Bù tán sắc trong TTQ tốc độ cao

Bù tán sắc trong TTQ tốc độ cao

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ mạng quang WDM ra đời đã tạo nên những bước phát triển rất lớn cho các mạng truyền tải Với sự ra đời của công nghệ WDM đã đáp ứng được những nhu cầu tăng lên rất lớn về băng thông Ngày nay các hệ thống thông tin quang đường trục, các hệ thống dung lượng lớn đều sử dụng công nghệ WDM, với những tuyến liên kết điểm điểm, rồi đến những liên kết cấu trúc mạng phức tạp hơn để phù hợp với những yêu cầu đáp ứng mạng được đặt ra Tuy nhiên, do một

số những ảnh hưởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên những nhà khai thác mạng vẫn chưa tận dụng được hết những ưu điểm vượt trội của hệ thống này Những ảnh hưởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hưởng của tán sắc đối với hệ thống WDM Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM Do đó vấn đề quản lý tán sắc trong hệ thống WDM đã và đang rất được quan tâm Vì vậy em đã lựa chọn nội dung đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu Các phương pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Nội dung đồ án của em bao gồm ba chương:

Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM

Trong chương này tìm hiểu một số nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM, các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án của em không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý

kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn Em xin gửi lời

cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo Lê Thanh Thủy đã tận tình hướng dẫn, giúp

đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008 Sinh viên thực hiện

Quách Bá Lâm

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 1

1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM 1

1.1.1 Giới thiệu về WDM 1

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM 3

1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM 5

1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM 7

1.2.1 Cấu hình điểm – điểm 7

1.2.2 Cấu hình vòng Ring 8

1.2.3 Cấu hình Mesh 10

CHƯƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM 12

2.1 Tán sắc 12

2.1.1 Giới thiệu chung 12

2.1.2 Tán sắc vật liệu 13

2.1.3 Tán sắc dẫn sóng 15

2.1.4 Tán sắc bậc cao 17

2.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD 19

2.2 Các hiệu ứng phi tuyến 22

2.2.1 Giới thiệu chung 22

2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 23

2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 24

2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM 25

2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS ) 26

2.4.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin ( SBS ) 28

CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG WDM 30

3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc 30

3.2 Các mô hình bù trước 32

3.2.1Kỹ thuật dịch tần trước 32

3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa mới 36

3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trước phi tuyến 38

3.3 Các kỹ thuật bù sau 40

3.4 Các sợi bù tán sắc 42

3.5 Các bộ lọc quang 44

3.6 Các cách tử Bragg sợi 48

3.6.1 Cách tử chu kỳ đều 49

3.6.2 Cách tử sợi dịch tần 52

3.6.3 Bộ nối mode dịch tần 56

3.7 Sự kết hợp pha quang 57

3.7.1 Nguyên lý hoạt động 57

3.7.2 Bù của tự điều chế pha SPM 58

3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha 60

3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đường dài 64

3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ 64

3.8.2 Nguyên lý đơn 66

3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến trong kênh 69

3.9 Các hệ thống dung lượng lớn 71

3.9.1 Bù tán xạ băng rộng 71

3.9.2 Bù tán sắc điều hướng 74

3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao 77

3.9.4 Bù PMD 80

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lượng thoại và số liệu theo thời gian 1

Hình 1.2 Ghép kênh theo bước sóng WDM 3

Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh 4

Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM 4

Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lượng sợi 5

Hình 1.6 Màu chức năng WDM 5

Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm 8

Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring 9

Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM 10

Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh 11

Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo 15

bước sóng ở sợi thủy tinh 15

Hình 2.2 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] 16

thay đổi theo tham số V 16

Hình 2.3 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho 17

sợi đơn mode thông dụng 17

Hình 2.4 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi 19

tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng 19

Hình 2.5 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD 20

Hình 2.6 : Ảnh hưởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM 23

Hình 2.7 Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM 24

Hình 2.8 Hiệu ứng FWM 25

Hình 2.9 Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman 26

Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm λp=1μm 27

Hình 2.11 Ảnh hưởng của tán xạ Raman 28

Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền 33

cho một xung đầu vào Gaussian dịch tần 33

Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trước được sử dụng để bù tán sắc: 35

(a) đầu ra FM của laze DFB (b) dạng xung do bộ điều chế ngoài tạo ra c) xung được dịch tần trước được sử dụng trong truyền tín hiệu 35

Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số và công suất quang của tín hiệu truyền dẫn.(b) Tần số và công suất của tín hiệu thu và dữ liệu giải mã điện 37

Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16 Gb/s được truyền đi 37

70 km chiều dài sợi tiêu chuần: (a) có và (b) không có SOA gây ra dịch tần 37

Hình 3.5 Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của Ein/Esat Một xung đầu vào Gaussian được thừa nhận cũng như G0 = 30 dB và βc = 5 39

Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn như là một hàm của công suất phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là 41

Hình 3.7: (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode 44

bậc cao (HOM) và hai cách tử chu kỳ dài (LPG) (b) Phổ tán sắc của DCF 44

Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đường truyền sợi đường dài có sử dụng 46

các bộ lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại Các bộ lọc bù GVD và giảm nhiễu của

bộ khuếch đại 46 Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa 47 Mach-Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng 47 Hình 3.10: (a) Cường độ và (b) pha của hệ số phản xạ được mô tả thành hàm điều hướng δ Lg trong cách tử sợi đều với κLg = 2 ( đường cong liền ) hoặc κLg = 3 ( đường cong đứt quãng ) 50 Hình 3.11: GVD do cách tử tạo ra được mô tả là một hàm của δ cho một vài giá trị của hệ số ghép κ 51 Hình 3.12: Hệ số truyền (đường nét đứt ) và độ trễ thời gian (đường nét liền) là một hàm của bước sóng đối với cách tử đều trong đó κ(z) biến thiên tuyến tính từ

0 đến 6 cm-1 trên độ dài 11 cm 52 Hình 3.13: Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) chỉ số n(z) dọc theo chiều dài cách tử.(b) độ phản xạ tần số cao và thấp tại các vị trí khác nhau trong cách tử do sự biến thiên trong bước sóng Bragg 54 Hình 3.14: Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thông 0,12 nm 55 Hình 3.15: Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) bộ ghép hai mode dịch tần (b) sợi hai lõi thon 56 Hình 3.16: Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ giữa nhịp trong sợi dịch tán sắc dài 21 km 61 Hình 3.17: Vòng lặp sợi xoay vòng được sử dụng để truyền tín hiện 10 Gb/s đi 10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở áp dụng DCF theo chu kỳ Các bộ phận được sử dụng bao gồm laze điốt (LD), bộ điều chế hấp thụ điện (EA), hệ chuyển mạch quang (SW), bộ khuếch đại sợi (EDFA), sợi đơn mode (SMF), và DCF 65 Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng được sử dụng để bù tán sắc 73 trong hệ thống WDM 73 Hình 3.19: (a) Mô tả phổ phản xạ và (b) toàn bộ GVD như một hàm của điện áp cho cách tử sợi với gradient nhiệt độ 76 Hình 3.20: Độ nhạy của máy thu trong thí nghiệm 160 Gb/s, là một hàm của tán sắc dự trước có (hình vuông) và không có (hình tròn) cách tử Bragg dạng sợi (CFBG) Sự tăng trong đồ thị theo dõi được mô tả cho 110 ps/nm ở hình bên phải 77 Hình 3.21: Dạng xung sau khi xung đầu vào 2,6 ps được truyền đi 300 km bằng sợi dịch tán sắc (β2 = 0) Hình trái và phải so sánh sự cải thiện thu được bằng bù tán sắc bậc ba 78 Hình 3.22: Mô hình của bộ bù PMD quang (a) và điện (b) 81 Hình 3.23: Bù PMD điều hưởng do cách tử sợi dịch tần lưỡng chiết 82 (a) Căn nguyên của trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng do căng cách tử 82

Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung là hàm của DGD trung bình trong bốn trường hợp Đường chấm mô tả sự tăng do sử dụng bộ bù PMD bậc một Các vòng tròn bôi đen và rỗng mô tả kết quả mô phỏng số 84

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

APS Automatic Protection

Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động

ATM Asynchronous Transfer

Mode Chế độ chuyển tải bất đồng bộ

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép kênh

DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân tán

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

EA Electroabsorption

Modulator Bộ điều chế hấp thụ điện

EDFA Erbium Dopped Fibre

Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium

FBG Fiber Gragg Grating Cách tử Bragg sợi

FM Frequency Modulation Điều tần

IOF Inter-Office Facility Thiết bị văn phòng

IP Internet Protocol Giao thức Internet

MMF Multimode Fibre Sợi đa mode

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

MZ Mach-Zehnder

Interferometer Bộ giao thoa kế Mach-Zehner

NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến

NZDSF None-Zero Dispersion

Shifted Fiber

Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không

OADM Optical Add/Drop

Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

OPC Optical Phase

Conjugation Kết hợp pha quang

PC Polarization Controller Bộ điều khiển phân cực

SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode

SOA Semiconductor Optical

Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SONET Synchronous Optical

SOP State of Polarization Trạng thái phân cực

SPM Self of Polarization Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman

Scattering Tán xạ Raman kích thích

SW Optical Switch Hệ chuyển mạch quang

TDM Time Division

Multiplexing Ghép kênh theo thời gian

UPSR Unidirectional Path

Switched Ring

Vòng ring chuyển mạch tuyến một chiều duy nhất

WDM Wavelength Division

Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha

ZD Zero-Dispersion Tán sắc bằng không

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM

1.1.1 Giới thiệu về WDM

Phần dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu một vài thông tin cần thiết để biết tại sao Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) lại là một sự đổi mới quan trọng trong các mạng quang và những lợi ích mà nó có thể cung cấp

- Nhu cầu về băng thông: sự bùng nổ nhu cầu băng thông mạng do sự tăng

trưởng mạnh của lưu lượng số liệu, đặc biệt là giao thức internet (IP) Cứ 6 ÷ 9 tháng dịch vụ cung cấp băng thông tăng gấp đôi trên mạng đường trục Lưu lượng Internet tăng 300% mỗi năm trong khi tốc độ tăng trưởng của lưu lượng thoại chỉ

khoảng 13% mỗi năm (xem hình 1.1) Ở cùng một thời điểm giá trị lưu lượng

mạng tăng cao, lưu lượng dữ liệu tự nhiên của nó là rất phức tạp Lưu lượng trên mạng đường trục có thể bắt nguồn dựa trên cơ sở mạch (fax và thoại TDM), cơ sở gói (IP), hoặc cơ sở tế bào (ATM và Frame Relay) Thêm vào đó, có một phần dữ liệu tăng nhạy cảm với trễ như thoại qua IP và luồng video

Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lượng thoại và số liệu theo thời gian

- Những sự lựa chọn trong việc tăng băng thông: Với thách thức tăng lên

đột ngột của dung lượng mạng trong khi chi phí bị rằng buộc, các hãng truyền

thông có hai sự lựa chọn: lắp đặt sợi quang mới hoặc tăng hiệu quả băng thông của sợi có sẵn

Lắp đặt sợi mới là các phương pháp truyền thống được sử dụng với các hãng truyền thông để mở rộng mạng của họ Tuy nhiên, triển khai sợi mới là rất tốn kém Chi phí lắp đặt sợi mới khoảng 70000 đô trên một dặm, mà chi phí này hầu hết là các chi phí giấy phép và xây dựng nhiều hơn là chi phí cho chính sợi quang Chỉ lắp đặt sợi mới khi cần phải mở rộng bao lấy mạng cơ sở

Tăng hiệu quả dung lượng của sợi có sẵn có thể thực hiện bằng hai cách: + Tăng tốc độ bit của các hệ thống có sẵn

+ Tăng số bước sóng trên một sợi

Tăng tốc độ bit: sử dụng TDM, dữ liệu thường được truyền ở tốc độ 2,5

Gbps và tăng đến 10 Gbps; những kết quả gần đây đưa ra ở tốc độ 40 Gbps Tuy nhiên, các mạch điện tử muốn làm được điều này thì rất phức tạp và tốn kém, cả

về mua sắm và bảo dưỡng Thêm nữa, có những vấn đề kỹ thuật quan trọng có thể làm hạn chế tính ứng dụng của kỹ thuật này Ví dụ, truyền dẫn ở 10 Gbps qua sợi đơn mode ( SM ), bị ảnh hưởng bởi tán sắc màu nhiều hơn 16 lần tốc độ 2,5 Gbps Công suất truyền dẫn lớn hơn cũng yêu cầu tốc độ bit cao hơn, đưa hiệu ứng phi tuyến có thể ảnh hưởng đến chất lượng dạng sóng Thêm nữa tán sắc mode phân cực tác động làm giới hạn khoảng cách xung ánh sáng có thể truyền

Tăng số bước sóng: trong phương pháp này, nhiều bước sóng được kết

hợp lại vào trong một sợi đơn Sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng ( WDM ) với một vài bước sóng, hoặc màu sắc ánh sáng có thể ghép đồng thời mỗi tín hiệu 2,5 Gbps đến 40 Gbps trên một thành phần sợi Không phải lắp đặt thêm sợi mới, hiệu quả dung lượng của sợi sẵn có có thể tăng từ hệ số 16 or

32 Các hệ thống với 128 và 160 bước sóng được hoạt động ngày nay, với mật độ cao hơn

Ghép kênh phân chia theo bước sóng: WDM làm tăng dung lượng truyền

của môi trường vật lý ( sợi ) sử dụng phương pháp hoàn toàn khác của TDM WDM gán các tín hiệu quang vào trong các tần số riêng của ánh sáng ( các bước sóng hoặc các lam đa λ ) bên trong một dải tần nào đó Bởi vì mỗi kênh được truyền ở một tần số khác nhau, nên chúng ta có thể lựa chọn chúng sử dụng một

bộ điều hướng Một cách khác để nghĩ về WDM là mỗi kênh sẽ có một màu sắc ánh sáng khác nhau; một số kênh sau đó sẽ làm nên một “ cầu vồng ”

Hình 1.2 Ghép kênh theo bước sóng WDM

Trong hệ thống WDM, mỗi một bước sóng được truyền trong sợi, và các tín hiệu được phân kênh ở đầu cuối thu Giống TDM, dung lượng kết quả là kết hợp của các tín hiệu đầu vào, nhưng WDM mang mỗi tín hiệu đầu vào độc lập khác nhau Điều này có nghĩa rằng mỗi kênh có băng thông của riêng mình; tất cả các tín hiệu đi đến ở cùng một thời điểm, hơn nữa không bị chia ra và mang vào mỗi khe thời gian

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM

Hệ thống WDM đầu tiên được bắt đầu khoảng cuối năm 1980 sử dụng hai bước sóng có khoảng cách rộng trong miền 1310 nm và 1550 nm ( hoặc 850 nm

và 1310 nm ), thỉnh thoảng được gọi là WDM băng rộng Hình 1.3 miêu tả một ví

dụ về WDM khuôn mẫu đơn này Chú ý rằng một đôi sợi được sử dụng để truyền

và một đôi sợi được sử dụng để nhận dữ liệu

Khoảng đầu năm 1990 được thấy hệ thống WDM thế hệ hai, còn được gọi

là hệ thống WDM băng hẹp, trong hệ thống này có từ hai đến tám kênh được sử dụng Khoảng cách giữa các kênh này là khoảng 400 Ghz ở cửa sổ bước sóng

1550 nm Vào giữa năm 1990, các hệ thống WDM mật độ cao ( DWDM ) được đưa ra với 16 đến 40 kênh và khoảng cách giữa các kênh là từ 100 đến 200 Ghz Vào cuối năm 1990 các hệ thống DWDM đã được phát triển có dung lượng lên tới

64 đến 160 kênh song song, khoảng cách giữa các kênh có mật độ rất dày ở khoảng 50 hoặc thậm chí 25 Ghz

Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh

Ở hình 1.4 cho thấy, quá trình phát triển của công nghệ có thể được xem

như sự tăng nên của các bước sóng, thêm vào đó là sự giảm đi của khoảng cách giữa các bước sóng Cùng với sự tăng lên của mật độ các bước sóng, các hệ thống cũng được cải tiến sao cho có cấu hình mềm dẻo hơn, nhờ vào các chức năng tách ghép, và năng lực quản lý

Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM

Sự tăng trong mật độ các kênh từ công nghệ DWDM đã tạo ra một ảnh hưởng sâu sắc đến dung lượng mang của sợi Vào năm 1995, khi mà các hệ thống

10 Gbps đầu tiên được chứng minh, tốc độ tăng lên của dung lượng sợi được đi lên

theo tính tuyến tính cho mỗi bốn năm một ( hình 1.5 )

Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lượng sợi

1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM

a) Các chức năng của hệ thống WDM

Ở lõi của hệ thống WDM gồm có một số nhỏ các chức năng của lớp vật lý

Điều này được miêu tả trong hình 1.6, cho thấy một WDM màu với bốn kênh

thông tin Mỗi kênh quang chiếm một bước sóng riêng của chính nó

Hình 1.6 Màu chức năng WDM

Hệ thống WDM thực hiện các chức năng chính sau:

- Phát tín hiệu: Nguồn, các laze bán dẫn, phải được cung cấp ổn định với

mỗi kênh riêng, độ rộng phổ hẹp để mang dữ liệu số, được điều chế như một tín hiệu tương tự

- Kết hợp tín hiệu: các hệ thống WDM hiện đại sử dụng các bộ ghép kênh

để kết hợp các tín hiệu Có một số các suy hao vốn có đi cùng với các bộ ghép và tách kênh Các suy hao này phụ thuộc vào số các kênh thông tin nhưng có thể được bù lại bằng các bộ khuếch đại quang, cái mà khuếch đại tất cả các bước sóng lên mà không cần phẩi biến đổi thành điện

- Truyền dẫn tín hiệu: các ảnh hưởng của xuyên nhiễu và suy giảm hay

suy hao tín hiệu quang cần phải được tính toán trong truyền dẫn sợi quang Các ảnh hưởng này có thể được giảm bớt bằng cách điều chỉnh các biến như khoảng cách kênh, khoảng bước sóng, và các mức công suất laze Qua một liên kết truyền dẫn, tín hiệu cần phải được khuếch đại quang lên

- Tách các tín hiệu nhận được: Ở đầu cuối thu, các tín hiệu được ghép

phải được tách ra Mặc dù, thao tác này được đưa ra chỉ là ngược lại của phương pháp kết hợp tín hiệu nhưng nó thực sự lại là một công nghệ rất khó

- Nhận tín hiệu: Tín hiệu đã được giải ghép kênh sẽ được thu bởi các bộ

tách sóng quang

Với các chức năng này, một hệ thống WDM cũng phải được trang bị các giao diện khách để nhận tín hiệu vào Chức năng này được thực hiện bởi các hệ thống nhận và phát tín hiệu lại Trên WDM khách là các giao diện sợi quang được liên kết với các hệ thống WDM

b) Các công nghệ cho phép

Mạng quang, không giống SONET/SDH, không dựa vào việc xử lý dữ liệu điện Được hiểu theo nghĩa thông thường, sự phát triển của nó nhiều liên kết quang hơn liên kết điện Trong cấu trúc đầu tiên, như miêu tả ở phần trước, WDM

có dung lượng mang các tín hiệu qua hai bước sóng với khoảng cách rộng, và truyền với một khoảng cách tương đối ngắn Tại thời điểm xa hơn ở trạng thái ban đầu này, WDM cần tới cả sự tiến bộ trong các công nghệ sẵn có và cả những phát minh công nghệ mới nữa Sự tiến bộ trong các bộ lọc quang và các laze băng hẹp cho phép WDM được kết hợp nhiều hơn hai bước sóng tín hiệu trên một sợi Sự

phát minh ra bộ khuếch đại quang có độ lợi phẳng, được nối trên đường truyền với sợi truyền dẫn để khuếch đại tín hiệu quang, làm cho khả năng của các hệ thống WDM được tăng lên rất lớn về khoảng cách truyền dẫn

Các công nghệ khác đã góp phần rất quan trọng trong sự phát triển của hệ thống WDM bao gồm cả các sợi quang đã được cải tiến với suy hao thấp hơn và các đặc tính truyền dẫn quang tốt hơn, các EDFA, và các thiết bị như là cách tử Bragg sợi được sử dụng trong các bộ ghép kênh tách/xen quang

1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM

Các kiến trúc mạng đều được dựa trên rất nhiều các nhân tố, bao gồm các kiểu ứng dụng và các giao thức, khoảng cách, mô hình sử dụng và truy nhập, và các cấu hình mạng sẵn có Ví dụ xét trong mạng khu vực đô thị, cấu hình điểm điểm phải được sử dụng để kết nối các vị trí tổ chức kinh doanh, các cấu hình vòng ring để kết nối các thiết bị trong văn phòng ( IOFs ) và để truy cập đến các khu dân cư, và cấu hình mesh phải được sử dụng cho các kết nối bên trong POP và kết nối đến các mạng trục đường dài Trong thực tế, lớp quang phải có khả năng

hỗ trợ nhiều loại cấu hình, bởi vì sự phát triển không ổn định trong các khu vực này, các cấu hình đó phải được linh hoạt

Ngày nay, cấu hình chính trong sự phát triển là cấu hình điểm điểm và vòng ring Với các liên kết điểm điểm trên WDM ở giữa các vị trí kinh doanh diện rộng, chỉ cần có một thiết bị trước khách hàng để biến đổi lưu lượng ứng dụng thành các bước sóng và ghép chúng Các hãng truyền thông với các cấu hình vòng ring tuyến tính có thể mở rộng theo hướng toàn vòng ring dựa trên cơ sở các OADM Như thế các chuyển mạch và kết nối chéo quang có thể trở nên phổ biến hơn, các mạng vòng ring và điểm điểm này sẽ được kết nối đến các mesh, biến các mạng đô thị quang thành những nền tảng khá linh động

1.2.1 Cấu hình điểm – điểm

Cấu hình điểm điểm có thể được bổ sung hoặc không cần OADM Các mạng này có đặc điểm được tạo bởi các tốc độ kênh cực cao ( 10 đến 40 Gbps ), tính toàn vẹn và đáng tin cậy của tín hiệu cao, và khả năng phục hồi tuyến nhanh Trong các mạng đường dài, khoảng cách giữa các bộ phát và bộ thu có thể là vài trăm kilomet, và số các bộ khuếch đại yêu cầu giữa các điểm đầu cuối là phải nhỏ hơn 10 Trong mạng MAN, thường không sử dụng các bộ khuếch đại

Sự bảo vệ trong các cấu hình điểm điểm có thể được cung cấp ở trong một khoảng cách kết hợp Trong thiết bị thế hệ đầu tiên, tính dự phòng thể hiện ở mức

hệ thống Các liên kết song song kết nối hệ thống ở các đầu cuối Sự chuyển giao trong trường hợp lỗi được chịu trách nhiệm của các thiết bị khách ( ví dụ như một thiết bị chuyển mạch hoặc một bộ định tuyến ), trong khi chính các hệ thống WDM chỉ cung cấp dung lượng

Trong thiết bị thế hệ hai, tính dự phòng thể hiện ở mức card Các liên kết song song kết nối các hệ thống đơn ở đầu cuối đó bao gồm các bộ tách sóng, các

bộ ghép và các CPU Ở đây sự bảo vệ được chuyển đến thiết bị WDM, với các quyết định chuyển mạch dưới sự điều khiển cục bộ Cho ví dụ về một kiểu bổ sung, sử dụng mô hình bảo vệ 1 + 1 dựa trên chuyển mạch bảo vệ tự động SONET

( APS ) Xem hình 1.7

Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm

1.2.2 Cấu hình vòng Ring

Các vòng ring là kiến trúc phổ biến nhất được tìm thấy ở trong các khu vực

đô thị và các nhịp nối khoảng 10 kilomét Các vòng ring sợi phải bao gồm ít cũng khoảng bốn kênh bước sóng, và đặc trưng là số node ít hơn số kênh Tốc độ bit nằm trong dải từ 622 Mbps đến 10 Gbps trên mỗi kênh

Cấu hình vòng ring có thể được triển khai với một hoặc nhiều hệ thống WDM, hỗ trợ nhiều đến nhiều kiểu lưu lượng, hoặc chúng có thể có một trạm hub

và một hoặc một số các node OADM, hoặc trạm vệ tinh ( xem hình 1.8 ) Ở node

hub lưu lượng bắt đầu, được kết thúc và được quản lý, và kết nối đến các mạng khác đã được thiết lập Ở các node OADM, các bước sóng được lựa chọn thì được

tách và được xen, trong khi các bước sóng khác thì được truyền qua (gửi các kênh) Trong cách này, các kiến trúc vòng ring cho phép các node trên vòng ring cung cấp truy nhập đến các phần tử mạng như các bộ định tuyến, các chuyển mạch, hoặc các máy chủ bằng cách xen hoặc tách các kênh bước sóng trong miền quang Tuy nhiên với sự tăng thêm các OADM, tín hiệu tùy thuộc vào sự suy hao

và sự khuếch đại có thể được cần đến

Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring

Các mạng đưa ra cho ứng dụng WDM trong khu vực đô thị thường được dựa trên các cấu trúc vòng ring SONET với 1 + 1 sự bảo vệ sợi Do đó các mô hình như Vòng Ring chuyển mạch tuyến một chiều duy nhất ( UPSR ) hoặc Vòng Ring chuyển mạch đường hai chiều ( BLSR ) có thể được sử dụng lại để bổ sung

cho WDM Hình 1.9 cho thấy mô hình UPSR với hai sợi Ở đây, hub và các node

gửi trên hai vòng xoay ngược nhau, nhưng cùng sợi bình thường được sử dụng cho tất cả các thiết bị nhận tín hiệu; do đó có tên một chiều Nếu vòng ring làm việc bị lỗi, thiết bị thu chuyển đến đôi khác Mặc dù cách này cung cấp dự phòng, không dùng lại băng thông có thể sử dụng, như thế sợi dự phòng phải luôn luôn sẵn sàng

để mang lưu lượng làm việc Mô hình này được sử dụng phổ biến nhất trong các mạng truy nhập

Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM

Các mô hình khác, như Vòng Ring chuyển mạch đường hai chiều ( BLSR ), cho phép lưu lượng đi từ node gửi đến node nhận bằng tuyến tuyệt đối tốt nhất Bởi vì cách này, BLSR được coi là thích hợp cho các mạng lõi SONET, đặc biệt là khi được thực hiện với bốn sợi

1.2.3 Cấu hình Mesh

Cấu hình mesh là cấu hình tương lai của các mạng quang Do sự mở rộng của nhiều mạng, nên các kiến trúc mạng ring và mạng điểm – điểm sẽ vẫn được phát triển, nhưng mesh hứa hẹn đến một cấu hình mạnh mẽ nhất Phát triển cấu hình này sẽ có thể cho phép được đưa vào cấu hình các kết nối chéo quang và các chuyển mạch quang Điều đó sẽ có trong một vài trường hợp thay thế và trong các trường hợp khác bổ sung các thiết bị WDM cố định

Từ quan điểm thiết kê, có một tuyến phát triển sẵn có từ cấu hình điểm điểm đến cấu hình mesh Bằng cách bắt đầu với các liên kết điểm điểm, được trang bị thêm các node OADM ở nơi bắt đầu tính linh động, và rồi sau đó nối liền chúng, mạng có thể mở rộng vào trong mesh mà không phải thiết kế hoàn toàn lại Thêm nữa, các cấu hình vòng ring và mesh có thể được nối bởi các liên kết điểm

điểm ( xem hình 1.10 )

Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh

Các mạng mesh WDM sẽ cần đến một cấp độ thông minh bậc cao để thực hiện các chức năng bảo vệ và quản lý băng thông, kể cả sợi và chuyển mạch bước sóng Tuy nhiên, lợi ích trong tính linh hoạt và hiệu suất là rất lớn Sử dụng sợi có thể được mức thấp trong giải pháp vòng ring bởi vì nhu cầu để các sợi bảo vệ trên mỗi ring, có thể được tận dụng trong thiết kế mesh Sự bảo vệ và khôi phục có thể dựa trên các tuyến thành phần, bằng cách ấy cần một ít đôi sợi cho cùng số lượng của lưu lượng và không ảnh hưởng các bước sóng không được dùng đến

Cuối cùng, các mạng mesh sẽ phụ thuộc lớn vào các phần mềm để quản lý Một giao thức dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức ( MPLS ) dưới sự phát triển để hỗ trợ chuyển các hướng qua một mạng toàn quang Thêm vào nữa, sự quản lý sẽ cần đến một kênh không chuẩn để mang thông tin giữa các phần tử mạng

CHƯƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM 2.1 Tán sắc

2.1.1 Giới thiệu chung

Ta đã biết khi tín hiệu truyền dọc theo sợi quang sẽ bị méo Méo này là do tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Các hiệu ứng tán sắc

ở đây được giải thích nhờ việc khảo sát trạng thái các vận tốc nhóm của các mode truyền dẫn ( vận tốc nhóm là tốc độ mà tại đó năng lượng ở trong mode riêng biệt lan truyền dọc theo sợi ) Tán sắc bên trong mode chính là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra ở trong một mode Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát ( Độ rộng phổ chính là dải các bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó ) Nó làm cho các xung quang lan truyền trong sợi quang bị dãn rộng ra gây méo tín hiệu và làm xuống cấp đặc tính hệ thống Xung tín hiệu mà dãn quá rộng sẽ gây ra hiện tượng phủ chờm nên các xung kề nhau, và khi sự phủ chờm vượt quá một mức nào đó thì thiết bị thu quang sẽ không còn phân biệt nổi các xung này nữa và lúc này sẽ xuất hiện lỗi tín hiệu, đã làm giới hạn năng lực truyền dẫn

Như vậy tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm hai thành phần chính là tán sắc giữa các mode ( tán sắc mode ) và tán sắc bên trong mode Tán sắc bên trong mode bao gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng

Tán sắc mode tồn tại trong các sợi quang đa mode (MM) khi mà các tia sóng truyền lan trong sợi theo các đường khác nhau do đó dẫn đến thời gian lan truyền các mode là khác nhau Tuy nhiên trong thông tin quang chỉ sử dụng sợi quang đơn mode (SM) nên không tồn tại tán sắc mode

Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất của vật liệu làm nên lõi sợi, nên nó tạo ra sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng ánh sáng

Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng

ở trong lõi vì vậy còn lại 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode

β là một hàm số của α/ λ (α là bán kính lõi ), nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại rất cần được quan tâm ở sợi đơn mode

Tán sắc tỉ lệ thuận với chiều dài sợi quang và độ rộng phổ của nguồn quang Xung quang ở cuối sợi quang sẽ bị dãn ra một lượng là :

δT = D.Δλ.L ( 2.1 )

Trong đó : D là tham số tán sắc, đặc trưng cho tán sắc của sợi có đơn vị là ps/(km.nm)

Δλ là độ rộng phổ nguồn quang

L là chiều dài sợi quang

Có rất nhiều phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến

hệ thống WDM sẽ được nghiên cứu kỹ ở Chương 3 còn bây giờ ta sẽ xem xét một

số loại tán sắc có ảnh hưởng đến chất lượng các hệ thống nói chung và hệ thống WDM nói riêng

2.1.2 Tán sắc vật liệu

Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, ánh sáng truyền trong đó không phải đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định và tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau ( do chiết suất là hàm của bước sóng ) Vì vậy các thành phần có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu

Tán sắc vật liệu DM xuất hiện là do chỉ số chiết suất của thủy tinh, loại vật liệu dùng để chế tạo ra sợi quang, và những thay đổi của chúng theo tấn số quang

ω Có thể tính tán sắc vật liệu DM theo công thức sau:

Với n2g là chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi Dưới góc độ đơn giản, nguồn gốc của tán sắc vật liệu có liên quan tới đặc tính tần số cộng hưởng mà tại đó vật liệu sẽ hấp thụ sự phát xạ điện tử Chỉ số chiết suất n(ω) được làm xấp xỉ bằng phương trình Sellmeier:

Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán

sắc vật liệu xem hình 2.1 Tán sắc vật liệu DM có rằng buộc với đường bao của ng

bằng công thức ( 2.4 ) suy ra rằng dng/dλ = 0 tại bước sóng λ = 1,27 μm Bước sóng này được coi như là bước sóng có tán sắc bằng không λZD, vì DM = 0 tại

λ = λZD Tham số tán sắc DM có giá trị âm tại bước sóng dưới λZD và dương tại bước sóng ở trên λZD Trong vùng bước sóng 1,25 ÷ 1,66 μm, tán sắc vật liệu có thể được xác định bằng biểu thức như sau:

Với giá trị λZD = 1,276 μm chỉ đối với sợi thủy tinh thuần khiết Giá trị này

có thể thay đổi trong dải 1,27 ÷ 1,29 μm đối với các sợi quang có lõi và vỏ được pha tạp để thay đổi chỉ số chiết suất Bước sóng có tán sắc bằng không của sợi quang cũng phụ thuộc vào bán kính lõi a và bậc chỉ số ∆ thông qua phần dẫn sóng cho tấn sắc tổng

Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm n g thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy

Với: n2g là chỉ số nhóm của vật liệu

b là hằng số lan truyền chuẩn

Với là chỉ số mode, có giá trị nằm trong dải

β = n.k0 là hằng số lan truyền dọc theo trục sợi

k0 = 2π/λ là hằng số lan truyền trong không gian tự do

∆ là giá trị chênh lệch chiết suất Được giả thiết là tham số không phụ thuộc

vào tần số, ∆ = ( n1 – n2 )/n1

V là tần số chuẩn hóa hay tham số V hay số V

Ảnh hưởng của tán sắc dẫn sóng lên độ giãn xung có thể được khảo sát

trong điều kiện giả thiết rằng: chỉ số chiết suất của vật liệu không phụ thuộc vào

bước sóng

Hình 2.2 chỉ ra d(Vb)/dV và Vd2

(Vb)/dV2 thay đổi theo V Do cả hai đạo hàm là dương nên Dw là âm trong toàn bộ vùng bước sóng 0 ÷ 1,6 μm Điều này

khác nhiều so với tán sắc vật liệu DM có cả giá trị âm và dương tương ứng với

bước sóng thấp hơn hay cao hơn λZD( λZD bước sóng có tán sắc bằng không )

Hình 2.2 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d 2

(Vb)/dV 2 ] thay đổi theo tham số V

Trong sợi đơn mode, hệ số tán sắc tổng:

sắc dịch chuyển

Hình 2.3 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho sợi đơn mode thông

dụng

2.1.4 Tán sắc bậc cao

Như phân tích ở trên thì ta thấy rằng tích tốc độ và cự ly BL của sợi quang

đơn mode có thể tăng vô hạn khi hệ thống hoạt động tại bước sóng có tán sắc bằng không λZD nơi mà D = 0 Tuy nhiên, các hiệu ứng phân tán vẫn không hoàn toàn mất đi tại λ = λZD Các xung quang vẫn còn phải chịu sự dãn do các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn Đặc trưng này có thể hiểu rằng tán sắc D không thể đạt được giá trị bằng không tại tất cả các bước sóng được chứa đựng trong phổ xung có tâm tại

λZD Rõ ràng là sự phụ thuộc của tán sắc D vào bước sóng sẽ tham gia vào quá trình dãn xung Các hiệu ứng phân tán bậc cao hơn được đặc trưng bới độ dốc tán sắc S = dD/dλ hoặc cũng được viết như sau:

hoặc là âm ( các sợi tán sắc ngược )

Đối với các nguồn phát có độ rộng phổ ∆λ, giá trị hiệu dụng của tham số tán sắc trở thành D = S ∆λ Tích tốc độ bit B và cự ly truyền dẫn L có thể được xác định bằng biểu thức:

B.L.|D|.∆λ = B.L.|S|.(∆λ)2 < 1 ( 2.11 )

Đối với một laze bán dẫn đa mode có ∆λ = 2 nm và một sợi quang tán sắc dịch chuyển có S = 0,05 ps/km.nm2 tại λ = 1,55 μm, tích BL có thể tiến tới 5 Tbit/s.km Để cải thiện đặc tính này hơn nữa thì có thể sử dụng các laze bán dẫn đơn mode

Hình 2.4 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi tiêu chuần, sợi

kì bước sóng nào cũng không ổn định

Hình 2.5 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD

Sự dãn xung có thể được xác định từ thời gian trễ ∆T giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung Với sợi quang có độ dài L thì ∆T được tính như sau:

Nhưng công thức ( 2.13 ) không thể dùng một cách trực tiếp để xác định

PMD đối với các sợi quang tiêu chuẩn trong mạng viễn thống là do tính ghép ngẫu nhiên giữa hai mode được sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên của lưỡng chiết xảy ra dọc theo sợi Việc ghép có khuynh hướng làm cân bằng thời gian lan truyền cho hai thành phần phân cực dẫn đến giảm PMD Trong thực tế thì PMD được đặc

trưng bởi giá trị căn trung bình bình phương RMS của ∆T thu được sau khi lấy trung bình những xáo trộn ngẫu nhiên Kết quả thu được như sau:

Ở đây lc là độ dài tương quan được định nghĩa như là độ dài qua hai thành phần phân cực có mỗi tương quan; giá trị của nó có thể biến đổi trên dải rộng từ 1m đến 1km đối với các sợi khác nhau, giá trị đặc trưng ≈ 10m

Đối với các khoảng cách ngắn như z << lc , σT = ( ∆β1 ).z từ công thức

(2.14), như mong đợi đối với sợi duy trì phân cực Đối với khoảng cách z > 1km,

sự đánh giá tốt nhất của xung mở rộng thu được sử dụng z >> lc Cho độ dài sợi là

có thể làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính hệ thống do dãn xung qua mức

Kết luận : Tán sắc gây ra những ảnh hưởng rất lớn đến các hệ thống thông

tin quang tốc độ cao nói chung và hệ thống WDM nói riêng Chúng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống, thêm nữa chúng có thể gây

ra lỗi bit, gây xuống cấp nghiêm trọng các đặc tính của hệ thống Nhằm hạn chế và loại bỏ chúng, chúng ta cần phải áp dụng những phương pháp bù phù hợp để sao cho có thể bù được toàn diện nhất Đối với các hệ thống WDM chúng ta cần phải chú trọng hơn hết đến các tán sắc bậc cao và tán sắc mode phân cực, chúng là những tán sắc chính gây ra những ảnh hưởng xấu đến chất lượng, cũng như đặc tính của hệ thống này Chúng ta sẽ được nghiên cứu các phương pháp bù tán sắc nói chung và ứng dụng các phương pháp bù tán sắc này vào trong hệ thống WDM

ở chương III

2.2 Các hiệu ứng phi tuyến

2.2.1 Giới thiệu chung

Các hệ thống thông tin quang đang được khai thác trên mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng các sợi quang truyền dẫn trong môi trường tuyến tính mà ở

đó các tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang Các hiệu ứng phi tuyến sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ thống và trở nên rất quan trọng vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Để tăng hiệu quả truyền dẫn thông tin có thể được thực hiện bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên, nên các ảnh hưởng của tính phi tuyến sợi trở nên rất quan trọng

Khi công suất trong sợi quang nhỏ thì sợi quang được xem như môi trường tuyến tính, tính phi tuyến của sợi quang (chủ yếu do chiết suất) có thể bỏ qua Tuy nhiên khi công suất ánh sáng trong sợi quang vượt quá một ngưỡng nào đó thì tính phi tuyến sẽ ảnh hưởng đến lớn đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang Khi đó xuất hiện hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Hiệu ứng phi tuyến sẽ gây một số hiện tượng như : Xuyên âm giữa các kênh quang, suy giảm mức tín hiệu của từng kênh truyền dẫn

Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra thành hai loại:

- Hiệu ứng KERR : sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào công suất quang: Các hiệu ứng phi tuyến chính như hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), hiệu ứng điều chế xuyên pha ( XPM ) và hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM)

- Hiệu ứng tán xạ: Phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon ( rung động phân tử ) trong môi trường silica Có hai hiệu ứng chính

là tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do kích thích Brillouin (SBS)

Mỗi hiệu ứng phi tuyến tùy từng trường hợp có thể có lợi hoặc có hại Chẳng hạn XPM và FWM thì bất lợi cho hệ thống đa kênh WDM SPM và XPM gây ra sự mở rộng phổ trong các xung quang mà sau đó tương tác với tán sắc sợi Điều này có thể có lợi hoặc có hại cho hệ thống truyền thông quang tùy thuộc vào tán sắc thường hay dị thường

2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Đó là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo, gây sự biến đổi pha của sóng quang Sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ giãn rộng và tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn, gây ảnh hưởng lớn tới hệ thống tốc độ cao

Hình 2.6 : Ảnh hưởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Hiệu ứng SPM có chiết suất của lõi sợi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng truyền trong đó Chỉ số chiết suât biến đổi như sau:

Aeff là diện tích vùng nõi hiệu dụng

P là công suất nguồn quang

Hằng số lan truyền β được biểu diễn theo công thức:

β = ω.nL/c + ( 3.ω/8.c.n ).χe.E2 = βL + γNL.P ( 2.17 )

Với: βL là thành phần tuyến tính của hằng số lan truyền pha

ω là tần số góc của ánh sáng

nL: chiết suất tuyến tính và là nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu

n là chiết suất của môi trường

χe là độ cảm điện

γNL = (2π/λ)nNL.Aeff là hệ số lan truyền pha phi tuyến

Do β được tính theo công thức trên nên sẽ có độ dịch pha bổ xung Độ dịch pha này được tính bằng:

Φ = L∫0 (β – βL)dz = L∫0 γNL.P(z)dz = γNL.Pin.Leff ( 2.18 )

Dựa vào công thức ( 2.18 ) ta có: độ dịch pha phi tuyến Φ của sóng mang

quang thay đổi theo thời gian do cường độ công suất của xung ánh sáng thay đổi theo thời gian Sự thay đổi này là do sự thay đổi của công suất đầu vào Pin(t) hay

sự biến thiên theo thời gian của biên độ xung khi xung lan truyền dọc theo sợi quang Do Φ thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển về tấn số Hiện tượng phi tuyến tương ứng với sự thay đổi tần số xảy ra do sự dịch pha gây ra bởi chính xung ánh sáng được gọi là hiệu ứng tự điều chế pha SPM

2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM

Trong hệ thống đa kênh WDM, độ dịch pha của một kênh không những phụ thuộc vào công suất của chính kênh đó mà còn phụ thuộc vào công suất của những kênh còn lại, dẫn đến hiện tượng được gọi là điều chế xuyên pha XPM

Hình 2.7 Ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM

Trong trường hợp này, độ dịch pha phi tuyến của một kênh ( kênh j ) là:

Φj = γNL.Leff ( Pj + 2∑ Pm ) j = 1,2,3,… M ( 2.19 )

Trong đó: M là tổng số kênh

Pj, Pm là công suất kênh j và kênh m ( điều kiện: m ≠ j )

Hệ số 2 chỉ ra rằng nếu công suất của các kênh là như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM lớn gấp 2M lần hiệu ứng SPM Độ dịch pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh tín hiệu Do đó, XPM không chỉ phụ thuộc vào công suât của kênh tín hiệu mà còn phụ thuộc vào số lượng kênh tín hiệu Số kênh tín hiệu càng nhiều, ảnh hưởng của XPM càng lớn

2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM

Trong hệ thống WDM sử dụng các tần số f1… fn sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ công suất không chỉ gây ra sự dịch pha trong mỗi kênh mà còn sinh ra tần số mới như là 2fi – fj và fi + fj – fk Hiện tượng này gọi là hiện tượng trộn bốn bước sóng FWM Trái với SPM và XPM chỉ có ảnh hưởng đối với các hệ thống tốc độ bit cao, hiệu ứng trộn bốn bước sóng không chỉ phụ thuộc vào tốc độ bit mà phụ thuộc chặt chẽ vào khoảng cách kênh và tán sắc màu của sợi Giảm khoảng cách kênh và giảm tán sắc màu đều làm tăng ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng Do đó, các ảnh hưởng của FWM phải được xét đến ngay cả ở các

hệ thống tốc độ vừa phải khi khoảng cách kênh gần nhau hoặc khi sử dụng sợi dịch chuyển tán sắc

Giả sử có ba trường quang ứng với các tần số là f1, f2 và f3 truyền đồng thời trong sợi quang thì sẽ tạo ra trường quang mới ffwm được tính theo công thức:

số các kênh tín hiệu, gây ra xuyên âm các kênh làm giảm chất lượng hệ thống

Ảnh hưởng của FWM càng lớn nếu khoảng giữa cách các kênh càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự li truyền dẫn của hệ thống WDM

2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS )

Hiệu ứng tán xạ Raman là quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó gây

ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước

sóng cao hơn Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có bước sóng thấp sang kênh

tín hiệu có bước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang

và laser Năng lượng của photon ở bước sóng λ là hc/λ với hằng số Planck (6,625.10-34 Js) Do đó, photon của bước sóng thấp có năng lượng cao hơn Sự

chuyển năng lượng từ tín hiệu bước sóng thấp sang tín hiệu bước sóng cao tương

ứng với sự sinh ra các photon năng lượng thấp từ các photon năng lượng cao hơn

Nếu như trạng thái khởi đầu có năng lượng thấp hơn năng lượng của trạng

thái cuối, tần số photon phát xạ sẽ nhỏ hơn tần số ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ

được gọi là sánh sáng Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ Stoke Ngược

lại nếu ánh sáng tán xạ có tần số lớn hơn ánh sáng tới thì ánh sáng tán xạ được gọi

là ánh sáng phản Stoke và quá trình tán xạ được gọi là tán xạ phản Stoke

Trạng thái kích thích

Trạng thái đầu Trạng thái cuối Photon tán xạ

a)Tán xạ Stoke

Photon tán xạ

Trạng thái cuối Trạng thái đầu Trạng thái kích thích

a)Tán xạ phản Stoke Năng lượng

Hình 2.9 Giản đồ năng lượng của quá trình tán xạ Raman

Hiệu ứng tán xạ Raman SRS là một hiệu ứng băng rộng Hình 2.10 cho

thấy độ lợi là một hàm của khoảng cách bước sóng và gR kéo dài trong một phạm

vi tần số rất rộng ( đạt tới 40 Thz ) với đỉnh khuếch đại gần độ dịch tần 13 Thz

(điều này là do tính phi tinh thể tự nhiên của thuỷ tinh silic)

Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm λ p =1μm

Công suất ngưỡng cho SRS được tính bằng công thức sau :

PthSRS = 16.Aeff/ gR.Leff = (16.α.Aeff)/gR ( 2.21 )

Trong đó : α là hệ số suy hao của sợi

gR là giá trị đỉnh của hệ số khuyếch đại Raman

Aeff là diện tích vùng lõi hiệu dụng

Leff là chiều dài hiệu dụng của tuyến

Leff = ( 1 – e-αL )/α ( 2.22 )

Trong các hệ thống WDM do sử dụng các bộ khuếch đại đường lớn và mật

độ ghép kênh bước sóng cao nên hiệu ứng này cũng gây ra những ảnh hưởng hạn

chế số kênh bước sóng, khoảng cách giữa các kênh và công suất từng kênh Hơn

nữa nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này

cũng gây xuyên âm giữa các kênh

nó làm suy giảm tín hiệu được truyền cũng như tạo ra một tín hiệu có cường độ mạnh về hướng phát, nên phải dùng một bộ cách ly để bảo vệ Hệ số độ lợi SBS gBxấp xỉ 4.10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng

Công suất ngưỡng cho SBS được tính bằng công thức:

PthSBS = 21.Aeff/gB.Leff = 21.α.Aeff/gB ( 2.23 )

Giá trị đặc trưng gB = 5.10-11 m/W tại λ = 1550 nm Lấy α = 0,046 1/km = 0,2 dB/km và Aeff = 55 μm2, tính được PthSBS = 8 mW cho một kênh

Người ta còn có thể tính công suất ngưỡng cho SBS theo công thức:

PthSBS = 4,4.10-3.d2.λ2.α.∆f watts ( 2.24 )

Trong đó: d là đường kính lõi sợi quang ( μm )

λ là bước sóng hoạt động ( μm )

α là hệ số suy hao ( dB/km )

∆f là độ rộng phổ của nguồn quang ( Ghz )

Khi tính công suât ngưỡng theo công thức ( 2.24 ) thì công suất ngưỡng của

SBS có thể tăng đến 10 mW hoặc hơn bằng việc tăng trước băng tần khuyếch đại tới 200 – 400 Mhz qua sự điều chế pha Vì thế, SBS giới hạn mức công suất đặt dưới 100 mW trong hầu hết các hệ thống thông tin quang

Từ công thức ( 2.24 ) ta cũng thấy rằng các hệ thống có nguồn phát với độ

rộng phổ hẹp sẽ chịu ảnh hưởng rất lớn của hiệu ứng SBS Như vậy đới với hệ thống WDM hiệu ứng SBS sẽ gây ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa từng kênh Nhưng hiệu ứng này lại không hề phụ thuộc vào số kênh của hệ thống WDM

Kết luận: Các hiệu ứng phi tuyến này đều gây ra các ảnh hưởng rất lớn đến

đặc tính và chất lượng của các hệ thống WDM Chúng gây ra xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm mức công suất của từng kênh dẫn đến suy giảm hệ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Ngoài ra các ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đều phụ thuộc vào mức công suất của từng kênh, số lượng kênh và khoảng cách giữa các kênh bước sóng cũng như khoảng cách truyền dẫn Vì thế chúng ta cần phải xem xét, tìm hiểu để lựa chọn các tham số sao cho phù hợp nhằm giảm bớt những ảnh hưởng xấu cũng như khai thác những ưu điểm của từng hiệu ứng,

để áp dụng vào trong các hệ thống WDM hiện đang rất phát triển và được ứng dụng nhiều trên thế giới

CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC

VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG

HỆ THỐNG WDM 3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc

Như chúng ta đã xem xét ở Chương II ảnh hưởng của tán sắc có tác động

rất lớn đến chất lượng hệ thống thông tin quang nói chung và hệ thống thông tin

quang tốc độ cao WDM nói riêng Tán sắc gây ra hiện tượng dãn rộng xung, gây

méo tín hiệu, làm tăng các lỗi bit xảy ra, ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền dẫn của

hệ thống Có thể giảm thiểu ảnh hưởng của tán sắc vận tốc nhóm ( GVD ) nếu sử

dụng các laser phổ hẹp và khi càng gần với bước sóng tán sắc zero λZD của sợi

quang Tuy nhiên không phải lúc nào cũng kết hợp giữa bước sóng hoạt động λ

với λZD Có thể lấy ví dụ về các hệ thống trên mặt đất thuộc thế hệ thứ ba hoạt

động gần bước sóng λ = 1,55 µm và sử dụng các thiết bị phát quang laze hồi tiếp

phân tán ( DFB ) Những hệ thống như vậy nhìn chung đều sử dụng mạng lưới cáp

quang được xây dựng trong những năm 1980 bao gồm hơn 50 triệu km chiều dài

của sợi đơn mode “ tiêu chuẩn ” với λZD ≈ 1,31 µm Do tham số tán sắc D ≈ 16

ps/(km.nm) trong dải bước sóng 1,55 µm của sợi đơn mode, do đó GVD sẽ hạn

chế tính năng khi tốc độ bit vượt quá 2Gb/s Để điều biến trực tiếp laze DFB,

chúng ta có thể sử dụng phương trình: B.L.|D|.σλ < 1/4 ( với σλ là độ rộng phổ

nguồn RMS trong của nguồn ) để ước tính khoảng cách truyền dẫn tối đa như sau:

L < (4B|D|sλ )−1 ( 3.1 ) Trong đó, sλ là độ rộng RMS của phổ xung đã được dãn rộng đáng kể bởi

dịch tần số Khi sử dụng D = 16 ps/(km.nm) và sλ = 0,15 nm trong phương trình

3.1, các hệ thống sóng ánh sáng hoạt động ở tốc độ 2,5 Gb/s đều bị giới hạn ở mức

L ≈ 42 km Thực tế, những hệ thống như thế thường sử dụng các thiết bị tái tạo

điện tử nằm cách nhau 40 km, và không tận dụng được tính khả dụng của các bộ

khuếch đại quang Ngoài ra, tốc độ bit của chúng cũng không thể vượt quá 2,5

Gb/s vì lý do cự ly của thiết bị tái tạo là quá nhỏ để có thể đảm bảo khả thi về mặt

kinh tế

Tính năng của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng

thiết bị điều chế ngoài, như vậy có thể tránh được hiện tượng dãn rộng phổ do dịch

0 6

3 3 2

A i

z

tần số Cách này được ứng dụng các loại máy phát laze DFB thương mại với một

bộ điều chế tích hợp gắn liền Với sλ = 0 hạn chế được hạn chế khi máy phát sử dụng loại sợi tiêu chuẩn Khoảng cách truyền giới hạn khi đó sẽ được tính như sau:

sẽ giảm xuống chỉ còn 30 km, đây là mức quá thấp để các thiết bị khuếch đại quang có thể được sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống bước sóng ánh sáng

như vậy Từ phương trình 3.2 ta có thể thấy rằng giá trị GVD tương đối lớn của sợi đơn mode tiêu chuẩn sẽ làm hạn chế tính năng của các hệ thống 1,55 µm được

thiết kế để sử dụng trong mạng lưới viễn thông hiện có khi tốc độ bit đạt 10 Gb/s hoặc cao hơn nữa

Đã có một số mô hình quản lý tán sắc được đưa ra để giải quyết vấn đề mang tính thực tiễn này Nền tảng của những mô hình đó là khá đơn giản và có thể hiểu được dựa trên phương trình lan truyền được viết như sau:

( 3.3 )

Trong đó A là biên độ bao xung Những ảnh hưởng của tán sắc bậc ba được

ký hiệu là β 3 Trong thực tế, ký hiệu này có thể sẽ không được sử dụng nếu |β2| lớn

( t z

A Ã(0,ω) exp i  z it)d

2 ( 2 2 ( 3 5 )

Trong đó, Ã (0, ω) là khai triển Fourier của A (0, t)