310nm), và thực thế là nó tối un cho các hệ thống đơn bước sóng sử dụng bướcsóng ở vùng cửa sổ này do có hệ số tán sắc bé và hệ số suy hao chấp nhận được

Tuy nhiên, nếu dùng sợi đơn mode thông thường (không dịch tán sắc) như đãnêu ở trên mà áp dụng trong hệ thống WDM tại vùng bước sóng cửa sổ thứ ba(1550nm) thì sẽ có một số nhược điểm:

• Vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng 1310nm nhỏ, không ghép được nhiều

kênh

• Suy hao đối với loại sợi này còn quá lớn

• Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến dung lượng và cự ly truyền dẫn

• Không phù họp khi áp dụng trong hệ thống WDM có sử dụng bộ khuếchđại quang sợi (EDFA), khi các bộ khuếch đại này hoạt động có hiệu quả tại

vùng cửa sổ thứ ba (1550nm)

Một hệ thống thông tin quang tốc độ bit cao, cự ly dài và hệ thống ghép kênhtheo bước sóng thường sử dụng khuếch đại quang, nên chọn bước sóng trung tâm củalaser diode nằm trong vùng cửa sổ thứ ba của sợi quang

Cho tới nay, người ta đã thiết kế và chế tạo được hai loại sợi quang mới dùngkhá hiệu quả trong các hệ thống thông tin quang, đó là sợi quang đơn mode tán sắcdịch chuyến DSF (Dispersion-Shiíted Fiber) và sợi quang đơn mode tán sắc dịchchuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF (Non-zeroDispersion-Shifted Fiber)

V 2 Sợi DSF (dispersion-shifted single-mode opticalýibre cable) hay sợi G.653

Sau khi cáp G.652 được chế tạo thì thấy rằng:

Nếu truyền tại cửa sổ 1310nm thì tuy tán sắc gần bằng 0, nhưng lại có suyhao quá lớn ( ~ 0.4dB/km) Còn nếu truyền tại bước sóng 1550nm thì tuy có suy haonhỏ nhưng lại có tán sắc lớn 17ps/nm.km

Muốn truyền dẫn tại cửa sổ 1550nm vừa có suy hao nhỏ, đồng thời lại vừamuốn có tán sắc ~ 0, nguời ta nghĩ ra cáp G.653 bằng cách pha thêm một số tạp chấtvào sợi Kết quả sợi G.653 ra đời, sợi quang này tận dụng đuợc ưu điểm của hai vùngcửa sổ quang, đó là hệ số suy hao của vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng trung tâm là1310nm và hệ số tán sắc vùng cửa sổ thứ ba có bước sóng trung tâm là 1550nm, vớisuy hao sợi thực tế ~ 0.2dB/km đồng thời có tán sắc không (theo lý thuyết) khitruyền dẫn tại cửa sổ 1550nm Đó là nguyên nhân vì sao gọi sợi G.653 này là sợi tánsắc dịch chuyển.

DSF là sợi quang đơn mode dịch tán sắc có tính năng tốt nhất ở bước sóng1550nm Sợi này còn được sử dụng tối ưu cho các bước sóng nằm xung quanh vùng1550nm (1525nm - 1575nm) Bằng cách thay đổi sự phân bố khúc xạ làm cho điểmsáng bằng không dịch từ cửa sổ 1310nm tới khu vực bước sóng làm việc 1550nm.Sợi này cũng có thể dùng cho vùng bước sóng 1310nm (1285nm - 1340nm)

Đặc tính suy hao của sợi DSF cũng giống như sợi đơn mode không dịch tánsắc, nhưng tối uu tán sắc tại bước sóng 1550nm Tại bước sóng này suy hao và tánsắc của sợi DSF là bé nhất Sợi quang đơn mode DSF có suy hao nhỏ, giới hạn suyhao điển hình là (0,17dB/km - 0,25dB/km) và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất hiệu quảcho việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng1550nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-dopedFiber Amplifier), trong đó hiệu quả nhất là đối với các hệ thống đơn kênh quang

Tuy nhiên, cáp này chỉ thích hợp truyền dẫn những luồng quang bình thường,không phải ghép kênh quang tốc độ cao Khi có ghép kênh, nhất là ghép DWM nhưhiện nay, chính việc có tán sắc ~ 0 tại cửa sổ 1550nm đã làm cho hiệu ứng phi tuyếntrộn bốn bước sóng (FWM - Four Wave Mixing) tăng rất mạnh (nếu ghép càngnhiều kênh gần nhau với khoảng cách đều giữa các kênh như ngày nay thì càng bịảnh hưởng) VI hạn chế khả năng ghép kênh DWDM như vậy nên đây là nguyênnhân chính làm loại cáp này bây giờ được sử dụng rất ít

Hiệu ứng không tuyến tính sử dụng DSF

Khi dùng sợi DSF có sử dụng EDFA để kéo dài cự ly truyền dẫn, vì mật độcông suất quang truyền dẫn trong sợi quang tăng lên rất nhiều dẫn đến hiệu ứng phituyến tĩnh, sẽ làm giảm tính năng chất lượng của hệ thống, nhất là khi ứng dụngtrong hệ thống WDM sẽ xuất hiện hiệu ứng trộn tần bốn sóng (FWM-Four Wave

-26-Mixing) FWM là một quá trình vật lý khi có nhiều tần số sóng quang công suất rấtlớn cùng truyền dẫn trên sợi quang, do hiệu ứng phi tuyến tính gây ra sự trao đổinăng lượng giữa các bước sóng Giả thiết sóng quang có ba tần số là f|, f2, f3 cùngtruyền trong sợi quang sẽ gây ra sóng quang thứ tư có tần số là f4, /4 = /, + /2 - /3,

do đó có công suất kênh tín hiệu tương đối lón có thể chuyển dịch tới trường quangmới thông qua FWM Kiểu chuyển dịch năng lượng như vậy dẫn tới suy giảm côngsuất quang trong kênh tín hiệu, gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau

Với sợi DSF, bước sóng có tán sắc bằng không là 1550nm, EDFA cũng thíchnghi với bước sóng đó (1550nm), công tác tại bước sóng này thì tán sắc bằng khôngnhưng đối với WDM, các sóng quang tác dụng lẫn nhau truyền cùng pha sẽ làm choFWM càng nghiêm trọng, bước sóng tự nó sinh ra giống như bước sóng truyền dẫnnào đó Vì vậy, để khắc phục nhược điểm của sợi DSF khi sử dụng trong hệ thốngWDM, một sợi quang mới ra đời đó là sợi quang biến đổi tán sắc khác không (NZ-DSF)

V 3 Sợi CSF (cut-off shi/ted single-mode optical fibre cable) hay sọi G.654

Cáp này lại có tán sắc DsO tại cửa sổ 1310nm, và tại cửa sổ 1550nm làD~20ps/nm.km Nhưng nó lại có suy hao tối thiểu tại cửa sổ 1550nm (theo khuyếnnghị phải < 0,22dB/km) Trên thực tế, các hãng có thể chế tạo ra cáp có suy hao nhỏhơn Nói chung, đây là loại chế tạo ra không có dịch chuyển tán sắc (về mặt này nógiống sợi G.652) Ngoài ra cố gắng làm giảm cực tiểu suy hao trong vùng 1550nm

để kéo dài truyền dẫn, nhất là với cáp quang biển Một ưu điểm nổi trội nữa là cápnày mở rộng băng thông hoạt động sang cả vùng băng thông quang L, tức là mởrộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625nm

V 4 Sọi NZ-DSF (non-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable) hay sọi G.655

Ngày nay với sự phát triển ưu thế của ghép kênh theo tần số quang mật độcao, kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời thể hiện khả năng truyềnnhiều bước sóng trên một sợi quang, lúc này đáp ứng phi tuyến của sợi quang lại cầnphải xem xét kỹ lưỡng Đáp ứng phi tuyến này gây ra thêm một loạt các hiệu ứng phituyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM, tự điều chế pha SPM (Self PhaseModulation), điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation) Trong các hiệu ứng

này, hiệu ứng FWM gây ra nhiều phiền phức hơn cả Do hiệu suất của hiệu ứngFWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSFkhông thích hợp với các hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa Để giảiquyết vấn đề này thì sợi NZ-DSF đã ra đời nhằm chống lại giới hạn FWM của DSF

để đảm bảo cho tất cả các kênh có các tốc độ khác nhau trong sợi quang Đặc tínhsuy hao của sợi này tương tự như sợi đơn mode thông thường SMF, nhưng điểm nổibật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là 0,lps/km.nm <

Dmin < Dmax< 6ps/km.nm trong vùng bước sóng 1530nm - 1565nm nhưng khôngđược bằng 0 tại vùng cửa sổ 1550nm (non-zero dispersion shiíted có ý nghĩa nhưvậy) Do đó, ít nhất nó khác các sợi khác ở chỗ, nó được tối ưu hoá chống lại cáchiệu ứng phi tuyến (nhất là FWM), để có thế truyền dẫn cho hệ thống DWDM Băngthông quy định theo khuyên nghị là băng c (1530nm - 1565nm) nhưng lại cho phép

mở rộng sang cả băng L thì càng tốt, tức là khuyên khích chế tạo mở rộng phổtruyền dẫn sang tới bước sóng 1625nm

Có hai loại sợi NZ-DSF là loại +NZ-DSF và loại -NZ-DSF Loại sợi +NZ-DSF

có điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng nhỏ hơn 1500nm Loại sợi DSF có điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng lớn hon lóOOnm Ngoài racòn có loại sợi NZ-DSF có hai điểm tán sắc bằng không thuộc loại sợi tán sắc phẳng.Loại sợi này rất khó chế tạo và người ta cũng ít sản xuất loại sợi này

-NZ-Ngoài các ưu điểm về suy hao và tán sắc như đã phân tích ở trên, sợi NZ-DSFcòn có các đặc điểm rất mạnh khác như khả năng giảm ảnh hưởng của các hiệu ứngphi tuyến và giảm tán sắc phân cực mode Nhìn chung, các sợi quang được thiết kế

để dịch chuyển tán sắc thường có diện tích hiệu dụng Aetf khoảng 50pm2 - 60pm2.Trong khi đó, ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lại tỷ lệ nghịch với Aeft đối vớicác hiệu ứng tán xạ Brillouin được kích thích SBS (Stimulated Brillouin Scattering),tán xạ Raman SRS (Stimulated Raman Scattering), điều chế tự dịch pha SPM (SelfPhase Modulation), FWM; còn ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lại tỷ lệnghịch với (Aeff)2 đối với các hiệu ứng điều chế chéo pha XPM (Cross PhaseModulation) Do đó, để giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăngdiện tích hiệu dụng của sợi Các sợi NZ-DSF đã sử dụng cơ chế này để nâng caonăng lực ứng dụng của chúng Cũng vì vậy mà sợi cho phép có thể tiếp nhận côngsuất tín hiệu quang lớn hơn và làm cho cự ly truyền dẫn càng dài thêm, làm giảmtổng số thiết bị sử dụng trên tuyến

2 8