Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM và những ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lên hệ thống

Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - phan thị cẩm trang Nghiên cứu Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo b-ớc sóng WDM ảnh h-ởng hiệu ứng phi tuyến lên hệ thống Luận văn thạc sĩ Điện tử Viễn thông Hà Nội - 2004 Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - phan thị cẩm trang Nghiên cứu Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo b-ớc sóng WDM ảnh h-ởng hiệu ứng phi tuyến lên hệ thống Chuyên ngành: điện tử viễn thông Luận văn thạc sĩ điện tư viƠn th«ng Ng-êi h-íng dÉn Khoa häc PGS: Vị QUí ĐIềM Hà Nội - 2004 Mục lục Mở đầu Ch-ơng1 Thông tin quang - Kỹ thuật ghép kênh th«ng tin quang 1.1 Giíi thiƯu chung vỊ hƯ thèng th«ng tin quang 1.1.1 Giíi thiƯu chung vỊ hƯ thèng th«ng tin quang 1.1.2 LÞch sư phát triển hệ thống thông tin quang 1.1.3 Các đặc điểm mạng thông tin quang 1.2 Cấu trúc thành phần cđa tun trun dÉn quang 1.2.1 Nguån ph¸t quang 1.2.1.1 Diode LASER 1.2.1.2 Diode ph¸t quang LED 1.2.2 Sỵi dÉn quang 1.2.2.1 Bản chất nguyên lý truyến dẫn ánh sáng sợi quang 1.2.2.2 Cấu tạo phân loại sỵi quang 1.2.3 Bé thu quang 1.2.3.1 Bé t¸ch sãng photodiode PIN 1 6 12 13 14 20 21 1.2.3.2 Photodiode th¸c APD 1.3 Các kỹ thuật ghép kênh quang 1.3.1 Kü thuËt ghÐp kªnh quang theo thêi gian OTDM 1.3.2 Kü thuËt ghép kênh quang theo tần số OFDM 1.3.3 Kü tht ghÐp kªnh quang theo b-íc sãng WDM 1.3.4 Đánh giá -u nh-ợc ®iĨm cđa hƯ thèng WDM so víi hƯ thèng TDM 22 24 24 25 27 27 1.4 KÕt luËn 29 Ch-¬ng GhÐp kªnh quang theo b-íc sãng 31 2.1 Kh¸i niƯm vỊ WDM 31 2.2 HƯ thèng trun dÉn WDM 2.2.1 Sơ đồ khối tỉng qu¸t cđa hƯ thèng WDM 2.2.2 Nguyªn lý ghÐp kªnh quang theo b-íc sãng 2.2.3 Các tham số 2.2.3.1 Suy hao xen 2.2.3.2 Xuyªn kªnh 2.2.3.3 §é réng kªnh 32 32 33 34 35 35 37 2.3 Các thành phần b¶n cđa hƯ thèng WDM 2.3.1 M¸y ph¸t quang 2.3.2 M¸y thu quang 2.3.3 Phần tử phát quang 2.3.4 PhÇn tư thu quang 2.3.5 Các ghép t¸ch sãng quang 2.3.5.1 Bé ghÐp t¸ch sãng dựa nguyên lý cách tử 2.3.5.2 Bé t¸ch sãng Mach-Zenhder (MZ) 2.3.5.3 Bộ ghép tách xen rẽ kênh quang 2.3.6 Các chia hình quảng bá 2.3.7 Bé läc quang 2.3.7.1 Các đặc tính quan trọng bä läc quang 2.3.7.2 Bé läc Fabry-Perot (FP) 2.3.7.3 Bé läc Match-Zender 2.3.7.4 Bé läc c¸ch tư 2.3.7.5 Bé läc quang ©m 2.3.7.6 Bé läc dùa trªn nguyªn lý khuÕch ®¹i 37 38 38 39 39 39 39 42 44 45 47 47 48 50 51 51 51 2.3.8 Bộ định tuyến b-ớc sãng 2.3.9 Bé ®Êu nèi chÐo quang 2.3.10 Bộ khuyếch đại quang 2.3.10.1 Bộ khuếch đại Laser bán dÉn 2.3.10.2 Bộ khuếch đại EDFA 2.3.10.3 C¸c khuếch đại dựa hiệu ứng phi tuyến 2.4 Mét sè h¹n chÕ cđa c«ng nghƯ WDM 2.4.1 Khoảng cách kênh b-ớc sóng với vấn đề xuyên âm 2.4.1.1 Khoảng cách kênh b-ớc sóng 2.4.1.2 Xác định độ rộng phổ yêu cầu nguồn phát 2.4.1.3 Vấn đề xuyên âm 52 54 56 57 57 61 61 61 61 65 67 2.4.2 ảnh h-ởng tán sắc 2.4.2.1 Tán sắc mode phân cực 67 2.4.2.2 ¶nh h-ëng PMD lên quĩ công suất hệ thóng truyền 70 68 dẫn 2.4.3 ảnh h-ởng hiệu øng phi tuyÕn 70 2.5 KÕt luËn 71 Ch-¬ng C¸c hiƯu øng phi tuntrong hƯ thèng WDM 72 3.1 Giíi thiƯu chung 72 3.2 Độ dài hiệu dụng tiÕt diƯn hiƯu dơng 3.2.1 Độ dài hiệu dụng cña tuyÕn 3.2.2 TiÕt diƯn hiƯu dơng cđa sỵi c¸p 3.3 Hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin SBS 3.3.1 Møc ng-ìng cđa hiƯu øng SBS 3.3.2 Các biện pháp giảm hiệu ứng SBS 3.4 HiƯu øng t¸n x¹ kÝch thÝch Raman 3.4.1 Mức ng-ỡng hiệu ứng tán xạ kích thích Raman 3.4.2 Các biện pháp giảm hiệu ứng SRS 3.5 HiƯu øng ®iỊu chÕ pha SPM 3.5.1 Ph-ơng trình 3.5.2 ChiÕt suÊt phi tuyÕn SPM 3.6 HiƯu øng ®iỊu chÕ pha chÐo XPM 3.7 HiÖu øng trén sãng FWM 73 73 75 76 76 78 79 79 81 81 81 82 84 85 3.8 Các giải pháp hạn chế hiệu øng phi tuyÕn 86 3.9 KÕt luËn 87 Ch-ơng Hiệu ứng FWM ph-ơng pháp đánh giá tổn thất công suất 89 4.1 Giíi thiƯu chung 89 4.2 C¬ së lý thuyÕt hiÖu øng FWM 90 4.2.1 Phỉ cđa tÝn hiƯu FWM 90 4.2.2 Sè l-ỵng tÝn hiƯu FW 92 4.2.3 Công suát tín hiÖu FWM 94 4.3 Đánh giá độ tỉn thÊt c«ng st (Power Penalty) FWM 99 4.4 Các giải pháp hạn chế ảnh h-ởng hiệu ứng FWM 100 4.5 KÕt luËn 101 KÕt luËn 103 Bảng chữ viết tắt 104 106 Tài liệu tham khảo Phụ lục mở đầu Trong mạng l-ới viễn thông, đ-ờng truyền vấn đề quan trọng đ-ợc quan tâm hàng đầu nhà nghiên cứu hệ thống viễn thông toàn giới Với phát triển mạnh mẽ dịch vụ thoại, phi thoại đặc biệt Internet nh- số dịch vụ băng rộng khác đà tạo bùng nổ nhu cầu dung l-ợng truyền dẫn, việc nghiên cứu tìm giải pháp truyền dẫn phù hợp toán mở cho tất nhà nghiên cứu Thông tin quang đà có b-ớc phát triển nhảy vọt vài thập kỷ vừa qua đà có tác động mạnh mẽ nh- cách mạng kỹ thuật viễn thông, đà đ-ợc thay cho hệ thống cáp đồng, hay hệ thống vibatr-ớc ngày khẳng định đ-ợc -u Đặc biệt, với đời Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo b-ớc sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) giải pháp tiên tiến nhằm đáp ứng đ-ợc yêu cầu dịch vụ băng rộng nh- đảm bảo đ-ợc yêu cầu chất l-ợng truyền dẫn Kỹ thuật cho phÐp ghÐp c¸c tÝn hiƯu quang cã b-íc sãng kh¸c để truyền sợi quang tăng dung l-ợng truyền dẫn hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ kênh b-ớc sóng Bên cạnh lợi dung l-ợng, WDM b-ớc đ-ờng tiến tới thực hoá lớp mạng toàn quang ( all optical systems) Khái niệm toàn quang nhằm để nhà cung cấp dịch vụ truy xuất l-u l-ợng giao diện quang nút khác Các b-ớc sóng quang đ-ợc tách/ ghép vào đ-ờng truyền mà không cần phải thông qua thiết bị đầu cuối phân cấp số đồng SDH (Synchronous Digital Hierarchy) Việc kết hợp xen/ tách quang OADM (Optical Add/ Dropped Multiplexed) đấu nối chéo quang OXC ( Optical Cross Connect), tạo cho nhà cung cấp dịch vụ có đ-ợc mạng thông tin quang linh hoạt, hiệu dung l-ợng cao Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống truyền WDM với yêu cầu cự ly truyền dẫn xa, dung l-ợng lớn, mật độ ghép cao đà nảy sinh nhiều vấn đề cần quan tâm Đặc biệt xuyên nhiễu kênh hiệu ứng phi tuyến gây sợi quang Nghiên cứu chất, tính toán đ-ợc mức độ ảnh h-ởng hiệu ứng phi tuyến tìm giải pháp để hạn chế ảnh h-ởng chúng hệ thống thông tin quang WDM vấn đề cấp thiết Luận án mà học viên đ-ợc giao với Đề tài Nghiên cứu Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo b-ớc sóng WDM ảnh h-ởng hiệu ứng phi tuyến lên hệ thống đà cho học viên hội nắm bắt sâu vấn đề mà quan tâm Sau thời gian tìm hiểu tài liệu, bổ sung kiến thức đặc biệt d-ới giúp đỡ bảo nhiệt tình, chu đáo thầy giáo PGS Vũ Quí Điềm, đà hoàn thành luận văn với nội dung gồm ch-ơng : Ch-ơng : Thông tin quang- Kỹ thuật ghép kênh thông tin quang Ch-ơng : Ghép kênh quang theo b-ớc sóng Ch-ơng : Các hiƯu øng phi tun hƯ thèng WDM Ch-¬ng : Hiệu ứng FWM ph-ơng pháp đánh giá tổn thất công suất Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn h-ớng dẫn tận tình thấy giáo Vũ Quí Điềm, đồng nghiệp bạn bè đà giúp đỡ nhiều để hoàn thành luận văn 93 : E(P, z) với p = i, j, k tr-ờng điện từ sống ánh sáng kênh tín hiệu vào P tần số góc t-ơng ứng với tín hiệu vào E(F, z) tr-ờng điện từ tín hiÖu trén sãng FWM F = i + j - k; vµ z lµ h-íng trun sãng c - Tốc độ ánh sáng không gian tự d – HÖ sè suy biÕn (d=3 i = j; d = i  j)  - Suy hao cáp 1111 Hệ số phi tuyến sợi quang Trong tr-ờng hợp đoạn sợi quang thứ nhất, điện tr-ờng sóng ánh sáng nghiệm ph-ơng trình 4.7 có dạng : EF , z EF ( z)ei F t expi1F z 1 E  P , z   Ep0e  i p t     exp  i1  P  z (4.8) (4.9) đây, 1là số truyến sóng đoạn cáp thứ Thay (4.8) (4.9) vào (4.7) ta có ph-ơng tr×nh : d  (1) 2 1 d1111 Ei (0) E j (0) Ek (0) exp    i1  z  EF ( z )  EF ( z )  i dz nc   (4.10) : i   1  j   1 k   1 F    4dDc  fi  f01    f j  f01  fi  fk  f j  fk  c2d (4.11) độ lệch pha tín hiệu FWM đầu đoạn cáp thứ Độ lệch pha tham số quan trọng đ-ợc tính chi tiÕt vỊ phÇn sau 94 NghiƯm cđa (4.10) víi ®iỊu kiƯn biªn EF(1)(0) = (møc tÝn hiƯu FWM đầu vào không) Mức tín hiệu FWM đầu sợi cáp đoạn thứ : 1  L 2 d1111 Ei 0EÑ 0Ek (0)e exp   i1 L1   nc i    EF ( L1 )  i (4.12) Với đoạn cáp thứ hai (L1 < z< L1 + L2), tr-ờng điện từ sóng tín hiệu FWM điểm z viết t-ơng tự : EP , z   EF ( z)eit expi2 P z  L1  ( 2)      i  P   ( z  L1 )    vµ E P , z   E P 2  L1 e i t exp P (4.13) (4.14) p = i, j, k vµ 2 lµ h»ng sè trun sãng đoạn quang thứ hai Thay (4.13) (4.14) vào (4.7), ph-ơng trình trở thành : d ( 2) ( 2) d1111 Ei ( L1 ) E j ( L1 ) Ek ( L1 ) exp    i2 z  L1  EF z   EF ( z)  i dz nc   (4.15) Với độ lệch pha sau đoạn lµ : 2   4dDc  fi  f02    f j  f02  fi  fk  f j  fk  c2d (4.16) T-¬ng tự , tr-ờng điện từ tín hiệu FWM đầu đoạn cáp thứ hai nghiệm ph-ơng trình (4.15) có dạng : EF L1 L2   EF 2e   L2  L 2 d 1111 Ei ( L1 ) E j ( L1 ) Ek ( L1 )e 2 exp   i L2   nc i i (4.17) Với điều kiện biên z = L1 từ biểu thức (4.14), (4.15), (4.16) (4.17) suy c-ờng độ tr-ờng điện từ sóng FWM c-ờng độ tín hiệu đầu đoạn cáp thứ nh- sau : EF (L1 )  EÌ (L1 ) expi1F L1  2  1 (4.18) 95    EP L1   EP (0) exp  i1  p L1    vµ (4.19) Thay (4.12), (4.18) vµ (4.19) vµo (4.17), ta cã :   (L L ) 2 d1111 Ei (0) E j (0) Ek (0)e 2 expi  F L1  EF L1  L2   i nc  exp  i1 L1   exp   i L2   1 x   i   i   2  (4.20) BiÓu thøc 4.20 biên độ tín hiệu FWM đầu sợi cáp gồm hai đoạn có độ tán sắc khác Biểu thức (4.20) cho thấy, thành phần thứ biểu thức đặc tr-ng cho tín hiệu FWM đoạn cáp thứ thành phần thứ hai đặc tr-ng cho đoạn cáp thứ Từ biểu thức (4.20), møc c«ng st cđa tÝn hiƯu FWM cã thÓ tÝnh theo biÓu thøc : PFWM ( L1  L2 )  1024 6d  21111 Pi (0) Pj (0) Pk (0) exp  L1  L2  n42c A2eff (4.21) : exp i1 L1    i1 L1  exp   i2 L2    e x i1   i   (4.22)  tham số đặc tr-ng cho độ lệch pha tín hiệu FWM Thông th-ờng tham số đ-ợc chuẩn háo so với độ lệch pha không (1=2= 0) Lúc ph-ơng trình (4.21) viết : PFWM ( L1  L2 )  1024 6d  21111 Pi (0) Pj (0) Pk (0)  exp  L1  L2   1     exp   L  L x   n42c A2eff    (4.23) víi:   1    0 96 BiÓu thức cho thấy phụ thuộc mức công st tÝn hiƯu FWM vµo nhiỊu tham sè cđa tun tham số sợi quang, đồng thời phụ thuộc vào độ lệch pha thông qua hệ số hiệu suất trộn Xét tr-ờng hợp hai đoạn sợi cáp quang đồng nhất, nghĩa độ dài, giá trị tán sắc hệ số suy hao nhau, Lúc độ dài tổng L = L1 + L2 Để đơn giản hoá ký hiệu, ta ký hiệu mức độ công suất vào tín hiệu (Pi(0), Pj(0), Pk(0)) Pi, Pj, Pk; mức công suất tín hiƯu FWM (PFWM(L)) lµ Pijk vµ hiƯu st trén FWM ijk Mặt khác, theo định nghĩa ch-ơng độ dài hiệu dụng sợi cáp quang, biểu thøc (4.23) cã thÓ viÕt gän nh- sau : 1024  21111d  Leff Pijk  ijk  Aeff n42c2    Pi Pj Pk exp L (4.24) Trong : L - Độ dài cáp 1111 Hệ số phi tuyến quang sợi Leff - Độ dài hiệu dụng cáp Aeff – TiÕt diƯn hiƯu dơng cđa c¸p Pi, P, Pk Công suất vào tín hiệu quang thứ i, j, k ijk – HiÖu suÊt trén HÖ sè hiÖu suất trộn hàm số độ lệch pha tín hiệu trộn sóng sóng tới Từ biĨu thøc (4.22) vµ (4.24) cã thĨ viÕt [10]: ijk   4eL sin  L / 2 1        eL  2   (4.25) Tõ biÓu thøc trên, ta thấy hiệu suất trộn có thành phần biến đổi theo chu kỳ phụ thuộc vào độ dài cáp độ lệch pha 97 Theo định nghĩa, ®é lƯch pha cđa tÝn hiƯu FWM liªn quan ®Õn h»ng sè trun sãng cđa c¸c tÝn hiƯu biĨu diƠn b»ng c«ng thøc :   i   j k ijk (4.26) r sè trun dÉn t¹i b-íc sãng r (r = i, j, k) Hiệu suất trộn ijk đạt giá trị cực đại điều kiện đồng pha đ-ợc thoả mÃn (=0) giả thiết độ lệch pha () xảy xung quanh b-ớc sóng tán sắc không (fo) Do khai triển số truyền sóng theo chuỗi Taylo gần đến bËc theo tÇn sè nh- sau :   f     fo    f  fo     fo    f  fo  d 1 d  d      ( fo )   f  fo  f  f  f ( fo ) o o df df df d  3 ( fo )   f  fo  Dc  f o    f  f o  df c 3c dDc 2  ( f o )  Dc ( fo )  d (4.27) Trong biểu thức trên, dDc độ dốc tán sắc điểm tán sắc không (Dc d = 0) Thông th-ờng loại quang hoạt động vùng b-ớc sóng 1550 nm, tham số đ-ợc xem số lấy giá trị 0,07 ps/km.nm2 Trong tr-ờng hợp ghép kênh với khoảng cách ®Ịu, ®é lƯch pha  cã quan hƯ víi t¸n sắc sợi D khoảng cách kênh theo biểu thức : 2 2 2   f ( D  f dD / d ) C C (4.28) NhËn thÊy r»ng: c = .f; f= (-c/2), vËy (4.28) thay biểu thức t-ơng đ-ơng :  2c dD   2  D   d (4.29) 98 4.3 Đánh giá độ tổn thất công suất (Power Penalty) FWM Độ tổn thất công suất tham số quan trọng thiết kế hệ thống WDM Theo định nghĩa, độ tổn thất công suất đ-ợc đánh giá cách so sánh mức công suất tín hiệu (có tính đến ảnh h-ởng FWM) với điều kiện đạt đ-ợc hệ số BER [11] Về mặt toán học, ký hiệu độ tổn thất công suất FWM PPFWM, ta có biểu thức định nghĩa nh- sau [14] : PPFWM = 10 log(Ps / Pso) = 10 log (Ps/Ps-Pn) (4.30) : Ps mức công suất tín hiệu có tính đến ảnh h-ởng FWM Pso mức công suất đơn tín hiệu Pn mức đặc tr-ng cho nhiễu tổng thành phần FWM liên quan đến tỷ số BER Biểu thức viết d-ới dạng :   PPFWM  10 lg    10 lg(1  B) 1 B  (4.31) HÖ sè B liên quan đến lỗi BER cho tr-ớc Để trì đ-ợc giá trị BER t-ơng ứng với tham số Qo, B đ-ợc xác định theo biểu thức B = 2Q2oCFWM(m) Do vËy ta cã : PPFWM  10lg(1  2Q2CFWM ) ( m) (4.32) Nh- vậy, để tính đ-ợc ®é tỉn thÊt c«ng st FWM, ®iỊu quan träng tính đ-ợc hệ số C(m)FWM tỷ lệ mức tổng công suất tín hiệu FWM trùng với kênh tín hiệu thứ s mức tổng công suất tín hiệu kênh thứ s Thông th-ờng, hệ thống WDM ng-ời ta thiết kế với mức tổn thất công suất 0,5 dB t-ơng ứng với hệ số B = 0,1 tối đa dB [11] Phần phụ lục cuối đồ án tính toán cách cụ thể độ tổn hao công suất chặng WDM nh- M chặng WDM ph-ơng pháp tính độ tổn hao công suất kênh xấu 99 4.4 Các giải pháp hạn chế ảnh h-ởng hiệu ứng FWM Hiệu ứng trộn bốn sóng gây nên xuyên âm kênh Công suất xuyên âm tổng kênh tổng l-ợng tín hiệu trộn bốn sóng trùng với b-ớc sóng kênh đó, tøc lµ b»ng P ijk fi  f j  fk Trong hệ thống WDM, bên cạnh việc xem xét biện pháp để giảm hiệu ứng FWM, cần phải tính toán thêm độ thiệt thòi xuyên âm gây để tính toán quỹ công suất chung toàn hệ thống, Để giảm độ tổn thất công suất hiệu ứng FWM gây ra, tiến hành giải pháp sau : - Tạo khoảng cách kênh không : vị trí kênh lựa chọn kỹ để thành phần nhiễu không đè lên kênh số liệu độ rộng băng máy thu Điều thực đ-ợc số l-ợng kênh nhỏ số tr-ờng hợp , nh-ng cần phải tính toán kỹ vị trí kênh cách xác - Tăng khoảng cách kênh : làm tăng vận tốc nhóm kênh Điều có nh-ợc điểm làm tăng độ rộng băng hệ thống, yêu cầu phải có khuếch đại quang có độ rộng băng khuếch đại rộng Bên cạnh tăng độ rộng băng làm tăng độ tổn thất SRS - Sử dụng b-ớc sóng cao 1560 nm với sợi DSF, băng tần (băng L) sợi có l-ợng tán sắc đáng kể để giảm hiệu ứng FWM Tuy nhiên, vấn đề khó khăn chỗ khuếch đại quang EDFA đáp tuyến tốt vùng Hệ số khuếch đại EDFA giảm nhanh b-ớc sóng lớn 1560 nm Hiện nhiều công trình nghiên cứu đ-ợc gấp rút triển khai để mở rộng băng khuếch đại EDFA băng L nhằm ®¶m b¶o trun dÉn víi cù li lín 100 - Cũng giống nh- hiệu ứng phi tuyến khác giảm công suất phát khoảng cách khuếch đại giảm độ tổn thất công suất - Thực tách/ ghép b-ớc sóng đoạn trung gian đ-ờng truyền dẫn tạo mức độ trễ khác nahu b-ớc sóng nhằm tạo lệch pha ngẫu nhiên b-ớc sóng điều loại trừ t-ợng đồng pha 4.5 KÕt luËn HiÖu øng trén sãng FWM gây nên tổn thất công suất hệ thống WDM với khoảng cách kênh tạo nên xuyên âm kênh Tùy thuộc vào đặc tính loại cáp đặc điểm hệ thống, hiệu ứng tạo mức độ ảnh h-ởng khác Vì vậy, thiết kế hệ thống, đánh giá đ-ợc mức độ tổn thất công suất hiệu ứng điều cần thiết để lựa chọn loại cáp ph-ơng án thiết kế phù hợp Trong ch-ơng này, đà có khái niệm hiệu ứng trộn bốn b-ớc sóng đ-a ph-ơng pháp đánh giá tổn thất công suất nh- đ-a đ-ợc số ph-ơng pháp làm hạn chế ảnh h-ởng hiệu ứng FWM lên hệ thống Trong phần phụ lục, việc tính toán chi tiết độ tổn thất công suất WDM chặng nh- M chặng đ-ợc trình bày cách thĨ 101 KÕt ln HƯ thèng th«ng tin ứng dụng công nghệ ghép kênh quang theo b-ớc sóng với khả truyền thông hàng ngàn Gb/s, chất l-ợng truyền dẫn cao công nghệ truyền dẫn chủ đạo mạng viễn thông t-ơng lai Việc tìm hiểu hệ thống đà giúp có kiến thức cần thiết nguyên lý nh- thành phần tuyến thông tin quang sử dụng công nghệ ghép kênh theo b-ớc sóng Tuy nhiên, hệ thống thông tin không tránh khỏi mặt hạn chế tốc độ nh- cự ly truyền dẫn hệ thống tăng Với ch-ơng nghiên cứu số hiệu ứng ¶nh h-ëng trùc tiÕp lªn hƯ thèng ghÐp kªnh theo b-ớc sóng đà giúp có đ-ợc kiến thức nguyên nhân gây hiệu ứng phi tun hƯ thèng ®Ĩ tõ ®ã ®-a số giải pháp nhằm hạn chế đ-ợc phần ảnh h-ởng Trong giai đoạn nay, mạng viễn thông nói chung nh- mạng truyền dẫn Việt Nam nói riêng đ-ờng phát triển nhanh, đặc biệt với triển khai mạng cáp quang đ-ờng trục Bắc Nam chuẩn bị đ-ợc nâng cấp lên dung l-ợng 20 Gb/s cao sử dụng công nghệ ghép kênh theo b-ớc sóng WDM Thì với đề tài Nghiên cứu Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo b-ớc sóng WDM ảnh h-ởng hiệu ứng phi tuyến lên hệ thống đà cho hội nắm bắt đ-ợc kiến thức quí báu, mở cho h-ớng nghiên cứu thời gian tới Cuối cúng, xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS Vũ Quí Điềm, ng-ời thầy đà h-ớng dẫn, bảo tận tình thời gian qua, cảm ơn giúp đỡ đồng nghiệp nơi công tác nh- bạn bè gia đình dành cho thời gian vừa qua! 106 Tài liệu tham khảo [1] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2002) Cơ sở kỹ thuật Laser Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [2] Trần Đức Hân (1998) Cơ sở kỹ thuật thông tin cáp sợi quang Giáo trình cao học, Tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] Cao Phán (2000) Ghép kênh quang khuếch đại quang Học Viện Công nghệ B-u Viễn Thông [4] Vũ Văn San (1997) Kỹ thuật thông tin quang Nhà xuất KH&KT [5] Dương Đức Tuệ, Lê Thanh Dũng (2001) Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang- Nhà xuất B-u Điện [6] Trần Quốc Việt, Hoàng Xuân Nguyên, Phạm Văn Hội (2002) Nghiên cứu đấu chéo quang dùng cho mạng Viễn thông Chuyên san B-u Viễn th«ng – Tỉng C«ng ty B-u chÝnh ViƠn th«ng ViƯt Nam, số tháng năm 2002, trang 21- 26 [7] Andre Girard (2002) “ Guide To WDM Technology & Testing ”- EXPO Electro- Optical Eng.Inc [8] D.M.Spirit and M.J.O’Mahony (1995) “ High Capacity Optical Transmission Explaned ” John Wiley & Sons [9] D.W Smith and M R Matthews (1983) “ Laser transmitter design for optical fiber systems”, IEEE J.Select.Area Commun., pp.515-523 [10] Govind P Grawal (2001) “ Nonlinear Fiber Optic”, Academic Press [11] Govind P Grawal (1997) “ Fiber-Optic Communication System ”Academic Press– 107 [12] Kyo Inoue (1993) “ Suppression Technique for Fiber Four – Wave Mixing Using Optical Multimexer/ Demultiplexers and a Delay Line” [13] Rajiv Ramaswami (1998) “ Optical Networks : a Practical Persoective ” Morgan Kausmann Publishers [14] Thái Văn Lan, Hoàng Xuân Nguyên (2002) Four Wave Mixing Induced Power Penalty in WDM Fiber Transmission Line with Miltistage Optical Amplifiers ”, Communication in Physics [15] Kyo Inoue, Kenji Nakanishi, Kazuhiro Oda (1996)“ Crosstalk and Power Penalty Due to Fiber Four-Wave Mixing in Multichanel Transmissions”, IEEE Joural of Lightwzve Technol Vol 12, No 8.pp 1423-1439 Phô lục Tính tổn thất công suất chặng nhiều chặng Tổn thất công suất chặng WDM [14][15] Để đơn giản tr-ờng hợp tính tổn thất công suất, ta giả thiết hệ thống ghép b-ớc sóng đ-ợc điều chế trực tiếp c-ờng c-ờng độ IM - DD (Intensive Modulation with Detection Scheme), tr-êng hỵp hay sử dụng hệ thống hoạt động Đồng thời ta xét tr-ờng hợp khoảng cách kênh đều, nghĩa kênh cách khoảng f (hoặc ) không đổi Tỷ số công suất xuyên âm tín hiệu trộn sóng công suất kênh đó, từ biểu thức (4.24) ta cã thÓ viÕt [15]: PFWM P P 1024  21111d  Leff  ijk  ijkL  ijk  Aeff Ps Poe n4  2C    Po   (1) ë : Ps công suất tín hiệu quang thứ s đầu sợi cáp Tổn thất công suất M chặng WDM [14] Trong tr-ờng hợp tuyến thông tin có M chặng, gồm (M-1) khuyếch đại quang, biĨu thøc c«ng st nhiƠu cđa tÝn hiƯu trén sãng quan hƯ víi sè chỈng M nh- sau [14] : P (M ) FWM 1024  21111d  Leff  i jk  Aeff n4  2C   sin ML / 2  Po  sin L / 2  (2) Rõ ràng, M = 1, tuyến thông tin có chặng, biểu thức (2) trở thành biểu thøc (1) Tõ (2) cã thÓ suy r»ng : tr-ờng hợp xấu kênh có mức nhiễu cao xảy tr-ờng hợp phối hợp pha, nghĩa thành phần sin ML / 2  M Lóc nµy pha cđa tÝn hiƯu sin L / 2 sãng trùng với pha tín hiệu, xuyên nhiễu có giá trị cực đại tuyến nhiều khuếch đại, nhiễu tích lũy lớn Trong tr-ờng hợp xác st nhiƠu ph©n bè theo lt Gauss, tham sè Q cã thĨ biĨu diƠn nh- sau : Q I1  I : I1, giá trị trung bình ph-ơng sai mức logic I0, o giá trị trung bình ph-ơng sai mức logic Tham số Q liên quan đến tỷ số lỗi bít BER b»ng biÓu thøc :  Q  exp Q / 2 BER  erfc  Q 2  (3) Thông th-ờng hệ thống thông tin quang, độ nhạycủa máy thu đ-ợc lấy t-ơng ứng với BER = 10-9, Q=Qo = Việc xác định xác hệ số C(m)FWM kênh vấn đề phức tạp đ-ợc nhà nghiễn cứu quan tâm Về mặt lý thuyết, ng-ời ta đà đ-a ph-ơng pháp tính toán xác hệ số này, nhiên bên cạnh phức tạp tính toán, kết thực nghiệm vÉn cho thÊy sù sai lƯch kh¸ lín ë vïng có tổn thất cao dB Một cách tiếp cận khác vấn đề xem xét tính toán độ tổn thất cho kênh xấu Nếu thiết kế tính toán để kênh thoả mÃn yêu cầu độ tổn thất công suất kênh lại đạt yêu cầu Ph-ơng pháp tính kênh xấu Nh- đà phân tích, kênh trung tâm có số l-ợng tín hiệu FWM trùng nhiều Tại kênh có Nmax tín hiệu đ-ợc xác định theo biểu thức (4.6) Tỷ số tổng công suất tín hiệu FWM công suất tín hiƯu, ta cã thĨ viÕt [14][15] : N P   ijk  i , j , k 1 Ps N C ( m) FWM P i , j , k Ps ijk (4) : phép tổng lấy tín hiệu FWM trùng với kênh thứ s Đối với tr-ờng hợp xấu kênh trung tâm, phép tổng đ-ợc thay tổng số tín hiệu FWM trùng với kênh trung tâm Vì vậy, biểu thức cuối thay t-ơng đ-ơng : N C ( m) FWM P i , j , k 1 ijk Ps 1024 1111d  Leff   Aeff n42C   N  Po ijk  i , j , k 1  (5) Vµ lóc nµy ta lấy phép gần : N i , j , k 1 i, j,k  Nmaxijk (6) Vậy lúc này, độ tổn thất công suất FWM đ-ợc xác định : PPFWM 1024 21111d  Leff   10 lg  2Qo Nmaxi , j , k  Aeff n42C     2  Po   (7) T-ơng tự tr-ờng hợp tuyến thông tin quang có M-chặng, dùng (M-1) khuếch đại quang, độ tổn thất công suất ký hiệu PP(M)FWM thĨ viÕt [15] : M  PP FWM  1024  21111d  Leff  10 lg 1  2Qo Nmaxi , j , k  Aeff n42C      sin (ML / 2)  Po  (8)  sin (   L / ) Qua biểu thức ta thấy, độ tổn thất công suất phụ thuộc vào khoảng cách kênh, tán sắc D số l-ợng chặng tuyến M ... lại tín hiệu gốc đ-a vào đầu thu khác Do gọi công nghệ ghép kênh chia b-ớc sóng quang hay gọi công nghệ ghép kênh b-ớc sóng 2.2 Hệ thống truyền dẫn WDM 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống WDM Sơ... Thông tin quang- Kỹ thuật ghép kênh thông tin quang Ch-ơng : Ghép kênh quang theo b-ớc sóng Ch-ơng : Các hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM Ch-ơng : Hiệu ứng FWM ph-ơng pháp đánh giá tổn thất công suất... truyền dẫn thông tin quang có tốc độ cao Công nghệ ghép kênh quang theo b-ớc sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) ph-ơng pháp truyền dẫn đồng thời nhiều b-ớc sóng tín hiệu quang sợi dẫn quang