Thông tin quang và công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM MỤC LỤC .1 LỜI NÓI ĐẦU .4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .6 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 8 DANH SÁCH CÁC BẢNG 10 Chương I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 11 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang 11 1.1.1. Lịch sử phát triển .11 1.1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang .12 1.1.3. Ưu nhược điểm 15 1.2. Phân loại hệ thống thông tin quang 16 1.2.1. Phân loại theo dạng tín hiệu .16 1.2.2. Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến .16 1.2.3. Phân loại theo tốc độ và cự li truyền dẫn 17 1.2.4. Phân loại theo phương thức ghép kênh .17 1.3. Các thành phần của hệ thống thông tin quang 18 1.3.1. Sợi quang và cáp quang .18 1.3.1.1. Cấu tạo phân loại sợi quang .18 1.3.1.2. Cáp quang phân loại cáp quang 23 1.3.2. Các thiết bị phát quang .27 1.3.3. Các thiết bị thu quang 33 1.3.4. Các trạm lặp .38 1.3.5. Các trạm xen rẽ kênh .39 1.4. Các tham số của hệ thống thông tin quang .40 1.5. Truyền ánh sáng trong sợi quang .41 1.5.1. Đặc điểm của ánh sáng 41 1.5.2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong lõi sợi quang 43 1.5.3. Đặc tính truyền dẫn của sợi quang .44 Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 1 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM Chương II. CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 49 2.1. Giới thiệu .49 2.2. Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang 49 2.2.1. Ghép kênh phân chia theo thời gian .50 2.2.2. SONET/SDH .51 2.2.3. Gigabit Ethernet .52 2.3. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 53 2.3.1. Định nghĩa .53 2.3.2. Nguyên lý cơ bản của WDM 53 2.4. Các linh kiện dùng trong hệ thống WDM 57 2.4.1. Bộ ghép/tách tín hiệu 57 2.4.2. Bộ Isolator/circulator .58 2.4.3. Bộ lọc quang 60 2.4.4. Bộ ghép tách kênh bước sóng 63 2.4.5. Bộ chuyển mạch quang 65 2.4.6. Bộ chuyển đổi bước sóng .66 2.5. Ưu nhược điểm của công nghệ WDM .67 2.5.1 Ưu điểm .67 2.5.2. Nhược điểm .68 Chương III. NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG WDM .69 3.1. Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 69 3.2. Ổn định bước sóng của nguồn quang và độ rộng phổ của nguồn phát. 72 3.3. Xuyên nhiễu giữa các kênh 73 3.4. Suy hao quỹ công suất của hệ thống WDM .73 3.5. Tán sắc bù tán sắc 74 3.6. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 76 3.6.1. Hiệu ứng SRS . 77 Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 2 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM 3.6.2. Hiệu ứng SBS . 79 3.6.3. Hiệu ứng SPM . 80 3.6.4. Hiệu ứng CPM .81 3.6.5. Hiệu ứng FWM 81 3.7. Bộ khuếch đại EDFA .83 3.7.1. Nguyên lý khuếch đại quang 83 3.7.2. Phân loại khuếch đại quang 84 3.7.3. Bộ khuếch đại quang pha tạp Ebirum . 85 3.7.3.1. Các cấu trúc của EDFA 85 3.7.3.2. Nguyên lý khuếch đại trong EDFA 86 3.7.4. Yêu cầu đối với nguồn bơm .90 3.7.5. Phổ khuếch đại .93 3.7.6. Các tính chát của EDFA .95 3.7.7. Ưu khuyết điểm của EDFA 97 KẾT LUẬN .99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .100 Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 3 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các nghành khoa học, những nghiên cứu và phát minh mới được công bố, kéo theo đó là những công nghệ mới được ra đời. Sự phát triển nhanh chóng của xã hội và của khoa học kỹ thuật đòi hỏi con người phải liên tục đổi mới về công nghệ cũng như phương thức hoạt động, Ngành công nghệ thông tin cũng như điện tử viễn thông cũng không nằm ngoài quy luật đó. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền tin, và yêu cầu về thông tin cần được trao đổi trong xã hội, đòi hỏi phải có những mạng mới, những công nghệ mới đưa vào sử dụng để đáp ứng cho những nhu cầu đó, song nếu sự ra đời của các mạng mới mà không có sự thay đổi về băng thông, đường truyền thì cũng sẽ không đáp ứng được về dung lượng truyền dẫn cho các mạng đó hoạt động một cách hiệu quả nhất. Với những yêu cầu bức thiết đó thì mạng thông tin quang đã được ra đời và đưa vào sử dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây. Mạng thông tin quang ra đời đã giải quyết được vấn đề về băng thông đường truyền cho các nghành thông tin truyền thông ở trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Với băng thông lớn dung lượng dồi dào, thì mạng thông tin quang đã đáp ứng được nhu cầu về trao đổi thông tin cho xã hội. Song để khai thác hết tiềm năng viễn thông này đòi hỏi phải có những công nghệ và phương thức mới đưa vào sử dụng để có được hiệu quả cao nhất. Có rất nhiều công nghệ ghép kênh đã được sử dụng như: ghép kênh theo thời gian OTDM, ghép kênh theo tần số OFDM, .song vẫn chưa thể đáp ứng cho nhu cầu về truyền dẫn, chi phí lắp đặt còn quá cao mà hiệu quả lại khôn cao không tận dụng hết dải thông của nguồn ánh sáng. Với sự ra đời của phương thức ghép kênh theo bước sóng WDM thì phần nào đã giải quyêt được vấn đề này, Đây là phương thức ghép kênh mà các tín hiệu quang được phân chia thành các bước sóng và sau đó được Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 4 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM ghép vào trên cùng một sợi quang và được truyền đi. với phương thức mới này thì nó đã phần nào đáp ứng được băng thông truyền dẫn tín hiệu. Nhưng nó vẫn chưa phải là phương thức hiệu quả nhất, bởi nó vẫn còn những nhược điểm cần phải khắc phục, và hơn nữa chưa tận dụng hết dải thông của nguồn ánh sáng. Trong tương lai sẽ có những phương thức mới sẽ được đưa vào sử dụng trong mạng thông tin quang nhằm khai thác được hết dải thông của nó. Để đường truyền dẫn tín hiệu thông tin đạt hiệu quả cao nhất. Em đã chọn đề tài Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM để nghiên cứu và tìm hiểu. Đề tài của em bao gồm ba chương: CHƯƠNG I: Tổng quan về về hệ thống thông tin quang CHƯƠNG II: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng CHƯƠNG III: Những vấn đề kỹ thuật của công nghệ WDM và bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium Trong quá trình tìm hiểu được sự chỉ bảo và giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh nên em đã hoàn thành được bản đồ án này trong khoảng thời gian quy định, song là một sinh viên đang ngồi trên ghế nà trường, và kiến thức đang còn nhiều hạn chế nên sự tìm hiểu và nghiên cứu vẫn còn gặp nhiều khó khăn, chưa thể đi sâu vào thực để tìm hiểu biết thêm về nguyên lý cấu tạo cũng như hoạt động của các thiêt bị truyền dẫn quang. Vẫn đang còn cần phải tìm hiểu học và học hỏi rất nhiều, và em rất mong được các thầy cô giáo chỉ bảo và giúp đỡ em nhiều hơn để sự hiểu biết của em có thể được nâng lên, và hoàn thiện bản thân mình hơn, và em cũng xin các thầy, cô giáo cho em những nhận xét về cuốn đồ án này để em co thể hoàn thiện nó hơn. Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Anh Quỳnh đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, và em cũng xin được chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô Giáo trong và ngoài khoa đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt những năm em được học tập và nghiên cứu tại trường để em có được một vốn hiểu biết mới. Em xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 5 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM Vinh, tháng 5 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Hữu Việt Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 6 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh AOTF Acousto- Optic Turnable Fitter Bộ lọc quang âm điều chỉnh được APD Avalanche Photo – Diode Photodiode thác lũ APS Automatic Protection Switching chuyển mạch bảo vệ tự động ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại ATM ASynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng bộ AWG Arrayed – Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận BW Bandwidth Độ rộng dải thông CPM Cross phase Modulation Điều chế xuyên pha CR Coupler Ratio Tỉ số ghép CW Continous Wave Sóng quang liên tục DC directonal Coupler Coupler định hướng DD Direct detection Tách sóng trực tiếp DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh DFA Doped-Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp chất DWDM Dese Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng quang Muliplexer dày đặc DXC Digital Cross conect Bộ kết nối chéo số EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang trộn Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium FPA Fabry – Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry – Perot FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng IF Intermediate Frequency Tần số trung tần Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 7 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM IL Insersion Loss Suy hao xen MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZF Mach- Zehnder Filter Bộ lọc Mach – Zehnder Filter MZI Mach – Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach – Zehnder Interferometer NE Network Element Phần tử mạng NF Noise Figure Hệ số tạp âm OADM Optical Add – Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh quang OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang OSNR Optcal Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang OTDM Optical Time Devision Multiplexer Ghép kênh quang phân chia theo thời gian OXC Optical Cross connect Bộ kết nối chéo quang PDH Plesiochronous Digital Hierachi Phân cấp số đồng bộ RA Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman REG Regenarator Trạm lặp SBS Stimulated Brilouin Scaterring Tán xạ do kích thích Brillouin SDH Synchronouns Digital Hierachi Phân cáp số đồng bộ SNR Signal to Noisy Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SPM Self Phase Modulation Tự điều pha SRS Stimulated Raman Scaterring Tán xạ bị kích thích Raman TDM Time Division Multiplexer Ghép kênh theo thời gian TE Terminal Equipement Thiết bị đầu cuối WC Wavelength Converted Bộ chuyển đổi bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 8 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM XPC Cross phase Modulation Điều chế xuyên pha Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 9 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang .12 Hình 1.2. Suy hao sợi quang theo bước sóng 14 Hình 1.3. Cấu tạo sợi quang .18 Hình 1.4. Sợi quang đa mode MM .21 Hình 1.5. Sợi đơn mode .21 Hình 1.6. Sợi SI và Sợi GI 22 Hình 1.7. Cấu tạo chung của cáp quang .25 Hình 1.8. Cấu trúc của LED .28 Hình 1.9. Cấu trúc LED phát mặt .29 Hình 1.10. Cấu trúc LED phát cạnh .29 Hình 1.11. Diode lazer .31 Hình 1.12. Ba cấu trúc cơ bản cho sóng quang hạn chế theo hướng bên 32 Hình 1.13. Sơ đồ vùng năng lượng của photođiode PIN 34 Hình 1.14. Hệ số hấp thụ theo bước sóng .35 Hình 1.15. Đáp ứng Photodiode PIN 35 Hình 1.16. Cấu trúc diode photodiode 36 Hình 1.17. Sơ đồ sơ lược mạch điện của bộ thu quang 37 Hình 1.18. Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược .38 Hình 1.19. Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang .38 Hình 1.20. Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang 39 Hình 1.21. Nguyên lý truyền ánh sáng .42 Hình 1.22. Tia sáng đi trong lõi sợi quang 43 Hình 1.23. Quan hệ P( λ )/Pmax phụ thuộc vào λ 45 Hình 1.24. Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao 48 Hình 2.1. Hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian TDM .50 Hình 2.2. Nguyên tắc ghép kênh trong SONET 51 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống quang WDM 54 Nguyễn Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 10 . gian. - Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplex) Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM thực hiện truyền. Hữu Việt - Lớp 46K ĐTVT 1 Thông tin quang và ghép kênh theo bước sóng WDM Chương II. CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM. .49 2.1. Giới thiệu .49