Chương I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM
I.4. Hệ thống truyền dẫn WDM đường trục khoảng cách dài
I.4.1. Các yếu tố thách thức thiết kế h ệ thống
Ở các tuy n truy n d n quang đường dài, tín hiệu được phát ở ửế ề ẫ c a sổ suy hao nhỏ khoảng 1550 nm và sử dụng các b khu ch đại quang sợi pha tạp erbium để bù ộ ế lại suy hao sợi quang. Để nâng cao dung lượng của hệ thống thường sử dụng ghép kênh theo bước sóng WDM. Ngày nay, các tuyến cáp quang đường dài đã sử dụng phổ biến hệ thống WDM ở tốc độ 10 Gbit/s. Tuyến cáp biển C2CCN có dung lượng thiết kế lên tới 96 kênh bước sóng t c độ 10 Gbit/s trên m i ôi s i quang. ố ỗ đ ợ
Do sử dụng khu ch ế đại EDFA nên tín hi u truy n tuy n truy n d n là tín ệ ề ế ề ẫ hiệu quang. Tuy nhiên, khi đó s giự ảm chất lượng hệ thống được tích luỹ theo tuyến, làm hạn chế dung lượng và độ dài của tuyến. Những suy giảm hệ thống chính là tạp âm khuếch đại quang, tán sắc màu và các hi u ng phi tuyến. ệ ứ
32
1. Bộ khuếch đại EDFA khuếch đại tín hiệu, nhưng đồng thời cũng tạo ra tạp âm tự phát (amplifired spontaneous emission noise – ASE):
o
sph ( 1)
2n g B
Pn= γ − , (1-17)
trong đó nsp là hệ ố s phát xạ ự t phát, g là hệ số khu ch đại c a b khu ch đại, ế ủ ộ ế Bo là băng thông quang và hγ là năng lượng photon. Hệ số khu ch đại càng cao thì ế mức tạp âm quang càng lớn. Trong các hệ thống đường dài, tạp âm ASE tạo ra bởi các bộ khuếch đại được tích luỹ dọc tuy n và là mộế t y u t áng k hạế ố đ ể n ch tới ế phẩm chất hệ thống.
2. Tán sắc màu gây ra tín hi u nh ng t n s khác nhau phát trong s i ệ ở ữ ầ ố ợ quang với tốc độ khác nhau, dẫn đến méo tín hiệ ởu đầu cuối tuyến truy n dề ẫn. Hiệu ứng tán s c ph thu c vào h sốắ ụ ộ ệ tán s c c a s i quang và t ng lên t lệ với bình ắ ủ ợ ă ỷ phương tốc độ bit của tín hiệu, ví dụ khoảng cách truyền dẫn bị hạn ch bởế i tán s c ắ của sợi quang đơn mode chuẩn SMF đối với tín hiệu 10 Gbit/s là vào khoảng 60 km. Vì thế, đối với các hệ ống truyền dẫn đường dài cần phải có bù tán sắc. th
3. Các hiệ ứu ng phi tuy n bao gồm: ế
- phi tuyến liên quan đến chi t su t: i u ch tự pha (self-phase modulation ế ấ đ ề ế – SPM), đ ềi u chế pha chéo (cross-phase modulation – XPM) và trộn bốn bước sóng (four-wave mixing – FWM);
- phi tuyến liên quan đến tán xạ: tán xạ Brilloin kích thích – SBS và tán xạ Raman kích thích - SRS.
Đ ềi u ch tựế pha là m t hi u ng đơn kênh g n li n vớộ ệ ứ ắ ề i chi t su t phi tuy n. ế ấ ế Chiết suất phụ thuộc vào công suất tín hiệu như sau:
f A n P n n
ef 2 0 0+
= (1-18)
trong đó n2 là chiết suất phi tuyến, Po là công suất tín hi u và Aệ eff là tiết diện hiệu dụng của sợi quang. Chiết suất phi tuyến gây ra thay đổi pha của trường quang truyền dẫn được tính bằng:
L P f L
P ef av
SPM =γ =γ
Φ 0 (1-19)
trong đó :
( ) ( )
α α
λ
γ π a αL eff αL
eff
eff e L e
L v P A P
n − − −
− =
=
= 2 2 , 0 1 , 1
và γ là hệ số phi tuy n, λế là bước sóng tín hi u, α là suy hao s i, Pệ ợ av là công suất tín hiệu trung bình, L là chiều dài sợi, và Leff là chiều dài hiệu dụng sợi quang.
Sự thay đổi pha dẫn đến dịch tần cho trong công thức : dt
L dP
f eff 0
γ
=
∆ (1-20)
33
Hiệu ứng dịch tần này làm rộng phổ. Tán sắc màu biến đổi sự rộng ph này ổ thành méo tín hiệu. Sự kế ợt h p tán sắc màu và SPM là một vấn đề chính trong thiết kế các hệ thống tốc độ cao.
Cũng như SPM, đ ều chế pha chéo gây ra bởi sự thay i đổi pha do chiết suất phi tuy n và dế ịch tần. Tuy nhiên, không như SPM, đ ềi u chế pha chéo được gây ra bởi tín hiệu ở các bước sóng khác, vì thế XPM ch t n t i các h th ng WDM. ỉ ồ ạ ở ệ ố
Trộn bốn bước sóng được tạo ra bởi chiết suất phi tuyến của sợi quang, tương tự như méo đ ều chế tương hỗi trong h th ng i n. S xung ệ ố đ ệ ự đột gi a các ữ kênh WDM tạo ra thành phần mớ ầi, t n s c a thành ph n mới là: ố ủ ầ
k j i
ijk f f f
f = + − (1-21)
Hình I-7: Các thành phần FWM 3 bước sóng
Hình II-7 mô tả các thành phần FWM (Four Wave Mixing) được tạo ra trong một h thệ ống 3 bước sóng. Khi các kênh WDM cách đều nhau, các thành phần FWM nằm trong kênh tín hiệu và vì thế gây ra xuyên kênh phi tuyến. Hiệu ứng FWM sẽ chở nên đáng kể khi có nhiều kênh WDM và khoảng cách kênh là gần. FWM là một hiệu ứng truy n d n chính trong các h th ng WDM. ề ẫ ệ ố
Tán xạ Brillouin kích thích là hiệ ứu ng đơn kênh gây ra bởi tương tác gi a ữ ánh sáng với sóng âm thanh trong sợi quang. Hiệ ứu ng SBS có ngưỡng cao và tăng lên theo băng thông tín hiệu. Vì thế, nếu công suất tín hiệu trong các kênh WDM không vượt qua ngưỡng thì SBS không gây ra ảnh hưởng đáng kể lên hệ thống. SRS là tương tác thông số phi tuyến giữa ánh sáng và các dao động phân tử. Nó c ng là ũ cơ cấu t o ra h sốạ ệ khu ch ế đại Raman trong b khu ch ộ ế đại Raman. Trong các h ệ thống WDM, do hiệu ứng SRS, tín hiệu ở bước sóng ngắn h n làm việc như một ơ nguồn bơm cho tín hiệu có bước sóng dài hơn, vì thế tín hiệu có bước sóng dài hơn được khuếch i lên. Vì hệ sốđạ khu ch đại SRS có b ng r ng và ế ă ộ đỉnh kho ng 100 ả nm, nên hiệ ứu ng SRS trở nên đáng kể ơ h n khi băng thông của tín hiệu WDM r ng. ộ Việc tăng dung lượng hệ thống và khoảng cách quang dẫn đến làm t ng các ă vấn đề về truyền dẫn và các thách thức cho thiết kế hệ thống. Hình I.8 chỉ ra các vấn đề cần xem xét trong thi t k các h thống dung lượng cao, khoảng cách xa. Ngoài ế ế ệ tạp âm, tán sắc màu và hiệ ứu ng phi tuyến, khi tốc độ bit c a tín hi u t ng lên, thì ủ ệ ă tán sắc phân cực mode (PMD) có th trể ở nên là yếu tố đ áng kể. PMD làm tín hiệu phát đi với tốc độ khác nhau trên hai trạng thái phân cực; đ ềi u này dẫn đến méo tín hiệu. Một vấ đề vền thi t k nữế ế a là b ng thông củă a b khu ch ộ ế đại làm h n ch số ạ ế lượng kênh bước sóng, và vì thế dung lượng hệ thống. Trong hệ ống WDM đường th trục, có rất nhiều bộ khuếch đại quang mắc nối tiếp nhau. Do đó, đòi hỏi các bộ 34
khuếch đại phải có độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại trong băng thông tín hiệu để đảm bảo duy trì t s tín hi u trên t p âm SNR đồng u trên các kênh bước sóng.ỷ ố ệ ạ đề
Khoảng cách quang
băng thông kh.đại FWM XPM
phi tuyến tạp âm
độ dốc tán sắc gain flatness
SPM khoảng cách bộ khuếch đại tán sắc
PMD tạp âm
Gbit/s
S ố kênh
Hình I-8: Các vấ đề ần c n xem xét trong thi t kế ệế h thống truyền d n dung lượng cao, ẫ khoảng cách xa
Bộ khuếch đại EDFA sử dụng b lọộ c làm đồng u h sốđề ệ khu ch ế đại cho phép đạt được băng thông 30 nm cho các tuyến cáp vượ đại dương t ở băng C. Vì nhiều hiệ ứu ng truy n d n và đặc tính tương tác và th ng kê c a chúng, vi c thi t k ề ẫ ố ủ ệ ế ế các hệ thống tr y n dư ề ẫn dung lượng lớn, khoảng cách cực xa trở nên rất phức tạp.