Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing)

 Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng,WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêngkênh quang  WDM cho phép tăng dung lư

MỤC LỤC

NỘI DUNG CHƯƠNG I HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Khái niệm

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là côngnghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ởđầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) đểtruyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (táchkênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

1.2 Sơ đồ tổng quát

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiệntại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (TunableLaser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phátlaser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh,bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khácnhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tínhiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sángriêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDMnhư: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang

tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét cáctham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng,bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh,suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnhhưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên

2

quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tốsợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đạiquang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Ramanhiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại côngsuất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệthống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệchkhông quá 1 dB)

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đếnmức công suất đầu ra của các kênh

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lạicác hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cảcác kênh

Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ táchsóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướngnhư minh hoạ trên hình 1.2 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợiquang Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDMsong hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để

có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM

1.4.1 Bộ phát quang

 Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể

là Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED)

 Laser “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đạiánh sáng nhờ bức xạ kích thích.Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượngchính là : Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánhsáng khi lan truyền trong Laser

 Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng vớibiến đổi của tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặctương tự Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tínhiệu quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang.Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế

4

tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900

nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm

 Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo các địnhdạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) và đảm bảo tínhiệu quang có độ rộng phổ hẹp tại bớc sóng chính xác theo tiêu chuẩn

• Mô hình điều chế ngoài

Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài

• Yêu cầu với nguồn quang:

- Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ thốngWDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khácnhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyênnhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết

độ ổn định tần số phía phát phải thật cao

- Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng phổcủa nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tầncho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổcàng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao,

hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải

là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng,laser phản hồi phân bố)

- Dòng ngưỡng thấp: Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trongviệc kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin và tránhcho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn)

- Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi quang,nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh độngcàng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồnquang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa cáckênh

- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode,nhiễu pha, Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông

số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt

1.4.2 Bộ thu quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi

Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tínhiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sử dụng các photodiode PINhoặc APD Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏnhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với t lệ lỗibít (BER) cho phép

Bộ thu quang trong hệ thống WDM

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu

1.4.3 Sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm cóhai lớp:

6

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủytinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc(cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 <n1

Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang

 Phân loại theo chiết suất:

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)

- Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)

 Phân loại theo mode

- Sợi đơn mode (Single-Mode)

- Sợi đa mode (Multi-Mode)

Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:

- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyềndẫn

- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dunglượng cao

- Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang

- Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu cáchiệu ứng phi tuyến

- Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trongcửa sổ C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted)

1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

a Ưu điểm :

 Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM

 Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng,WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng(kênh quang)

 WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặtthêm sợi quang

1.6 Bộ khuếch đại quang EDFA

1.6.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 1.6: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFACấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped FiberAmplifier) Trong đó bao gồm:

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy raquátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

Hình 1.7: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được phatrộn ionEr3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+trongvùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ionerbiumlớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp

hơnbao quanh vùng lõi.Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kínhsợiquang tổng cộng là 250 μm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọcdùngđể loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang.Nếukhông kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩntrongviễn thông.

1.6.2 Ưu khuyết điểm của EDFA

a) Ưu điểm:

- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao

- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống

- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vậnchuyển vàthay thế

- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tinquang vượtbiển

- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếchđại quangbán dẫn

- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu

b) Nhược điểm:

- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng

- Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L

- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn

1.7 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng

1.7.1 Suy hao xen

Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do cácđiểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây

ra Vì vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen đượcbiểu diễn qua công thức sau (xét bộ MUX-DEMUX)

1 0

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyếntruyền dẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quangcủa thiết bị

- Ii(λi), Oi(λi) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λi đi vào và đi ra cửa thứ i của

Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:

- Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc củakênh khác Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suấttrong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận

- Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly củacác bộ lọc

- Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơnmode Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm chocông suất

quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóngkhác cũng như vậy

Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i cóbước sóng λi sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng λi Nhưng trong thực tếluôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của một thiết

bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh vàđược tính bằng dB như sau:

Trong bộ giải ghép thì Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng

λk bị dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi

Hình 1.8: Xuyên kênh ở bộ giải ghépTrong các thiết bị tách hỗn hợp có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên âm đầu gần vàxuyên âm đầu xa

Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống WDM là có thể sử dụng bao nhiêu bước

và việc phân chia bước sóng như thế nào

1 2

Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sủ dụng bước sóng1550nm và các bộ khuếch đại EDFA Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi phatạp EDFA khoản 30nm Nếu ta muốn xếp khoảng 16 kênh trong dải bước sóng này thì

độ rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm Độ rộng kênh là tiêu chuẩn trongmiền tần số hơn là bước sóng

Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng:

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.108m/s

λ là bước sóng hoạt động

Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ250GHz Vậy độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phátquang Dải bước sóng C của các bộ khuếch đại EDFA là 1530-1550nm Nếu nguồnphát thứ nhất phát xạ tại 1530, thì nguồn phát thứ hai phải phát xạ tại 1531,875nm vàcác nguồn phát khác tương tự Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độ rộngkênh yêu cầu khoảng vài chục nm Đối với nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độrộng kênh phải lớn hơn từ 10 đến 20 lần LD vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộnghơn

1.7.4 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suấttín hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn của hệ thống WDM thì mức công suấtnày thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh

Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thểchia thành hai loại là hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ)

a Hiệu ứng tán xạ:

Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS:

- Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sángvào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tínhiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín hiệuquá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống

- Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có hiện tượng như SRSnhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau chiều tán

xạ Ảnh hưởng càn lớn thì ngưỡng công suất càng thấp

b Hiệu ứng Kerr:

Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM:

- Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) là hiện tượng khi cường độ quang đưavào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự biến pha củasóng quang Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ tần dãn rộng và tíchlũy theo sự tăng lên của chiều dài Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổitần số quang càng lớn

- Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa là trong hệ thống nhiềubước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha của tínhiệu bị điều chế bởi công suất của kênh khác

- Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quangtruyền dẫn hồn hợp trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên nhiễulàm hạn chế số bước sóng được sử dụng Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gâycác hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từngkênh dẫn đến suy giảm t số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

1 4