2.2.1. Trạm lặp quang 2R/3R
Cấu trúc cơ bản của trạm lặp quang 3R đ−ợc cho trên hình 2.2. Trạm lặp quang 3R gồm có 3 chức năng là khuếch đại (Reamplification), định thời (Retiming), sửa lại dạng (Reshaping) tín hiệu. Nhiệm vụ của nó là khôi phục lại tín hiệu đ bị suy yếu thành tín hiệu ban đầu. Nếu bỏ chức năng Retiming khỏi 3R ta sẽ đ−ợc trạm lặp quang 2R.
Để thực hiện trạm lặp quang 2R/3R cần các thiết bị quang hoạt động trong suốt với tốc độ tín hiệu và dạng xung. Trong thực tế, có thể thực hiện tái tạo lại tín hiệu bằng các hiệu ứng phi tuyến quang có độ trong suốt cao. Đặc biệt khi áp dụng vào các hệ thống tốc độ cao 40Gbps cần có tốc độ xử lý rất cao cỡ vài ps.
Hình 2.2. Cấu hình cơ bản của trạm lặp toàn quang 3R
Có một số báo cáo về thí nghiệm với trạm lặp quang 3R dùng sợi quang là chuyển mạch cổng quang. Trong trạm lặp 3R cho các xung ngắn vài ps nh− trong hệ thống 40Gbps thì khoảng thời gian chuyển mạch phải đủ nhỏ so với khoảng thời gian xung (25ps). Do đó, sẽ xảy ra vấn đề là nếu tín hiệu có nhiễu trôi (jitter) thì qua chuyển mạch cổng quang nó sẽ chuyển thành nhiễu biên độ Để tránh vấn đề này, chuyển mạch cổng quang dùng bộ sửa dạng xung để chuyển xung sau chuyển đổi sang dạng phẳng hơn (loại bỏ nhiễu).
Trạm lặp quang 3R là kỹ thuật quan trọng cho các mạng quang trong t−ơng lai. Để có thể trao đổi tự do dung l−ợng dữ liệu lớn tốc độ cao Tb/s trong các mạng quang cần mở rộng các chức năng tại nút quang do đó cần có các trạm lặp 3R tốc độ cao. Để thực hiện đ−ợc trạm lặp quang 3R cần có các linh kiện hoạt động ở tốc độ cao. Trong tr−ờng hợp dùng các thiết bị bán dẫn, cần nghiên cứu phát triển các linh kiện không phụ thuộc vào mẫu tín hiệu và trong suốt với dạng sóng. Các linh kiện điện tử mới dùng các chấm l−ợng tử có thể đáp ứng đ−ợc các yêu cầu này. Về phía sợi quang, cần nghiên cứu các loại sợi có hiệu ứng phi tuyến tốt.
2.2.2. Hệ thống điều chế và giải điều chế
và giải điều chế rất cần thiết để phát triển hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Để có thể triển khai đ−ợc hệ thống thôn tin tốc độ cao (hơn 40Gbps) cần nghiên cứu các ph−ơng pháp điều chế và giải điều chế mới và xem xét ảnh h−ởng của nó đến dung l−ợng truyền dẫn và khoảng cách truyền dẫn.
Về dung l−ợng truyền dẫn
Dạng sóng NRZ chủ yếu đ−ợc dùng cho tốc độ 10Gbps. Hiệu quả phổ của NRZ không v−ợt quá đ−ợc 0.5b/s/Hz. Bảng 2.2. liệt kê hiệu quả phổ của NRZ với tốc độ khác nhau.
Bảng 2.2. Hiệu quả phổ của NRZ
Modulation (Gb/s) Wavelength interval (GHz) Spectral efficiency (b/s/Hz)
2.5 100/50/25 0.025/0.05/0.1
10 200/100/50 0.05/0.1/0.2
40 200/100 0.2/0.4
160 400 0.4
Chúng ta thấy, nếu tiếp tục dùng NRZ thì sẽ không đạt đ−ợc mục đích tăng hiệu quả phổ, do đó cần nghiên cứu dạng điều chế mới cho các hệ thống có tốc độ lớn hơn 40Gbps.
Về khoảng cách truyền
Cần duy trì tỷ lệ NRZ và điều khiển ảnh h−ởng của các hiện t−ợng tán sắc và phi tuyến càng nhiều càng tốt để có thể đạt đ−ợc khoảng cách truyền dẫn trong các hệ thống thông tin tốc độ cao t−ơng ứng với hệ thống thông tin quang hiện tại (10Gbps). Một hệ thống điều chế tốt cần phổ điều chế hẹp. Mặt khác, cần khả năng chịu đựng cao của ph−ơng pháp điều chế với các hiệu ứng phi tuyến. Nếu đạt đ−ợc mục đích này thì sẽ cải thiện đ−ợc độ nhạy máy thu (khả năng chịu đựng hiệu ứng phi tuyến tốt sẽ dẫn đến giảm đ−ợc công suất trung bình của đ−ờng truyền), giảm đ−ợc độ rộng xung quang (khả năng chịu đựng hiệu ứng phi tuyến cao dẫn đến giảm thời gian t−ơng tác giữa các xung).
Các hệ thống điều chế và giải điều chế đang đ−ợc nghiên cứu gồm: - CS-RZ (Carrier Suppressed RZ)
- RZ-DPSK
- Optical pre-filtering (post-filtering)
- Điều chế đa mức RZ-DQPSK và 16 APSK - FSK
2.2.3. Bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao
Phần này trình bày hiện trạng và các vấn đề bù tán sắc cần thiết để phát triển các hệ thống thông tin quang tốc độ cao.
Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao cần xem xét tán sắc của sợi quang, của các bộ khuếch đại quang ở các trạm lặp cũng nh− sợi quang trên đ−ờng truyền. Do đó cần có kỹ thuật bù tán sắc. Có thể chia hệ thống bù tán sắc làm 2 loại là kiểu bù cố định và kiểu điều chỉnh đ−ợc. Với hệ thống tốc độ cao hơn 40Gbps cần bù tán sắc thay đổi do:
- Tán sắc của sợi quang thay đổi theo môi tr−ờng (nhiệt độ)
- Khi thay đổi cấu trúc mạng thì l−ợng bù tán sắc tối −u thay đổi đặc biệt tại phía thu.
- Xảy ra sự thăng giáng b−ớc sóng và lọc quang ở nguồn quang
- Công suất ánh sáng thay đổi (ví dụ sự thay đổi số l−ợng b−ớc sóng dẫn đến thay đổi công suất máy phát) có thể làm thay đổi l−ợng bù tán sắc tối −u do sự thay đổi hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang.
Các hệ thống có thể dùng cho WDM là có thể bù tán sắc cho nhiều tín hiệu b−ớc sóng khác nhau. Hiện nay, để thực hiện một hệ thống bù tán sắc thay đổi, cần có hệ thống mạch điều khiển và một hệ thống dò tán sắc để điều khiển thiết bị bù tán sắc thay đổi theo tán sắc đ−ờng truyền.
Tóm lại, hệ thống bù tán sắc cần tiếp tục giải quyết các vấn đề sau: xác định l−ợng tán sắc theo các thông số của hệ thống nh− tốc độ bit, dạng điều chế, cự ly truyền xa, công suất trung bình đ−ờng truyền, sợi quang truyền. Các đặc tính cần cho bộ bù tán sắc là:
- Suy hao thấp, kích th−ớc gọn, công suất tiêu thụ thấp - Khả năng áp dụng cho nhiều kênh
2.2.4. Bù tán xạ mode phân cực
Hiện trạng và các vấn đề liên quan đến kỹ thuật bù tán xạ mode phân cực cho hệ thống thông tin quang tốc độ cao sẽ đ−ợc trình bày trong phần này. Giả sử khả năng chịu tán xạ mode phân cực (PMD) là 10% khe thời gian thì với hệ thống 40Gbps thì dung sai cho phép của PMD là 2,5ps. T−ơng đ−ơng với 625km sợi quang hiện đang dùng (có PMD là 0.01ps/km0.5). Do đó cần xem xét đến ảnh h−ởng của PMD trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, cự ly xa. Có thể nghiên cứu loại sợi quang có PMD gần bằng 0 và hệ thống truyền có chỉ một mode phân cực. Do PMD thay đổi theo thời gian nên cần tìm kiếm ph−ơng pháp bù PMD thay đổi.
Bù PMD dùng mạch điện tử cũng tiếp tục đ−ợc nghiên cứu. Về nguyên tắc, có thể phát hiện đ−ợc nhiễu xuyên kênh và bù cho nó t−ơng tự nh− mạch bù tán sắc. Ph−ơng pháp bù dùng mạch điện tử có −u điểm giá thành thấp, kích th−ớc gọn, bù đ−ợc cho một dải rộng của nhiễu xuyên kênh, không suy hao công suất quang.
Để phát triển hệ thống thông tin quang cần tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật bù PMD. Cần có thiết bị giám sát các yếu tố nhạy với mode phân cực và sự thay đổi của các yếu tố này, sự ảnh h−ởng đến số bit lỗi. Hệ thống giám sát hiện nay đang nghiên cứu là trích một phần phổ RF của tín hiệu thu đ−ợc bằng một bộ lọc, ví dụ thành phần tần số của 1/2, 1/4, 1/8 tốc độ bit (ph−ơng pháp này t−ơng ứng với DGD trên 1 bit); một ph−ơng pháp đo tỷ lệ lỗi của tín hiệu thu đ−ợc dùng mạch cổng quyết định có khả năng thiết lập mức quyết định thay đổi; một ph−ơng pháp đo độ giảm phân cực (DOP) bằng tán xạ phân cực (đo không phụ thuộc vào tốc độ bit).
Về vấn đề giá thành và tốc độ, do khó khăn trong việc bù PMD trên một dải b−ớc sóng rộng trong hệ thống truyền dẫn WDM nên mỗi b−ớc sóng cần dùng một bộ bù PMD. Do đó cần bộ bù PMD có giá thành thấp. Để có đ−ợc bộ bù giá thành rẻ cần nghiên cứu một ph−ơng pháp nh− ph−ơng pháp DOP không phụ thuộc vào tốc độ bit.
tr−ờng. Ví dụ, nhiệt độ thay đổi và tốc độ thay đổi, méo thêm vào sợi quang thay đổi. Nhiệt độ thay đổi xảy ra theo từng giờ, từng ngày nh−ng méo thêm vào sợi quang thay đổi rất nhanh. Do đó để theo kịp sự thay đổi phân cực nhanh cần có bộ bù tốc độ cao (khoảng ms).
2.2.5. Sợi quang dùng trong hệ thống 160Gb/s
Sợi quang là một kỹ thuật then chốt trong thực hiện các hệ thống tốc độ cao. Trong phần này sẽ đ−a ra các yêu cầu cho sợi quang, các vấn đề liên quan đến sợi quang trong hệ thống tốc độ cao hơn 40Gbps.
Các vấn đề cần xem xét về đặc tính của sợi quang trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao gồm có 3 vấn đề sau: điều khiển tán sắc, loại bỏ PMD, tăng công suất tín hiệu.
Điều khiển tán sắc
- Giới hạn bù tán sắc bậc 2 và bậc 3 có độ chính xác cao - Bù tán sắc bậc cao (bậc 4)
Kỹ thuật hiện nay dùng sợi quang quản lý tán sắc để giảm suy hao tín hiệu do các hiệu ứng phi tuyến và tán sắc. Tán sắc (tán sắc bậc 2) và độ dốc tán sắc (tán sắc bậc 3) đ−ợc bù bằng sợi quang. Tán sắc bậc 2 là một yếu tố giới hạn tốc độ hệ thống truyền dẫn do nó tỷ lệ với căn bậc của tốc độ bit. Hơn nữa, cần bù tán sắc bậc 3, bậc 4 cho các hệ thống tốc độ hơn 100Gbps.
Loại bỏ PMD
- Kỹ thuật loại bỏ PMD (cải tiến kỹ thuật sợi quang và cấu trúc cáp tối −u) - Truyền phân cực đơn (sợi quang l−ỡng chiết cao)
Giới hạn PMD trong chất l−ợng truyền dẫn tỷ lệ nghịch với tốc độ bit. Giới hạn PMD trong hệ thống 10Gbps gấp 4 lần hệ thống 40Gbps. Vì PMD của sợi quang hiện nay dùng cho truyền dẫn cự ly xa là khoảng 0.1 ps/km0.5). Mục tiêu cho sợi quang và sản phẩm cáp là 1/4 giá trị này.
Giải pháp cho truyền dẫn c−ờng độ tín hiệu cao (điều khiển phi tuyến,
công suất chịu đựng cao, suy hao thấp)
- Cấu trúc sợi quang tập trung công suất thấp - Giảm suy hao
Để duy trì chất l−ợng tín hiệu (SNR) của hệ thống truyền dẫn tốc độ cao ở mức truyền thống cần tăng c−ờng độ tín hiệu trung bình tỷ lệ với tốc độ bit, c−ờng độ tín hiệu đỉnh tỷ lệ với căn bậc 2 của tốc độ bit. Do đó cần quan tâm đến hiệu ứng phi tuyến và sự phá hỏng sợi quang do nhiệt. Các hiệu ứng phi tuyến tỷ lệ với c−ờng độ tín hiệu đỉnh và là yếu tố chính làm giảm chất l−ợng truyền dẫn. Các hiệu ứng chủ yếu là méo dạng sóng do hiện t−ợng tự điều chế pha (SPM) và tán sắc, điều chế xuyên pha trong kênh (XPM), trộn 4 b−ớc sóng (FWM), tán xạ kích thích Raman (SRS)... Một vấn đề cần xem xét là sợi quang sẽ chảy do công suất tín hiệu cao sẽ phát sinh nhiệt đ−a vào sợi quang.
2.3. Bộ khuếch đại trong hệ thống 160Gb/s
Nâng cấp kỹ thuật khuếch đại quang rất cần thiết cho mạng quang nhằm đạt đ−ợc tính trong suốt quang và dung l−ợng truyền dẫn lớn, ổn định. Những yêu cầu cho khuếch đại quang là mở rộng băng thông (400nm hoặc lớn hơn, gồm cả băng SLC, băng U, băng O và băng E), giảm hệ số nhiễu (NF) (3dB), có chức năng xử lý tín hiệu nh− các trạm lặp 2R, 3R. Có rất nhiều nghiên cứu khác nhau nhằm thực hiện các yêu cầu trên.
2.3.1. Khuếch đại quang sợi pha đất hiếm
Sự th−ơng mại hoá các bộ khuếch đại quang sợi pha đất hiếm, cụ thể là pha Erbium (EDFA) đ hỗ trợ cho thông tin quang phát triển. Cho đến nay, cần tăng dung l−ợng của hệ thống WDM nên cần mở rộng băng thông của EDFA. Một số nghiên cứu đ chứng minh có thể tăng băng thông của EDFA lên 80nm, b−ớc sóng từ 1530nm đến 1615nm. Sau đây chúng ta sẽ xem xét các thành tựu và vấn đề của kỹ thuật EDFA trong hệ thống tốc độ 40Gbps.
Nâng cao giá trị hấp thu EDF
Có thể giảm chiều dài sợi quang nếu tăng hiệu suất khuếch đại bằng cách nâng cao giá trị hấp thụ EDF. Việc tăng giá trị hấp thụ EDF cũng làm giảm các hiệu ứng phi tuyến và có thể thực hiện đ−ợc điều khiển tán xạ. Các ph−ơng pháp khả thi cho EDFA gồm xử lý bổ sung, tối −u hoá chỉ số khúc xạ.
Điều khiển tán sắc
khiển tán sắc trong hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. Các kỹ thuật cần thiết là tối −u hoá chỉ số khúc sắc, tăng độ linh động trong thiết kế giá trị tán sắc và độ dốc tán sắc.
Loại bỏ hiệu ứng phi tuyến
Với hệ thống truyền dẫn tốc độ cao thì giá trị đỉnh-đỉnh của tín hiệu càng lớn. Do đó, sẽ xảy ra hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang của EDFA. Để tránh ảnh h−ởng xấu đến chất l−ợng tín hiệu cần điều khiển hiệu ứng phi tuyến này. Giải pháp có thể là rút ngắn chiều dài sợi bằng cách tăng giá trị hấp thụ EDF và nghiên cứu kỹ thuật giảm c−ờng độ công suất quang bằng cách mở rộng Aeff.
Loại bỏ PMD
Điều khiển tán xạ cũng nh− điều khiển PMD là rất cần thiết. Các giả pháp có thể là:
- Cải tiến điều kiện sản xuất
- Dùng sợi duy trì phân cực cố định và nghiên cứu sợi đơn mode tuyệt đối Các vấn đề trên là chung cho bộ khuếch đại quang pha tạp đất hiếm nh− TDFA và EDFA.
2.3.2. Khuếch đại quang sợi Raman
Bộ khuếch đại sợi Raman ứng dụng dao động phân tử và hiện t−ợng tán xạ Raman của vật liệu sợi quang. Nhìn chung, sợi silica có băng thông khoảng 100nm, đây là tần số của dao động phân tử dịch chuyển tán xạ (dịch chuyển Stoke). Kỹ thuật khuếch đại Raman có khả năng khuếch đại một băng sóng bằng cách thay đổi b−ớc sóng ánh sáng kích thích và là kỹ thuật hứa hẹn cho mạng quang trong t−ơng lai. Có thể phát triển bộ khuếch đại quang có băng tần khuếch đại rộng lên đến 200nm bằng cách dùng vật liệu thuỷ tinh mới và cải tiến những điều kiện kích thích trong t−ơng lai.
2.3.3. Khuếch đại quang tham số
Khuếch đại tham số sợi quang dùng hiệu ứng trộn 4 b−ớc sóng FWM hay hiệu ứng phi tuyến bậc 3 của sợi quang đang trong tiến trình và kết quả
đạt đ−ợc là 40nm băng thông và độ khuếch đại là 30dB. Nếu kỹ thuật điều khiển tán xạ sợi quang đ−ợc mở rộng thì có thể đạt đ−ợc băng thông 100nm trong t−ơng lai. Loại khuếch đại không nhạy với pha có thể đạt đ−ợc hệ số nhiễu NF gần với giới hạn lý thuyết và hệ số khuếch đại lớn đến 50dB hoặc lớn hơn dùng sợi quang vật liệu mới và sử dụng điều kiện kích thích mới.
2.3.4. Khuếch đại quang bán dẫn chấm l−ợng tử
Sự phát triển của bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) dùng các chấm l−ợng tử bán dẫn (bán dẫn có kích th−ớc vài chục nm) trong vùng tích cực đang đ−ợc nghiên cứu. SOA chấm l−ợng tử có những tính chất v−ợt trội so với SOA dùng giếng l−ợng tử trong vùng tích cực đ đ−ợc chứng minh nh− công suất đầu ra cao hơn 20dB, băng thông rộng hơn 100nm. Nhiễu thấp nh− EDFA. Nó là bộ khuếch đại quang tiết kiệm năng l−ợng và kích th−ớc nhỏ. Đây là bộ khuếch đại quang thay thế hiệu quả EDFA truyền thống dùng để bù công suất quang tại nhiều vị trí khác nhau của các node quang. Những nghiên cứu ứng dụng các thiết bị quang phi tuyến khác nhau nh− thiết bị chuyển đổi b−ớc sóng và chuyển mạch quang cũng đang đ−ợc nghiên cứu.
Ch−ơng 3
đánh giá ảnh h−ởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao
Ch−ơng này tập trung phân tích các vấn đề về nhiễu và công suất trên