công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM)

MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM 1.1.1 Hệ thông thông tin quang WDM .4 1.1.2 Sơ đồ khối chức khối 1.1.3 Các thành phần hệ thống WDM .7 1.1.4 Ưu nhược điểm hệ thống WDN 1.1.5 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM .9 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 13 2.1 Cấu trúc 13 2.2 Nguyên lý hoạt động EDFA .13 2.3 Ưu điểm khuyết điểm EDFA 15 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG 16 3.1.Yêu cầu 16 3.2 Báo cáo kết thực hành 16 3.3 Thực mô .16 DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 2.1 Hệ thống WDM .4 Hình 2.2 Hệ thống WDM đơn hướng Hình 2.3 Hệ thống WDM song hướng .6 Hình 1.6 Xuyên kênh tách kênh (a) ghép - tách hỗn hợp (b) 11 Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA .13 Hình 2.2 Q trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA 14 Hình 3.1 Nguồn phát CW Laser 17 Hình 3.2 Bộ tạo xung NRZ Pulse Generator 17 Hình 3.3 Bộ Tạo chuối bit 17 Hình 3.4 Bộ điều chế ngồi Mach-Zehnder Modulator 17 Hình 3.5 Tuyến phát quang .18 Hình 3.6 Đường truyền quang 18 Hình 3.7 Bộ cách li quang 18 Hình 3.8 Bộ coupler wdm 19 Hình 3.9 laser bơm 19 Hình 3.10 dây quang 19 Hình 3.11 Bộ chễ quang 19 Hình 3.12 Bộ khuếch đại quang EDFA .20 Hình 3.13 Bộ thu photodeletor Pin 20 Hình 3.14 lọc thông thấp 20 Hình 3.15 Bộ tái tạo 20 Hình 3.16 Thiết bị đo BER Analyze 20 Hình 3.17 tuyến thu quang 21 Hình 3.18 đo cơng suất quang 21 Hình 3.19 phân tích phổ 21 Hình 3.20 phân tích phổ 21 Hình 3.21 Thiết lập thơng số .22 Hình 3.22 Kết hiển thị thiết bị phân tích phổ 23 Hình 3.23 Kết hiển thị thiết bị đo BER 23 Hình 3.23 Cơng suất Laser phát 24 Hình 3.24 BER kênh thứ đạt 10-12 .24 LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta sống kinh tế động sáng tạo, địi hỏi người phải ln ln tìm tòi học hỏi phát huy hết khả Chính cầu trao đổi thơng tin ngày lớn, với chất lượng dịch vụ ngày cao Nhu cầu người ngày tăng cao, địi hỏi phải có cơng nghệ mạng viễn thơng tiên tiến Yêu cầu tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa phương tiện, đáp ứng cầu trao dổi thông tin người Đáp ứng nhu cầu này, cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) giải pháp hoản hảo cho phép tận dụng hiểu băng thông cực lớn sợi quang, nâng cao dung lượng truyền dẫn làm giảm giá thành sản phẩm Sự phát tiển mang lại ửu điểm vượt trội chất lượng dẫn cao, đặc biệt băng thông rộng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM 1.1.1 Hệ thông thơng tin quang WDM 1.1.1.1 Định nghĩa Một hệ thống truyền dẫn thơng tin quang mà nhiều kênh bước sóng đượcghép lại truyền chung nột đường truyền quang gọi hệ thống thông tinquang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing)Trong điều kiện dịch vụ truyền số liệu ngày tăng nhanh đặc biệt làInternet, truyền hình số, vệ tinh… mà IP lên tảng cho dịch vụứng dụng tương lai, nhà quản lý cung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc phảisuy nghĩ lại hệ thống truyền dẫn truyền thống TDM (time division multiplexing), hệthống vốn tối ưu cho truyền thoại lại hiệu sử dụng băng thông 1.1.1.2 Các dải băng tần hoạt động WDM - O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm  1360 nm - E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm  1460 nm - S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm  1530 nm - C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm  1565 nm - L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm  1625 nm - U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm  1675 nm 1.1.2 Sơ đồ khối chức khối 1.1.2.1 Sơ đồ khối tổng quát Hình 2.1 Hệ thống WDM 1.1.2.2 Chức khối Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm giới hạn cho phép Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khácnhau thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Táchtín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sángriêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDMnhư: lọc màng mỏng điện mơi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quangtổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot Khi xét đến tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần kênh bước sóng,bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh,suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suyhao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đếnkhuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang,chất lượng sợi ) Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đạiquang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Ramanhiện sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại cơngsuất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệthống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quangnhư hệ thống thơng tin quang thơng thường: PIN, APD 1.1.2.3 Phân loại hệ thống WDM - Gồm loại: đơn hướng song hướng Hình 2.2 Hệ thống WDM đơn hướng Hình 2.3 Hệ thống WDM song hướng + Về dung lượng: WDM song hướng < WDM đơn hướng, WDM đơn hướng lại địi hỏi số lượng sợi quang gấp đôi so với WDM song hướng + Về Thiết kế: rõ ràng hệ thống WDM song hướng đòi hỏi phức tạp nhiều với vấn đề chống xuyên nhiễu(do có nhiều bước sóng sợi quang), đảm bảo định tuyến phân bố bước sóng cho chiều sợi quang khơng dùng chung bước sóng (bước sóng chẵn lẽ, bước sóng theo băng …) + Về việc giải vấn đề có cố xảy hệ thống: với WDM song hướng có cố xảy hệ thống, khơng cần đến chế APS (automatic protection switching) để chuyển mạch bảo vệ mà tự hiểu đồng thời đầu hệ thống + Bộ khuếch đại quang EDFA hệ thống song hướng đơn giản so với hệ thống đơn hướng, số bước sóng WDM song hướng =1/2 WDM đơn hướng nên công suất khuếch đại đầu hệ thống song hướng cao hệ thống đơn hướng =>Tính độ tối ưu WDM song hướng hẳn WDM đơn hướng Tuy nhiên số trường hợp ta áp dụng hệ thống đơn hương số đặc điểm tối ưu điều kiện Ví dụ: Trong điều kiện khả xuyên nhiễu bước sóng cao, mà hệ thống địi hỏi phải có dung lượng truyền dẫn lớn Lúc ta dùng WDM đơn hướng 1.1.3 Các thành phần hệ thống WDM Bộ phát Phần phát quan trọng laser diode Yêu cầu nguồn quang hệ thống WDM phải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số Tuy nhiên laser diode có khoang cộng hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED chưa thật nguồn đơn mode Vẫn cịn mode khác ngồi mode nguồn Trong hệ thống WDM hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có laser đơn mode tạo mode dọc chính, cịn lại mode bên cần loại bỏ Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản xạ Bragg phân tán (DBR Bộ thu Bộ thu quang hệ thống WDM tương tự thu quang hệ thống đơn kênh Chúng thực chất photodiode (PD), thực chức biến đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu tốc độ lớn, độ nhạy thu cao bước sóng hoạt động thích hợp Hai loại photodiode sử dụng rộng rãi thu quang photodiode PIN photodiode thác APD Sợi quang Các mạng quang sử dụng môi trường truyền dẫn sợi quang Sợi quang có đặc tính suy hao tán sắc thấp môi trường phi dẫn Sợi quang đơn mode chuẩn sợi dịch tán sắc, sợi tán sắc phẳng ITU-T chuẩn hoá Trạm lặp Trạm lặp chuyển đổi tần số quang điện bao gồm thu quang phát quang Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại Tín hiệu sau chuyển thành tín hiệu quang nhờ laser phát Bù tán sắc Bên cạnh suy hao sợi hiệu ứng tán sắc mà giới hạn khoảng cách trạm lặp tuyến thơng tin quang Trễ nhóm hiệu ứng gây tán sắc Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài độ rộng phổ nguồn quang nguyên nhân làm méo xung nhiễu kí tự Khuếch đại quang OA (EDFA) Khuếch đại quang sợi pha Erbium chìa khố xây dựng nên hệ thống WDM Hệ thống có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rộng, tạp âm thấp Đặc tính tăng ích khơng có quan hệ với phân cực, suốt với tốc độ số khuôn dạng Đây đặc tính có lợi thơng tin quang nói chung WDM nói riêng Tăng ích tính tốn tỷ số cơng suất công suất vào khuếch đại Giá trị xác định trực tiếp suy hao tối đa cho phép hai EDFA liên tiếp Nó phụ thuộc vào số kênh độ dài tuyến Trong tuyến thực tế giá trị biến đổi từ 20 dB đến 30dB Công suất đầu khuếch đại đầu vào công suất cao Hiện thương mại hóa khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu công suất tới 30 dBm Bộ lọc quang Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại lọc quang sử dụng, phổ biến lọc màng mỏng điện môi (TFF) TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu dải phổ cho phần dải phổ lại qua Bộ lọc thuộc loại lọc bước sóng cố định Cấu trúc gồm khoang cộng hưởng điện mơi suốt, hai đầu khoang có gương phản xạ chiết suất thấp (MgF2 có n = 1,35 SiO2 có n = 1,46) xen kẽ Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với lọc bậc 0) ne = 3λ0/4 (đối với lọc bậc 1), với λ0 bước sóng trung tâm Hình 1.14 mơ tả cấu tạo lọc màng mỏng điện môi Các lọc hoạt động dựa nguyên tắc buồng cộng hưởng Fabry-Perot Đây lọc cộng hưởng có tính chọn lọc bước sóng Sóng ánh sáng tạo khoang cộng hưởng sóng đứng (chiều dài khoang cộng hưởng bội số ngun lần nửa bước sóng) lọt qua lọc có cơng suất cực đại đầu Bộ xen rẽ quang OADM Thiết bị ODAM thực chức thêm vào tách kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà khơng gây nhiễu với kênh khác sợi Bộ nối chéo quang OXC OXC có hai chức : • Chức nối chéo kênh quang • Chức ghép tách đường chỗ Chuyển mạch không gian Các ma trận chuyển mạch không gian sử dụng thiết bị OADM OXC Các thiết bị dựa vào hoạt động học bao gồm motor, điện tử tĩnh áp điện làm lệch vi gương cho chuyển mạch tín hiệu quang Do yêu cầu chuyển động học phần tử chuyển mạch thời gian đạt dải rộng từ 30ms đến 500ms Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng nhiệt hiệu ứng quang- điện có thời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm đặc tính ma trận chuyển mạch khác 1.1.4 Ưu nhược điểm hệ thống WDN Ưu điểm: + Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn nhiều so với hệ thống TDM + Không giống TDM phải tăng tốc độ số liệu lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM cần mang vài tín hiệu, tín hiệu ứng với bước sóng riêng (kênh quang) + WDM cho phép tăng dung lượng mạng có mà khơng cần phải lắp đặt thêm sợi quang Nhược điểm: + Dung lượng hệ thống nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn sợi quang + Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng có nhiều hệ thống hoạt động 1.1.5 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM Trong hệ thống thơng tin quang thơng thường, luồng tín hiệu quang truyền theo hướng sợi quang, hướng ngược lại sợi thứ hai Hệ thống gọi hệ thống đơn kênh quang Để nâng cao dung lượng truyền dẫn, sử dụng ghép kênh quang Hệ thống sử dụng kỹ thuật lúc truyền nhiều tín hiệu quang sợi quang, nên gọi hệ thống thông sợi quang nhiều kênh Kỹ thuật WDM tận dụng phổ hẹp Laser, phát huy khả sử dụng băng tần lớn sợi quang đơn mode Phương thức ghép kênh quang phổ biến ghép kênh theo bước sóng (WDM-Wavelength Division Multiplexing) ITU-T phân thành hai loại:  Hệ thống ghép kênh thơ (CWDM- Coarse Wavelength Division Multiplexing) có kênh rộng 1000 GHz (>1000 GHz), sử dụng linh kiện quang giá rẻ Laser có độ sai lệch bước sóng lớn, lọc băng rộng, … ứng dụng phù hợp với hệ thống có nhu cầu dung lượng không cao mạng truyền tải mạng Metro  Hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), có bước sóng kênh hẹp 1000 GHz (