chương 3 hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng (wdm)

CHƯƠNG HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO BƯỚC SĨNG (WDM) 3.1.Giới thiệu chương Các hệ thống thơng tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng nhiễu khả bảo mật cao ,phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Cơng nghệ tách/ghép kênh theo bước sóng WDM đời nhằm giải phần toán dung lượng truyền tải băng rộng 3.2.Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM phương thức ghép kênh phân chia theo bước sóng sử dụng sợi quang Trong thơng tin sợi quang, tín hiệu tương ứng với kênh chuyển sang tần số quang học( thường biểu diễn bước sóng  truyền Từ năm 1994, kỹ thuật WDM bắt đầu áp dụng, kỹ thuật sơ tạo nên mạng quang, kỹ thuật tận dụng băng tần sợi quang cách truyền nhiều kênh bước sóng quang độc lập riêng rẽ sợi quang, bước sóng biểu thị cho son kênh quang sợi Bước sóng tín hiệu sử dụng chủ yếu khoảng 1550nm Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang :  Truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hướng  Truyền dẫn ghép bước sóng theo hai hướng Đồ án tập trung tìm hiểu hệ thống ghép kênh WDM đơn hướng Truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hướng phương án kết hợp bước sóng khác vào sợi đầu thực tách chúng để chuyển tới tách sóng quang đầu Hình 3.1 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng đơn hướng 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống WDM Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM Sai! Đây hệ thống thơng tin quang tiêu biểu khơng có ghép kênh WDM Hệ thống kết hợp kênh khác sợi quang Chia có thành phần hệ thống gồm phần phát quang, mơi trường truyên dẫn phần thu quang Em lấy sơ đồ nội dung bên sơ đồ khác! Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại ( ghép kênh) để truyền sợi quang Thường dùng LASER Diode có độ rộng phổ hẹp có khả điều chỉnh bước ongs yêu cầu kênh nằm bước sóng khác khoảng cách kênh nhỏ Môi trường truyền dẫn cáp sợi quang Sử dụng khuếch đại quang EDFA có khả khuếch đại nhiều bước sóng nên sử dụng hiệu hệ thống đa kênh có khoảng cách truyền dẫn lớn Ở đầu thu, tín hiệu đa kênh đến đầu vào tiền khuếch nâng mức công suất, đưa vào giải ghép kênh WDM nhằm tách kênh khác nhau, sau mạch tách sóng quang, chuyển tín hiệu xuống miền điện mạch điều khiển để khôi phục thông tin ban đầu 3.2.2.Ưu, nhược điểm  Ưu điểm : - Dung lượng truyền dẫn lớn, hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn nhiều so với hệ thông TDM Hệ thống WDM 80 bước sóng ,tổng dung lượng hệ thống có 200Gbps Tổng dung lượng cịn tùy thuộc vào tốc độ kênh chứ! Rb=2,5Gb/s - Loại bỏ yêu cầu khắc khe khó khăn gặp phải với hệ thống đơn kênh tốc độ cao WDM cần mang vài tín hiệu với bước sóng khác , nhiều kênh quang nên tốc độ ghép kênh cao làm giảm tán sắc - Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, chí hệ thống hoạt động Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mà lắp đặt thêm sợi quang - Quản lý băng tần hiệu tái cấu hình hiệu quả, linh hoạt - Giảm chi phí đầu tư  Nhược điểm: - Dung lượng hệ thống khai thác nhỏ bé so với băng thơng sợi quang - Chi phí cho khai thác bảo dưỡng có nhiều hệ thống hoạt động 3.3 Các tham số thiết bị ghép kênh quang Bộ MUX – DEMUX sử dụng hệ thống truyền hướng sợi quang Các tham số đặc trưng cho chất lượng thiết bị ghép kênh quang suy hao xen suy hao xuyên kênh 3.3.1 Suy hao xen Hình 3.3 Công suất quang vào kênh ghép (MUX) Suy hao xen lượng công suất tổn hao ghép kênh bước sóng quang WDM, bao gồm suy hao nối thiết bị WDM với sợi thân thiết bị WDM gây Vì vậy, thiết kế tuyến phải đến suy sụp ( vài dB đầu ) Suy hao kênh tính tương tự suy hao so ghép ( coupler), ghép nhiều bước sóng nên xét tương ứng với kênh quang định Suy hao xen tín hiệu qua ghép kênh ( MUX) : cơng suất vào ghép quang (MUX) kênh i Hình 3.4 Cơng suất quang vào kênh ghép (DEMUX) Suy hao xen tín hiệu qua ghép kênh DEMUX : cơng suất vào ghép quang (DEMUX) kênh i 3.3.2.Suy hao xuyên kênh Xuyên kênh tượng tín hiệu từ kênh ghép dang kênh khác làm tăng độ nhiễu, giảm tỉ số tín hiệu nhiễu kênh xét Nguyên nhân sóng mang quang kênh khác điều chế số vạch phổ kênh nằm băng thông kênh khác , gây nhiễu suy hao xun kênh Hình mũi tên khơng khớp nhau! Hình 3.4 Suy hao xuyên kênh giải ghép kênh Suy hao xuyên kênh giải ghép kênh (DEMUX) : lượng cơng suất tín hiệu khơng mong muốn bước sóng có rị rĩ tín hiệu cửa thứ i 3.4.Các hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Bỏ 3.4.1.Hiệu ứng tự điều pha SPM (Self Phase Modulation) Hiệu ứng SPM thuộc hiệu ứng Kerr, tức hiệu ứng chiết suất mơi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền Sự phụ thuộc biểu : chiết suất tuyến tính sợi hệ số chiết suất phi tuyến (= 1.22.10-22 (V/m2) đối vơi sợi SI) cường độ tín hiệu quang Khi biên độ sóng quang biểu lan truyền dọc theo sợi, hiệu ứng Kerr làm tăng tự điều biến pha thơng qua phương trình , cường độ đủ lớn Lúc pha xung quang phụ thuộc vào cường độ quang độ dài L : với dịch pha phụ thuộc vào cường độ quang Đối với trường quang có cường độ khơng đổi, hiệu ứng SPM làm quay pha tín hiệu quang, ảnh hưởng chất lượng hệ thống Đối với trường quang có cường độ thay đổi thay đổi theo thời gian Sự thay đổi theo thời gian có nghĩa xung tín hiệu tồn nhiều thành phần tần số khác với tần số trung tâm lượng với thay đổi theo cường độ quang Trong hệ thống WDM, hệ thống có khoảng cách kênh gần nhau, tượng giãn phổ SPM dẫn đến giao thoa gây nhiễu kênh Bỏ 3.4.2.Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM (Cross Phase Modulation) Trong hệ thống WDM, hai nhiều hai bước sóng truyền sợi, chiết suất sợi kênh khơng phụ thuộc vào cường độ tín hiệu quang kênh mà cịn phụ thuộc vào cường độ kênh khác Do dịch pha phi tuyến thứ i phụ thuộc vào cơng suất kênh kênh j khác (j=1, M) : (3.8) cường độ kênh thứ i M số kênh Hệ số “2” cho thấy XPM có hiệu suất gấp lần SPM lượng công suất 3.4.3.Hiệu ứng tán xạ Raman SRS (Stimulated Raman Scattering) Hiệu ứng tán xạ Raman kết trình tán xạ khơng đàn hồi (tán xạ mà tần số ánh sáng phát bị dịch xuống) mà photon ánh sáng tới chuyển phần lượng cho dao dộng học phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn phần lượng lại phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn bước sóng ánh sáng tới (sóng Stoke) Qúa trình tán xạ gây suy hao công suất tần số tới thiết lập chế suy hao cho sợi quang Ở mức công suất nhỏ, thiết diện tán xạ phải đủ nhỏ để suy hao không đáng kể Ở mức công suất cao, tượng tán xạ Raman SRS xảy nên cần xem xét đến suy hao sợi Khi ánh sáng tín hiệu truyền sợi quang có cường độ lớn, q trình trở thành q trình kích thích mà ánh sáng tín hiệu đóng vai trị sóng bơm, chuyển lượng cho sóng Stoke Cường độ ánh sáng tăng theo hàm mũ công suất quang vượt giới hạn định Nếu gọi cơng suất bước sóng Stoke sợi quang thì: 3.9) Trong đó: :hệ số khuếch đại Raman :bước sóng đưa vào sợi bước sóng tín hiệu :hệ số đặc trưng cho mối quan hệ phân cực tín hiệu, sóng Stoke sợi Trong hệ thống WDM, hiệu ứng hạn chế số lượng kênh, khoảng cách kênh, công suất kênh tổng chiều dài hệ thống Hơn nữa, bước sóng tạo lại trùng với kênh tín hiệu gầy xuyên âm kênh Bỏ 3.4.4.Hiệu ứng tán xạ Brillouin SBS (Stimulated Brillouin Scattering) Cũng giống với SRS, SBS loại tán xạ khơng đàn hồi, tức có tạo thành bước sóng Stoke Điểm khác hai hiệu ứng là: hiệu ứng SBS liên quan đến photon âm học hiệu ứng tán xạ SRS liên quan đến photon quang Chính khác mà hai hiệu ứng có ảnh hưởng khác hệ thống WDM Trong hiệu ứng SBS, phần ánh sáng bị tán xạ photon âm học đồng thời làm cho ánh sáng tán xạ dịch với bước sóng dài (tương đương với độ dịch tần 11GHz bước sóng 1550nm) Tuy nhiên, sóng tán xạ truyền theo hướng ngược lại với chiều truyền tín hiệu, khơng gây xun âm kênh Trong tất hiệu ứng phi tuyến ngưỡng cơng suất để xảy hiệu ứng SBS thấp nhất, vài mW Tuy nhiên, hiệu ứng SBS giảm tỉ lệ với ( băng tần khuếch đại Brillouin, độ rộng phổ laser) thường hẹp: khoảng từ 10 đến 100 MHz nên hiệu ứng khó xảy Tóm lại, hai hiệu ứng SRS SBS sử dụng để cải tiến thiết kế hệ thống truyền thơng quan trọng chúng khuếch đại trường quang việc truyền lượng tới từ trường bơm với bước sóng chọn thích hợp SRS đặc biệt có ích băng tần cực lớn ((̴ 10THz) kết hợp với dạng phổ khuếch đại Raman silica Cả SRS SBS sử dụng để làm khuếch đại Raman sợi khuếch đại Brillouin sợi tương ứng 3.4.5.Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) Hiệu ứng trộn bốn bước sóng tượng phi tuyến bậc ba, tương tự trình méo điều chế (intermodulation distortion) hệ thống điện Giống tượng SPM XPM, tượng FWM dinh phụ thuộc chiết suất sợi vào cường độ quang, nhiên ảnh hưởng đến hệ thống WDM hồn tồn khác Trong FWM, tác động hai kênh có bước sóng khác hệ thống WDM điều chế pha hai kênh bước sóng tạo kênh băng tần cạnh (sidebank) Khi có ba sóng có tần số f i, fj, fk (k ≠ i, j) tác động lẫn thông qua ảnh hưởng phi tuyến bậc ba cáp quang tạo sóng có tần số : Do đó, ba sóng truyền sợi cáp, trộn bốn bước sóng tạo sóng quang : Hình 3.5 Các bước song tạo hiệu ứng trộn bước sóng Trong hệ thống WDM , tượng xảy với tổ hợp sóng ( với k#i,j) hệ thống có 10 kênh có hàng trăm thành phần tạo trộn bốn bước song Nếu kênh hệ thống WDM đặt cách tất cac sản phẩm tạo FWM có tần số nằm độ rộng phổ hệ thống rơi vào tần số kênh thông tin, gây tượng xuyên âm kênh Công suất sóng sinh tỉ lệ với cơng suất kênh tham gia tương tác biểu diễn: : : chiết suất tuyến tính sợi : bước sóng trung bình (m) c : vận tốc ánh sáng (m/s) d : hệ số suy giảm : độ nhảy cảm phi tuyến bậc ba : công suất kênh kích hoạt vào đầu sợi quang (W) L : chiều dài cáp(m) : chiều dài hiệu dụng (m) : diện tích hiệu dụng lõi sợi, gần diện tích thật sợi (m ) : suy hao sợi (1/m) : hiệu suất trộn sóng tính biểu thức : : biểu diễn phối hợp pha thành phần trộn, phụ thuộc vào tán sắc sợi khác tần số tín hiệu tham gia Trong nhiều hệ thống WDM mà kênh đặt với khoảng cách kênh hẹp, tần sơ kênh có số sóng FWM tạo từ nhiều tổ hợp khác bước sóng 4.1.KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG PHA TRỘN ERBIUM 4.2.Tổng quan khuếch đại sợi quang Các khuếch đại quang đóng vai trị quang trọng mạng viễn thông quang học chúng bù lại suy hao tín hiệu q trình lan truyền sợi quang suy hao kết nối mối hàn nút mạng Khuếch đại quang sợi chia thành hai loại nhỏ khuếch đại quang sợi pha tạp đất quang sợi quang sợi Raman Tùy thuộc vào loại đất pha tạp lõi sợi quang, mà chia nhỏ thành loại: YDFA (pha tạp Ytterbium), PDFA (pha tạp Praseodymium), TDFA (pha tạp Thulium), EDFA (pha tạp Erbium) Trong loại khuếch đại quang sợi (OFA: Optical Fibel Amplifier) EDFA sử dụng phổ biến mang nhiều ưu điểm đặc tính kĩ thuật so với khuếch đại quang bán dẫn (SOA: Optical Semiconductor Amplifier) Và đặc biệt, EDFA có vùng ánh sáng khuếch đại khoảng 1530nm – 1565nm, thích hợp với dải tần làm việc hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) 4.3.Nguyên lí hoạt động EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Thiếu hình giãn đồ lượng có mức trình bày Cần thêm vào! Qúa trình xạ xảy EDFA nhìn chung phân cấp thành xạ kích thích xạ tự phát Khi ion Erbium Er 3+ kích thích từ trạng thái thơng qua hấp thụ ánh sáng bơm, phân rã khơng phát xạ từ mức lượng cao tiến tới trạng thái siêu bền 4I13/2 Tín hiệu quang tới đến với ion Erbium kích thích Qúa trình xạ kích thích tạo photon phụ có pha hướng quang tín hiệu tới Như đạt trình khuếch đại quang EDFA Các ion kích thích mà khơng tương tác với ánh sáng tới phân rã tự phát tới trạng thái với số thời gian xấp xỉ 10ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha hướng ngẫu nhiên Tiêu biểu có 1% phát xạ tự phát giữ lại mode sợi quang trở thành nguồn nhiễu quang Ở đầu khuếch đại quang EDFA khơng tín hiệu khuếch đại mà nhiễu khuếch đại tạp xạ tự phát khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) ASE làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu nhiễu tín hiệu qua khuếch đại Hình3.6 : Sơ đồ ngun lí khuếch đại quang EDFA 4.4 Ưu nhược điểm khuếch đại quang EDFA  Ưu điểm: - Bù tán sắc - Hiệu chỉnh mức công suất hay băng tần khuếch đại - Hỗ trợ kênh giám sát kênh mang thơng tin người sử dụng - Kiểm sốt tín hiệu quang - Chống tăng vọt tín hiệu quang  Nhược điểm: - Hạn chế EDFA hệ thống WDM phổ khuếch đại không đồng đều, bước sóng khác khuếch đại hệ số khác - Tạp âm ASE khuếch đại quang ảnh hưởng tỉ số S/N 4.5.Đặc tính EDFA Các EDFA đặc trưng tính chất : dải khuếch đại, khuếch đại, bão hòa nhiễu 4.5.1 Dải khuếch đại Dải khuếch đại dải bước sóng mà PDFA khuếch đại Hình dạng vị trí dải khuếch đại phụ thuộc hàm theo bước sóng Dải khuếch đại EDFA tương ứng phẳng 1530nm 1565nm (được quy ước băng C) Đối với dải khuếch đại 1570nm 1600nm gọi dải L Hiện nay, hầu hết EDFA sử dụng băng C với bước sóng bơm 980nm 4.5.2 Độ khuếch đại Độ khuếch đại EDFA phụ thuộc vào cấu hình bơm Có ba cấu hình bơm khuếch đại EDFA :bơm hướng ( so với hướng tín hiệu ), bơm ngược hướng bơm theo hai hướng Bơm hướng đạt nghịch đảo tích lũy mạnh đầu sợi, điều hạn chế tượng xạ tự phát khuếch đại (ASE), giảm nhiễu khuếch đại Tuy nhiên, kiểu bơm làm hạn chế hiệu suất chuyển đổi ( chuyển đổi proton bơm thành proton tín hiệu ) tượng ASE cuối sợi Loại bơm ngược hướng tạo công suất đầu hiệu suất chuyển đổi cao Ngược lại, ASE thường xuất đầu sợi ( nghịch đảo tích lũy khơng có sóng bơm ) Trong thực tế người ta sử dụng phương pháp bơm hai hướng, tận dụng ưu điểm kiểu bơm Hơn mức nghịch đảo tích lũy khơng đổi tồn chiều dài sợi nên giảm thiểu nhiễu Hình 3.7 Cấu hình khuếch đại EDFA bơm kép Thay hình 3.7 (bằng đồ thị tương đương) hình vẽ lại, khơng phải hình từ kết thí nghiệm Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào cơng suất bước sóng bơm đặt bước sóng bơm 980nm 1480nm cho hiệu cao 4.5.3 Sự bão hịa Cơng suất bơm tăng độ khuếch đại tăng theo Tuy nhiên độ dài sợi EDF tăng đến mức ( Hình 3.8 ) tương ứng với cơng suất bơm định, độ khuếch đại EDFA giảm Điều xảy tốc độ bơm q nhỏ nên khơng cịn nghịch đảo tích lũy Cho thấy, độ khuếch đại bão hòa phụ thuộc vào công suất bơm, Khi công suất bơm lớn độ khuếch đại cao bão hào xảy tương ứng với cơng suất tín hiệu lớn 4.5.4 Nhiễu EDFA Loại nhiễu tạo khuếch đại quang nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại ASE ( Amplified Spontaneous Emission) Nguồn gốc nhiễu tái hợp tự phát electron lỗ trống đoạn sợi khuếch đại Sự tái hợp làm tăng độ rộng phổ photon khuếch đại với tín hiệu quang Nhiễu ASE sinh trính tự phát ion Erbium sợi EDF EDFA chúng nhảy từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp mà khơng có kích thích ánh sáng tín hiệu Quá trính sinh photon có hướng pha ngẫu nhiên Một số photon xạ tự phát giữ lại mode sợi quang lan truyền dọc theo bên sợi, khuếch đại Quá trình tạo xạ tự phát khuếch đại ASE Mật độ công suất nhiễu ASE biểu diễn: (3.13) : cơng suất nhiễu tương ứng với băng thông gọi hệ số phát tự phát hay hệ số nghịch đảo mật độ tích lũy : tương ứng mật độ electron trạng thái trạng thái Hệ số nhiễu (noise figue) khuếch đại quang, số đo suy giảm S/N sau tín hiệu truyền qua khuếch đại Hệ số nhiễu NF tỉ số S/N đầu vào S/N đầu khuếch đại : 4.5.4.1 Nhiễu ASE hệ thống WDM có EDFA mắc chuỗi Khơng trình bày phân khơng phục vụ cho chương cuối Chương cuối có EDFA thơi Trong hệ thống WDM có đường truyền dài, để bù công suất suy hao đường truyền gây ra, người ta sử dụng EDFA mắc chuỗi để khuếch đại cơng suất Lúc ngồi việc tính tốn tượng phi tuyến mơi trường có mật độ kênh cao gây cịn tính tốn đến nhiễu ASE tích lũy hệ thống tượng làm nhọn hệ số khuếch đại chuỗi EDFA Hình 3.8s biểu sơcủa đồ hệ tin sợi sợi quang quang sử có dụng sử dụng EDFA chuỗi Hệ Hình 3.8diễn Sơ đồ hệ thống thống thông thông tin EDFA mắcmắc chuỗi thống ghép N kênh ( N bước sóng ), phía phát phía thu đặt k khuếch đại G1, G2, Gk Để hạn chế nhiễu ASE, trước EDFA có lọc với băng thông quang B01, B02, B0k Tổn hao công suất từ WDM đến EDFA thứ , tổn hao k phân đoạn … , phân đoạn khoảng cách hai khuếch đại, riêng tổn hao từ EDFA thứ k đến giải ghép kênh WDM Do khuếch đại tự phát, ngõ EDFA có thành phần nhiễu ASE ảnh hưởng đến hệ thống Công suất nhiễu ASE ngõ : : số mode truyền q trình phân cực Tổng công suất ASE đầu vào giải ghép WDM: thành phần nhiễu ASE thu đầu vào giải ghép WDM EDFA thứ i gây Nhiễu tích lũy đầu cuối hệ thống EDFA mắc chuỗi: 4.6 Kết Luận Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang bù lại suy hao hệ thống bị hạn chế tán sắc Phải sử dụng phương pháp để giảm bớt ảnh hưởng tán sắc Bên cạnh đó, nhiễu ASE làm cho tỷ số S/N hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng Độ suy giảm tỷ số S/N gây khuếch đại quang cần xem xét cách nghiêm khắc, đặc biệt khuếch đại tín hiệu thấp Kết luận cịn q sơ sài, viết thêm phần phân tích so sánh đánh giá  .. .3. 2.1 Sơ đồ khối hệ thống WDM Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ thống WDM Sai! Đây hệ thống thơng tin quang tiêu biểu khơng có ghép kênh WDM Hệ thống kết hợp kênh khác sợi quang Chia có thành phần hệ thống. .. suất bước sóng Stoke sợi quang thì: 3. 9) Trong đó: :hệ số khuếch đại Raman :bước sóng đưa vào sợi bước sóng tín hiệu :hệ số đặc trưng cho mối quan hệ phân cực tín hiệu, sóng Stoke sợi Trong hệ thống. .. coupler), ghép nhiều bước sóng nên xét tương ứng với kênh quang định Suy hao xen tín hiệu qua ghép kênh ( MUX) : cơng suất vào ghép quang (MUX) kênh i Hình 3. 4 Công suất quang vào kênh ghép (DEMUX)