Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh APD Avalanche Photo-Diode Photodiode thác lũ APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ASK Amplitud

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng mọi số liệu và kết quả mô phỏng trong luận văn

“Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM” là trung thực và hoàn toàn không trùng lặp với các đề tài khác

Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, tháng 4 năm 2012

Lê Trọng Việt Học viên cao học khóa 2010 - 2012 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH HÌNH VẼ 4

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 6

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM 10

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin quang 10

1.2 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin quang 12

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin quang 12

1.2.2 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang 15

1.2.2.1 Ưu điểm 15

1.2.2.2 Nhược điểm 16

1.3 Ứng dụng và xu thế phát triển 16

1.3.1 Ứng dụng trong viễn thông 16

1.3.2 Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp 17

1.4 Các kỹ thuật ghép kênh quang 18

1.4.1 Kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số 19

1.4.2 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian 20

1.4.3 Kỹ thuật ghép kênh quang theo không gian 22

1.4.4 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM 22

1.5 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM 23

1.5.1 Định nghĩa 23

1.5.2 Mục đích 23

1.5.3 Phân loại WDM 24

1.5.4 Chức năng của hệ thống WDM 25

1.5.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 27

1.5.6 Sự phát triển của WDM trong thời gian qua 28

1.6 Giới thiệu về hệ thống WDM sử dụng thiết bị Huawei của EVNTelecom 28

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM 33

2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng OUT 33

2.1.1 Nguyên lý hoạt động 34

2.1.2 Phân loại và ứng dụng 34

2.2 Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX 35

2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng các bộ lọc 37

2.2.2 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ 42

2.2.2.1 Công thức cách tử 44

2.2.2.2 Các bộ tách ghép bước sóng sử dụng cách tử 46

2.2.3 Phương pháp ghép sợi 49

2.2.3.1 Phương pháp ghép xoắn sợi 50

2.2.3.2 Phương pháp mài ghép 50

2.2.3.3 Nhược điểm của phương pháp ghép sợi 51

2.3 Các bộ khuếch đại quang 51

2.3.1 Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA 54

2.3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 54

2.3.1.2 Ưu khuyết điểm và ứng dụng của SOA 55

2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium (EDFA) 57

2.3.2.1 Các cấu trúc EDFA 57

2.3.2.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA 58

2.3.2.3 Ưu khuyết điểm của EDFA 62

2.3.3 Bộ khuếch đại quang Raman (RA) 62

2.3.3.1 Nguyên lý hoạt động 62

2.3.3.2 Ưu khuyết điểm của khuếch đại Raman 64

2.4 Bộ xen rẽ kênh quang OADM 65

2.5 Các modul bù tán sắc DCM 67

2.6 Các loại sợi quang sử dụng trong truyền dẫn 70

2.6.1 Phân loại sợi 70

2.6.2 Sợi quang bù tán sắc DCF 71

2.6.2.1 Nguyên lý cơ bản của bù tán sắc 71

2.6.2.2 Tính năng và kết cấu của sợi bù tán sắc DCF 72

2.6.3 Sợi quang tán sắc bằng phẳng DFF 73

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WDM 76

3.1 Tổng quan về các hiệu ứng phi tuyến 76

3.2 Tán xạ do kích thích Raman SRS 78

3.3 Tán xạ do kích thích Brillouin SBS 80

3.4 Hiệu ứng tự điều pha SPM 81

3.5 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 83

3.6 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM 83

3.7 Hướng khắc phục ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 85

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN BẰNG PHẦM MỀM OPTISYSTEM 87

4.1 Giới thiệu về phần mềm OptiSystem 87

4.2 Phần mô phỏng 88

4.2.1 Mô phỏng hiệu ứng tán xạ kích thích Raman 88

4.2.2 Mô phỏng hiệu ứng Brillouin 93

4.2.3 Mô phỏng hiệu ứng FWM 96

KẾT LUẬN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu hình của một hệ thống thông tin quang

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Hình 1.3: Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng

Hình 1.4: Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang

Hình 1.5: Kết nối các tổng đài bằng cáp sợi quang

Hình 1.6: Mạng truyền hình cáp quang

Hình 1.7: Tương quan giữa nhu cầu thoại và truyền số liệu

Hình 1.8: Sơ đồ tuyền thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM

Hình 1.9: Minh họa kỹ thuật OTDM

Hình 1.10: Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng

Hình 2.5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa

Hình 2.6: Cấu trúc tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa

Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng

Hình 2.8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế

Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn

trực tiếp vào sợi

Hình 2.10: Thiết bị OMUX – ODMUX 4 bước sóng

Hình 2.11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng

Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử phản xạ Hình 2.13: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử truyền xạ Hình 2.14: Tìm công thức cách tử

Hình 2.24: Cấu trúc của một trạm lặp quang điện (optoelectronic repeater)

Hình 2.25: Cấu trúc của bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA

Hình 2.26: Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA

Hình 2.27: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

Hình 2.28: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3 +trong sợi silica

Hình 2.29: Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFA có lõi pha Ge

Hình 2.30: Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm

980 nm và 1480nm

Hình 2.31: Sơ đồ chuyển năng lượng trong khuếch đại Raman

Hình 2.33: Cấu trúc chung của một bộ OADM

Hình 2.34: OADM cố định

Hình 2.35: OADM có thể cấu hình lại

Hình 2.36: Nguyên lý bù tán sắc của cách tử Bragg

Hình 2.37: Tán sắc bằng phẳng của sợi quang

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng hiệu ứng Raman

Hình 4.2: Phổ công suất tín hiệu tại đầu vào

Hình 4.3: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra

Hình 4.4: Ảnh hưởng của hiệu ứng Raman

Hình 4.5: Phổ công suất tín hiệu thu và tín hiệu Stock

Hình 4.6: Ảnh hưởng của hiệu ứng Brillouin

Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng hiệu ứng FWM

Hình 4.8: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra

Hình 4.9: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo hệ số tán sắc D

Hình 4.10: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra

Hình 4.11: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo Δf

Hình 4.12: Phổ công suất tín hiệu tại đầu ra

Hình 4.13: Tỉ lệ suy giảm công suất thay đổi theo công suất đầu vào

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh giữa cáp quang và cáp đồng

Bảng 1.2 Sự phân chia các băng sóng

Bảng 2.1: Suy hao của các modul bù tán sắc

Bảng 4.1 Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng Raman

Bảng 4.2 Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng Brillouin

Bảng 4.3 Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng FWM theo hệ số tán sắc

Bảng 4.4 Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng FWM theo Δf

Bảng 4.5 Bảng tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng FWM theo công suất phát

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh

APD Avalanche Photo-Diode Photodiode thác lũ

APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng

bộ AWG Arrayed-Wavegiude Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận

BA Booser Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu

phát

CPM Cross Phase Modulation Ðiều chế xuyên pha

DCF Dispersion Compensated Firber Sợi bù tán sắc

DCG Dispersion Compensating Grating Cách tử bù tán sắc

DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc

DEM Dispersion-Equalization Module Module điều chỉnh tán sắc DFA Doped-Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha

tạp chất DSF Dispersion Shifted Firber Sợi tán sắc dịch chuyển

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplex

Ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc

DXC Digital Cross Connect Bộ kết nối chéo số

EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang trộn Erbium

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi trộn

Erbium FBG Fiber-Bragg Grating Cách tử sợi Bragg

FPA Fabry-Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry-Perot FTTH Fiber To The Home Quang hóa đến tận nhà

LA Line Amplifier: Khuếch đại quang đường truyền LAN Local Area Network: Mạng nội bộ

NrREG Non-regenarative Repeater Trạm lặp quang

NRZ Non Return to Zero Mã không trở về 0

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh quang

ODM Optical Demultiplexer Bộ tách bước sóng quang

OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang

OM Optical Multiplexer Bộ ghép bước sóng quang OMS Optical Multiplex Section Lớp đoạn ghép kênh quang OPM Optical Performance Monitor Thiết bị giám sát mạng quang OSC Optical Supervision Channel Kênh giám sát quang

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang OTDM Optical Time Division Multiplex Ghép kênh quang phân chia thời

gian OTS Optical Transmission Section Ðoạn truyền dẫn quang

OTU Optical Transmit Unit Bộ chuyển phát quang

OXC Optical Cross-Connect Bộ kết nối chéo quang

PDH Plesiochrounous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ

PIN Positive Intrinsic Nagative Điốt PIN

PLL Phase - Locked Loop Vòng khoá pha

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha

RL Reflectance/Return Loss Suy hao phản hồi

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ do kích thích Brillouin SCM SubCarrier Modulation Ðiều chế sóng mang phụ

SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SPM Self Phase Modulation Tự điều pha

SPR Shared Protection Ring Vòng bảo vệ chia sẽ

SRS Stimulated Ramam Scattering Tán xạ do bị kích thích Raman STM Synchronous Transport Module Môdun truyền tải đồng bộ TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng XPC Cross Phase Modulation Ðiều chế xuyên pha

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông và được coi là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển, xuyên lục địa và được sử dụng như phương thức truyền dẫn chính Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ thông tin trong xã hội, đặc biệt là sự phát triển của các dịch vụ băng thông rộng, mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có sự phát triển mạnh cả về quy mô và trình độ công nghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng bao gồm các hệ thống truyền dẫn quang hiện đại Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao,

cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao…

Trong các hệ thống thông tin trước đây sử dụng phương pháp truyền dẫn truyền thống SDH, một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng với một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông

mà các sợi quang có thể truyền dẫn Nếu muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải thêm sợi quang Thực tế cho thấy, khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó sẽ xuất hiện các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ cũng như kéo dài cự ly truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trục Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được các xung điện cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn trở nên khá tốn kém

Do đó, các kỹ thuật ghép kênh quang như OTDM, OFDM, SCM, WDM đã ra đời nhằm khắc phục được các hạn chế trên Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng Trong đó nổi trội hơn cả là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng - WDM, và WDM đã mở ra hướng phát triển mới cho mạng viễn thông

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG

QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin quang

Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự phát triển của xã hội loài người khi con người đã biết cách liên lạc với nhau bằng cách ra dấu (Hand signal) Liên lạc bằng cách ra dấu cũng là một dạng của thông tin quang: bởi vì không thể ra dấu trong bóng tối Ban ngày, mặt trời là nguồn ánh sáng cho

hệ thống này (hệ thống “Hand signal”) Thông tin quang được mang từ người gửi đến người nhận dựa trên bức xạ mặt trời Mắt là thiết bị thu thông điệp này, và bộ lão xử lý thông điệp này Thông tin truyền theo kiểu này rất chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, và lỗi rất lớn

Một hệ thống thông tin quang sau đó, có thể có đường truyền dài hơn, là tín hiệu khói (Smoke signal) Thông điệp được gửi đi bằng cách thay đổi dạng khói phát ra từ lửa Mẫu khói này một lần nữa được mang đến phía thu bằng ánh sáng mặt trời Hệ thống này đòi hỏi một phương pháp mã hóa phải được đặt ra, mà người gửi và người nhận thông điệp phải được học nó Điều này có thể so sánh với

hệ thống mã xung (Pulse codes) sử dụng trong hệ thống số (digital system) hiện đại

Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời để làm thông tin liên lạc đến nay, lịch sử của thông tin quang đã qua những bước phát triển và hoàn thiện có thể tóm tắt bằng các mốc chính sau:

• Năm 1775: Paul Reverse đã sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo tới

• Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các

đèn báo hiệu trên đó Thời đó, tin tức truyền đi với tín hiệu này vượt chặng đường 200 km trong 15 phút

• Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người Anh, đã thực hiện thành công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi trường điện môi trong suốt

• Năm 1870: cũng là John Tyndall đã chứng minh rằng ánh sáng có thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần

• Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra hệ thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone Ông đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đã điều chế đập vào tế bào quang dẫn làm bằng selen, nó sẽ biến đổi tín hiệu ánh sáng thành dòng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này Hệ thống photophone chưa bao giờ đạt được thành công trên thương mại, mặc dù nó đã làm việc tốt hơn, do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền

• Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về

hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh

• Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên trong (ánh sáng lan truyền trong lớp này) và lớp vỏ bọc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm giữ ánh sáng ở trong lõi Sợi này sau đó được các nhà khoa học trên phát triển thành Fiberscope uốn cong (một loại kính sợi bằng sợi quang), một thiết bị có khả năng truyền một hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi Tính uốn cong của fiberscope cho phép ta quan sát một vùng mà ta không thể xem một cách bình thường được Đến nay, hệ thống fiberscope vẫn còn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành y dùng để soi bên trong cơ thể con người

• Vào năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra thiết bị phát Laser cho phép tăng cường và tập trung nguồn sáng để phát vào sợi quang

• Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao

• Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu Và nếu sợi quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km

• Năm 1967: suy hao sợi quang đo được là α ≈ 1000 dB/km

• Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao α < 20 dB/km ở bước sóng λ = 633 nm

• Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao α ≈ 4 dB/km

• Năm 1983: sợi SM (Single mode) được sản xuất ở Mỹ

• Năm 1988: Công ty NEC thiết lập một mạng đường dài mới có tốc độ 10 Gbit/s trên chiều dài 80,1 km dùng sợi dịch tán sắc và laser hồi tiếp phân bố

• Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng 1550 nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều

1.2 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin quang

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang Nói chung, tín hiệu từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối, số liệu hoặc fax được đưa đến bộ chuyển đổi điện/quang E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau đó tín hiệu quang được đưa vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra Khi truyền tới đầu bên kia của sợi quang, tín hiệu này được đưa đến bộ chuyển đổi quang/điện O/E để tạo lại

dạng tín hiệu điện, khôi phục lại dạng tín hiệu nguyên dạng như ban đầu mà máy điện thoại, số liệu và fax gửi đi

Hình 1.1: Cấu hình của một hệ thống thông tin quang

Như vậy, cấu trúc đơn giản của một hệ thống thông tin quang có thể được

mô tả đơn giản như hình 1.2 gồm:

• Bộ phát quang

• Bộ thu quang

• Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Trên hình 1.2 mới chỉ minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo một hướng Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo hai hướng

Hình 1.3: Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng

Như vậy để thực hiện truyền dẫn giữa hai điểm cần phải có hai sợi quang

Nếu cự ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có nhiều trạm lặp (Repeater) Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp (cho một hướng truyền dẫn) được minh họa như hình 1.4

Hình 1.4: Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang

• Khối E/O: bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín hiệu điện đó thành tín hiệu quang, và đưa tín hiệu quang này lên đường truyền (sợi quang) Đó là chức năng chính của khối E/O ở bộ phát quang Thường người ta gọi khối E/O là nguồn quang Hiện nay linh kiện được sử dụng làm nguồn quang là LED và LASER

• Khối O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽ được thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát Đó là chức năng của khối O/E ở bộ thu quang Các linh kiện hiện nay được sử dụng cho chức năng này là PIN và APD, và chúng thường được gọi là các linh kiện tách sóng quang (photo – detector)

• Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do sợi quang có độ suy hao) Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp nên đầu thu không thể nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng các trạm lặp (hay còn gọi là trạm tiếp vận) Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu Như vậy, tín hiệu ở ngõ vào và ngõ

ra của trạm lặp đều ở dạng quang, và trong trạm lặp có cả khối O/E và E/O

1.2.2 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang

1.2.2.1 Ưu điểm

• Suy hao thấp: Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn Nếu so

sánh với cáp đồng trong một mạng, khoảng cách lớn nhất đối với cáp đồng được khuyến cáo là 100 m, thì đối với cáp quang khoảng cách đó là 2000 m Một nhược điểm cơ bản của cáp đồng là suy hao tăng theo tần số của tín hiệu Điều này có nghĩa là tốc độ của dữ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất và giảm khoảng cách lan truyền thực tế Đối với cáp quang thì suy hao không thay đổi theo tần số của tín hiệu

• Dải thông rộng: Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập một hệ

thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên

đến hàng THz

• Trọng lượng nhẹ: Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng Một

cáp quang có hai sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp đồng Category 5 có 4

đôi Cáp quang có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn

• Kích thước nhỏ: Cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết

kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp

• Không bị can nhiễu bởi sóng điện từ và điện công nghiệp

• Tính an toàn: Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện

• Tính bảo mật: Sợi quang rất khó trích tín hiệu Vì nó không bức xạ năng

lượng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất

khó trích lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang

• Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video

Bảng 1.1 So sánh giữa cáp quang và cáp đồng

1.2.2.2 Nhược điểm

• Vấn đề biến đổi điện – quang: Trước khi đưa một tín hiệu thông tin dạng điện vào sợi quang, tín hiệu đó phải được biến đổi thành sóng anh sáng

• Dòn, dễ gẫy: Sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thủy tinh

nên dòn và dễ gẫy Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều

khó khăn Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng

• Vấn đề sửa chữa: Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

• Vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ

kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diện đầu sợi quang, hay các khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn

năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt

1.3 Ứng dụng và xu thế phát triển

1.3.1 Ứng dụng trong viễn thông

• Mạng đường trục quốc gia

• Đường trung kế

• Đường cáp biển liên quốc gia

1.3.2 Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp

• Truyền số liệu

• Truyền hình cáp

Dưới đây là minh họa một vài ứng dụng sử dụng cáp sợi quang

Cáp sợi quang hiện nay được sử dụng cho rất nhiều ứng dụng khác nhau Chẳng hạn, nhiều công ty điện thoại đang sử dụng các tuyến cáp quang để truyền thông giữa các tổng đài, qua các thành phố, qua các nước khác nhau và qua những tuyến dài trên biển (xem hình 1.5) Hiện nay ở một số nước đã có kế hoạch mở rộng cáp quang đến các hộ gia đình để cung cấp các dịch vụ videophone, IPTV chất lượng cao

Hình 1.5: Kết nối các tổng đài bằng cáp sợi quang

Các công ty truyền hình cáp đã và đang triển khai các đường cáp quang để truyền tải những tín hiệu chất lượng cao từ trung tâm đến các vị trí trung chuyển phân bố xung quanh các thành phố (hình 1.6) Sợi quang nâng cao được chất lượng của các tín hiệu truyền hình và làm tăng số kênh khả dụng Trong tương lai cáp quang có thể được nối trực tiếp đến các hộ gia đình để cung cấp nhiều dịch vụ mới cho người sử dụng Những dịch vụ dựa trên cáp quang như truyền hình tương tác, giao dịch ngân hàng tại gia, hay làm việc từ một hệ thống văn phòng tại gia đã được đưa vào kế hoạch sử dụng trong tương lai

Hình 1.6: Mạng truyền hình cáp quang

Sợi quang là phương tiện lý tưởng cho truyền số liệu tốc độ cao Tín hiệu không bị méo bởi nhiễu từ môi xung quanh Tính cách điện của sợi quang tạo ra một giao tiếp an toàn giữa các máy tính, các thiết bị đầu cuối, và các trạm lặp làm việc Rất nhiều trung tâm máy tính đang sử dụng cáp sợi quang để cung cấp các đường truyền số liệu tốc độ cao ở các mạng LAN

1.4 Các kỹ thuật ghép kênh quang

Với sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là Internet đã làm bùng nổ nhu cầu tăng băng thông (xem hình 1.7) Trong bối cảnh

IP (Internet Protocol) đang nổi lên như là nền tảng chung của mọi loại hình dịch

vụ trong tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong việc tận dụng băng thông

Tóm lại, ta cần phải giải quyết bài toán tăng băng thông cho viễn thông tương lai Các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến các phương thức truyền dẫn sau:

Hình 1.7: Tương quan giữa nhu cầu thoại và truyền số liệu

1.4.1 Kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số

Như đã biết, ghép kênh là một biện pháp nhằm tập hợp một số kênh thông tin lại thành một kênh chung mang lượng thông tin lớn hơn Một kỹ thuật dùng để thông tin bằng ánh sáng là ghép kênh tần số Trong OFDM, băng tần của sóng ánh sáng được phân chia thành một số kênh thông tin riêng biệt, mà ở đây các kênh có tần số quang khác nhau sẽ được biến đổi thành các luồng song song để cùng truyền đồng thời trên một sợi quang Các sóng ánh sáng có tiềm năng thông tin rất lớn và nó có tần số rất lớn tới hơn 200000 GHz Hơn nữa, sợi quang vốn có suy hao rất nhỏ ở dải bước sóng từ 0,8 - 1,8 µm, cũng tương đương với băng tần

200000 GHz Vì thế, một số lượng lớn các kênh quang FDM sẽ được truyền trên sợi, và mỗi kênh quang riêng biệt có thể có một băng tần đủ rộng Chẳng hạn, trên sợi dẫn quang tồn tại vùng có suy hao nhỏ nằm trong khoảng 1,5 - 1,6 µm Vùng này có băng tần là 12000 GHz và như vậy có thể ghép tới hơn 1000 kênh quang để mang thông tin cần truyền Vì vậy có thể thiết lập được tốc độ truyền dẫn trên sợi quang khoảng 1 Tbit/s nhờ OFDM

Mặc dù công nghệ OFDM hiện nay mới chỉ ở mức triển khai thực nghiệm, nhưng người ta đã tiến hành ghép hệ thống lên tới 100 kênh quang Mặt khác, với công nghệ cáp sợi quang phát triển, các cáp có thể có tới 100 sợi đã làm cho hệ thống thông tin quang ghép kênh theo tần số không cần phải đạt hiệu suất sử dụng cao với mức khó thực hiện được như ở ghép kênh FDM đối với các hệ thống vô

tuyến Về thực chất, OFDM đã khai thác khả năng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách ghép các kênh ở các bước sóng khác nhau vào thành một luồng thông tin lớn Như vậy, OFDM là chung cho ghép kênh theo bước sóng OFDM và WDM cho phép chúng ta tăng dung lượng kênh mà lại vượt qua được giới hạn của tán sắc sợi dẫn quang OFDM sẽ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin quang hiện tại và tương lai, nó là yếu tố quyết định thúc đẩy mục tiêu thực hiện quang hoá hoàn toàn.

1.4.2 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian

Trước sự phát triển của mạng viễn thông, vấn đề đặt ra là phải xây dựng một hệ thống truyền tốc độ cao trên nền sợi quang Tuy nhiên, để có được thiết bị hoạt động ở tốc độ cao, công nghệ điện tử - thông tin phải sản xuất được các Chip điện tử có khả năng đáp ứng được tốc độ chuyển mạch cao hoặc làm việc ở môi trường có băng tần rộng Cho đến nay, các thiết bị này đều đã được sản xuất và sẵn

có trên thị trường và thoả mãn được tốc độ 10-20 Gbit/s được dùng cho các thiết bị phát và thu quang làm việc ở băng tần cao, mặt khác nó thoả mãn được các thiết bị ghép và tách kênh

Để tiếp tục tăng tốc độ bit lên 40 Gbit/s hoặc hơn nữa cho đến nay là rất khó vì vẫn phải dựa vào nền tảng cấu trúc công nghệ hỗn hợp InP Vì vậy, kỹ thuật OTDM có thể khắc phục được hạn chế này, quá trình ghép các luồng tín hiệu quang thành các luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn không qua một quá trình biến đổi điện nào OTDM hứa hẹn có nhiều khả năng thành công và tiến nhanh hơn bất kỳ một sản phẩm ghép kênh điện nào, vì nó sử dụng các kỹ thuật xử lý quang tiên tiến

Hình 1.8: Sơ đồ tuyền thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM

Hình 1.9: Minh họa kỹ thuật OTDM

Trong hình vẽ 1.8 mô tả hoạt động của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật OTDM Trong OTDM, chuỗi xung quang hẹp phát ra từ nguồn phát thích hợp Các tín hiệu này được đưa vào khuếch đại để nâng mức tín hiệu đủ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu Sau đó, chia thành N luồng, mỗi luồng đưa vào điều chế nhờ các bộ điều chế ngoài với tín hiệu nhánh B Gbit/s Để thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải đưa qua bộ trễ quang Tuỳ theo

vị trí từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng Thời gian trễ là một nửa tín hiệu Clock Như vậy, tín hiệu quang sau khi ghép sẽ có tốc độ là NxB Gbit/s Sau khi truyền tải trên đường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh, khôi phục xung Clock và đưa ra từng kênh quang riêng tương ứng với các kênh quang ở đầu vào bộ ghép phía phát Các hệ thống OTDM thường hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm, tại vùng bước sóng này, như đã biết có suy hao sợi quang nhỏ nhất, lại phù hợp với bộ khuếch đại quang sợi trong hệ thống Các bộ

khuếch đại quang sợi có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang Nguyên lý hoạt động này có thể đáp ứng xây dựng các hệ thống thông tin quang với tốc độ 200 Gbit/s Tuy nhiên, ở tốc độ này cần phải xem xét tới vấn đề bù tán sắc cho hệ thống

1.4.3 Kỹ thuật ghép kênh quang theo không gian

Đây là một kỹ thuật đơn giản, không cần sự phát triển của công nghệ, chỉ đơn thuần là tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn vẫn giữ nguyên Ta có thể chọn kỹ thuật ghép kênh theo không gian nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng thông đã có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng và khoảng cách tuyến truyền dẫn là

đủ ngắn để không phải sử dụng các bộ lặp, bộ khuếch đại Nếu khoảng cách là xa, khi đó chi phí sẽ tăng vọt do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp,

bộ khuếch đại … như hệ thống cũ

1.4.4 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM

Ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng

1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như minh hoạ trên bảng 1.2 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng

hoạt động trên mỗi băng Như vậy nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh

truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần

Bảng 1.2 Sự phân chia các băng sóng

Băng sóng Mô tả Bước sóng (nm)

Băng O Băng E Băng S Băng C Băng L Băng U

Original Extended Short Conventional Long Ultra-long

1.5.2 Mục đích

Sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn rất lớn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Tuy nhiên, để tránh hiện tượng nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải

có khoảng cách nhất định Qua nghiên cứu, ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể lựa chọn ở các cấp độ 200GHz, 100GHz, 50GHz

1.5.3 Phân loại WDM

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.10 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống

ta thấy:

• Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi

so với hệ thống song hướng

• Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức

• Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng…

Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

Hình 1.10: Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng

1.5.4 Chức năng của hệ thống WDM

Hình 1.11: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Như minh họa trên hình 1.11, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước

sóng trên một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:

• Phát tín hiệu: hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang là laser Hiện nay, đã

có một số loại nguồn phát như: laser điều chỉnh được bước sóng (tunable

laser), laser đa bước sóng (multiwavelength laser) Yêu cầu đối với nguồn

phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất

Khuếch đại tín hiệu Khuếch đại tín hiệu

Tách tín hiệu

Phát tín hiệu

Truyền tín hiệu trên

EDFA

MUX

DE- MUX

Tx1

Tx2

Rx1 Rx2

Phát tín hiệu

EDFA EDFA

MUX

DE- MUX

Tx1

Tx2

Rx1 Rx2

Tx2 λ 1 , λ 2 , λ 3 ,…, Rx2

Tách tín hiệu Ghép tín hiệu

Phát tín hiệu

EDFA EDFA

MUX

DE- MUX

Tx1

Tx2

Rx1 Rx2

λ 1 , λ 2 , λ 3 ,…,

λ 1 , λ 2 , λ 3 ,…,

Hệ thống WDM song hướng

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 khác

nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách Hiện nay, đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: 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 ghép/tách WDM, cần phải quan tâm đến các tham số như: khoảng cách giữa các kênh bước sóng, độ rộng băng tần của mỗi kênh, 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 ảnh

hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

• Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại

quang sợi EDFA Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay đã được sử dụng trên thực tế Có 3 chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường

và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

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

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

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

• Thu tín hiệu: để thu tín hiệu, các hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ

tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.5.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của công nghệ WDM như sau:

Ưu điểm của công nghệ WDM

 Tăng băng thông truyền trên sợi quang theo số lần tương ứng với số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang

 Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật

lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP

 Khả năng mở rộng: những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền dẫn trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau

 Hiện nay, WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

Nhược điểm của công nghệ WDM

 Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động rất rộng của sợi quang (chỉ mới tận dụng được băng C và băng L)

 Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần

 Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai WDM vì khi đó, sẽ xảy ra hiện tượng trộn bốn bước sóng trong sợi quang

1.5.6 Sự phát triển của WDM trong thời gian qua

Sự phát triển của các hệ thống WDM nhìn chung có thể chia làm ba giai đoạn (hình 1.12):

Hệ thống WDM thế hệ 1: là hệ thống WDM điểm nối điểm với các trạm xen/rẽ trên tuyến quang phải là các thiết bị MUX/DEMUX để tách/ghép tất cả các bước sóng

Hệ thống WDM thế hệ 2: là hệ thống WDM điểm nối đa điểm với các trạm xen/rẽ trên tuyến quang là các OADM cho phép tách/ghép trực tiếp những bước sóng cần xen/rẽ

Hệ thống WDM thế hệ 3: mạng WDM toàn quang với các thiết bị chuyển mạch và định tuyến bước sóng Mạng trong trường hợp này gọi là mạng định tuyến bước sóng: mạng cung cấp các đường quang (lightpath) tới người sử dụng là các đầu cuối SDH (SONET) hay các bộ định tuyến IP

1 Các tuyến cáp quang sử dụng cho hệ thống

• Tuyến cáp quang OPGW TBA220kV Mai Động - TBA 500kV Thường Tín DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: ADSS + OPGW 12 sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 15,5 km

• Tuyến cáp quang TBA500kV Thường Tín - TBA 500kV Nho Quan DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW 12 sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 74km

• Tuyến cáp quang TBA500kV Nho Quan - Trạm lặp quang R1 DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 148km

• Tuyến cáp quang TBA500kV Hà Tĩnh - Trạm lặp quang R2 DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 118km

• Tuyến cáp quang Trạm lặp quang R2 - Trạm lặp quang R3 DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 118km

• Tuyến cáp quang Trạm lặp quang R3 - Trạm lặp quang R4 DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 121km

• Tuyến cáp quang Trạm lặp quang R4 - TBA 500kV Đà Nẵng DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 53km

• Tuyến cáp quang TBA 500kV Đà Nẵng - TBA 500kV Dốc Sỏi:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 108km

• Tuyến cáp quang TBA 500kV Dốc Sỏi - trạm lặp quang Kon Tum DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 147km

• Tuyến cáp quang Trạm lặp quang Kon Tum - TBA500kV Pleiku:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 40km

• Tuyến cáp quang TBA500kV Pleiku - trạm lặp N12 DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 165km

• Tuyến cáp quang trạm lặp N12 - Trạm lặp N13 (TBA 500kV Di Linh):

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 164km

• Tuyến cáp quang Trạm lặp N13 - Trạm lặp N14 DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 125km

• Tuyến cáp quang trạm lặp N14 - TBA500kV Tân Định:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 70km

• Tuyến cáp quang TBA 500kV Tân Định - TBA 500kV Phú Lâm DZ500kV mạch 2:

- Loại cáp: OPGW sợi, tiêu chuẩn sợi G.655

- Chiều dài tuyến: 50 km

2 Thiết bị sử dụng trên tuyến

Thiết bị truyền dẫn quang DWDM sẽ được trang bị theo đề án này được bố trí tại các địa điểm:

+ Thiết bị cấu hình kết cuối BWS 1600: 83 Trần Phú - Hà Đông và 80 Nguyễn Thái Sơn - thành phố Hồ Chí Minh

+ Thiết bị cấu hình xen rẽ trên BWS 1600 RMU9: TBA 500kV Hà Tĩnh, TBA 500kV Đà Nẵng, TBA 500kV Pleiku, trạm lặp N12

+ Thiết bị cấu hình lặp quang BWS 1600 : TBA 500kV Hòa Bình, TBA 500kV Nho Quan, các trạm lặp N1, N2, R1, N3-R2, N4-R3, N5-R4, N6, N7, TBA 500kV Dốc Sỏi, trạm lặp Kon Tum, B8, N9, N10, N11, N13-Di Linh, N14, TBA 500kV Tân Định

3 Sơ đồ tuyến

Hình 1.13: Sơ đồ hệ thống WDM sử dụng thiết bị Huawei

Từ sơ đồ trên ta thấy: Hệ thống đường trục Bắc Nam được chia thành 4 Ring chính: Ring 1 từ Hà Nội đến Hà Tĩnh, Ring 2 từ Hà Tĩnh đến Đà Nẵng, Ring

3 từ Đà Nẵng đến PleiKu và Ring 4 từ PleiKu đến Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ

THỐNG WDM

Chương 1 đã trình bày những nét tổng quan nhất về hệ thống thông tin quang và công nghệ WDM, những ưu thế nổi trội cũng như vai trò hết sức quan trọng của công nghệ này Để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao WDM, chương này sẽ phân tích cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các phần tử trong hệ thống WDM

Hình 2.1 là sơ đồ một tuyến WDM điển hình với các thành phần cơ bản của hệ thống bao gồm:

- Các bộ chuyển đổi bước sóng (OTU)

- Các bộ tách ghép kênh quang (OMUX và ODMUX)

- Các bộ khuếch đại quang (OBA, OLA, OPA)

- Bộ xen/rẽ quang (OADM)

OTU OTU

2.1 Bộ chuyển đổi bước sóng OUT

OTU là thiết bị được sử dụng để thực hiện chuyển đổi bước sóng Nó chuyển đổi những bước sóng của các kênh tín hiệu quang đầu vào thành các

bước sóng quang chuẩn theo khuyến nghị G.692 của ITU-T để có thể truyền trên

hệ thống WDM

OTU cũng cung cấp nhiều chức năng khác:

- Cung cấp nguồn phát quang chuẩn và ổn định: Các hệ thống WDM cần phải ghép nhiều bước sóng trong cửa sổ quang có độ suy hao thấp

với khoảng cách giữa các bước sóng nhỏ, vì vậy tần số trung tâm của nguồn phát quang phải làm việc ổn định trong chuỗi tần số trung tâm chuẩn được chỉ

ra bởi ITU-T

- Nguồn quang có giới hạn tán sắc khá lớn: với một nguồn quang

có giới hạn tán sắc lớn sẽ làm tăng được khoảng cách truyền dẫn của tuyến mà không cần sử dụng đến các bộ bù tán sắc, đồng thời làm giảm được các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống

- OTU cũng được sử dụng như một bộ lặp với các chức năng tái tạo dạng xung, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu

2.1.1 Nguyên lý hoạt động

OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện (O/E) với các tín hiệu quang đưa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 và thực hiện tái tạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang đã được chuyển đổi thành điện Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang (E/O) để đưa ra tín hiệu kênh quang WDM mà có bước sóng, độ tán sắc và công suất phát quang theo chuẩn G.692

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của OUT

Sau khi chuyển đổi O/E nếu chỉ thực hiện tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục

định thời (thực hiện chức năng 2R: Reshape, Retiming) thì OTU thực hiện chức

năng chuyển đổi bước sóng cho truyền dẫn ở khoảng cách ngắn

Nếu sau khi chuyển đổi O/E, OTU xử lý tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục

định thời và khôi phục dữ liệu (chức năng 3R: Reshape, Retiming, Regenaration) được thực hiện thì OTU đó có chức năng của một bộ repeater

2.1.2 Phân loại và ứng dụng

Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng WDM mà OTU có thể được chia làm 3 loại: OTUT, OTUR và OTUG Ứng dụng của chúng trong hệ thống

OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của khách hàng Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OTUR phải tuân theo chuẩn G.692 Loại OTU này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện chuyển đổi bước sóng, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1

OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX Tín hiệu đầu vào

và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692 OTU loại này không chỉ có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu, khôi phục định thời, và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R) Vì vậy OTUG tương đương như một bộ lặp thông thường và cũng có chức năng tìm byte B1

2.2 Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX

Với các hệ thống thông tin sợi quang thông thường trước đây, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang

tại đầu thu vì vậy các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định riêng biệt Tuy nhiên các nguồn quang lại có độ rộng phổ tương đối hẹp vậy phương pháp này rất lãng phí tài nguyên truyền dẫn của sợi quang

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang ra đời đã cho phép tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và không cần phải dùng thêm các sợi quang Kỹ thuật này thực hiện truyền các luồng ánh sáng với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có Do đặc điểm của các nguồn phát là có độ rộng phổ khá hẹp, nếu tận dụng được thì có thể truyền được một dung lượng rất lớn trên một sợi quang

từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau một cách hợp lý Ở phía đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau Theo những nghiên cứu mới nhất thì hiện nay trên các sợi quang đã có thể ghép được tới 160 bước sóng, dung lượng truyền trên mỗi bước sóng là 10Gb/s

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng quang được mô tả như trên hình 2.1 Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang ở phía phát Bộ ghép kênh theo bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi

để tới phía thu Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ được tách ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp

Có 3 loại WDM chính được sử dụng đó là:

- Bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters-DTF) dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dải bước sóng cụ thể cũng như dễ dàng thích ứng trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều Bộ lọc DTF được sử dụng để ghép bước sóng tại hai cửa sổ

- Cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùng một cửa sổ

- Ghép định hướng theo phương pháp hàn sợi

2.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng các bộ lọc

Các thiết bị vi quang học thường được sản xuất dựa trên hai công nghệ khác nhau, đó là bộ tán sắc góc và các bộ lọc

Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trên nguyên

lý phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua Phần tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bước sóng là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết xuất cao và thấp đặt xen kẽ nhau Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm 2 gương phản xạ thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt Nguyên lý hoạt động của nó như sau: khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng

Hình 2.4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng

Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai loại:

- Bộ lọc thông dải: được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc và có đáp ứng phổ thông thấp hoậc thông cao

- Bộ lọc băng thông: được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λo và độ rộng băng ∆λ của bộ lọc

Các bộ lọc thông dải được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc, có cấu trúc bao gồm các lớp điện môi có chiết suất cao H (Ge, Si, Ta2O5 ) và các lớp có chiết suất thấp L (GeF3, SiO, SiO2 ) đặt xen kẽ nhau trên cùng một phiến đế

Mỗi lớp có độ dày là λ/4 đối với bộ lọc bậc 0 và độ dày 3λ/4 đối với bộ lọc bậc

1 Cấu trúc thường được sử dụng là cấu trúc (H/2 L H/2)k, yêu cầu đặt ra đối với

bộ lọc loại này là đặc tuyến phải có sườn dốc và có độ phản xạ cao trong dải

phổ tín hiệu và đồng thời truyền dẫn tốt phổ tín hiệu bù Các bộ lọc thông dải được sử dụng rộng rãi cho việc ghép/tách hai bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ như 850 và 1300nm hay 1300 và 1550nm) Do đó mà thiết bị này

có thể sử dụng một cách có hiệu quả đối với các nguồn sáng có độ rộng phổ lớn như LED Còn các nguồn có độ rộng phổ hẹp như laser người ta thường sử dụng các bộ lọc băng thông Hơn nữa để bộ lọc có khả năng đáp ứng được sự chuyển dịch bước sóng của nguồn do nhiệt độ gây ra, bộ lọc phải được thiết kế sao cho đặc tính phổ có dạng phẳng xung quanh bước sóng trung tâm và sườn của đặc tính càng dốc càng tốt để có thể ngăn ngừa sự xuyên kênh giữa hai kênh kề nhau

Bộ lọc băng thông được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λ0, có độ rộng băng ∆λ, thích hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như laser Có thể đạt

độ rộng dải thông ∆λ/λ = 0.045 với bộ lọc gồm 23 lớp điện môi và 3 hốc sử dụng các lớp chiết suất cao TiO2 = 2.45 và lớp chiết suất thấp SiO2 = 1.47 trên phiến có chiết suất n = 1.563

Hình 2.5 là sơ đồ cấu trúc của một bộ lọc điện môi giao thoa sử dụng nhiều lớp có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa ánh sáng tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và bước sóng đó được truyền dẫn thông suốt nhất Các chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn

Hình 2.5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa

Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc điện môi màng mỏng:

Hình 2.6: Cấu trúc tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa

Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 2.6a, trong khi đó thực

tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6b Các phần tử chuẩn trực và hội tụ các thấu kính GRIN 1/4 chu kỳ P Bộ lọc được thiết kế để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa hai thấu kính

Các thiết bị tách bước sóng này được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300

nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như: 800 nm

và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; hoặc 1300nm và 1550 nm vv , với suy hao xen nhỏ hơn 3dB và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB

Bộ tách lớn hơn 2 bước sóng:

Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau, và mỗi bộ lọc cho đi qua

một bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại

Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng

Hình 2.8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế

Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các sợi quang vv Hình 2.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN

và khối thuỷ tinh trong suốt

Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực, thiết bị không có thấu kính, mà các bộ lọc giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn