Phương pháp tính toán thiết kế hệ thống aotn và ứng dụng cho hệ thống viễn thông đường trục bắc nam

Trong các hướng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng WDM là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín h

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học : PGS TS ĐỖ XUÂN THỤ

HÀ NỘI - 2005

chọn bước sóng

khuyếch đại

bộ

bước sóng mật độ cao

ISDN Intergrated Service Digital Network: Mạng số đa dịch vụ

tích hợp

LTmcs Line Termination for multichannel system: Kết cuối đường

truyền cho hệ thống đa kênh LWPF Long Wavelength Pass Filter: Bộ lọc thông dải bước sóng

dài

NL Non-Linear: Phi tuyến

OAS_m Optical Amplifier Section for multichannel system: Đoạn

khuyếch đại quang cho hệ thống đa kênh

mạng quang

sát quang

Viễn thông

Mục lục

Thuật ngữ viết tắt

Danh mục bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU - 1 -

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG AON - 3 -

1.1 Giới thiệu tổng quát về công nghệ (WDM) - 3 -

1.2 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM - 7 -

1.2.1 Hệ thống ghép bước sóng một hướng - 7 -

1.2.2 Hệ thống ghép bước sóng hai hướng - 8 -

1.3 Các phần tử cơ bản sử dụng trong hệ thống WDM - 8 -

1.3.1 Các thiết bị tách ghép kênh quang - 8 -

1.3.2 Thiết bị khuếch đại quang sợi - 10 -

1.3.3 Thiết bị OADM - 24 -

1.3.4 Thiết bị kết nối chéo OXC - 25 -

1.3.5 Sợi quang - 28 -

CHƯƠNG II ẢNH HƯỞNG CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN - 32 -

2.1 Một số vấn đề khi tính toán thiết kế hệ thống WDM - 32 -

2.1.1 Kênh bước sóng – vấn đề xuyên âm giữa các kênh - 32 -

2.1.2 Vấn đề suy hao – Quỹ công suất của hệ thống thông tin WDM - 37 - 2.1.3 Vấn đề tán sắc – bù tán sắc - 37 -

2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến - 41 -

2.2.1 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) - 42 -

2.2.2 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) - 43 -

2.2.3 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) - 43 -

2.2.4 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) - 45 -

2.3.1 Giới thiệu - 58 -

2.3.2 Các phương pháp trợ giúp các thông tin không bị xuyên âm - 58 -

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠNG AOTN - 64 - 3.1 Phân tích cấu trúc mạng lưới - 64 -

3.1.1 Giới thiệu - 64 -

3.1.2 Điều khiển công suất tĩnh - 65 -

3.1.3 Cấu trúc mạng lưới và các quy tắc cơ bản - 66 -

3.1.4 Các khối cấu trúc mạng: - 67 -

3.1.5 Xác định vị trí các bộ EDFA trong mạng - 74 -

3.2 Thiết kế tuyến thông tin quang - 82 -

3.2.1 Thiết kế dựa trên quĩ công suất - 82 -

3.2.2 Quĩ thời gian lên (rise-tim budget) - 83 -

3.2.3 Thiết kế dựa trên OSNR - 85 -

3.2.4 Thiết kế với sự trợ giúp của các công cụ mô phỏng - 86 -

3.2.5 Mô hình tham chiếu hệ thống WDM - 88 -

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DWDM BĂNG C - 90 -

4.1 Giới thiệu cấu hình hiện tại của VNPT - 92 -

4.2 Thiết kế liên kết hệ thống WDM - 92 -

4.2.1 Các đặc điểm - 92 -

4.2.2 Thiết kế - 92 -

4.2.3 Thiết kế OSNR (tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu quang) - 94 -

4.2.4 Bù tán sắc và chirping - 95 -

4.2.5 Cân bằng tăng ích và tỷ lệ lỗi bit (BER) - 98 -

4.2.6 Các mô phỏng - 99 -

4.3.2 Bộ ghép kênh xen tách quang (OADM) - 102 -

4.3.3 Bộ đấu chéo quang OXC - 104 -

4.4 Sơ đồ liên kết nút - 104 -

4.5 Hệ thống truyền dẫn Backbone Việt Nam - 109 -

4.5.1 Sơ đồ tuyên cáp hiện có - 109 -

4.5.2 Thiết kế - 109 -

KẾT LUẬN - 114 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 115 -

MỞ ĐẦU

Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triển mạnh mẽ của xã hội loài người, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiện thiết yếu để phát triển kinh tế Thời gian qua nền kinh tế nước ta đã chuyển biến tích cực, hoà nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới Xu thế toàn cầu hoá về thương mại và thông tin đòi hỏi phát triển những xa lộ thông tin thoả mãn các nhu cầu và dịch vụ

Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về năng lực Từ khi ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với băng thông khổng lồ và rất nhiều ưu điểm khác Các hệ thống truyền dẫn hiện mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang

Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu về điện gặp nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang

Trong các hướng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện Phương pháp ghép kênh theo bước sóng còn có ưu điểm là rất linh hoạt trong việc tăng dung lượng, tận dụng triệt để các hệ thống cáp quang hiện tại

Với hàng loạt các ưu điểm đó, ghép kênh theo bước sóng hiện được nghiên cứu áp dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyến trung kế, liên quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ Hiện công nghệ này được nghiên cứu áp dụng nhiều ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản,

hệ thống truyền dẫn đường trục Bắc – Nam của nước ta hiện đang được nghiên cứu để ứng dụng công nghệ này

Ghép kênh theo bước sóng là một công nghệ mới đã được áp dụng tại Việt nam Muốn áp dụng công nghệ này vào thực tiễn cần phải nắm được kỹ thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênh theo bước sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng và các yêu cầu của nó, các ưu khuyết điểm của hệ thống mới này so với hệ thống truyền dẫn hiện tại Đây cũng chính là mục đích của luận văn tốt nghiệp

Nội dung của luận văn tốt nghiệp đi vào phân tích nguyên nhân hình thành WDM, các tham số và yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống và phương pháp thiết kế hệ thống AOTN nói chung và ứng dụng cho tuyến trục Bắc-Nam để giải quyết vấn đề dung lượng cho VNPT sẽ được trình bày chi tiết trong luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG AON

1.1 Giới thiệu tổng quát về công nghệ (WDM)

WDM (Wavelength Divison Multiplexing-Ghép kênh theo bước sóng)

là công nghệ ghép kênh trong đó các bước sóng ánh sáng được ghép lại để truyền đi trên cùng một sợi quang mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau Mỗi bước sóng được coi như là một kênh quang

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

Hình 1.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

Có nhiều cách để tạo nên một hệ thống WDM chẳng hạn như sử dụng bước sóng 1310nm và bước sóng 1550nm hoặc 850nm và 1310nm Những hệ

thống như thế sử dụng những phần tử quang đơn giản và giá thành tương đối thấp và hoạt động ở thời kỳ đầu khi xuất hiện công nghệ này

Theo thời gian, khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM

Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm trên, DWDM nói đến khoảng cách gần giữa các 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, chủ yếu là 1550 nm

vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ 0,5 nm Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm WDM và DWDM

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyền dẫn quang SDH (Ví dụ các hệ thống truyền dẫn SDH đang có trên mạng của VTN) có rất nhiều điểm tương tự Cả hai hệ thống đều có:

− Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX)

− Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier, Regenerator)

− Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM)

− Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment)

− Sợi quang

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyền dẫn SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn hệ thống WDM thì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làm việc của hệ thống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là các bước sóng và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tín

hiệu số Mỗi bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trường truyền tín hiệu cho hệ thống khác và vì vậy gọi là sợi “quang ảo”

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự phát triển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tập trung mọi nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết quả thu được không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thân các mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp Thêm vào đó chi phí cho các giải pháp 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 nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưng các hệ thống WDM chỉ được thương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đường truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman)

Các laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của các bước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Các bộ lọc quang dùng để tách một bước sóng ra khỏi các bước sóng khác Các bộ khuếch đại đường truyền dải rộng cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều bước sóng, nếu không có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng công suất tín hiệu người ta phải tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc

là khuếch đại riêng rẽ từng bước sóng rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thực hiện các bước chuyển đổi quang- điện-quang trên từng bước sóng rồi mới ghép, và như vậy thì tốn kém và làm cho hệ thống trở nên kém tin cậy

Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm nổi trội:

• Dung lượng lớn truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng

hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

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

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 một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do

đó tránh được sự phức tạp của 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

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng

mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play)

• Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt

Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó

có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại

• Giảm chi phí đầu tư mới

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

Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù công nghệ 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

1.2 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM

Như chúng ta đã biết hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tương tác, nghĩa là tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hướng đi) và nhận về tín hiệu về (hướng về) Trong hệ thống WDM, tính tương tác sẽ được thực hiện qua môi trường sợi quang Người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu:

Hình 1.2 Hệ thống ghép bước sóng một hướng

1.2.2 Hệ thống ghép bước sóng hai hướng

Hệ thống ghép bước sóng hai hướng sử dụng một sợi quang chung cho

cả hai hướng truyền dẫn

Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng hai hướng

1.3 Các phần tử cơ bản sử dụng trong hệ thống WDM

Phần này sẽ xác định các phần tử mạng quang hiện đang tồn tại và định nghĩa các chức năng chính của chúng Các phần tử mạng được bố trí trên các lớp mạng, theo các khái niệm đã được trình bày ở phần trước Các phần tử mạng sẽ được xác định và mô tả như sau:

• Các thiết bị tách ghép quang

• Thiết bị khuếch đại quang sợi

• Thiết bị ghép kênh xen rẽ quang (OADM)

• Thiết bị nối chéo quang (OXC)

N

’1, ’N

TxN

’N

1.3.1 Các thiết bị tách ghép kênh quang

Thiết bị tách ghép kênh quang (OTM) được biểu diễn như trong hình

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý thiết bị tách ghép kênh quang

Trong hướng thu, bộ OTM nhận tín hiệu ghép kênh theo bước sóng, tách tín hiệu đó thành các sóng mang như ở đầu vào bộ ghép kênh, và đưa N kênh quang đó tới các đầu ra riêng biệt

Bước sóng của từng kênh quang có thể thay đổi so với khi nó được chèn vào hay tách ra từ các bộ ghép/tách kênh Vì thế, trong OTM có thể cần đến một bộ chuyển đổi bước sóng Điều này đặc biệt có ý nghĩa nếu có một số

hệ thống SDH cùng tồn tại (giao diện quang G.957) được ghép kênh cùng với nhau, trong trường hợp đó, các bước sóng của một vài hệ thống sẽ phải thay đổi cho phù hợp để đưa vào các kênh của OTM Hiện tại với công nghệ này, việc thay đổi bước sóng được thực hiện chủ yếu nhờ bộ chuyển đổi O/E/O Các bộ chuyển đổi bước sóng photonic ít được sử dụng hơn Thay đổi bước sóng có thể được thực hiện nhờ bộ phát đáp đứng độc lập, tách biệt với bộ ghép kênh của nó

Các chức năng khác có thể có của OTM là:

- Bù tán sắc

- Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/ suy giảm)

- Chèn, tách, và xử lý các thông tin mào đầu của lớp kênh quang (nếu cần đến giao diện thích nghi quang, ví dụ: G.957 hoặc G.mcs)

- Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của đoạn truyền dẫn quang

- Hỗ trợ các kênh giám sát và kênh thông tin người sử dụng

- Kiểm soát tín hiệu quang

1.3.2 Thiết bị khuếch đại quang sợi

1.3.2.1 Nguyên lý làm việc

Hình 1.5 Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b)

Thiết bị khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong ba mức hoặc bốn mức được mô tả như sau:

Các chất kích tạp và chất nhạy cảm đã được dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa các ion đất hiếm Cơ chế hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại có thể minh hoạ như ở hình 1.5 Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản (E1) được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tơí một mức cao hơn (E2) Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ, hoặc nếu như có một mức năng lượng thấp hơn (E3), nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó Từ đây, điện tử có thể phân rã xuống mức E1 (hình 1.5a) hoặc E4 (hình 1.5b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ

sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích

Nếu thời gian sống của mức E3 đủ dài để các điện tử được nguồn bơm kích thích, thì có thể xảy ra nghịch đảo độ tích luỹ Đây là điều kiện để có một

số các điện tử trên mức siêu bền E3 nhiều hơn ở mức tới (E1 hoặc E4) Một photon có năng lượng tương đương với sự chênh lệch mức giữa mức E3 và E1

(đối với ba mức), hoặc giữa E3 với E4 ( đối với bốn mức) mà nó va chạm trên

Phân rã Phân rã

Phân rã

môi trường gây ra bức xạ kích thích của các photon Trong hình 1.5 còn lưu ý rằng ở điều kiện không kích thích, hầu hết các điện tử nằm trong trạng thái cơ bản E1 Như vậy, nó sẽ dễ dàng tạo ra nghịch đảo tích luỹ giữa các mức E3 và

E4 hơn là giưã E3 và E1 Vì thế cho nên thông thường thì các giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn các laser ba mức

Có nhiều các ion đất hiếm có các dải huỳnh quang, vì vậy cho khả năng bức xạ kích thích, điều này tạo ra các ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang Đáng chú ý nhất là Nd3+, có các dải bức xạ ở 1,06m và 1,32m và

Er3+ có các dải bức xạ ở 1,55 m và 2,7m Ngoài ra còn có Ho3+ bức xạ ở 2,08m và Tm3+ cho bức xạ ở 2,3m Hiện nay, các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium được phát triển mạnh mẽ nhất và phù hợp với bước sóng có suy hao nhỏ sẵn có của sợi dẫn quang Chúng được viết tắt là EDFA ( Erbium-Doped Fiber Amplifier) Trong phần này ta chủ yếu xét về EDFA

EDFA đã được trình diễn vào năm 1987 và nó được liên tục hoàn thiện một cách nhanh chóng, tới nay nó đã được khai thác ở nhiều tuyến thông tin quang; chúng được dùng để thay thế các trạm lặp thông thường ( có biến đổi quang- điện và điện -quang) trong nhiều trường hợp như :

Các bộ khuếch đại tăng cường để tăng công suất truyền dẫn và do đó tăng được cự ly truyền dẫn hoặc là để bù vào những tổn hao trong hệ thống truyền dẫn

Dùng làm các bộ tiền khuếch đại để tăng độ nhạy thu Ở đây, các trạm lặp được đặt ở trước các bộ thu quang để tăng cường độ của tín hiệu vào bộ tách sóng Như vậy độ nhạy thu sẽ được tăng lên và giải pháp này rất có hiệu quả trong các hệ thống truyền dẫn khoảng cách xa

EDFA làm việc ở bước sóng 1550nm với hệ số khuếch đại cao, công suất ra lớn và nhiễu thấp Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống

cao là các nguồn bơm thực tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA EDFA

là một đoạn cáp mà có thể nối liền với các sợi dẫn quang truyền dẫn với suy hao do hàn nối tiếp xúc không quá 1dB

Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hưởng do phân cực của ánh sáng Bởi vì bão hoà xảy ra trong EDFA trong một khoảng thời gian khá dài

do đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu với tốc độ cao Sau đây

ta sẽ đề cập đến các đặc tính của EDFA mà làm cho chúng có ý nghĩa thực tiễn trong hệ thống thông tin quang ngày nay, và xem xét về khả năng hoạt động đơn giản của chúng trong hệ thống thông tin quang

EDFA bao gồm một đoạn ngắn sợi cáp quang mà lõi của chúng được pha trộn ít hơn 0,1% Erbium, là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực Như đã chỉ ra ở hình 1.5, các ion erbium được bơm tới một mức năng lượng phía trên do sự hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm, chẳng hạn ở bước sóng 1480nm Sự chuyển dịch của điện tử từ mức năng lượng cao này xuống mức năng lượng cơ bản phát ra một photon, photon này được bức xạ

có thể là do hiện tượng bức xạ tự phát (sự phân huỷ tự nhiên của các ion kích thích mà không có bất cứ một tác động khác chen vào) hay bức xạ kích thích (do sự có mặt của các photon có chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển, kích thích sự phát xạ và tạo thêm các photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng) Các photon tín hiệu trong EDFA kích thích sự “tái định cư” ở trạng thái kích thích và khuếch đại tín hiệu Thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10ns đảm bảo rằng thay vì nhiễu bức xạ gây ra do bức xạ tự phát thì hầu hết các ion eribium đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích

Hình 1.6 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp ở dải bước sóng tập trung vào khoảng 1550nm nơi mà

sự hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km; có nghĩa là khoảng 5% lượng ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100 phần triệu ở trong lõi có thể gây ra sự hấp thụ là khoảng 2dB/mét

Hình 1.6 Phổ hấp thụ của sợi quang thông thường và sợi quang Erbium

Sự hấp thụ ánh sáng bơm kích thích các ion Erbium mà chúng tích trữ năng lượng sẽ xảy ra cho đến khi một cách lý tưởng là có một photon tín hiệu kích thích sự chuyển đổi nó thành một ion tín hiệu khác Như ở hình 1.7 và hình 1.8 đã chỉ ra sợi Erbium có thể được bơm với vài bước sóng khác nhau;

ở đây, sự hấp thụ các vùng bước sóng 980 và 1480nm là có hiệu quả nhất

Hình 1.8 chỉ ra cấu trúc của một tổ hợp EDFA Sợi quang có pha trộn nguyên tố Erbium được nối ghép với sợi quang bình thường và có thể ghép với các thiết bị khác ánh sáng bơm được kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống ánh sáng bơm được

truyền dọc theo sợi có pha Erbium và bị hấp thụ khi các ion Erbium được đưa lên trạng thái kích thích

Hình 1.7 Giản đồ năng lượng của Erbium

WDM Isolator

WDM Isolator

Tap Coupler

EDF WDM

Isolator

WDM Isolator

Phæ tÝn hiÖu quang ra

Tap coupler

Tap coupler

980, 1480 Pump Laser

được khuếch đại

bơm

Công

Khi tín hiệu được truyền vào bộ EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu

1.3.2.2 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM

Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là: khuếch đại công suất (Booster Amplifier –BA), tiền khuếch đại (Pre-amplifier –PA) và khuếch đại đường truyền (Line Amplifier-LA)

BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn được sử dụng ngay sau

Tx để tăng mức công suất tín hiệu Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp

âm ASE có thể bỏ qua và do đó đối với BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm Tuy nhiên, với mức công suất ra cao, việc sử dụng BA có thể gây nên một số hiện tượng phi tuyến Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx BA có thể tích hợp với Tx hoặc tách riêng với Tx

PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước

bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu Sử dụng PA, độ nhạy thu được tăng lên đáng

kể Các chức năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx Để đạt được mức tạp âm ASE thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng các loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát) PA có thể tích hợp với Rx hoặc tách riêng với Rx

LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến Đối với các hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA

Kênh giám sát này (OSC- Optical Supervisor Channel) không được quá gần với sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng giữa các kênh này Tại mỗi LA, kênh giám sát này được chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó lại được phát lại vào đường truyền Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cỡ vài nghìn km) có thể đạt được bằng cách chèn thêm các LA vào đường truyền Tuy nhiên, trong trường hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau, chất lượng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do các hiện tượng như: tích lũy tạp âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại và tổng số khuếch đại, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực

và các hiệu ứng phi tuyến Đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của

LA

So với thiết bị đầu cuối thông thường, việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA, LA, PA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể Với phổ khuếch đại tương đối rộng (khoảng 35nm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc

độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến (tăng tốc độ, hoặc thêm kênh bước sóng)

Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống, như vậy những hệ thống trước đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại bị hạn chế về tán sắc Trong trường hợp đó, phải sử dụng một số phương pháp để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc, ví dụ như sử dụng sợi bù tán sắc hay

sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài…

Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức ưu tiên sử dụng đối với từng loại cũng có khác nhau:

LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng, hơn nữa thêm các điểm trung gian vào trên đường truyền cũng làm cho việc bảo dưỡng trở nên phức tạp hơn Do đó mức ưu tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong trường

hợp khi mà dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về quỹ công suất thì mới sử dụng LA

Đơn giản nhất là sử dụng BA và PA để tăng quỹ công suất Tuy nhiên,

do cấu hình của PA phức tạp hơn BA (vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp để loại bỏ bớt tạp âm ASE) nên giữa BA và PA thì BA vẫn được ưu tiên

sử dụng hơn

Một số hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530nm Hơn nữa, trong trường hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bước sóng 1558nm Như vậy, với nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có thể là từ 35nm giảm xuống còn 10nm hoặc hơn nữa, tuỳ thuộc vào

số bộ khuếch đại quang liên tiếp nhau)

Hiện nay, để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một

Ngoài ra, trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, một vấn đề nữa cũng cần phải xem xét là tạp âm ASE trong các bộ khuếch đại quang: tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau Sự khuếch đại và tích luỹ tạp

âm này sẽ làm cho tỷ số S/N của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng Nếu mức công suất của tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số

S/N bị giảm xuống dưới mức cho phép Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây hiện tượng bão hoà ở bộ khuếch đại

Isolator

Erbium–doped tellurite fiber

Fiber-grating-type gain equalizer

1.3.2.3 Khuếch đại quang sợi thế hệ mới cho hệ thống WDM

Mặc dù EDFA đã có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng quang hiện nay, nhưng chúng vẫn chưa thể đáp ứng được hết các yêu cầu về

độ rộng phổ và độ phẳng của phổ khuếch đại Nói chung chúng có độ rộng phổ hầu hết cỡ độ 35nm (từ 1530nm đến 1565nm), nên gọi băng phổ này là băng C (Conventional) Với những công nghệ mới ra đời trong thị trường

WDM, như các module Laser DFB độ rộng phổ cực hẹp, các module quang WDM với khoảng cách kênh bước sóng rất nhỏ, các loại sợi quang mới (sợi tán sắc san bằng, tán sắc dịch chuyển 0)… tất cả đều đòi hỏi tới một xu hướng

vô cùng tận về độ rộng phổ băng tần khuếch đại

Điều này đòi hỏi phải cho ra đời các EDFA thế hệ mới với phổ rộng hơn Sự ra đời của EDFA băng L (Long) đã phá bỏ rào cản về băng tần và mở

ra một cửa sổ truyền dẫn WDM mới tại vùng bước sóng 1590nm Loại thiết bị khuếch đại mới này đã giúp giảm thiểu đi các vấn đề nảy sinh đối với mạng truyền dẫn WDM dùng sợi tán sắc dịch chuyển, mà ở đó, vấn đề xuyên kênh tăng rất nhanh bởi tán sắc và khoảng cách kênh bước sóng gần nhau tại vùng bước sóng 1550nm Nó cũng tạo thêm một cửa sổ truyền dẫn mới với 80 kênh bước sóng và khoảng cách kênh bước sóng là 50 GHz cho hệ thống truyền dẫn WDM Hình 1.10)

M U X

λ80

λ81 λ82 λ83

Hình 1.10 Mô hình truyền dẫn WDM 160 kênh bước sóng cho cả hai băng

Với bất cứ một cấu hình khuếch đại nào, cho dù là BA, LA, hay PA thì chúng ta đều thấy rằng, thay vì chỉ khuếch đại 1 tín hiệu như các hệ thống khuếch đại quang sợi SONET/SDH trước đây; thì nay vẫn một sợi khuếch đại quang Erbium đó phải được chia sẻ cho toàn bộ các kênh bước sóng của hệ thống truyền dẫn WDM Những kênh bước sóng này hiển nhiên và phải độc lập với nhau, thế nhưng sự độc lập đó đã bị “ảnh hưởng” bởi sự “cạnh tranh” giữa các kênh bước sóng đối với số lượng giới hạn của photon được bơm vào

bộ khuếch đại

Trong hệ thống truyền dẫn WDM, kênh bước sóng nào kích thích được nhiều photon xuống trạng thái bị kích thích của chúng thì sẽ đạt được dộ khuếch đại lớn nhất Thế nhưng, “kẻ chiến thắng” trong cuộc chơi này còn bị quyết định bởi sự phức tạp: sự phát xạ chéo - xác suất kích thích photon – của các kênh bước sóng khác, mức độ đảo ngược mật độ, cường độ của tín hiệu, độ dài của sợi Erbium Bình thường để tối ưu hoá các tham số này đã là khó, nhưng đối với hệ thống truyền dẫn WDM, mọi thứ thực sự trở nên rất khó

Rõ ràng là đối với các ứng dụng WDM, cần phải đạt được độ khuếch đại và mức tạp âm đều nhau cho mọi kênh bước sóng qua module khuếch đại Các module này phải được thiết kế sao cho đáp ứng phổ khuếch đại của nó

đối với từng kênh bước sóng không bị ảnh hưởng bởi đầu vào (công suất hay bước sóng) của các kênh bước sóng cùng được truyền dẫn trên sợi Nếu không, khi có những tương tác kiểu như vậy thì chỉ cần một sự tụt xuống hoặc thay đổi của một kênh bước sóng cũng sẽ dẫn đến những ảnh hưởng ngoài mong muốn về độ khuếch đại và mức tạp âm NF của các kênh bước sóng còn lại, và do đó hoạt động của hệ thống sẽ có vấn đề

Nói cách khác, tất cả các kênh bước sóng phải được khuếch đại độc lập

và đồng nhất Với những yêu cầu kỹ thuật mới nảy sinh này, module khuếch đại quang sợi trong hệ thống truyền dẫn WDM sẽ phải thích ứng với các chỉ tiêu hết sức khắt khe về độ bằng phẳng của phổ khuếch đại đa kênh, độ dốc sườn đặc tuyến khuếch đại, các đáp ứng xen rẽ kênh

Sự thay đổi độ khuếch đại là vấn đề phức tạp đầu tiên gặp phải khi thiết

kế một module khuếch đại, tính chất vật lý của sợi Erbium đã cho thấy mức cạnh tranh trong việc kích thích các photon đối với tất cả các kênh là không công bằng Do đặc tính khuếch đại không đều, thế hệ đầu tiên của các hệ thống truyền dẫn WDM đã phải chọn hoạt động tại vùng đỏ của băng C, xung quanh bước sóng từ 1540nm đến 1565nm Sự ra tăng nhu cầu về số kênh bước sóng đã thúc đẩy các nhà sản xuất “đặt” các kênh bước sóng mới vào vùng “khó khăn” xung quanh bước sóng 1532nm, mà tại đó, không chỉ mức tạp âm tồi (tại vùng này có tỷ số bức xạ /hấp thụ thấp), mà hơn nữa, độ nhấp nhô của phổ khuếch đại cũng lớn hơn nhiều so với các vùng bước sóng còn lại của băng

Tuy nhiên, tại băng L, từ bước sóng 1565nm đến 1605nm, có thể được chia thành 2 băng nhỏ theo một cách chính xác giống như ở băng C, với vùng bước sóng không ổn định tương ứng tại điểm phát xạ 1570nm

Để đạt được độ đồng nhất về phổ khuếch đại đối với mọi bước sóng cần được khuếch đại, các loại thiết bị khuếch đại WDM có phổ khuếch đại

bằng phẳng tích cực và thụ động sẽ sớm phải được đưa ra thị trường Các loại thiết bị khuếch đại thụ động thường sử dụng các bộ lọc có phổ san bằng, sẽ làm suy giảm nhiều hơn đối với các kênh bước sóng có mức công suất vào lớn hơn, nhằm đạt được độ cần bằng về khuếch đại giữa các kênh Thế nhưng công suất ra yêu cầu vẫn phải lớn cho toàn bộ băng được khuếch đại, do vậy vẫn phải yêu cầu có một công suất bơm đủ lớn để đạt được sự hài hoà giữa độ phẳng khuếch đại giữa các kênh và mức khuếch đại yêu cầu Vấn đề là đặt các

bộ lọc làm phẳng ở đâu trong module khuếch đại Nếu đặt ở đầu ra của bộ khuếch đại thì sẽ có sự lãng phí về công suất bơm Nếu đặt ở đầu vào bộ khuếch đại thì làm ảnh hưởng lớn đến NF của thiết bị

Trong nhiều trường hợp, công suất vào bộ khuếch đại WDM của kênh không phải là hằng số Nếu một số kênh bước sóng nào đó đã đi qua các bộ định tuyến, OADM… thì công suất của kênh đó sẽ khác với công suất của các kênh khác tại đầu vào bộ khuếch đại WDM Nhưng yêu cầu tại đầu ra của bộ khuếch đại WDM là công suất các kênh được khuếch đại phải xấp xỉ nhau và không được phụ thuộc vào mức công suất vào của từng kênh hau số kênh được khuếch đại, để đảm bảo tỷ số S/N của hệ thống Do đó các bộ khuếch đại quang sử dụng trong hệ thống WDM cần có độ khuếch đại phải điều chỉnh được mà không gây ảnh hưởng chéo lên các kênh khác

Điều này đòi hỏi các bộ khuếch đại quang thế hệ mới phải có tính năng mới Đó là hệ số khuếch đại G sẽ là một hàm đa biến với các biến số là bước sóng và công suất vào của các bước sóng đó Hàm này sẽ được thiết kế điều khiển bằng phần mềm, có đáp ứng thời gian thực đối các thông số của bộ khuếch đại… Khi tất cả các kênh đầu vào có mức tín hiệu như nhau, phần mềm nhúng trong bộ khuếch đại sẽ tự động nhận biết và phát ra tín hiệu điều khiển trạng thái để đạt được mức khuếch đại không đổi Khi có đột biến mức tín hiệu đầu vào, phần mềm sẽ phải có đáp ứng điều khiển một vài các thông

số của thiết bị để đạt được sự hiệu chỉnh mức khuếch đại phù hợp, làm sao để đầu ra bộ khuếch đại vẫn có được độ phẳng và đồng nhất mức công suất ra

Với sự gia tăng số bước sóng được chuyển qua và được khuếch đại, đã lên tới con số 160 kênh bước sóng, thì số bơm Laser cần thiết để đảm bảo yêu cầu về công suất cho một lượng lớn các kênh sẽ càng nhiều, mỗi bơm Laser

đó đều cần được giám sát về dòng bơm, nhiệt độ làm việc…và luôn cần được giám sát hiệu chỉnh để đạt được độ phẳng phổ khuếch đại, thời gian đáp ứng… và cũng như mọi thiết bị mạng khác, ADM, DEM, OXC… khuếch đại quang cũng cần được quản lý và giám sát chặt chẽ

1.3.3 Thiết bị OADM

Các mạng quang hiện đại phải có khả năng tự khôi phục sự cố một cách linh hoạt, có khả năng bảo vệ tự động hoàn toàn và độ tin cậy cao nếu xét tại lớp quang vật lý Để thực hiện được điều này, mạng quang cần có các chức năng giám sát và định tuyến kênh hết sức chặt chẽ và phải được tiến hành ở tốc độ cao

Cho dù mạng đó có cấu hình từ đơn giản, như cấu hình điểm-nối-điểm, đến cấu hình phức tạp, như cấu hình mạch vòng, cấu hình mesh…, thì mọi phần tử của mạng đó đều phải được cấu hình một cách có chiến lược để có thể tiến hành được các chức năng như giám sát, tối ưu hoá hoạt động, định tuyến quang… Trong các chức năng này bao gồm:

Chức năng giám sát, sẽ do các phần tử OPM (Optical Performance Monitor) thực hiện

Tối ưu hoá sẽ do các phần tử như module điều chỉnh tán sắc DEM (chromatich Dispertion Equalizier Module) và PMD (Polarization Mode-Dispertion), thực hiện để tối ưu hoá các đặc tính tín hiệu quang trên đường truyền

Chức năng định tuyến sẽ do các thiết bị như OXC (Optical Cross Connect) thực hiện, bao gồm: cấu hình lại đường mạng, định tuyến… để làm cân bằng dung lượng các đường, các kênh…, khởi tạo các chuyển mạch quang bảo vệ và ngăn ngừa các sự cố…

Chức năng xen rẽ do OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) thực hiện xen rẽ bước sóng, chia tách lưu lượng theo yêu cầu cho từng nút xen rẽ, giống như vai trò của ADM trong mạng SDH

1.3.4 Thiết bị kết nối chéo OXC

1.3.4.1 Sự ra đời của chuyển mạch toàn quang

Với tiềm năng về tốc độ, dung lượng ngày càng tăng, lại do vấn đề cạnh tranh giữa các nhà cung cấp thiết bị và dịch vụ, các module thiết bị quang - điện – quang (OEO) ngày nay khó có thể đáp ứng được những đòi hỏi

về tốc độ, băng thông…của một mạng mới dựa trên công nghệ DWDM Vả lại, với tốc độ của luồng dữ liệu cao thì giá thành của các module thiết bị quang - điện trở nên rất đắt, bởi vì thực tế các IC thực hiện chuyển mạch điện

ở khoảng tốc độ 10 Gbps đến 40 Gbps là rất khó, hơn nữa, với một môi trường mạng đa lớp như hiện nay, với các tốc độ rất khác nhau thì cũng làm nảy sinh các vấn đề

Vấn đề sẽ được giải quyết trong tương lai, khi mà sẽ có nhiều chức năng mạng được thực thi tại “lớp quang” Nhưng những chức năng này lại đòi hỏi tất cả các phần tử mạng phải được quang hoá, ví dụ như các module OXC

đa giao thức, thiết bị OADM có thể cấu hình từ xa, các chuyển mạch bảo vệ quang… Những phần tử như vậy, cùng với công nghệ DWDM sẽ hứa hẹn một cuộc cách mạng trong lĩnh vực truyền thông siêu tốc

Với một mạng hoàn toàn quang như vậy sẽ loại bỏ những cản trở và tạo

ra nhiều dịch vụ mới, mang lại lợi ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng Ví dụ, một dịch vụ cho thuê kênh bước sóng chẳng hạn, xa hơn nữa, sẽ

có thể có hàng ngàn bước sóng được định tuyến trên mạng từ desktop này đến desktop kia Giảm thiểu chi phí cho các bộ biến đổi OEO, theo như một nhà phân tích trên tạp chí Lightwave tháng 9 năm 1999, tới 75% chi phí…

Nhưng vấn đề mấu chốt là công nghệ chuyển mạch hoàn toàn quang phải được hoàn thiện Rất nhiều kiến trúc khá phức tạp đã được đề xuất cho module chuyển mạch quang, có thể xem xét đến những công nghệ như:

▪ Công nghệ quang-cơ (optomechanical)

▪ Công nghệ lái tia (beam steering)

▪ Micro-electromechanical (MEM)

▪ Frutrated total internal reflection (FTIR)

▪ LiNbO3

▪ Semiconductor f(InP)

▪ Semiconductor optical amplifiers (SOA)

▪ Quang nhiệt polyme (Polymer thermo-optic)

▪ Quang nhiệt Silic (Silica thermo-optic)

▪ Silic Planar Lightwave Circuits – PLC kết hợp với thermal ink-jet Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm Tuy nhiên chưa có công nghệ nào đáp ứng được toàn bộ các nhu cầu ứng dụng của một hệ thống hoàn toàn quang Sau đây chúng ta xem xét qua công nghệ nổi bật, đang được xúc

tiến thương mại hoá

Công nghệ cho phép tạo ra những module chuyển mạch cơ bản nhất hoàn toàn quang Cơ chế chuyển mạch bao gồm một số bộ dẫn sóng Silic (silica waveguide) giao nhau Tại mỗi chỗ giao nhau, một rãnh được khắc vào

bộ dẫn sóng Rãnh đó được phủ đầy một lớp chất lỏng mà có thể cho phép dẫn ánh sáng trong một số điều kiện nhất định Để dẫn ánh sáng, bơm nhiệt, lúc đó đóng vai trò một phần tử chip Silic điều khiển kiểu ma trận, sẽ tạo ra

một bong bóng trong chất lỏng trên tại chỗ tiếp xúc nhau của waveguide đầu vào và waveguide đầu ra mong muốn, phản xạ tín hiệu quang

Với cấu trúc và nguyên lý làm việc như vậy, thiết bị có thể đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật của một chuyển mạch quang

- Chuyển mạch thứ cấp 10 msec cho các ứng dụng chuyển mạch bảo vệ quang

- Ít hoặc không gây suy hao phụ thuộc phân cực PDL và tán sắc mode phân cực PMD

- Trong suốt với mọi tốc độ bit và mọi giao thức

- Ổn định và tin cậy cao hơn các công nghệ chuyển mạch quang khác Việc đáp ứng được tốc độ chuyển mạch thứ cấp 10 msec và đạt được số cổng ghép nhiều với suy hao thấp (thông thường một chuyển mạch vuông 32*32 sẽ gây tổn hao xấu nhất cho một đường từ sợi-sợi là khoảng 7,5 dB) Lại không hề có sự phân cực, không có sự phụ thuộc vào tốc độ bit, và mức xuyên âm đo được chỉ khoảng thấp hơn –50dB

Những điều này hứa hẹn cho phép sản xuất hàng loạt, mang lại nhiều lợi ích cho cả nhà cung cấp thiết bị và nhà khai thác Thiết bị này đảm đương được nhiều chức năng trong bối cảnh một mạng truyền thông ngày càng rộng lớn Vấn đề thành phẩm và kết gắn sợi cáp với thiết bị đối với các công nghệ chuyển mạch hoàn toàn quang khác vẫn là khó khăn, thì với công nghệ này, tất cả sợi đều được gắn vào các cổng cảu chuyển mạch theo một tiến trình bình thường, công nghệ vi mạch quang Planar đang là hứa hẹn nhất

1.3.4.2 Thiết bị kết nối chéo quang OXC

Một trong những ứng dụng quan trọng của chuyển mạch hoàn toàn quang là module thiết bị kết nối chéo quang OXC OXC là một kết cấu chuyển mạch động với nhiệm vụ kết nối bất cứ một sợi quang của M sợi đầu vào với bất cứ một sợi quang vào của N sợi đầu ra trong hệ thống WDM

OXC sẽ đóng vai trò vừa là một thiết bị định tuyến bước sóng quang, vừa là thiết bị chuyển mạch bảo vệ mạng quang, kết nối các vòng Ring…

D E M U X

M U X

Ma trËn chuyÓn m¹ch OXC

NxM switch

Signal λ1, λ2

Signal

λ1, λ2

λ2 λ1 λ3

λn

λ2 λ1 λ3

λn

Hình 1.12 OXC với ma trận chuyển mạch

Vấn đề là các cách thực hiện để có một OXC cỡ lớn, non-blocking trong mọi cấu hình mạng Hình 1.13 minh hoạ một cách tiếp cận vấn đề trên theo kiểu mỗi bước sóng – một card (one wavelength-per-card) Nếu N là số lượng sợi và M là số bước sóng thì một kiến trúc kiểu “one wavelength-per-card” đơn tầng sẽ cần M module chuyển mạch vuông cấp NxN

Hình 1.13 OXC với chuyển mạch one wavelength/card

1.3.5 Sợi quang

Các loại cáp quang – Khuyến nghị sử dụng sợi trong hệ thống DWDM

Các loại sợi quang trên thị trường hiện nay gồm :

1 Cáp quang theo tiêu chuẩn G.652 (single-mode optical fibre cable) còn gọi tắt lắt là sợi SSMF: Là cáp đơn mode có tán sắc gần bằng 0 trong vùng bước sóng 1310nm Thời kỳ ban đầu, cáp này chế tạo ra nhằm mục đích tối ưu hoá sử dụng khai thác ở vùng bước sóng này Tuy nhiên, cáp G.652 có thể được sử dụng cả ở vùng 1550 nm Khi hoạt động ở bước sóng 1550nm thì:

− Hệ số suy hao ~ 0.2 dB/km (theo thực tế hiện nay cáp chế tạo được) (theo khuyến nghị cao hơn (cụ thể là < 0.35 dB/km - vì khuyến nghị thường đưa ra tiêu chuẩn trần - maximum)

− Hệ số tán sắc ~ 17 ps/nm.km

2 Cáp G.653 dispersion-shifted single-mode optical fibre cable) hay còn gọi tắt là sợi DSF

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 suy hao quá lớn (~0.4dB/km) Còn nếu truyền tại bước sóng 1550nm thì tuy có suy hao nhỏ nhưng lại có tán sắc lớn 17 ps/nm.km

Muốn truyền dẫn tại cửa sổ 1550nm vừa có suy hao nhỏ, đồng thời lại vừa muốn có tán sắc ~ 0, người ta nghĩ ra cáp G.653 bằng cách pha thêm một

số tạp chất vào sợi Kết quả sợi G.653 ra đời với suy hao sợi thực tế như trên

~0.2dB/km đồng thời có tán sắc 0 (theo lý thuyết) khi truyền dẫn tại cửa sổ 1550nm Đó là nguyên nhân vì sao gọi sợi G.653 này là sợi tán sắc dịch chuyển - zero-dispersion wavelength shifted into the 1550 nm window

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 như hiện nay, chính việc có tán sắc ~0 tại cửa sổ 1550nm đã làm cho hiệu ứng phi tuyến trọn bốn bước sóng (four wave mixing) tăng rất mạnh (nếu ghép càng nhiều kênh sít nhau với khoảng cách đều giữa các kênh như ngày nay thì càng bị ảnh hưởng) Vì hạn chế khả năng ghép kênh DWM như vậy, nên đây là nguyên nhân chính làm loại cáp này bây giờ được sử dụng rất

ít

3 Cáp G.654 (cut-off shifted single-mode optical fibre cable) còn được gọi tắt là cáp CSF: Cáp này lại có tán sắc D~0 tại cửa sổ 1310nm và tại cửa sổ 1550nm là D ~ 20ps/nm.km Nhưng nó lại có suy hao tối thiểu tại cửa sổ 1550nm (theo khuyến nghị phải <0.22dB/km) Trên thực tế, các hãng có thể chế tạo ra cáp có suy hao nhỏ hơn Nói chung, đây là loại chế tạo ra không có dịch chuyển tán sắc (về mặt này nó giống sợi G.652) Ngoài ra làm có gắng giảm cực tiểu suy hao trong vùng 1550nm để kéo dài truyền dẫn, nhất là với cáp quang biển Một ưu diểm nổi trội nữa là cáp này mở rộng băng thông hoạt

động sang cả vùng băng thông quang L, tức là mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625nm

4 Cáp G.655 (non-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable)

Ngày nay với sự phát triển ưu thế của ghép kênh theo tần số quang mật

độ cao (DWDM), cần phải triệt tiêu những hiệu ứng phi tuyến tác động mạnh đến cách ghép kênh này Đặc biệt là trộn bốn bước sóng hay four wave mixing (FWM) Do đó, cáp G.655 được chế tạo ra có tán sắc tuy rất nhỏ (0.1 ps/nmkm < D < 6.0 ps/nmkm) nhưng không được = 0 tại vùng cửa sổ 1550nm (non-zero dispersion shifted có ý nghĩa như vậy) Như vậy, ít nhất

nó khác các sợi khác ở chỗ, nó được tối ưu hoá chống lại các hiệu ứng phi tuyến (nhất là FWM), để có thể truyền dẫn cho hệ thống DWDM Băng thông quy định theo khuyến nghị là băng C (1530 nm to 1565 nm) nhưng lại cho phép mở rộng sang cả băng L thì càng tốt, tức là khuyến khích chế tạo mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625nm

Có nhiều cách gọi tên sợi của các hãng nhưng tựu chung đều nằm trong các loại cáp này 04 sợi LEAF của cáp đường mòn HCM cũng thuộc loại G.655 Còn đâu tất cả cáp quang đơn mode của Việt Nam hiện đang khai thác

là sợi G.652 Nói chung sợi G.652 có ưu điểm là giá thành rẻ, sợi G.652 chế tạo gần đây theo công nghệ mới còn hạn chế được rất nhiều tán sắc PMD Hơn nữa PMD cũng chỉ nên quan tâm với tốc độ bước sóng 10Gbs trở lên mà thôi Trừ trường hợp cáp quá lỗi, còn với thông số chuẩn hiện nay, bước sóng 2,5Gbs không cần quan tâm tới PMD Một số kết quả đo thực nghiệm với cáp Marconi quốc lộ 1A và nhiều cáp khác cho thấy PMD rất đạt khi truyền dẫn ở tốc độ 2.5Gbs/bước sóng Việc dịch chuyển 500KV sang HYN ở Ring 1 là do suy hao quá lớn và do các yếu tố khác, chứ không phải PMD Chỉ riêng có

một số cáp của GSC là không đạt về PMD, lớn hơn quá nhiều so với tiêu chuẩn thông thường Trường hợp đặc biệt này là ngoại lệ thì có thể lưu ý

Sau khi đưa ra các ưu nhược điểm của các loại sợi cáp thì mạng viễn thông đường trục của Việt Nam đang dùng cáp theo chuẩn G.652 là phù hợp bởi vì yếu tố giá thành Riêng cáp đường mòn Hồ Chí Minh bao gồm 04 sợi G.655 và 16 sợi G.652 được sử dụng như một thử nghiệm ban đầu và với tuyến đặc biệt quan trọng như đường trục Trong tương lai để đáp ứng nhu phát triển mạnh của mạng viễn thông Các tuyến thông tin trọng điểm DWDM nên sử dụng cáp G655

2.1.1 Kênh bước sóng – vấn đề xuyên âm giữa các kênh

2.1.1.1 Khoảng cách kênh bước sóng

Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao nhiêu kênh bước sóng và điều cần lưu ý là số kênh bước sóng cực đại có thể sử dụng được phụ thuộc vào:

Khả năng của công nghệ hiện có đối với các thành phần

quang của hệ thống, cụ thể là:

• Băng tần của sợi quang

• Khả năng tách-ghép của các thiết bị WDM

Khoảng cách giữa các kênh bước sóng: Một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này bao gồm:

• Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

• Quỹ công suất quang

• Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

• Độ rộng phổ của nguồn phát

• Khả năng tách-ghép của các thiết bị WDM

Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100nm nhưng do dải khuyếch đại của các bộ khuyếch đại quang chỉ

có độ rộng khoảng 35nm (theo qui định của ITU-T thì dải khuyếch đại này từ bước sóng 1530nm đến 1565nm) đối với băng C; hoặc băng L từ 1570nm đến