Nghiên cứu về hệ thống thông tin quang (tập 2) phần 1

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Tập PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS LÊ QUỐC CƯỜNG, THS ĐỖ VĂN VIỆT EM, THS PHẠM QUỐC HỢP, THS NGUYỄN HUỲNH MINH TÂM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG (Tập 2) NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com LỜI GIỚI THIỆU Thế kỷ 21 kỷ công nghệ thông tin Sự bùng nổ loại hình dịch vụ thơng tin, đặc biệt phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web làm gia tăng không ngừng nhu cầu dung lượng mạng Ðiều đòi hỏi phải xây dựng phát triển mạng quang dung lượng cao Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM) giải pháp hồn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn sợi quang, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm Sự phát triển hệ thống WDM với công nghệ chuyển mạch quang tạo nên mạng thông tin hệ - mạng thơng tin tồn quang Trong mạng tồn quang này, giao thức IP - giao thức chuẩn cho mạng viễn thơng hệ sau (NGN) tích hợp với WDM Sự tích hợp tạo kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn giản nhất, kinh tế nhất, thích hợp sử dụng cho mạng đường trục mạng đô thị Nhằm đáp ứng nhu cầu học hỏi, nghiên cứu hệ thống thông tin quang, nhóm tác giả TS Lê Quốc Cường, ThS Đỗ Văn Việt Em, ThS Phạm Quốc Hợp, ThS Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, giảng dạy Học viện Bưu Viễn thơng Cơng nghệ thơng tin – Cơ sở TP Hồ Chí Minh phối hợp với Nhà xuất Thông tin Truyền thông xuất sách “Hệ thống thông tin quang” – tập Cấu trúc sách bao gồm bốn chương: • Chương 1: Hệ thống thơng tin quang WDM Chương trình bày nguyên lý DWDM, khảo sát chi tiết tượng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM, linh kiện sử dụng cho hệ thống WDM • Chương 2: Khuếch đại quang Chương tìm hiểu nguyên lý hoạt động loại khuếch đại quang, tính ứng dụng chúng mạng truyền dẫn quang • Chương 3: Truyền tải IP/WDM Chương nghiên cứu xu hướng tích hợp IP WDM, đặc biệt quan tâm đến vấn đề định tuyến gán bước sóng mạng WDM • Chương 4: Hệ thống thơng tin quang Coherent Chương tìm hiểu nguyên lý hệ thống Coherent, ưu điểm so với hệ thống IM/DD triển vọng công nghệ tương lai PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Cuốn sách biên soạn nhằm phục vụ cho sinh viên hệ đại học cao đẳng chuyên ngành Điện tử - Viễn thông Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Ngồi sách sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư công tác lĩnh vực Viễn thông Do khuôn khổ giới hạn tính ứng dụng thực tế tài liệu, mơ hình tốn học trình bày sách kết qủa cuối giải thích, minh họa ý nghĩa vật lý cụ thể Ðể hiểu thêm việc dẫn xuất chứng minh kết này, bạn đọc đọc thêm tài liệu tham khảo Do tính chất phức tạp phát triển nhanh chóng công nghệ, sách “Hệ thống thông tin quang” - tập khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng xin chân thành cám ơn tất ý kiến đóng góp bạn đọc để hồn thiện sách Xin trân trọng giới thiệu sách bạn đọc./ Hà Nội, tháng năm 2009 NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com MỤC LỤC CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 11 GIỚI THIỆU 11 I NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG (WDM) .11 Giới thiệu chung .12 Sơ đồ khối tổng quát 14 Đặc điểm hệ thống WDM 16 Lưới ITU 17 II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG WDM 18 Tổng quan hiệu ứng phi tuyến 18 Tán xạ kích thích Brillouin .22 Tán xạ kích thích Raman 22 Lan truyền môi trường phi tuyến 24 Hiệu ứng tự điều pha SPM 25 Hiệu ứng điều chế xuyên pha .26 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng 26 III CÁC LINH KIỆN TRONG HỆ THỐNG WDM 28 Bộ ghép/tách tín hiệu .29 Bộ isolator/circulator 33 Bộ lọc quang 35 Bộ ghép/tách kênh bước sóng 35 Bộ chuyển mạch quang 58 Bộ chuyển đổi bước sóng 68 IV MẠNG WDM 72 Tổng quan 72 Tôpô vật lý tôpô logic .74 Các phần tử mạng (NE) WDM 77 Bảo vệ mạng WDM 94 TÓM TẮT 106 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Hệ thống thông tin quang BÀI TẬP 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 CHƯƠNG 2: KHUẾCH ĐẠI QUANG 118 I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 118 Giới thiệu khuếch đại quang 118 Nguyên lý khuếch đại quang 119 Phân loại khuếch đại quang 121 Các thông số kỹ thuật khuếch đại quang 122 Ứng dụng khuếch đại quang 124 II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) 125 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 125 Đặc tính khuếch đại FPA TWA 126 Nhiễu xuyên âm (Crosstalk) SOA 129 Ưu khuyết điểm ứng dụng SOA 130 III BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 131 Các cấu trúc EDFA 131 Lý thuyết khuếch đại EDFA 132 Yêu cầu nguồn bơm 136 Phổ khuếch đại 138 Các tính chất EDFA 140 Nhiễu khuếch đại 143 Ưu khuyết điểm EDFA 145 IV BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG RAMAN (RA) 145 Nguyên lý hoạt động 145 Độ rộng băng tần hệ số khuếch đại 147 Ưu khuyết điểm khuếch đại Raman 148 V TÍCH LŨY NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CỰ LY DÀI 149 CÂU HỎI ÔN TẬP 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO 154 CHƯƠNG 3: TRUYỀN TẢI IP/WDM .155 I GIỚI THIỆU CHUNG 155 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Mục lục Xu hướng tích hợp IP qua WMD 155 Cấu trúc mạng IP/WDM 156 Các mơ hình liên mạng IP/WDM 157 II IP VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 159 IPv4 IPv6 159 Các giao thức định tuyến IP 160 III MPLS, GMPLS MPλS 163 MPLS 163 GMPLS MPλS 164 IV ĐỊNH TUYẾN MẠNG IP/WDM 164 Định tuyến gán bước sóng tĩnh IP/WDM 164 Định tuyến gán bước sóng động IP/WDM (D-RWA) 172 Dành bước sóng (WR) IP/WDM 188 V ĐIỂU KHIỂN TRONG MẠNG IP/WDM 191 Cơ chế điều khiển tập trung 191 Cơ chế điều khiển phân bố 192 VI THIẾT KẾ TỐI ƯU TÔPÔ LOGIC QUANG 192 Khái niệm tôpô mạng 192 Tóm tắt tốn thiết kế tơpơ logic 193 Định tuyến cho lưu lượng tôpô logic 195 Định tuyến cho đường quang tôpô vật lý 195 CÂU HỎI ÔN TẬP 196 TÀI LIỆU THAM KHẢO 199 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 201 I GIỚI THIỆU CHUNG 201 Khái niệm thông tin quang Coherent 201 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Coherent 202 Các dạng điều chế quang Coherent 203 II MÁY THU QUANG COHERENT 208 Các nguyên lý tách sóng: 208 Sơ đồ khối tổng quát thu quang Coherent 210 Tách sóng Heterodyne đồng 211 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 10 Hệ thống thông tin quang Tách sóng Heterodyne khơng đồng 213 Tách sóng Homodyne 213 Vịng khố pha máy thu quang Coherent 214 III TỈ SỐ LỖI BIT (BER) TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 215 Nhiễu máy thu quang Coherent 215 Tách sóng heterodyne ASK 217 Tách sóng heterodyne FSK 220 Tách sóng heterodyne PSK 221 Tách sóng Homodyne ASK PSK 222 Hàm xác suất lỗi 223 So sánh độ nhạy hệ thống Coherent 227 IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHẠY MÁY THU 232 Nhiễu pha 232 Nhiễu cường độ 233 Không tương xứng phân cực 234 Tán sắc sợi quang 234 Các yếu tố hạn chế khác 234 V NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 235 Nâng cao độ nhạy thu 235 Nâng cao khả truyền dẫn 236 Khả kết hợp thu Coherent với kỹ thuật khuếch đại quang 236 TÓM TẮT 236 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP 238 TÀI LIỆU THAM KHẢO 242 ĐÁP ÁN VÀ GI Ý TRẢ LỜI MỘT SỐ CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP 243 CÁC CHỮ VIẾT TẮT 245 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM GIỚI THIỆU Bước vào thiên niên kỷ mới, chứng kiến nhiều thay đổi quan trọng cơng nghiệp viễn thơng có ảnh hưởng to lớn đến sống Có nhiều nguyên nhân gây thay đổi này: • Trước hết gia tăng liên tục dung lượng mạng Nhân tố cho gia tăng phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web Bên cạnh việc nhà kinh doanh ngày dựa vào mạng tốc độ cao để thực việc kinh doanh Những mạng dùng để kết nối văn phòng công ty công ty cho việc giao dịch thương mại Ngồi cịn có tương quan lớn việc gia tăng nhu cầu giá thành băng thông mạng Các công nghệ tiên tiến thành công việc giảm liên tục giá thành băng thông Việc giảm giá thành băng thông lại làm thúc đẩy phát triển nhiều ứng dụng sử dụng nhiều băng thông mơ hình sử dụng hiệu Chu kỳ hồi tiếp dương cho thấy khơng có dấu hiệu giảm bớt tương lai gần • Bãi bỏ phá vỡ độc quyền lĩnh vực viễn thơng Sự bãi bỏ độc quyền kích thích cạnh tranh thị trường, điều dẫn đến kết giảm giá thành cho người sử dụng triển khai nhanh kỹ thuật dịch vụ • Sự thay đổi quan trọng thể loại lưu lượng chiếm ưu mạng Ngược lại với lưu lượng thoại truyền thống, nhiều nhu cầu dựa liệu ngày phát triển Tuy nhiên nhiều mạng xây dựng để hỗ trợ hiệu cho lưu lượng thoại, liệu Việc thay đổi nguyên nhân thúc đẩy nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra lại cách thức mà họ xây dựng nên mạng, kiểu dịch vụ phân phối nhiều trường hợp mơ hình kinh doanh tồn thể họ Những nhân tố dẫn đến phát triển mạng quang dung lượng cao Công nghệ để đáp ứng việc xây dựng mạng quang dung lượng cao công PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 103 biệt qua mạng Tại đầu thu, tín hiệu kết thúc hai chuyển tiếp tín hiệu tốt lựa chọn, sau gởi cho khách hàng Trong hình 1.58, tín hiệu khách hàng đưa qua chuyển tiếp chia sau Tại đầu thu, hai tín hiệu chọn lựa chuyển mạch quang trước gởi cho khách hàng Cách sử dụng nửa số chuyển tiếp so với cách trước không bảo vệ chống lại hư hỏng chuyển tiếp Bên cạnh đó, có vài yếu tố ảnh hưởng đến đến việc thực phương pháp hay phương pháp khác tiêu chuẩn cho việc chuyển mạch từ đường sang đường khác thời gian khôi phục khác với cách thực khác g Vòng bảo vệ chia sẻ cho kênh quang (OCh-SPRing) Vòng bảo vệ chia sẻ cho kênh quang OCh-SPRing phương pháp bảo vệ giống SONET/SDH BLSR/4 Tuy nhiên, BLSR hoạt động lớp đường dây (đoạn ghép kênh), OCh-SPRing hoạt động lớp kênh quang, lớp ghép kênh Ðường làm việc thiết lập theo đường ngắn vòng Khi đường làm việc hỏng, phục hồi chuyển mạch đoạn hay chuyển mạch vòng, SONET/SDH BLSR/4 Các đường quang khơng chồng vịng sử dụng chung bước sóng quanh vịng cho bảo vệ cách sử dụng lại mặt không gian cho phép OCh-SPRing hoạt động hiệu OChDPRing lưu lượng phân bố Hoạt động OCh-SPRing giống SONET/SDH BLSR/4 nhiên sợi quang SONET/SDH BLSR/4 tương ứng với bước sóng kết nối tương ứng với đường quang Giống BLSR phối hợp nhanh nút vòng cần thiết để giải cố nút hỗ trợ lưu lượng có độ ưu tiên thấp Bảo vệ dạng mắt lưới cho kênh quang (OCh-Mesh Protection) Kiến trúc hình vịng thích hợp cho tơpơ vật lý thưa thớt trường hợp phần lớn lưu lượng bị giới hạn vòng (ring) Các mạng đường trục ngày thường dày đặc có dạng mắt lưới cấu hình vịng, với lưu lượng phân bố đồng Ðối với mạng này, sơ đồ bảo vệ mắt lưới cung cấp bảo vệ hiệu dạng vòng Nói chung tơpơ dày đặc mắt lưới bảo vệ dạng lưới có lợi So với cấu trúc vịng hiệu đạt từ 20% đến 60% Xét ví dụ mạng mắt lưới hình 1.68(a) hỗ trợ ba đường quang Giả sử tất chúng cần bảo vệ Mỗi kênh quang sử dụng đơn vị dung lượng tuyến mà chúng qua Hình 1.68(b) đề xuất sơ đồ bảo vệ 1+1 OCh dành riêng Trong trường hợp này, tổng cộng cần đơn vị dung lượng bảo vệ mạng Hình 1.68(c) đề xuất cấu hình bảo vệ vòng chia sẻ (OCh-SPRing) Trong trường hợp đường X Y chia sẻ băng thơng bảo vệ đường quang Z có vịng bảo vệ riêng Cấu hình bảo vệ cần có đơn vị dung lượng bảo vệ Lưu ý, băng thơng bảo vệ giảm xuống cịn đơn vị cách cho kênh X, Y chia sẻ vòng sử dụng đường bảo vệ dành riêng cho kênh Z Nhìn theo cách khác PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 104 Hệ thống thông tin quang sử dụng đơn vị dung lượng cho bảo vệ, ta thêm đường quang chia sẻ vòng bảo vệ cho kênh Z Hình 1.68(d) sơ đồ bảo vệ dạng mắt lưới Trong sơ đồ này, đường quang bảo vệ 1+1 đường quang bảo vệ không thiết lập trước mà thiết lập có cố Cấu hình đối phó với cố thời điểm Trong trường hợp cần đơn vị dung lượng bảo vệ La øm Đ ươ øng vi ệc Z qu an g Hình 1.68 Ví dụ minh họa hiệu sử dụng băng thông phương pháp bảo vệ dạng mắt lưới so với bảo vệ dạng vòng ring (a) Một mạng mắt lưới có ba đường quang (b) Bảo vệ đường quang sử dụng cấu hình bảo vệ dành riêng 1+1 (c) Bảo vệ đường quang sử dụng vòng chia sẻ cho kênh quang OCh-SPRing (d) Bảo vệ đường quang sử dụng sơ đồ mắt lưới cho kênh quang (OCh-Mesh) Laøm việc Y Đường quang Đường quang Làm việc X Bảo vệ X Bảo vệ Y ảo B äZ ve (b) vi eäc Z B La øm La øm vi eäc Z (a) Vòng bảo vệ Làm việc Y Làm việc X Làm việc Y Làm việc X A Vòng bảo vệ E Dung lượng bảo vệ D (c) (d) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com C Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 105 Bảo vệ dạng mắt lưới Chúng sử dụng năm 1980 mạng có kết nối chéo số Tuy nhiên sơ đồ tập trung hóa vận hành chậm chạp, thường cần đến vài phút để khôi phục lại lưu lượng sau có cố Việc bảo vệ phức tạp quản lý khơng có chuẩn áp dụng Sau SONET/SDH chuẩn hoá yêu cầu chuyển mạch nhanh 60ms vòng SONET/SDH thực, phương pháp phục hồi dựa dạng mắt lưới gần bị bỏ qua Ngày dạng mắt lưới tăng cường sử dụng lý sau: • Năng lực xử lý cho mạng lưới tăng lên tốc độ tính tốn cho định tuyến băng thông dành cho quản lý mạng tăng lên • Các kết nối chéo quang băng thơng bảo vệ thiết bị lớp quang có mức tốc độ (các đường quang) lớn các nối chéo hoạt động tốc độ DS1 DS3 Vì có thực thể để điều khiển bảo vệ Tuy nhiên tình trạng thay đổi lưu lượng tăng nhanh • Các giao thức báo hiệu định tuyến nhanh phát triển cho mạng liệu khác IP ATM nhiều giao thức sửa đổi thích ứng để sử dụng cho lớp quang • u cầu thời gian bảo vệ 60ms số cứng nhắc Nhiều nhà cung cấp băng thông, quan tâm đến bảo vệ lưu lượng liệu thỏa mãn với thời gian bảo vệ khoảng vài trăm ms điều làm dễ dàng cho việc thực phương pháp bảo vệ phức tạp Nhiều sơ đồ bảo vệ dạng mắt lưới khác đề xuất nhiều sơ đồ thực nhà sản xuất thiết bị kết nối chéo quang Bên cạnh yếu tố trên, phương pháp bảo vệ dạng mắt lưới cần phải khắc phục vài vấn đề then chốt để áp dụng rộng rãi: • Các cấu hình bảo vệ SONET/SDH chuẩn hóa nhiên chưa có chuẩn hố dạng lưới • Một ưu điểm dạng vòng mạng chia thành nhiều miền miền bảo vệ độc lập, phần mạng khơng thể ảnh hưởng đến phần khác Do mạng điều khiển nhiều cố đồng thời, miễn chúng xảy miền khác Ðể sơ đồ bảo vệ mắt lưới hồn tồn có lợi mong muốn, cần xem mạng miền Chia nhỏ mạng thành miền giảm hiệu sử dụng băng thông trừ miền riêng biệt lớn • Các sơ đồ bảo vệ mắt lưới khó điều khiển sơ đồ bảo vệ vịng, đó, nhà sản xuất phải cung cấp cho nhà cung cấp dịch vụ công cụ điều khiển phù hợp để che dấu phức tạp khỏi người vận hành Ví dụ, điều nghĩa cung cấp cơng cụ tự động để thiết kế tính tốn tuyến bảo vệ mạng Ngược lại việc vận hành phức tạp PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 106 Hệ thống thơng tin quang • Mạng mắt lưới hiệu có chế báo hiệu nhanh để truyền thông tin liên quan đến cố định tuyến lại đường quang bị tác động hư hỏng Ðiều dẫn đến nút thực chuyển mạch bảo vệ phải thiết kế cẩn thận để tối thiểu hố thời gian xử lý • Mạng mắt lưới hiệu địi hỏi phải có bảng định tuyến bảo vệ nút Các bảng định tuyến cung cấp tồn thơng tin tơpơ mạng đường bảo vệ mạng Bảng cần cập nhật đường quang, tuyến nút thêm vào bỏ khỏi mạng Quan trọng bảng cần chứa tất nút mạng Bảo vệ dạng mắt lưới khác chỗ toàn mạng bảo vệ miền đơn, chia thành nhiều miền, miền bảo vệ độc lập miền kết nối lại với Trong trình thối hố (degenerate scenario), miền đơn vòng đơn, trường hợp quay lại mơ hình bình thường bảo vệ vịng Một khía cạnh quan trọng khác để phân biệt sơ đồ bảo vệ tuyến bảo vệ tính trước (offline), chúng tính sau cố xảy (online) Trong hai trường hợp, chiều khác xem xét mức độ việc thực phân bố Ðiều ảnh hưởng đến độ phức tạp báo hiệu tác động trực tiếp đến tốc độ phục hồi Nói chung, bảo vệ dạng mắt lưới cần chức sau: tính tốn tuyến, trì tơpơ báo hiệu để thiết lập tuyến bảo vệ Những chức thực mạng IP hay ATM Ví dụ, mạng IP, tính toán tuyến sử dụng thuật toán đường ngắn Dijikstra tơpơ trì cách sử dụng giao thức định tuyến OSPF (Open Shortest Path First) Báo hiệu cần sử dụng để thiết lập đường mạng MPLS ATM Một vài giao thức báo hiệu dùng cho mục đích này, bao gồm giao thức dự phòng trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol), giao thức báo hiệu giao diện mạng-mạng riêng PNNI (Private Network-Network Interface), báo hiệu số (SS7) Ngày có nhiều cơng trình nghiên cứu để phát triển MPLS sử dụng mạng quang TÓM TẮT Thế kỷ 21 kỷ công nghệ thơng tin Sự bùng nổ loại hình dịch vụ thông tin, đặc biệt phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web làm gia tăng không ngừng nhu cầu dung lượng mạng Ðiều đòi hỏi phải xây dựng phát triển mạng quang dung lượng cao Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM) giải pháp hồn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn sợi quang, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm Sự phát triển hệ thống WDM với công nghệ chuyển mạch quang tạo nên mạng thông tin hệ mới-mạng thơng tin tồn quang suốt PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 107 Chúng ta nghiên cứu nguyên lý DWDM so sánh cơng nghệ với TDM Qua thấy rõ WDM giải pháp hoàn thiện cho tốn tăng băng thơng mạng viễn thơng điều kiện công nghệ Công nghệ WDM cơng nghệ cho phép xây dựng mơ hình mạng truyền tải quang cho phép truyền tải suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động Chúng ta thấy bên cạnh suy hao tán sắc, tượng phi tuyến ảnh có hưởng lớn đến chất lượng hệ thống WDM Các tượng phi tuyến bao gồm tán xạ kích thích Brilloin (SBS), tán xạ kích thích Raman (SRS), ứng tự điều pha (SPM), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM) hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM), SPM FWM có ảnh hưởng nghiêm trọng Chúng ta nghiên cứu nguồn gốc hiệu ứng thấy rõ hiệu ứng suy giảm nhiều sợi quang có lõi hiệu dụng lớn có lượng tán sắc màu nhỏ Các linh kiện cho WDM bao gồm coupler, isolator/circulator, lọc ghép kênh, chuyển mạch, biến đổi bước sóng, phát laser, khuếch đại quang, thu quang Isolator coupler linh kiện thông dụng thực tế Nhiều loại lọc quang lọc cách tử kiểu sợi quang, lọc đa khoang màng mỏng điện mơi, lọc cách tử ống dẫn sóng ma trận sử dụng rộng rãi hệ thống WDM thương mại Có nhiều cơng nghệ để sản xuất khối chuyển mạch quang kích thước lớn sử dụng kết nối chéo Các chuyển mạch q trình thương mại hố Các chuyển đổi bước sóng tồn quang cịn giai đoạn nghiên cứu để giảm giá thành nâng cao chất lượng trước đưa ứng dụng thực tế Hiện nay, có ba hệ mạng quang phát triển: mạng quang hệ thứ nhất, mạng quang hệ thứ hai mạng quang hệ thứ ba Mạng quang hệ thứ sử dụng cáp quang thay cho cáp đồng để đạt dung lượng truyền dẫn cao Mạng quang hệ thứ hai cung cấp đường quang chuyển mạch kênh cách định tuyến chuyển mạch bước sóng bên mạng Mạng quang hệ thứ ba mạng định tuyến bước sóng- cung cấp đường quang suốt tới người sử dụng đầu cuối SONET/SDH hay định tuyến IP Các phần tử chủ chốt cho liên kết mạng quang kết cuối đường quang (OLT), ghép kênh xen/rớt quang (OADM) kết nối chéo quang (OXC) OLT sử dụng cho mạng điểm nối điểm OADM có hiệu kinh tế cao cấu hình vịng (ring) OXC sử dụng cấu hình mạng lưới (mesh) Các kỹ thuật phục hồi chống lại cố đóng vai trị ngày quan trọng mạng truyền tải Các lớp khách hàng có chế bảo vệ riêng nhiên bảo vệ lớp quang cung cấp thêm khả phục hồi Bảo vệ lớp quang hiệu mặt băng thông, xử lý cố (đặc biệt tất lưu lượng cần bảo vệ) mặt kinh tế Cấu hình bảo vệ dạng mắt lưới xu cho lớp quang Hiện có sản phẩm thương mại cho cấu hình bảo vệ lớp quang… PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 108 Hệ thống thông tin quang BÀI TẬP 1.1 Một sợi quang đơn mode có suy hao 0.5 dB/km hoạt động bước sóng λ = 1.3µm Đường kính sợi d = 6µm nguồn laser có độ rộng ∆f = 600MHz So sánh công suất quang ngưỡng cho SBS, PthSBS cho SRS, PthSRS 1.2 Cho sợi quang đơn mode có đường kính lõi d = 8µm Nguồn laser đưa vào sợi quang có độ rộng phổ ∆f = 1GHz Cơng suất ngưỡng tán xạ Brillouin PthSBS = 190mW tán xạ Raman PthSRS = 1.70 W Tính bước sóng hoạt động λ(µm) hệ số suy hao α(dB/km) 1.3 Một sợi quang đơn mode sử dụng nguồn laser có độ rộng phổ ∆f = 800MHZ có cơng suất quang ngưỡng cho SBS PthSBS = 127mW bước sóng 0.85µm Suy hao sợi quang bước sóng nói 2dB/km Xác định công suất quang ngưỡng cho SRS, PthSRS sợi quang bước sóng 0.9µm, giả sử suy hao bước sóng 1.8 dB/km 1.4 Cho cách tử truyền dẫn có chu kỳ a = 5µm Tính độ cách góc (hiệu hai góc nhiễu xạ) hai bước sóng 1540.56 nm 1541.35 nm hai bước sóng chiếu thẳng góc với cách tử 1.5 Cho lọc AOTF với ∆n = 0.07 nm, bước sóng quang chọn λ = 1540.56 nm, vận tốc âm 3.75km/s, chiều dài đoạn tương tác âmquang l = 22 mm Tính (a) chu kỳ cách tử tần số sóng âm, (b) thời gian hiệu chỉnh lọc quang-âm hiệu chỉnh 1.6 Khảo sát coupler 3dB 2x2 cho hình bên Giả thiết ta kết nối hai ngõ với đoạn sợi quang Giả sử phân cực bảo toàn qua thiết bị Một tín hiệu ánh sáng đưa vào ngõ vào thứ Ðiều xảy ra? Tìm hàm truyền đạt thiết bị Giả sử coupler sử dụng thiết bị thuận nghịch hoạt động hồn tồn khơng thay đổi đổi ngõ vào ngõ cho 1.7 Theo hình 1.17 chứng minh chênh độ dài tia khúc xạ góc θd với khe kế cận AB − CD = a[sin( θi ) − sin( θd )] khoảng cách hai khe kế cận (grating pitch) nhỏ so với khoảng cách từ mặt phẳng cách tử tới nguồn tới mặt phẳng ánh xạ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thơng tin quang WDM 109 1.8 Tìm phương trình cách tử cho cách tử nhiễu xạ nghiêng blazing hình 1.18 1.9 Chứng minh tần số cộng hưởng fn hốc Fabry-Perot thoả mãn biểu thức fn = f0+∆f, với k số nguyên, f0 ∆f giá trị khơng đổi Điều có nghĩa tần số cách khoảng Chú ý bước sóng tương đương không cách khoảng 1.10 Chứng minh độ mịn F lọc Fabry-Perot công thức 1.59 Giả sử hệ số phản xạ gương R = 1.11 Chứng minh phần công suất ngõ vào truyền qua lọc Fabry-Perot tần số (1-R)/(1+R) Lưu ý phần công suất nhỏ giá trị R lớn Do đó, xem xét tất tần số, có phần nhỏ cơng suất ngõ vào truyền qua hốc cộng hưởng có mặt phản xạ cao 1.12 Chứng minh băng thông dB (FWHM) lọc quang-âm ≈ 0.8λ02/l∆n 1.13 Tính chiều dài tương tác quang-âm cần thiết lọc AOTF có băng thơng (FWHM) nm bước sóng hoạt động 1.55µm Giả sử ∆n = 0.07 nm 1.14 DWDM giống như: a Ghép kênh phân thời gian (TDM); b Ghép kênh phân không gian (SDM); c Ghép kênh phân tần số (FDM); d Cả ba câu 1.15 TDM giống như: a Tăng vận tốc xe xa lộ cao tốc; b Xây thêm xa lộ cao tốc mới; c Phân luồng xa lộ cao tốc; d Tất câu 1.16 SDM giống như: a Tăng vận tốc xe xa lộ cao tốc; b Xây thêm xa lộ cao tốc mới; c Phân luồng xa lộ cao tốc; d Tất câu 1.17 DWDM giống như: a Tăng vận tốc xe xa lộ cao tốc; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 110 Hệ thống thông tin quang b Xây thêm xa lộ cao tốc mới; c Phân luồng xa lộ cao tốc; d Tất câu 1.18 Vai trị DWDM là: a Tăng cơng suất phát quang; b Tăng tốc độ truyền dẫn sợi quang; c Tăng dung lượng truyền dẫn sợi quang cách tăng số lượng sợi quang, thiết bị, không cần tăng tốc độ truyền dẫn; d Tăng dung lượng truyền dẫn sợi quang cách ghép thêm nhiều bước sóng để truyền sợi quang, khơng cần tăng tốc độ truyền dẫn 1.19 Ðộng lực để phát triển DWDM là: a Sự gia tăng nhanh chóng lưu lượng liệu; b Hạn chế việc phát triển TDM; c Chi phí cao việc lắp đặt tuyến cáp quang vùng đông dân cư; d Sự tiến công nghệ DWDM; e Tất câu 1.20 Ưu điểm DWDM là: a Tận dụng băng thông sợi quang; b Giảm yêu cầu thiết bị; c Không phụ thuộc vào giao thức; d Có khả mở rộng; e Cả câu 1.21 Băng thông hoạt động DWDM nay: a Dải C L; b Dải O; c Dải U; d Cả câu 1.22 Câu câu sau cho tượng phi tuyến sợi quang: a Hiện tượng cơng suất tín hiệu quang bị suy giảm lan truyền sợi quang; b Hiện tượng giãn xung ánh sáng lan truyền sợi quang; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 111 c Các tham số tín hiệu quang phụ thuộc vào cường độ (công suất) ánh sáng; d Tất câu 1.23 Các hiệu ứng Kerr phát sinh do: a Sự phụ thuộc chiết suất sợi quang vào cường độ điện trường hoạt động; b Năng lượng từ mode lan truyền truyền sang mode khác gọi mode xạ; c Tạp chất OH- hấp thụ lượng ánh sáng; d Năng lượng từ sóng ánh sáng chuyển sang sóng ánh sáng khác có bước sóng dài Năng lượng bị hấp thụ photon 1.24 Các hiệu ứng Kerr bao gồm: a Hiệu ứng tự điều pha (SPM); b Hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM); c Hiệu ứng trộn bốn tần số (FWM); d Tất câu 1.25 Hiệu ứng tự điều pha (SPM) là: a Sự thay đổi tần số (chirping) cường độ xung ánh sáng thay đổi theo thời gian; b Sự thay đổi tần số (chirping) cường độ kênh quang khác thay đổi theo thời gian; c Sự sinh tần số có nhiều tần số lan truyền sợi quang; d Năng lượng từ sóng ánh sáng chuyển sang sóng ánh sáng khác có bước sóng dài Năng lượng bị hấp thụ phonon 1.26 Hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM) là: a Sự thay đổi tần số (chirping) cường độ xung ánh sáng thay đổi theo thời gian; b Sự thay đổi tần số (chirping) cường độ kênh quang khác thay đổi theo thời gian; c Sự sinh tần số có nhiều tần số lan truyền sợi quang; d Năng lượng từ sóng ánh sáng chuyển sang sóng ánh sáng khác có bước sóng dài Năng lượng bị hấp thụ phonon 1.27 Hiệu ứng trộn bốn tần số (FWM) là: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 112 Hệ thống thông tin quang a Sự thay đổi tần số (chirping) cường độ xung ánh sáng thay đổi theo thời gian; b Sự thay đổi tần số (chirping) cường độ kênh quang khác thay đổi theo thời gian; c Sự sinh tần số có nhiều tần số lan truyền sợi quang; d Năng lượng từ sóng ánh sáng chuyển sang sóng ánh sáng khác có bước sóng dài Năng lượng bị hấp thụ phonon 1.28 Các hiệu ứng tán xạ phi tuyến phát sinh do: a Sự phụ thuộc chiết suất sợi quang vào cường độ điện trường hoạt động; b Năng lượng từ mode lan truyền truyền sang mode khác gọi mode xạ; c Tạp chất OH- hấp thụ lượng ánh sáng; d Năng lượng từ sóng ánh sáng chuyển sang sóng ánh sáng khác có bước sóng dài Năng lượng bị hấp thụ phonon 1.29 Hiệu ứng tán xạ phi tuyến bao gồm: a Tán xạ kích thích Brillouin (SBS); b Tán xạ kích thích Raman (SRS); c Tán xạ Rayleigh; d Tất câu đúng; e Chỉ có a b 1.30 Hiệu ứng ứng dụng để làm khuếch đại quang: a Tán xạ kích thích Brillouin (SBS); b Tán xạ kích thích Raman (SRS); c Tán xạ Rayleigh; d Khơng có câu 1.31 Bạn sử dụng linh kiện để chia cơng suất tín hiệu quang thành hai phần Ðó linh kiện gì? a Coupler 3dB; b Circulator; c Bộ lọc quang (Optical Filter); d Bộ ghép kênh (MUX); e Bộ tách kênh (DEMUX) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 1.32 113 Bạn sử dụng linh kiện để định tuyến (vào cổng cổng tương ứng định) tín hiệu quang Ðó linh kiện gì? a Coupler 3dB; b Circulator; c Bộ lọc quang (Optical Filter); d Bộ ghép kênh (MUX); e Bộ tách kênh (DEMUX) 1.33 Bạn sử dụng linh kiện để lấy bước sóng mong muốn từ nhiều kênh bước sóng ngõ vào Ðó linh kiện gì? a Coupler 3dB; b Circulator; c Bộ lọc quang (Optical Filter); d Bộ ghép kênh (MUX); e Bộ tách kênh (DEMUX) 1.34 Bạn sử dụng thiết bị để kết hợp nhiều kênh bước sóng khác thành tín hiệu tổng truyền sợi quang Ðó thiết bị gì? a Coupler 3dB; b Circulator; c Bộ lọc quang (Optical Filter); d Bộ ghép kênh (MUX); e Bộ tách kênh (DEMUX) 1.35 Bạn sử dụng thiết bị để tách tín hiệu tổng gồm nhiều kênh bước sóng khác thành kênh bước sóng riêng rẽ Ðó thiết bị gì? a Coupler 3dB; b Circulator; c Bộ lọc quang (Optical Filter); d Bộ ghép kênh (MUX); e Bộ tách kênh (DEMUX) 1.36 Trong đặc điểm đây, đặc điểm cho lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang lọc quang âm AOTF: a Hoạt động dựa nguyên lý phản xạ Bragg; b Hoạt động dựa nguyên lý giao thoa kế; c Cách tử Bragg tạo cách tạo thay đổi tuần hoàn chiết suất lõi sợi quang; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 114 Hệ thống thông tin quang d Cách tử tạo cách cho sóng âm bề mặt SAW lan truyền ống dẫn sóng 1.37 Trong đặc điểm đây, đặc điểm cho lọc Fabry-Perot lọc đa khoang màng mỏng điện môi TFMF: a Hoạt động dựa nguyên lý phản xạ Bragg; b Hoạt động dựa nguyên lý giao thoa kế; c Khoang cộng hưởng tạo hai gương có hệ số phản xạ cao; d Khoang cộng hưởng tạo nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ 1.38 Trong đặc điểm đây, đặc điểm lọc Fabry-Perot: a Hàm truyền đạt có đỉnh phẳng, độ dốc cao; b Ổn định với nhiệt độ, không nhạy với phân cực; c Khả điều chỉnh bước sóng linh hoạt; d Dễ sản xuất để tạo nên MUX/ DEMUX dung lượng lớn; e Các câu a b đúng; f Các câu b c đúng; g Các câu a, b d 1.39 Trong đặc điểm đây, đặc điểm lọc đa khoang màng mỏng điện mơi TFMF: a Hàm truyền đạt có đỉnh phẳng, độ dốc cao; b Ổn định với nhiệt độ, không nhạy với phân cực; c Khả điều chỉnh bước sóng linh hoạt; d Dễ sản xuất để tạo nên MUX/ DEMUX dung lượng lớn; e Các câu a b đúng; f Các câu b c đúng; g Các câu a, b d 1.40 Trong đặc điểm đây, đặc điểm lọc cách tử ống dẫn sóng ma trận AWG: a Hàm truyền đạt có đỉnh phẳng, độ dốc cao; b Ổn định với nhiệt độ, không nhạy với phân cực; c Khả điều chỉnh bước sóng linh hoạt; d Dễ sản xuất để tạo nên MUX/ DEMUX dung lượng lớn; e Các câu a b đúng; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 115 f Các câu b c đúng; g Các câu a, b d 1.41 Trong câu đây, câu cho MUX có cấu trúc ghép tầng theo băng: a Có n tầng (n tổng số bước sóng), tầng thực tách/ ghép kênh; b Có tầng thực tách/ ghép tất bước sóng; c Có n/m tầng (n tổng số bước sóng), tầng thực tách/ ghép m bước sóng; d Có tầng, tầng đầu ghép/ tách kênh bước sóng chẵn, lẻ thành băng Tầng thực tách/ ghép kênh riêng rẽ 1.42 Chỉ cần cho biết kênh bước sóng quang cần chiếm, thiết bị biến đổi tín hiệu quang phi tiêu chuẩn thành bước sóng phù hơp Đó thiết bị gì? a OLT; b Bộ chuyển tiếp quang (Transponder); c OADM; d OXC 1.43 Thiết bị cho phép bạn lấy đưa vào kênh quang Đó thiết bị gì? a OLT; b Bộ chuyển tiếp quang (Transponder); c OADM; d OXC 1.44 Thiết bị đặt nơi giao nhiều tuyến DWDM Nó cho phép định tuyến bước sóng từ tuyến DWDM sang tuyến DWDM khác Đó thiết bị gì? a OLT; b Bộ chuyển tiếp quang (Transponder); c OADM; d OXC 1.45 Thiết bị nhận tín hiệu khách hàng, xử lý đưa chúng vào sợi quang Đó thiết bị gì? a OLT; b Bộ chuyển tiếp quang (Transponder); PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 116 Hệ thống thông tin quang c OADM; d OXC 1.46 Trong cấu trúc OADM đây, cấu trúc làm gián đoạn kênh khác xen/ rớt thêm kênh mới: a Song song; b Song song theo băng; c Nối tiếp; d Tất câu 1.47 Trong cấu trúc OADM sau, cấu trúc điều kiện ràng buộc lựa chọn bước sóng xen/rớt a Song song; b Nối tiếp; c Xen/rớt theo băng; d Tất câu 1.48 Trong cấu trúc OADM sau, cấu trúc làm tăng suy hao xen/rớt thêm bước sóng: a Song song; b Nối tiếp; c Xen/rớt theo băng; d Tất câu 1.49 OXC có chức sau: a Cung cấp đường quang cách tự động; b Bảo vệ đường quang cố đứt cáp cố nút mạng; c Trong suốt tốc độ truyền dẫn bit; d Giám sát chất lượng truyền dẫn; e Chuyển đổi bước sóng; f Ghép nhóm tín hiệu; g Tất câu 1.50 Trong cấu hình OXC sau, cấu hình cho phép giám chất lượng truyền dẫn thơng qua tỉ số BER a Có lõi chuyển mạch điện; b Lõi chuyển mạch quang bao quanh chuyển đổi O/E/O; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 117 c Lõi chuyển mạch quang nối trực tiếp đến chuyển đổi tín hiệu thiết bị WDM; d Lõi chuyển mạch quang nối trực tiếp đến ghép/phân kênh bên OLT; e Tất câu đúng; f Chỉ có a b 1.51 Trong đặc điểm đây, đặc điểm KHƠNG ÐÚNG cho OXC có lõi chuyển mạch quang a Nhóm luồng tín hiệu tốc độ thấp; b Dung lượng chuyển mạch lớn nhất; c Giám sát chất lượng truyền dẫn thông qua công suất quang; d Tiêu thụ lượng thấp; e Chiếm không gian nhỏ 1.52 Lớp lớp quang là: a Lớp kênh quang OCh; b Lớp đoạn ghép kênh quang OMS; c Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS; d Tất câu 1.53 Ðoạn ghép kênh quang OMS là: a Tuyến OLT hay OADM; b Ðoạn OLA; c Tuyến chuyển tiếp quang (Transponder); d Tất câu TÀI LIỆU THAM KHẢO Optical Networks: A Practical Perspective, Second Edition - Rajiv Ramaswami, Kumar N Sivarajan, 2002 Fiber–Optic Communications Technology - Djafar K.Mynbaev, Lowell L.Scheiner, 2001 Optical Fiber Communications: Principles and Practice, Second EditionJohn M Senior PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ... THAM KHẢO 19 9 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 2 01 I GIỚI THIỆU CHUNG 2 01 Khái niệm thông tin quang Coherent 2 01 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Coherent ... 10 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 7 CHƯƠNG 2: KHUẾCH ĐẠI QUANG 11 8 I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 11 8 Giới thiệu khuếch đại quang 11 8 Nguyên lý khuếch đại quang 11 9... www.pdffactory.com Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 21 L Pin Leff = ∫ P( z )dz (1. 1) z =0 Do đó: Leff = − eαL α (1 .2) Thường tuyến đủ dài L > >1/ α Leff ? ?1/ α Chẳng hạn α = 0.22 dB/km λ = 1, 55 µm và, ta