5 Hai vỏ bọc thép DA Tối đa 400 m
2.1.5. Xu h−ớng phát triển trong công nghệ WDM dung l−ợng lớn (1) Yêu cầu của t−ơng lai (yêu cầu có các hệ thống Tbit/s)
(1) Yêu cầu của t−ơng lai (yêu cầu có các hệ thống Tbit/s)
Với sự phát triển nh− vũ bão của ngành công nghệ thông tin, rất nhiều các dịch vụ mới đ−ợc tạo dựa trên chuẩn của giao thức IP. Điều này dẫn tới dung
1 2 4 3 Branching unit Đ−ờng trục Đ−ờng nhánh Hình 2.13 Mạng trục nhánh kết hợp 1 2 3 4
l−ợng của các đ−ờng trục bị đòi hỏi tăng lên nhanh chóng. Hiện nay, với tốc độ tăng tr−ởng của ngành công nghệ thông tin, nhiều n−ớc đã phải quan tâm xây dựng những tuyến đ−ờng trục lên tới hàng Tera Bits. Để mở rộng tới hệ thống này có nhiều cách đi khác nhau và cũng có nhiều khó khăn cần phải giải quyết. ở đây tập trung giới thiệu hai giải pháp chính: tăng số kênh b−ớc sóng trong một sợi quang hoặc tăng dung l−ợng truyền trên một b−ớc sóng.
Hiện nay, nhiều n−ớc đang lựa chọn cách tăng số l−ợng kênh b−ớc sóng truyền trên một đôi sợi quang. Có hai −u điểm chính mà ng−ời ta lựa chọn: Việc mở rộng dung l−ợng thực hiện một cách mềm dẻo thuận tiện hơn và dễ thực hiện. Các hệ thống 10 Gb/s với số l−ợng hàng trăm b−ớc sóng đã đ−ợc xây dựng.
D−ới đây tạp trung phân tích hai yếu tố kỹ thuật nhằm nâng cao dung l−ợng của hệ thống.
(2) Khía cạnh kỹ thuật
Hình 2.21 trình bày các yếu tố kỹ thuật nhằm tăng dung l−ợng và khoảng cách truyền dẫn cho mạng trục đối với hệ thống WDM. Dung l−ợng của hệ thống có thể tăng bằng hai cách: tăng tốc độ bit cho một kênh b−ớc sóng hoặc tăng số kênh b−ớc sóng truyền dẫn. Về độ tin cậy của thiết bị, thì d−ờng nh− việc tăng số l−ợng các b−ớc sóng truyền dẫn sẽ dễ hơn việc tăng tốc độ truyền cho một kênh b−ớc sóng. Lý do chính là khi tăng tốc độ truyền, nó sẽ đòi hỏi tăng tốc độ hoạt động của các linh kiện điện tử và các linh kiện quang, trong khi đó việc tăng số l−ợng các b−ớc sóng có thế thu đ−ợc một cách đơn giản bằng cách thay đổi mạch quang học. Do đó, số l−ợng kênh tín hiệu quang sẽ tăng lên rất nhiều trong hệ thống WDM.
Việc tăng số l−ợng kênh b−ớc sóng sẽ đòi hỏi lớn trong việc tăng hiệu quả sử dụng phổ và dải thông quang của hệ thống. Mật độ tín hiệu WDM sẽ bị hạn chế do các t−ơng tác ánh sáng giữa các kênh. Trong các thiết bị đầu cuối, các bộ tách ghép tín hiệu WDM có nhiệm vụ chính là phải đảm bảo có xuyên âm quang thấp. Cũng cần phải nói thêm, trong quá trình truyền dẫn trong sợi quang, các đặc tính phi tuyến liên quan đến t−ơng tác giữa các kênh cũng sẽ là vấn đề lớn, nó liên quan chặt chẽ tới tán sắc trong sợi quang, do vậy mà các kỹ thuật hạn chế tán sắc cũng nh− mở rộng diện tích lõi, có thể giảm bớt các t−ơng tác. Để tăng giải thông đòi hỏi phải có các bộ khuếch đại tín hiệu quang băng rộng. Tuy nhiên, trong các hệ thống đ−ờng trục (long-haul) có nhiều bộ khuếch đại quang, do vậy tổng băng thông khuếch đại của tuyến sẽ bị hẹp khi chiều dài của tuyến tăng lên. Khi sử dụng bộ cân bằng hệ số khuếch đại sẽ giải quyết đ−ợc cả hai vấn đề là băng thông và tiền khuếch đại trong bộ phát. Đối với sợi quang, giải thông của chúng cũng bị giới hạn do tán sắc, do vậy việc giải quyết vấn đề tán sắc cần đặc biệt quan tâm.
Hình 2.15 Các khía cạnh liên quan đến đ−ờng trục dung l−ợng lớn.
Khi khoảng cách truyền dẫn tăng lên, các tín hiệu nhiễu quang gây ra do sự phát xạ ngẫu nhiên của bộ khuếch đại quang tăng lên, và nó sẽ làm giảm hệ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của hệ thống. Tỉ lệ SNR có thể đ−ợc cải thiện bằng cách tăng công suất tín hiệu quang tại đầu ra của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, công suất tín hiệu quang lớn sẽ phải chịu hiệu ứng phi tuyến của sợi quang, dẫn tới sự méo dạng xung cũng nh− các t−ơng tác xuyên kênh của các b−ớc sóng. Sự méo dạng sóng liên quan đến dạng xung tín hiệu tạo ra trong bộ phát, tán sắc màu và tán xạ phân cực mode (PMD) trong sơi quang. PMD cũng gây ra hiện t−ợng phadinh phân cực. Do đó, giảm PMD trong sợi quang hoặc tạo ra các bộ bù thích ứng PMD trong thiết bị đầu cuối là rất cần thiết, đặc biệt trong các hệ thống truyền dẫn WDM tốc độ cao. Ng−ợc lại, giảm công suất tín hiệu quang sẽ tránh đ−ợc các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang. Điều đó cũng có nghĩa là chỉ số SNR của hệ thống giảm, do vậy chỉ số nhiễu do phát xạ ngẫu nhiên trong bộ khuếch đại sẽ phải rất nhỏ. Cần phải chú ý chỉ số FEC sẽ đ−ợc cải thiện đáng kể khi giảm đ−ợc sự phát xạ ngẫu nhiên.
Tăng số l−ợng kênh Tăng khoảng cách truyền Tiết kiệm năng l−ợng tiêu thụ Hiệu suất sử dụng phổ Độ rộng băng thông quang Méo dạng xung Tích luỹ nhiễu
Pha đinh phân cực
Hiệu suất của thiết bị
Thiết bị đầu cuối
Mật độ kênh MUX-DEMUX Pre-chirping
Tối −u dạng xung Tiền khuyếch đại Bù tán sắc Sửa lỗi tr−ớc FEC Bù tán sắc PMD
Sợi quang
Diện tích lõi hiệu dụng sợi lớn Điều chỉnh tán sắc
Sợi có PMD thấp
Bộ lặp lại quang
Cân bằng hệ số khuyếch đại Khuyếch đại băng rộng Khuyếch đại tạp âm thấp Hiệu suất kích thích cao
Để thực hiện đ−ợc truyền dẫn, việc tiết kiệm điện năng tiêu thụ của hệ thống là cần thiết để nâng cao dung l−ợng của tuyến cũng nh− khoảng cách truyền. Lý do là điện năng của cả hệ thống cáp biển chỉ đ−ợc cung cấp từ thiết bị đầu cuối, mất mát năng l−ợng trên toàn bộ tuyến là rất lớn. Tuy nhiên, rất khó có thể nâng đ−ợc công suất của các bộ cấp nguồn lên quá 10000V. Do vậy, chúng ta phải sử dụng các thiết bị có hiệu suất điện năng cao để sử dụng cho bộ lặp lại của cáp biển, đặc biệt là các laser bơm.
(3) Giải pháp về công nghệ
Bảng tổng hợp 2.2 các công nghệ sử dụng trong hệ thống cáp biển kể từ hệ thống TPC-5, và chúng mô tả các giải pháp chính về công nghệ.
Thế hệ 1 Thế hệ 2 Thế hệ 3 Thế hệ 4 Tốc độ bit/cặp sợi quang 5GBit/s∼10Gb it/s (một kênh) 20 ∼ 40Gbit/s (2,5GBit/s hoặc 10Gbit/s x 4 ∼ 8 WMD) 160 ∼ 640 Gbit/s (10Gbit/s x 16 ∼ 64 WMD) > 1Tbit/s (10 Gbit/s x > 100 WDM) Trạm lặp Kích thích băng b−ớc sóng 1480 nm EDFA Kích thích băng 1480 nm EDFA băng rộng Kích thích bằng 980 nm với mức nhiễu EDFA thấp
EDFA Siêu băng rộng công suất cao Băng thông 2 nm ∼5 nm (C-band) 5 nm ∼6 nm (C- band) 10 nm ∼20 nm (C-band) > 30 nm (C- band) Cáp quang truyền dẫn Cáp dịch tán sắc (DFS) DFS hoặc Non-zero Shifted Fiber (NZ- DFZ)
Bảng 2.2: Tổng hợp các công nghệ sử dụng trong hệ thống cáp biển
Tốc độ Bit và m∙ hoá tín hiệu
Tốc độ bit đ−ợc tăng từ 2,5 Gbit/s lên 10 Gbit/s phù hợp với các mạng STM-64 đang phổ biến. Để giảm các hiệu ứng phi tuyến làm méo dạng xung, và để tăng tốc độ truyền dẫn, mã đ−ờng dây đ−ợc khuyến nghịsử dụng là mã RZ với pre-chirping thay vì dạng mã NRZ. Trong truyền dẫn 10 Gbit/s với mã tín hiệu NRZ, sự phụ thuộc vào méo dạng xung vì hiệu ứng tự dịch pha và tán sắc vận tốc nhóm (SPM-GVD) là rất lớn sau một cự ly truyền lớn nh− hình 2.19. Nói một cách khác, vì tất cả các xung là độc lập với nhau và có cùng dạng sóng mà độc lập với dữ liệu trong mã RZ.
Khuếch đại tín hiệu quang
Bộ khuếch đại EDFA có tạp âm thấp và băng thông rộng đã đ−ợc áp dụng cho hệ thống 10 Gbit/s WDM. Với nguồn kích thích 980 nm có thể làm hệ số nhiễu do phát xạ ngẫu nhiên một cách đáng kể so với nguồn kích thích 1480 nm. Đặc biệt, hệ số nhiễu này chỉ là 4 dB đối với nguồn kích thích 980 nm.Với các module laser diode 980 có độ tin cậy cao sẽ đ−ợc sử dụng cho các hệ thống cáp 160 Gbit/s.
Mở rộng và trải phẳng hệ số khuếch đại trong toàn bộ dải phổ của hệ thống khuếch đại quang sợi là yêu cầu quan trọng cho hệ thống WDM dung l−ợng lớn. Băng thông đ−ợc mở rộng từ 2 nm tới 20 nm cho các hệ thống đang khai thác với các kỹ thuật san bằng hệ số khuếch đại nh− dùng các bộ lọc dựa vào cách tử sợi quang dài hay buồng cộng h−ởng Febry-Perot. Giản đồ đồng nhất hệ số khuếch đại cân bằng so với giản đồ cân bằng hệ số khuếch đại khối đem lại hiệu quả hơn trong việc giảm hiệu ứng biến đổi công suất đỉnh và giảm sự v−ợt ng−ỡng phi tuyến trong quá trình truyền dẫn.
Sợi quang
Các thông số của sợi quang thay đổi cùng với sự tăng dung l−ợng của hệ thống. Trong hầu hết các hệ thống khuếch đại quang đơn kênh (TPC-5), phải sử dụng cáp sợi quang dịch tán sắc (DFS) có hệ số tán sắc khoảng -0,2 ps/nm/km để giảm các hiệu ứng SPD-GVD. Trong các hệ thống FSA, để cung cấp đ−ờng truyền 10Gbit/s, hệ số tán sắc lớn hơn cũng chỉ là ± 1 ps/nm/km, và
Xung 10Gbit/s mã hoá NRZ truyền trên tuyến 9000 km
Hình 2.16 Các xung 10 Gbit/s mô phỏng bằng máy tính qua đ−ờng truyền 7500km
hệ số tán sắc phát sinh giữa các bộ lặp đ−ợc bỏ qua. Trong các hệ thống WDM 2,5Gbit/s, th−ờng sử dụng cáp sợi quang NZ-DSF với hệ số tán sắc âm lớn, -2 ps/nm/km để làm giảm các hiệu ứng FWM giữa các kênh WDM.
Trong các tuyến 10 Gbit/s WDM đ−ờng trục v−ợt đại d−ơng, diện tích hiệu dụng của sợi cáp quang có thể lên tới 70 ∼ 80 àm2 để làm giảm các hiệu ứng phi tuyến.
Yêu cầu giảm hệ số tán xạ bậc ba là yêu cầu nữa rất cần thiết vì sự méo dạng xung phi tuyến gây ra do các t−ơng tác giữa các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang và các quá trình gia tăng sự tán sắc màu trong đ−ờng truyền sẽ làm giảm đáng kể hiệu quả truyền dẫn. Nói chung, diện tích lõi hiệu dụng (Aeff) có mỗi quan hệ ràng buộc (trade-off) với tán sắc bậc ba, đó là khi Aeff tăng thì hệ số tán sắc bậc ba cũng tăng lên. Để giảm cả hai hiện t−ợng phi tuyến và tán sắc bậc ba của đ−ờng truyền, ng−ời ta phải kết hợp ứng dụng các sợi quang lõi to (LCF) với sợi quang NZ-DSF. Sợi LCF (kích th−ớc Aeff > 70àm2, slope: ∼0.11 ps/km/nm2) đ−ợc đặt ngay sau bộ khuếch đại quang sợi EDFA để nhận tín hiệu lớn sau khuếch đại nh−ng có hiệu ứng phi tuyến của sợi quang thấp. Sợi NZ-DSF có hệ số tán xạ bậc ba thấp, (∼0.06ps/km/nm2) và có Aeff vừa phải (∼55àm2) đ−ợc đặt ngay sau sợi LCF (có công suất tín hiệu thấp hơn) để đảm bảo hệ số tán xạ bậc ba trung bình của cả hệ là thấp. Với cấu hình lai hoá nh− thế này, các hiệu ứng phi tuyến cũng nh− hiệu ứng tán xạ bậc ba đều đ−ợc giảm một cách hiệu quả và có thể nhận đ−ợc đầy đủ các −u điểm về tính chất của sợi LCF. Hình 2.21 trình bày về giải pháp Aeff và khoảng cách trung bình của hệ số tán xạ bậc ba với dung l−ợng của hệ thống và băng thông.
Dung l−ợng tối đa của hệ thống cáp LCF/NZ-DSF
Diện tích lõi hiệu dụng Hệ số tán sắc bậc ba
Hình 2.25 mô tả mối quan hệ dung l−ợng – khoảng cách của hệ thống với hệ số chuẩn hoá Q> 15,6 dB và Q > 14 dB cho hệ thống truyền dẫn WDM 10Gbit/s sử dụng sợi quang NZ-DSF kết hợp với hiệu ứng tăng diện tích hiệu dụng của sợi, đ−ợc sử dụng trong hệ thống v−ợt đại d−ơng 160 Gbit/s. Hình 2.22 chỉ ra dung l−ợng cực đại của hệ thống phụ thuộc rất lớn vào chiều dài của tuyến. Vì sự gia tăng của tán xạ và các hiệu ứng phi tuyến theo chiều dài nên làm giảm mạnh chất l−ợng dạng xung đ−ợc truyền, các tính chất truyền dẫn sẽ khác nhiều so với hệ thống có b−ớc sóng tán sắc không và trở nên rất kém vì hệ số tán sắc bậc ba. Hơn thế nữa, việc mở rộng dung l−ợng cho hệ thống cáp biển đòi hỏi phải v−ợt qua sự phụ thuộc vào b−ớc sóng này khi khai thác cũng nh− mở rộng băng thông khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA.