Luận văn thạc sĩ CNTT: Hệ thống cáp quang biển và ứng dụng thực tiễn

Ở Việt Nam, từ sau chủ trương đổi mới, nghành Viễn thông đã có những bước phát triển nhanh theo hướng hiện đại để đáp ứng cho nhu cầu phát triển kinh tế và hội nhập quốc tế. Một cơ sở hạ tầng viễn thông hiện đại đã được thiết lập với những hệ thống truyền dẫn bằng cáp quang trải dài đát nước và vươn ra thế giới. Các hệ thống truyền dẫn quang với các ưu điểm vượt trội về băng thông, cự ly và chất lượng đã trở thành một trong những phương thức truyền dẫn chủ yếu trong mạng nộ bộ, nội hạt, mạng đường trục trong nước và quốc tế, cho phép truyền dẫn các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú như điện thoại, data, Internet, Multimedia,.. Với tiến bộ trong công nghệ này, ngay nay năng lực của hệ thống truyền dẫn quang là rất lớn. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) cho phép dung lượng truyền dẫn tăng lên rất cao, hang Tbps. Các hệ thống truyền dẫn quang WDM được ứng dụng rộng rãi trong các mạng Metro cũng như các mạng đường trục. Ở Việt Nam, WDM đã được sử dụng trong truyền dẫn đường trục Bắc-Nam với dung lượng 20 Gbps [1]. Hiện nay dự án cáp quang biển nội địa đang có kế hoạch triển khai xây dựng. Các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng WDM đang được sử dụng rộng rãi trong tuyến cáp quang biển đường trục quốc tế. Trong những năm gần đây, hàng loạt tuyến cáp quang biển quốc tế với quy mô lớn đã được xây dựng để đáp ứng nhu cầu ngày một tăng cao về dung lượng truyền dẫn, đặc biệt cho nhu cầu kết nối Internet và các ứng dụng băng thông rộng khác. Ở Việt Nam, mạng lưới viễn thông quốc tế bằng cáp quang thông qua hai tuyến cáp quang biển quốc tế cập bờ vào Việt Nam là TVH và Sea-We-3 và một tuyến cáp quang đất liền quốc tế là CSC. Bảng 0.1 là tham số cơ bản của hai tuyến này.

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 4

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 4

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM 4

1.1.1 Nguyên lý ghép kênh 4

1.1.2 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM 6

1.2 Các thành phần của thiết bị WDM 7

1.2.1 Sợi quang 8

1.2.2 Thiết bị phát và thu WDM 9

1.2.3 Bộ khuếch đại quang 10

1.3 Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM 12

1.3.1 Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang 12

1.3.2 Vấn đề tán sắc 13

1.3.3 Vấn đề xuyên kênh 14

1.3.4 Kênh bước sóng ITU-T Grid 21

1.4 Hệ thống truyền dẫn WDM đường trục khoảng cách lớn 26

1.4.1 Các yếu tố thách thức thiết kế hệ thống 26

1.4.2 Một số công nghệ áp dụng cho các hệ thống WDM đường trục 29

1.5 Kết luận chương 34

Chương 2 35

TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC, ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC LÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO 35

2.1 Tán sắc MODE phân cực (PMD) trong sợi quang 35

2.1.1 Các mode phân cực 35

2.1.2 Bản chất vật lý của tán sắc mode phân cực 36

2.1.3 Đặc điểm, tính chất tán sắc mode phân cực trong hệ thống thông tin quang 41

2.1.4 Ảnh hưởng của PMD trong hệ thống thông tin quang 45

2.1.5 Phương pháp đo tán sắc PMD 48

2.1.6 Kết quả mô phỏng, đo xác định tán sắc PMD 51

2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tán sắc MODE phân cực và nhiễu liên quan trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao 56

2.2.1 Giới thiệu chung 56

2.2.2 Thiết lập hệ thống mô phỏng ảnh hưởng của PMD 57

2.2.3 Kết quả mô phỏng và so sánh 59

2.2.4 Kết quả đo thực nghiệm 80

Chương 3 94

HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN WDM 94

3.1 Giới thiệu chung 94

3.1.1 Sự phát triển của thông tin cáp quang biển 94

3.1.2 Một số đặc điểm của hệ thống cáp quang biển 97

3.2 Các đặc tính và các thành phần hệ thống cáp quang biển WDM 101

3.2.1 Các đặc tính và phẩm chất hệ thống 101

3.2.2 Thiết bị TTE 105

3.2.3 Bộ lặp quang dưới biển (Optical Submarine Repeat-OSR) 108

3.2.4 Thiết bị rẽ nhánh (BU) 109

3.2.5 Cáp biển 112

3.3 Những tiến bộ công nghệ trong hệ thống cáp quang biển 114

3.3.1 Xu hướng phát triển các hệ thống cáp quang biển 114

3.3.2 Dung lượng 115

3.3.3 Bộ khuếch đại quang 116

3.3.4 Những tiến bộ công nghệ sợi quang đối với khoảng lặp 119

3.3.5 Những tiến bộ công nghệ đối với thiết bị đầu cuối 120

3.3.6 Thế hệ thông tin cáp quang biển 40 Gbit/s 121

3.4 Kết luận chương 3 121

Chương 4 122

CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN WDM; MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN 122

4.1 Các thiết bị cáp quang biển WDM 122

4.1.1 Thiết bị của Alcatel 122

4.1.2 Thiết bị của TYCO 129

4.1.3 Thiết bị c ủa Fujitsu 136

4.1.4 Một số hệ thống cáp quang biển 141

4.2 Một số vấn đề trong nghiên cứu xây dựng tuyến truyền cáp quang biển WDM 147 4.2.1 Chọn dung lượng, công nghệ và cấu hình hệ thống 147

4.2.2 Lựa chọn tuyến cáp 153

4.2.3 Lựa chọn hướng tuyến 154

4.2.4 Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống 157

4.3 Kết luận chương 4 164

TÀI LIỆU THAM KHẢO 165

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADM Add/Drop Multiplexing Ghép kênh xen rẽ

ASE Amplified Spontaneous Emission Bức xạ tự phát được khuếch đại ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ

BBER Background Block Error Ratio Tỷ số khối lỗi nghiêm trọng

CIT Craft Interface Terminal

CWDM Course Wave Length Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng thô

DBR Distributed Bragg Reflector Phản xạ phân bố Bragg

DFE Decisive Feeback Equalizer Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định DGD Decisive Group Delay Độ trễ nhóm vi phân

DLS Digital Line Section Phần đường truyền số

DRA Distributed Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman phân bố

DSF Dispersion Shift Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc

DWDM Dense Wave Length Multiplexing Ghép kênh bước sóng mật đô cao

E/O Electric-Optical Converter Bộ biến đổi điện-quang

EDFA Erbium-Dropped Fiber Amplifer Khuếch đại quang sợi có pha tạp

Erbium

FEC Forward Error Correction Bộ sửa lỗi trước

FFD-BU Full Fiber Dro BU Bộ rẽ nhánh rẽ toàn sợi

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

IDF Inversion Dispersion Fiber Sợi tán sắc đảo ngược

ISI Intersymbol Interference Giao thoa giữa các ký tự

ITU International Telecommunication

Union

Tổ chức viễn thông quốc tế

LDV Link Design Value Giá trị thiết kế tuyến

LME Line Monitoring Equipment Thiết bị kiểm tra đường truyền LTE Line Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đường truyền

LW Light Weight (cable) (cáp) trọng lượng nhẹ

LWP Light Weight Protected (cable) (cáp) trọng lượng nhẹ có bảo vệ

O/E Optical-Electric Converter Bộ biến đổi quang – điện

OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

ODXC Optical Digital Cross-Connect Bộ đấu nối chéo quang

OEIC Opto-Electronic Intergrated Circuit Mạch tích hợp quang điện tử OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu quang OSR Optical Submarine Repeater Trạm lặp quang dưới biển

PANDA Polarization-maintaining and

Absorption-reducing

Duy trì phân cực và giảm hấp thụ

PC Polarization Control Bộ điều khiển phân cực

PDCD Polarization Dependent Chromatic

Dispersion

Tán sắc CD phụ thuộc phân cực

PDG Polarazation-Dependent Gain Độ khuếch đại phụ thuộc phân cực PDL Polarazation-Dependent Loss Suy hao phụ thuộc phân cực

PDV Polarazation Dispersion Vector Vector tán sắc phân cực

PFE Power Feeding Equipment Thiết bị cấp nguồn

PHB Polarization Hole Buring Cháy lỗ phân cực

PMD Polarazation Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PMF Polarazation Maintaining Fiber Sợi duy trì phân cực

PRBS Pseudo-Random Bit Sequence Chuỗi bit giả ngẫu nhiên

PSP Principle State of Polarazation Trạng thái phân cực nguyên lý

RDF Reverse Dispersion Fiber Sợi tán sắc ngược

RFSA Radio Frequency Spectrum Analizer Máy phân tích phổ tần số vô tuyến

ROV Remote Operation Vehicle Máy hoạt động từ xa

SA Single Armour (cable) (cáp) vỏ giáp đơn

SBS Stimulated Brillouin Scaterring Tán xạ Raman kích thích

SDH Synchronuos Digital Hiararchy Phân cấp số đồng bộ

SESR Severely Error Second Ratio Tỷ số giây lỗi nghiêm trọng

SLTE Submarine Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối tuyến cáp biển

SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOP State of polarization Trạng thái phân cực

SPM Self-Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

SSE System Surveillance Equipment Thiết bị giám sát hệ thống

SWS Single Wavelength System Hệ thống một bước sóng

TSE Terminal Stattion Equipment Thiết bị đầu cuối trạm cáp

TTE Transmission Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối truyền dẫn

VCSEL Vertical Cavity Surface-emitting Laser Laser phát mặt có hốc theo chiều

đứng WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Ở Việt Nam, từ sau chủ trương đổi mới, nghành Viễn thông đã có những bước phát triển nhanh theo hướng hiện đại để đáp ứng cho nhu cầu phát triển kinh tế và hội nhập quốc tế Một cơ sở hạ tầng viễn thông hiện đại đã được thiết lập với những hệ thống truyền dẫn bằng cáp quang trải dài đát nước và vươn ra thế giới

Các hệ thống truyền dẫn quang với các ưu điểm vượt trội về băng thông, cự ly

và chất lượng đã trở thành một trong những phương thức truyền dẫn chủ yếu trong mạng nộ bộ, nội hạt, mạng đường trục trong nước và quốc tế, cho phép truyền dẫn các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú như điện thoại, data, Internet, Multimedia,

Với tiến bộ trong công nghệ này, ngay nay năng lực của hệ thống truyền dẫn quang là rất lớn Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) cho phép dung lượng truyền dẫn tăng lên rất cao, hang Tbps Các hệ thống truyền dẫn quang WDM được ứng dụng rộng rãi trong các mạng Metro cũng như các mạng đường trục Ở Việt Nam, WDM đã được sử dụng trong truyền dẫn đường trục Bắc-Nam với dung lượng 20 Gbps [1] Hiện nay dự án cáp quang biển nội địa đang có kế hoạch triển khai xây dựng

Các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng WDM đang được sử dụng rộng rãi trong tuyến cáp quang biển đường trục quốc tế Trong những năm gần đây, hàng loạt tuyến cáp quang biển quốc tế với quy mô lớn đã được xây dựng để đáp ứng nhu cầu ngày một tăng cao về dung lượng truyền dẫn, đặc biệt cho nhu cầu kết nối Internet và các ứng dụng băng thông rộng khác

Ở Việt Nam, mạng lưới viễn thông quốc tế bằng cáp quang thông qua hai tuyến cáp quang biển quốc tế cập bờ vào Việt Nam là TVH và Sea-We-3 và một tuyến cáp quang đất liền quốc tế là CSC Bảng 0.1 là tham số cơ bản của hai tuyến này

Bảng 0.1 Cáp quang biển cập bờ Việt Nam

Điểm kết nối

Việt Nam (Vũng Tàu), Hồng Kông, Thái Lan

Việt Nam (Đà Nẵng), 33 nước Á,

Âu từ Nhật Bản – Đức

Việt Nam, Trung Quốc, Lào, Thái Lan, Malaysia, Singapore

Dung lượng thiết kế 560 Mbps 2,3 Gbps x 8 x

an toàn của mạng lưới Bởi vậy, việc tiếp tục nghiên cứu phát triển tuyến cáp quang biển hiện đại, dung dượng cao và an toàn để kết nối Việt Nam với thế giới là điều hết sức cần thiết và cấp bách

Hiện nay, Việt Nam đang tập trung nghiên cứu tuyến cáp quang biển nối Việt Nam với Hồng-Kông sử dụng công nghệ WDM có dung lượng cao, hiện đại với những tính năng kỹ thuật có hiệu quả kinh tế cao đang rất được quan tâm

Nhìn chung, thông tin cáp quang biển được xây dựng và phát triển trên các thành tựu của công nghệ thông tin quang, đặc biệt là các tuyến đường trục, khoảng các

xa

Mô hình tổng quát của một hệ thống thông tin cáp quang biển được mô tả trên hình 0.1

Hình 0.1 – Cấu hình tổng quát hệ thống thông tin cáp quang biển

Hệ thống cáp quang biển bao gồm các thiết bị trạm đầu cuối được kết nối với nhau thông qua tuyến cáp quang thả dưới biển Do khoảng cách giữa các thiết bị đầu cuối trong thông tin quang biển là rất xa (hàng nghìn km), nên tín hiệu quang truyền trong cáp biển được chuyển tiếp nhờ các trạm lặp được cấp nguồn từ xa (còn gọi là tuyến cáp quang biển có trạm lặp); ngoài ra, còn có các tuyến cáp quang biển không có trạm lặp (loại này có khoảng cách không quá 350 400 km), loại này được thiết kế để truyền dẫn giữa các địa điểm thông tin dọc bờ biển (Festun)

Trong tài liệu này tập trung vào các nội dung chủ yếu sau:

 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin ghép kênh theo bước sóng WDM

 Tìm hiểu về hệ thống thông tin cáp quang biển với công nghệ WDM

 Tìm hiểu một số thiết bị chính về thông tin quang của các hãng cung cấp lớn trên thế giới

 Tìm hiểu việc nghiên cứu hệ thống thông tin quang giữa Việt Nam và Hồng Kông (HK)

Nhằm mục đích giúp sinh viên trong việc học tập, khai thác và nghiên cứu công nghệ thông tin cáp quang biển có những kiến thức cơ bản cũng như các thông tin cần thiết về hệ thống thông thông tin cáp quang biển

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM

Trong các hệ thống thông tin quang thông thường, luồng tín hiệu quang được truyền theo một hướng trên sợi quang, và hướng ngược lại trên sợi thứ hai Hệ thống như vậy gọi là hệ thống đơn kênh quang Để nâng cao dung lượng truyền dẫn, hiện nay đang sử dụng ghép kênh quang Hệ thống sử dụng kỹ thuật này cùng một lúc truyền nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi quang, nên gọi là hệ thống thông sợi quang nhiều kênh Kỹ thuật WDM tận dụng được phổ hẹp của Laser, phát huy khả năng sử dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode Phương thức ghép kênh quang phổ biến hiện nay là ghép kênh theo bước sóng (WDM-Wavelength Division Multiplexing) ITU-T đã phân thành hai loại:

 Hệ thống ghép kênh thô (CWDM- Coarse Wavelength Division Multiplexing) có kênh rộng hơn 1000 GHz (>1000 GHz), sử dụng các linh kiện quang giá rẻ như Laser có độ sai lệch bước sóng lớn, bộ lọc băng rộng, … và có thể ứng dụng phù hợp với hệ thống có nhu cầu dung lượng không quá cao trong mạng truyền tải

cũng như mạng Metro

 Hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), có bước sóng kênh hẹp hơn 1000 GHz (<1000 GHz), chỉ tiêu linh kiện quang đòi hỏi cao hơn và thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn có

dung lượng rất cao như các tuyến đường trục, cáp biển quốc tế

1.1.1 Nguyên lý ghép kênh

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm (Point to Point) thông thường, mỗi sợi quang sẽ có một nguồn phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Nguồn phát quang sẽ mang tín hiệu và ghép vào sợi quang xác định riêng biệt; bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy, muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang

Kỹ thuật ghép kênh WDM sẽ cho phép tăng dung lượng lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũng không dùng thêm sợi quang Nó thực hiện truyền các luồng quang với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Điều này thực hiện được là do các nguồn phát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống

thông tin thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của mỗi sợi quang

Hình 1.1 mô tả các cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang nằm ở các vùng (cửa sổ) 0.85 m, 1.3 m, 1.55 m

Hình 1.1 Các vùng bước sóng (cửa sổ) có suy hao nhỏ cho phép truyền

nhiều bước sóng

Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng khổng lồ trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang làm việc ở những bước sóng cách nhau một khoảng hợp lý Tại đầu thu, có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này Do có, mức suy hao thấp ở vùng bước sóng 1,55 m nên vùng này được dùng rộng rãi trong ghép kênh WDM

Hình 1.2 minh họa nguyên lý cơ bản của ghép và giải ghép kênh WDM Giả sử

hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau 1, 2, …, n Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênh quang (MUX) Ở đầu thu, các bộ tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các cướng sóng riêng rẽ này sau khi qua bộ giải WDM (DEMUX)

Hình 1.2 Mô tả quá trình ghép và giải ghép WDM

Hình 1.3 mô tả hệ thống truyền dẫn ghép kênh bước sóng quang WDM theo hai chiều

Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh WDM điểm – điểm

Với phương án này, cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện hệ thống thông tin hai chiều

1.1.2 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM

Các thông số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép (MUX/EMUX) hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh Các ký hiệu I(i)

và O(k) tương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang có mặt ở đường chung Ký hiệu

Ik(k) là tín hiệu đầu vào có bước sóng k được ghép vào cửa thứ k; ký hiệu Oi(i) là tín hiệu có bước sóng i đã được giải ghép và đi ra ở cửa thứ i Dưới đây, sẽ xem xét

ba thông số cơ bản của thiết bị WDM:

+ Suy hao xen:

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao xảy ra trong tuyến truyền dẫn quang do trong tuyến đó có thêm các thiết bị ghép WDM Suy hao này gồm: suy hao do điểm ghép nối với các thiết bị WDM với sợi quang và suy hao bởi bản than các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải dự trữ vài dB cho mỗi đầu

Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép Couple chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng:

 Đối với thiết bị MUX:

( )

10 log

( )

i i

i i

O L

i

O L

+ Xuyên kênh:

Xuyên kênh mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này bị rò (chuyển) sang kênh khác lân cận Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tùy thuộc vào trường hợp áp dụng, nhưng nhìn chung, phải đảm bảo nhỏ hơn -30 dB trong mọi trường hợp Trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó và điều này làm suy giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống, Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB:

( ) ( ) 10 log

Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: do đặc tính của bộ lọc tạo ra thiết bị ghép kênh không hoàn thiện; do phổ của các nguồn phát chồng lấn sang nhau; do các hiệu ứng phi tuyến, nhất là đối với trường hợp công suất các kênh bước sóng lớn

+ Độ rộng kênh:

Độ rộng kênh là dải sóng dành cho mỗi lênh mà nó định ra cho từng nguồn phát quang riêng Nếu nguồn phát quang là các nguồn phát Diode Laser thì các độ rộng kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự không ổn định của các nguồn phát gây ra Đối với nguồn phát quang là Diode LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn Như vậy, để tránh nhiễu do phổ nguồn phát, độ rộng kênh phải đảm bảo

đủ lớn, nghĩa là nó phải được xác định tùy theo loại nguồn phát

 Cáp sợi quang;

 Thiết bị ghép và giải ghép WDM;

 Thiết bị ghép xen/rẽ OADM;

 Bộ định tuyến bước sóng;

 Thiết bị đấu nối chéo quang;

 Bộ khuếch đại quang;…

Các thành phần thiết bị này được chế tạo dựa trên những thành tựu công nghệ thông tin quang và tùy theo đặc điểm có sự phù hợp khác nhau đối với các hệ thống thông tin quang WDM

Ta sẽ xem xét các thiết bị chủ yếu với những đặc điểm công nghệ mới nhất phù hợp với ựng dụng cho các hệ thống thông tin quang WDM hiện đại

và sợi đa mode Sợi đơn mode có core nhỏ hơn và chỉ cho một mode ánh sáng đi qua

Do đó, độ trung thực của tín hiệu tốt hơn trong một khoảng cách truyền dẫn lớn vì giảm hẳn tán xạ mode Điều này làm cho sợi đơn mode có dung lượng băng thông lớn hơn sợi đa mode Do có khả năng truyền tải thông tin cực lớn và suy hao thấp, nên sợi quang đơn mode được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin đường dài và dung lượng lớn kể cả DWDM

Việc thiết kế sợi quang đơn mode đã được phát triển mấy chục năm gần đây Hiện nay ITU-T đã xây dựng chỉ tiêu cho ba loại sợi quang đơn mode sau:

+ Sợi không dịch chuyển tán sắc (NDSF: Non- Dispersion – Shifted Fiber): chuẩn NDSF được ITU-T đưa ra trong G.652 (hay còn gọi là sợi đơn mode chuẩn) được thiết kế để sử dụng ở cửa sổ thứ hai gần 1310 nm, với tán sắc màu gần như bằng

0 ở bước sóng này

+ Sợi chuyển dịch tán sắc (DSF: Dispersion Shifted Fiber): chuẩn DSF được ITU-T đưa ra trong khuyến nghị G.653 Ở đây, điểm tán sắc bằng 0 được dịch chuyển đến cửa sổ có bước sóng 1550 nm (băng C) Ở cửa sổ này, sợi quang có suy hao thấp hơn nhiều và phù hợp với tần số làm việc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA Tuy nhiên, do ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến gần điểm dịch chuyển 0 nên loại sợi này không phù hợp sử dụng cho DWDM

+ Sợi dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF: Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber): chuẩn của sợi NZ-DSF được ITU-T khuyến nghị trong G.655, loại này có mức tán sắc thấp ở vùng 1550 nm, nhưng không về không (NZ) nên có thể khắc phục các

hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) Do đó loại sợi này được

1550 nm với khoảng cách kênh nhỏ hơn hay bằng 1 nm Mặt khác, người ta tạo ra được các mạch ánh sáng Plamar chế tạo bằng công nghệ Silica-on-Silicon để phát triển các bộ phát và thu lai ghép tích hợp Các phần tử của mạch tích hợp quang điện OEIC

là rất quan trọng cho việc thực hiện công nghệ hệ thống WDM

 Có nhiều phương thức để tạo ra bộ phát WDM nguyên khối: (1) – kết hợp đầu ra của một số nguồn Laser bán dẫn DFB hoặc DBR, có khả năng điều khiển độc lập qua các cách tử Bragg, bằng các ống dẫn sóng thụ động Bộ khuếch đại sẽ khuếch đại công suất của tín hiệu để tăng công suất phát; (2) – sử dụng các nguồn Laser phát mặt có hốc theo chiều đứng (VCSEL: Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) để tạo

ra bố phát WDM có giá thành thấp trong khi việc ghép mảng Laser hai chiều làm trải rộng dải bước sóng; (3) – tổ hợp cách tử vào trong hốc Laser để thực hiện phát tín hiệu tại một số bước sóng Cách tử sử dụng loại định tuyến cách tử dẫn sóng WGR

 Các bộ thu WDM nguyên khối thực hiện ghép mảng Photodiode với bộ giải ghép kênh, sử dụng hai phương thức: (1) – bộ giải ghép kênh dùng cách tử lõm Plamar được ghép với mảng bộ tách sóng quang; (2) – bộ giải ghép kênh dùng WGR tổ hợp với mảng Photodiode

1.2.3 Bộ khuếch đại quang

1.2.3.1 Nguyên lý hoạt động

Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại công suất tín hiệu quang bị suy hao do truyền dẫn qua sợi quang, nhằm để tăng khoảng cách của tuyến truyền dẫn Các đặc tính chủ yếu cảu bộ khuếch đại là độ khuếch đại, băng tần, công suất ra cực đại, dải động, xuyên kênh,…

Bộ khuếch đại quang gồm hai loại chính: (1) – bộ khuếch đại quang Laser bán dẫn; (2) – bộ khuếch đại quang sợi Hiện nay phổ biến dùng loại sợi pha tạp Erbium, EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplification)

Bộ khuếch đại EDFA là một đoạn sợi quang khoảng vài mét trong lõi có cấy các ion Erbium Er+ với nồng độ dưới 0.1% Khi có một nguồn photon bơm vào, các ion Er+ này sẽ hấp thụ các photon đó và nhả ra điện tử chuyển mức năng lượng từ mức

cơ bản E1 lên mức kích thích E2 Do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E3 ở giữa, nên các điện tử này chuyển xuống mức E3 theo cơ chế phân rã không bức xạ Sau 10

ns, điện tử được kích thích này rơi trở về mức cơ bản E1 và phát xạ ra photon Hiện tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo cơ chế bức xạ kích thích, tức là sự có mặt của các photon mang năng lượng bằng với năng lượng chuyển dịch mức của các điện tử, sẽ kích thích sự phát xạ và tạo thêm nhiều photon của chùm sáng Nhờ vậy, tín hiệu được khuếch đại khi đi qua sợi pha tạp Erbium

Hình 1.4 là sơ đồ khối bộ EDFA, gồm có: Coupler, sợi trộn Erbium, Laser bơm

và hai bộ ngăn cách đặt ở hai đầu của Erbium

Hình 1.4 Sơ đồ khối của EDFA

Tín hiệu qua sợi quang được nối qua bộ ngăn cách để loại các ánh sáng phản xạ

từ sợi vào Bộ ngăn cách ở đầu ra của EDFA ngăn chặn các phản xạ từ sợi ra Nguồn sáng Laser từ bộ bơm được ghép vào bộ EDFA và nó sẽ kích thích sợi Erbium để trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang đi qua đó, ở bước sóng 1550 nm

1.2.3.2 Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM

+ Các ứng dụng của EDFA:

Có ba ứng dụng chính của EDFA là:

 Khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier): BA là bộ EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát để tăng mức công suất tín hiệu

Do mức công suất ra lớn nên yêu cầu về lọc tạp âm là không nghiêm ngặt Tuy nhiên,

có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến

 Tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được đặt ngay trước đầu vào bộ thu để tăng độ nhạy thu Để có mức tạp âm thấp, phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp

 Khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier): là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền quang để tăng chiều dài khoảng lặp

+ Các hạn chế của EDFA

Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác nhau Đặc biệt là tồn tại đỉnh khuếch đại ở bước sóng 1530 nm Hơn nữa, trong trường hợp trên tuyến có sử dụng bộ EDFA thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1558 nm Như vậy, với nhiều bộ EDFA liên tiếp được sử dụng trên tuyến, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống còn 10 nm)

Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng các giải pháp sau:

 Sử dụng bộ lọc để làm suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại (xung quang bước sóng 1553, 1558 nm)

 Điều chỉnh mức công suất của các bước sóng tại đầu vào sao cho ở đầu thu mức công suất của các bước sóng đều nhau

Mặc dù EDFA có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng thông tin quang hiện nay, nhưng vẫn chưa đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng và độ phẳng của phổ tín hiệu Nói chung, băng thông của EDFA đạt cỡ 35 nm trong băng C (từ 1530 đến 1570 nm) Với sự phát triển của công nghệ WDM nên yêu cầu về độ rộng băng thông ngày càng lớn Điều đó đòi hỏi phải có các bộ EDFA có phổ rộng hơn, sự ra đời của EDFA băng L (1585-1610 nm) đã khắc phục rào cản về băng thông và mở ra một cửa sổ WDM mới

Hình 1.5 mô tả phổ quang tại đầu ra của một tuyến thông tin quang DWDM chiều dài 4000 km sử dụng bộ EDFA kết hợp băng tần C (55 kênh bước sóng) và L (45 kênh bước sóng)

Hình 1.5 Phổ quang tại đầu ra tuyến WDM sử dụng các bộ EDFA băng C+L

1.2.3.3 Công suất phát của bộ khuếch đại EDFA

Trong khi tăng dung lượng của đường truyền gắn liền với việc tăng băng thông của EDFA, thì một điều khác cũng rất quan tâm là phải đảm bảo được công suất phát của EDFA để đảm bảo tỷ số SNR của mỗi kênh và tăng cự ly truyền dẫn (điều này đặc biệt quan trọng trong các tuyến đường trục hoặc cáp biển) Các hệ thống DWDM hiện nay có mức công suất phát của EDFA đạt tới 14 dBm (25 mW)

1.3 Các vấn đề thiết kế hệ thống WDM

Khi thiết kế hệ thống WDM phải giải quyết nhiều vấn đề nhưng tập trung chủ yếu vào các vấn đề sau:

1.3.1 Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang

Trong bất kỳ một hệ thống thông tin nào, thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số SNR sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với mức BER cho phép Trước đây, khi chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền dẫn (do suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, suy hao đầu nối,…) được bù lại thông qua việc sử

dụng các trạm lặp điện, quá trình này thực hiện quá phức tạp Tuy nhiên, khi khuếch đại quang ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống không còn khó khăn nữa,

mà vấn đề quan trọng là việc bố trí các bộ khuếch đại quang sao cho hợp lý

1.3.2.2 Các phương pháp chính để giảm sự ảnh hưởng của sự tán sắc

Để giảm ảnh hưởng của tán sắc gồm có phương pháp làm hẹp độ rộng phổ nguồn tín hiệu và phương pháp bù tán sắc như:

+ Sử dụng sợi quang G.653 (sợi có mức tán sắc không tại cửa sổ 1550 nm) + Bù tán sắc bằng phương pháp điều biến dịch pha SPM

+ Bù tán sắc bằng các thành phần tán sắc thụ động (bộ kết hợp quay pha bước sóng và sợi tán sắc âm)

+ Bù tán sắc bằng các thiết bị dịch tần trước (pre – chirp)

+ Bù tán sắc bằng kỹ thuật DST( Dispersion Supported Trans-mission)

+ Bù tán sắc bằng sợi DCF

+ Bù tán sắc băng các module DCM sử dụng cách tử Bragg

Ta cũng có thể coi kỹ thuật WDM cũng có thể coi là một phương pháp giảm ảnh hưởng của tán sắc Do sử dụng kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tin hiệu

Do đó, nếu không xảy ra các hiệu ứng phi tuyến làm tăng ảnh hưởng của tán sắc, điển hình là hiệu ứng XPM, thì giới hạn khoảng cách truyền dẫn do tán sắc gây ra đối với hệ thống WDM có thể coi giống với hệ thống TDM đơn kênh có tốc độ bằng tốc độ của một kênh bước sóng trong hệ thống WDM

Tóm lại, vấn đề tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống thông tin quang

cự ly xa Ảnh hưởng của tán sắc càng nghiêm trọng hơn khi tín hiệu quang được

khuếch đại nhiều lần lặp sử dụng các bộ khuếch đại đường truyền LA Trong hệ thống nhiều kênh WDM ảnh hưởng của tán sắc không đều giữa bước sóng (độ dốc tán sắc) Khắc phục tán sắc là vấn đề cơ bản cần giải quyết trong thiết kế hệ thống thông tin quang WDM cự ly lớn Ta còn quay lại vấn đề này ở lần sau

1.3.3 Vấn đề xuyên kênh

Vấn đề quan trong khác trong thiết kế hệ thống WDM là giải quyết xuyên kênh Đặc tính của hệ thống sẽ bị suy giảm khi có hiện tượng xuyên kênh, nghĩa là hiện tượng dẫn đến một phần công suất của kênh này chuyển sang kênh khác Có sự chuyển đổi đó là do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến bên trong sợi quang, hiện tượng này được gọi là xuyên kênh phi tuyến vì nó phụ thuộc vào bản chất truyền dẫn phi tuyến của kênh thông tin quang

Tuy nhiên, xuyên kênh cũng xảy ra ngay cả khi kênh là tuyến tính hoàn toàn; trường hợp này là do tính không hoàn hảo của các phần tử WDM khác nhau như: bộ lọc quang, bộ giải ghép kênh và các bộ chuyển mạch Dưới đây sẽ đi sâu phân tích hai loại xuyên kênh trên

1.3.3.1 Xuyên kênh tuyến tính

Xuyên kênh tuyến tính có thể chia thành hai loại phụ thuộc vào nguồn gốc của

nó Các bộ lọc quang và các bộ tách kênh thường để rò một phần công suất tín hiệu sang các kênh lân cận, xen vào qúa trình tách sóng Xuyên kênh này gọi là xuyên kênh không đồng nhất bước sóng (hay còn gọi là xuyên kênh ngoài băng), và do tính không kết hợp của nó, nên nó ít ảnh hưởng hơn so với xuyên kênh đồng kênh (hay còn gọi là xuyên kênh trong băng), xảy ra khi định tuyến tín hiệu WDM từ nhiều nút mạng Ta sẽ xem xét chi tiết hơn hai loại xuyên kênh tuyến tính thường gặp:

+ Xuyên kênh gây ra do bộ lọc:

Ta hãy xét trường hợp hệ thống trong đó sử dụng một bộ lọc quang có thể điều chỉnh được để chọn ra một kênh trong số N kênh tới Nếu bộ lọc quang cho qua kênh thứ m, thì công suất quang tới được bộ tách sóng có thể được tính:

Để đánh giá sự tác động của xuyên kênh lên chức năng hệ thống, ta xét việc đền

bù công suất được xác định khi tăng thêm công suất tại bộ thu để hạn chế sự ảnh hưởng của xuyên kênh Dòng photo được phát ra tương ứng với công suất quang tới được xác định:

Với Rm = me /hvm là đáp ứng bộ tách sóng quang cho kênh thứ m tại tần số vm

và m là hiệu suất lượng tử mà nó có thể khác nhau đối với các kênh khác nhau Thành phần Ix biểu thị xuyên kênh thêm vào dòng I của bộ thu Giá trị của nó phụ thuộc vào dạng bít và đạt cực đại khi tất cả các kênh đều mang các bít “1” (đây là trường hợp xấu nhất)

Phương pháp đơn giản để tính mức thiệt thòi công suất xuyên kênh là đưa vào

độ khép hình mắt Thực tế, Ich tăng lên để duy trì chất lượng hệ thống Hệ số tăng xcủa Ich có thể được tính:

10log(1 )

   (1.6) Với

N(N-Trường quang tổng chỉ bao hàm xuyên kênh trong băng được tính:

I t( )R P m P

Và có xuyên kênh là nhiễu cường độ và có thể sử dụng cách tiếp cận để tính toán sự mất mát công suất, theo quan hệ sau:

2

10log(1 )

P   r (1.9) Trong đó:

2 2

2

( )

( 1)

x m

Việc tính toán mất mát công suất do xuyên kênh cho trường hợp định tuyến bước sóng động thông qua kết nối chéo quang sẽ trở nên rất phức tạp do số lượng rất nhiều các phần tử xuyên kênh mà qua đó tín hiệu có thể truyền qua, chẳng hạn như các mạng WDM Việc phân tích cho trường hợp xấu nhất có thể dự đoán được mức độ mất mát công suất khá lớn (>3dB) khi số lượng phần tử xuyên kênh >25, dù cho mức xuyên kênh của mỗi phần tử chỉ bằng -40dB Rõ ràng là xuyên kênh tuyến tính là vấn

đề cơ bản trong thết kế mạng WDM phải được thiết kế sao cho giảm được mức xuyên kênh càng nhiều càng tốt Xuyên kênh này có thể giảm xuống bằng giải pháp bù thực hiện tại bộ thu

1.3.3.3 Xuyên kênh phi tuyến

Trong hệ thống thông tin quang, xuyên kênh phi tuyến xảy ra khi cường độ của tín hiệu quang thay đổi vượt qua một ngưỡng nào đó Đối với các hệ thống WDM xuyên kênh phi tuyến làm giảm công suất từng kênh, làm tăng tỷ số SNR,… Dưới đây

sẽ xem xét một số hiệu ứng phi tuyến gây ra hiện tượng xuyên kênh:

+ Tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scatering – SRS)

SRS có ảnh hưởng lớn đến hệ thông WDM Ở đây sợi quang hoạt động như một bộ khuếch đại Raman sao cho các kênh có bước sóng ngắn với sự sai khác bước sóng nằm trong dải thông của khuếch đại Raman Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic

bị giãn rộng khiến cho sự khuếch đại có thể xảy ra đối với những kênh có khoảng cách khá xa tới 20nm Kênh bước sóng ngắn nhất sẽ bị suy giảm nhiều nhất, vì có thể bơm nhiều kênh cùng một lúc Sự chuyển đổi năng lượng giữa các kênh này có thể gây hại cho chất lượng của hệ thống vì nó còn phụ thuộc vào dạng bit “1” xuất hiện đồng thời trong cả hai kênh Sự khuếch đại phụ thuộc này sẽ làm tăng mức độ thăng giáng công suất và làm tăng nhiễu ở bộ thu

Có thể tránh được xuyên kênh Raman nếu công suất các kênh nhỏ sao cho khuếch đại Raman là không đáng kể trên chiều dài sợi quang Đây là điều rất quan trọng cho việc đánh giá giá trị giới hạn của công suất kênh Ta hãy khảo sát một mô

hình đánh giá sự suy giảm của kênh tần số cao nhất (trong trường hợp xấu nhất) mà tại

đó tất cả các kênh đều truyền đi bít “1” cùng một lúc Hệ số khuếch đại của mỗi kênh là:

Là hệ số khuếch đại Raman tại i=0-i và Pch là công suất kênh Khi giLeft

<< 1, kênh tần số cao nhất tại 0 bị suy giảm một lượng giLeft là do khuếch đại Raman của kênh thứ i Tổng suy giảm xác định bởi quan hệ sau:

2 eft

( ) eft

N

R ch i

ax 13 eft

eft.N(N-1)1x10

M

ch R

V g L D

số lượng kênh WDM lớn hơn 80 kênh

Hình 1.6 Giới hạn về công suất quang do tác động của bốn hiệu ứng phi tuyến

Việc phân tich trên đã bỏ qua một thực tế là các tín hiệu trong từng kênh bao gồm một chuỗi ngẫu nhiên các bit “0” và “1” Quá trình phân tích thống kê cho thấy xuyên kênh Raman thấp hơn vào khoảng hệ số 2 khi có tính đến điều biến tín hiệu Một mô hình khác hoàn chỉnh hơn xem xét đến sự suy giảm của từng kênh thông qua bơm Raman các kênh bước sóng dài hơn và khuếch đại của chính nó do bơm từ các kênh bước sóng ngắn Sự khuếch đại theo chu kỳ của tín hiệu WDM trong một tuyến truyến dẫn quang khoảng cách lớn củng làm tăng ảnh hưởng của sự suy giảm SRS gây

ra Nguyên nhân là ở chỗ các bộ khuếch đại đường truyền (LA) thêm nhiễu có mức suy hao Raman thấp của chính tín hiệu, dẫn đến suy giảm SNR Trong thực tế, tổng dung lượng của hệ thống WDM bị giới hạn thấp hơn 100 Gbps với cự ly truyền dẫn từ

500 km trở lên

+ Tán xạ Brillouin kích thích (SBS: Stimulated Brillouin Scatering)

SSB có thể chuyển năng lượng từ một kênh tần số cao xuống một kênh tần số thấp khi khoảng cách kênh bằng độ dịch Brillouin Tuy nhiên ngược với SRS sự chuyển năng lượng như vậy sẽ tránh được dễ dàng bằng cách thiết kế thích hợp các hệ thống thông tin nhiều kênh Lý do là dải thông khuếch đại Brillouin quá hẹp (khoảng

50 Mhz) so với dải thông khuếch đại Raman (5 THz) Do đó, khoảng cách kênh phải được điều chỉnh chính xác với độ dịch Brillouin (khoảng 1,5 m) để SBS có thể xảy

ra

Mặc dù SSB không gây ra ảnh hưởng đến xuyên kênh trong khi tất cả các kênh truyền xuôi theo cùng hướng, tuy nhiên nó vẫn hạn chế các công suất kênh Nguyên nhân là do một phần công suất kênh có thể bị chuyển thành sóng Stokes truyền theo hướng ngược lại, sóng này được phát ra từ nhiễu khi điều kiện ngưỡng được thảo mãn

Điều kiện này độc lập về số lượng và sự hiện diện của các kênh khác Tuy nhiên ngưỡng Brillouin đối với mỗi một kênh có thể đạt tới công suất kênh nhỏ từ 2 đến 3

mW Đối với sợi có tiết diện hiệu dụng Aeff = 50 m2 và hệ số suy hao  = 0,2 dB /Km

để Left có thể bằng 1/ Giá trị này được chỉ ra trên hình 1.6 Đường cong này đã bỏ qua các hiệu ứng điều biến tín hiệu Nói chung ngưỡng Brillouin phụ thuộc vào dạng điều biến tín hiệu cũng như tỷ số của tốc độ bit đối với dải thông khuếch đại Brillouin Hơn nữa có thể tăng lên gần 100 mW bằng cách điều biến pha của sóng mang tại tần

số 0.2  0.5 Ghz Sự điều biến pha như vậy sẽ làm giảm độ rộng phổ nguồn phát, hạn chế đáng kể SBS

+ Điều biến pha chéo ( XPM: Cross- Phase Modulatom)

Một cơ chế xuyên kênh quan trọng trong hệ thống WDM là hiện tượng phi tuyến của XPM XPM bắt nguồn từ sự phụ thuộc vào cường độ của chỉ số chiết suất,

mà chỉ số này là nguyên nhân gây ra sự dịch pha phụ thuộc cường độ tín hiệu truyền dọc qua sợi quang Sự dịch pha đối với một kênh riêng biệt phụ thuộc không chỉ vào công suất của kênh đó mà còn cả vào công suất của các kênh khác Độ dịch pha tổng cộng đồi với kênh thứ j có thể được xác định:

2

N NL

Tình thế là hoàn toàn khác đối với các hệ thống đa kênh Coherent tính nhạy pha của bộ thu Hiệu ứng XPM phụ thuộc vào dạng điều biến Trường hợp xấu nhất sẽ xảy

ra đối với điều biến ASK vì độ lệch pha phụ thuộc vào mẫu bit của các kênh khác nhau Ảnh hưởng của XPM có thể được bỏ qua bằng cách chọn công suất kênh Pch để

công thức (1.14) không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Trên thực tế các công suất kênh bị biến động là do nhiễu cường độ liên quan đến các Laser phát XPM sẽ biến đổi

sự biến động về cường độ thăng giáng về pha của biểu thức (1.14) Nếu 2

p là sự biến đổi và biến động công suất được giả thiết giống nhau cho tất cả các kênh thì thì biến đổi pha 2

p có thể thu được bằng cách thêm vào các biến đổi riêng rẽ vì công suất trong mỗi kênh biến đổi độc lập với nhau Do đó đối với N lớn được tính xấp xỉ:

 Điều này được chỉ ra trên Hình.1.6 và được so sánh với giới hạn công suất phát ra

do SBS và SRB Hiệu ứng XPM trở thành cơ chế xuyên kênh chủ yếu đối vối các hệ thống WDM từ 10 kênh trở lên nó hạn chế công suất thấp hơn 0.1 mW với N > 100

+ Trộn bốn bước sóng ( FWM : Four – Wave Mixing)

Hiệu ứng FWM trở thành nguồn xuyên kênh phi tuyến chủ yếu khi khoảng cách kênh và tán sắc sợi đủ để thỏa mãn điều kiện tương đồng về pha Tác động của FWM

là nghiêm trọng nhất trong hệ thống WDM coherent khoảng cách kênh khoảng 10Ghz Đối với hệ thống WDM không kết hợp FWM trở nên có liên quan chủ yếu khi các bước sóng kênh gần với bước sóng tán sắc bằng 0 của sợi quang Đây là trường hợp cho các hệ thống làm việc ở vùng bước sóng 1.5 m khi sử dụng các sợi tán sắc dịch chuyển Trong thực tế các sợi quang thường được chế tạo sao cho tán sắc của chúng đủ nhỏ để tối thiểu hóa các hiệu ứng tán sắc, nhưng đồng thời cũng đủ lớn để xuyên kênh gây ra bởi FWM cũng nhỏ nhất

Về vất lý, hiệu ứng FWM dẫn đến suy giảm chất lượng hệ thống có thể được hiểu là FWM phát ra một sóng mới ở tần số ijk = i + j + k, khi ba sóng i , j, k cùng truyền đi bên trong sợi Đối với hệ thống N kênh i, j, k có thể thay đổi từ 1 đến

N, dẫn đến một tổ hợp các tần số mới phát sóng bởi FWM Trong trường hợp khoảng cách các kênh bằng nhau, các tần số mới trùng khớp với các tần số đang tồn tại dẫn đến xuyên kênh trong băng kết hợp Trong cả hai trường hợp năng lực hệ thống bị suy giảm do suy hao về công suất kênh nhưng xuyên kênh kết hợp làm giảm chất lượng hệ thông nhiều hơn Vì vậy các hệ thống WDM đôi khi được thiết kế có khoảng cách

kênh không đều nhau và các kênh bước sóng được chọn sao cho tất cả các tần số do FWM tạo ra rơi ra bên ngoài phổ tín hiệu

Hiệu suất FWM thay đổi theo Pch nếu ta giả thiết công suất các kênh bằng nhau

Nó cũng phụ thuộc vào khoảng cách kênh do yêu cầu hiệu chỉnh pha Với khoảng cách kênh cho trước Pch nên được giảm xuống thấp hơn một giá trị xác định nào đó nhằm giảm tác động của FWM lên chất lượng hệ thống Hình 1.6 mô tả hạn chế này cho trường hợp khoảng cách kênh 100 Ghz khi sử dụng sợi tán sắc dịch chyển Thông thường FWM giới hạn các công suất kênh < 1 mW loại trừ trường hợp sử dụng các khoảng cách kênh không đều Một số đo đạc thực nghiệm đã xác định được ưu điểm của khoảng cách kênh không đều này Tuy nhiên đây không phải là giải pháp thực tế

vì có nhiều thiết bị WDM (như bộ lọc FP hay WGR) thường được chế tạo có khoảng cách đều nhau

Tóm lại, có một số các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống nên trong thiết kế hệ thống phải tối thiểu hóa một cách hợp lý

1.3.4 Kênh bước sóng ITU-T Grid

1.3.4.1 Khoảng cách kênh bước sóng

Một trong những yếu tố quan trọng cần phải xem xét là số kênh bước sóng của

hệ thống thông tin quang WDM Số kênh bước sóng lớn nhất có thể sử dụng phụ thuộc vào:

+ Khả năng công nghệ :

Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống cụ thể :

 Băng tần của sợi quang;

 Khả năng tách ghép của thiết bị giải ghép kênh;

+ Khoảng cách kênh bước sóng:

Khoảng cách kênh bước sóng chịu ảnh hưởng của các yếu tố:

 Tốc độ truyền dẫn của từng kênh;

 Quỹ công suất quang;

 Ảnh hưởng của xuyên kênh( tuyến tính và phi tuyến)

 Độ rộng phổ của nguồn;

 Khả năng của thiết bị quang ghép – ghép WDM

Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng 35 nm đối với băng C, nên trong thực tế các hệ thông WDM không thể tận dụng hết băng tần sợi quang

Nếu  = 35 nm, xét riêng với băng C thì ta có f = 4370 Ghz Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5 Ghz theo định lý Nyquist với phổ tín hiệu là

2x2.5 = 5 Ghz thì số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = f/5 = 874 kênh trong dải băng tần của một bộ khuếch đại quang

Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C Tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn thì đòi hỏi các thành phần quang của hệ thống phải có chất lượng cao

Để tránh xuyên kênh giữa các kênh này đòi hỏi phải có nguồn phát quang ổn định và các bộ thu quang phải có độ chọn lóc bước sóng cao Bất kỳ sự dịch tần nào (Chirping) của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận

Dựa trên khả năng công nghệ hiện có ITU-T đã đưa ra khuyến nghị về khoảng cách kênh bước sóng (ITU-T Grid) cho DWDM và CWDM Các thiết bị WDM thương mại hiên nay đều tuân theo một trong 2 chuẩn tùy theo ứng dụng

1.3.4.2 Ghép kênh bước sóng mật độ cao( DWDM)

Trong khuyến nghị G.649.1 của ITU-T đã đưa ra định nghĩa về lưới tần số để

hỗ trợ các ứng dụng ghép kênh DWDM

 Đối với khoảng cách kênh bước sóng 12.5 Ghz các tần số kênh cho phép là 193.1 + n x 0.0125, trong đó n là số nguyên dương hoặc âm gồm cả số 0

 Đối với khoảng cách bước sóng 25GHz các tần số kênh cho phép là: 193.1 +

nx 0.025 trong đó n là số nguyên dương hoặc âm bao gồm cả số 0

 Đối với khoảnh cách kênh bước sóng 50 GHz các tần số kênh cho phép là: 193.1 + nx 0.05, trong đó n là số nguyên dương hoặc âm gồm cả số 0

 Đối với khoảng cách bước sóng 100GHz các tần số kênh cho phép là: 193.1 +

n x 0.1, trong đó n là số nguyên dương hoặc âm, bao gồm cả số 0

Bảng 1.2 dưới đây giới thiệu các tần số trung tâm trong băng C và L dựa trên khoảng cách kênh tối thiểu 12.5 GHz tính trong băng tần chuẩn 193.1 GHz Bảng này cũng bao gồm các bước tần số ứng với khoảng cách kênh 25.50 và 100 Ghz

Bảng 1.2 Lưới phân bố tần số trung tâm của DWDM (khuyến nghị G.694.1

của ITU-T (06/2002)

1.3.4.3 Ghép kênh bước sóng thô (CWDM)

Trong khuyến nghị G.694.2 của ITU-T (06/2002) đã đưa ra định nghĩa về lưới tần số để hỗ trợ cho các ứng ghép kênh bước sóng CWDM Lưới này được thiết kế để cho phép phát đồng thời một số bước sóng có khoảng cách đủ lớn để có thể sử dụng các nguồn phát không làm…

Bảng 1.3 trình bày các kênh bước sóng của lưới CWDM trong dải từ 1270 đến

1610 nm

Bảng 1.3 Các bước sóng trung tâm của lưới CWDM (G.694.2 của ITU-T

Do sử dụng bộ EDFA nên tín hiệu truyền dẫn là tín hệu quang Tuy nhiên khi

đó sự giảm chất lượng hệ thống được tích lũy theo tuyến làm hạn chế dung lượng và

độ dài của tuyến Nhưng suy giảm chính của hệ thống là tạp âm khuếch đại quang tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến

1.4.1.1 Bộ khuếch đại EDFA

Bộ khuếch đại EDFA dùng để khuếch đại tín hệu quang, nhưng đồng thời cũng tạo ra tap âm tự phát (ASE: Amplifined Spontaneous Emission Noise)

trong cac hệ thống đường dài ASE tạo ra bởi các bộ EDFA được tích lũy dọc tuyến và

là một yếu tố đáng kể hạn chế tới phẩm chất hệ thống

1.4.1.2 Tán sắc màu

Tán sắc màu gây ra tín hiệu ở những tần số khác nhau phát trong sợi quang với tốc độ khác nhau dẫn dến méo tín hiệu ở đầu cuối tuyến truyền dẫn Hiệu ứng tán sắc phụ thuộc vào hệ số tán sắc của sợi quang và tăng lên với tỷ lệ với bình phương tốc độ bít của tín hiệu, ví dụ, khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế bởi tán sắc của sợi quang đến mode chuẩn SFM đối với tín hiệu 10Gbit/s vào khoảng 60 km Vì thế đối với các

hệ thống truyền dẫn đường dài cần phải có bù tán sắc

1.4.1.3 Các hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng liên quan đến phi tuyến được chia thành 2 nhóm:

+ Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến chiết suất:

Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến chiết suất gồm: điều biến trị pha (SPM : Self – Phase Modulatron) điều biến pha chéo (XPM: Cross – Phase Modunlatron) và trộn bốn bước sóng (FWM): Four – Wave Mixing)

+ Hiệu ứng phi tuyến liên quan đến tán xạ:

Phi tuyến liên quan đến tán xạ gồm: tán xạ Brillouin kích thích (SBS) tán xạ Ramam kích thích (SRS)

Điều biến tự pha là một hiệu ứng đơn kênh gắn liền với chiết suất phi tuyến Chiết suất phụ thuộc vào công suất tín hiệu như sau:

0 eff

dP dt

Hiệu ứng dịch tần này làm rộng phổ

Tán sắc màu làm biến đổi độ rộng phổ làm méo tín hiệu Sự kết hợp của hiệu ứng tán sắc màu và SPM là một vấn đề phải quan tâm trong thiết kế hệ thống tốc độ cao

Cũng như SPM điều biến pha chéo (XPM) gây ra bởi sự thay đổi pha do chiết suất phi tuyến và dịch tần Tuy nhiên không như SPM điều biến pha chéo (XPM) được gây ra bởi tín hiệu ở các bước sóng khác, vì thế XPM chỉ tồn tại ở các hệ thống WDM

FWM được tạo ra bởi chiết suất phi tuyến của sợi quang tương tự như méo điều biến tương hỗ trong hệ thống điện, sự xung đột giữa các kênh WDM tạo ra thành phần mới với tần số:

ijk i j k

Hình H.1.7 mô tả các thành phần FWM được tạo ra trong hệ thống 3 bước sóng Khi các kênh WDM cách đều nhau, các thành phần FWM 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 trở nên đáng kể khi có nhiều kênh WDM và khoảng cách là gần FWM là một hiệu ứng truyền dẫn chính trong các hệ thống WDM SBS là hiệu ứng đơn kênh gây ra bởi tương tác giữa ánh sáng với sóng âm thanh trong sợi quang Hiệu ứng 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 quá ngưỡng thì SBS không gây ra ảnh hưởng đáng kể lên

hệ thống

Hình 1.7 các thành phần FWM3 bước sóng

SRS là tương tác các thông số phi tuyến giữa ánh sáng và các dao động phân tử

Nó cũng là cơ chế tạo ra hệ số khuếch đại Raman Trong các hệ thống WDM do hiệu ứng SRS tín hiệu ở bước sóng ngắn hơn làm việc như một nguồn bơm cho tín hiệu có bước sóng dài hơn, vì thế tin hiệu có bước sóng dài hơn được khuếch đại Khuếch đại SRS có băng thông rộng và đỉnh khoảng 100 nm, nên hiệu ứng SRS trở nên đáng kể hơn khi băng thông của WDM rộng

Việc tăng dung lượng và khoảng cách của tuyến truyền dẫn quang dẫn đến tăng thách thức cho thiết kế hệ thống Hình 1.8 chỉ ra các vấn đề cần xem xét trong thiết kế

hệ thống dung lượng cao, khoảng cách xa

Hình 1.8 Các vấn đề cần xem xét trong thiết kế hệ thống truyền dẫn dung

lượng cao, khoảng cách xa

Ngoài tạp âm, tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến khi tốc độ bít tăng lên (10Gbit/s) thì tán sắc phân cực mode (PMD: Polarization Mode Dispersion) có thể trở nên đáng kể PMD làm cho tín hiệu phát đi với tốc độ khác nhau trên hai trạng thái phân cực dẫn đến méo tín hiệu Một vấn đề thiết kế nữa là băng thông của bộ khuếch đại làm hạn chế số lượng kênh bước sóng, nghĩa là hạn chế dung lượng hệ thống Trong hệ thống WDM đường trục có rất nhiều bộ EDFA nối tiếp nhau do đó đòi hỏi các bộ khuếch đại có độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại trong băng thông tín hiệu để đảm bảo duy trì tỷ số SNR đồng đều trên các bước sóng của WDM,

Bộ EDFA sử dụng bộ lọc làm đồng đều hệ số khuếch đại cho phép đạt được băng thông 30 nm cho các tuyến cáp vượt đại dương ở băng C Vì nhiễu của hiệu ứng truyền dẫn và đặc tính tương tác thống kê của chúng việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn, khoảng cách xa trở nên rất phức tạp Chi tiết hơn khi thiết

kế các hệ thống thông tin quang tốc độ 10Gbit/s sẽ xét sau

1.4.2 Một số công nghệ áp dụng cho các hệ thống WDM đường trục

Các tác động truyền dẫn chính trong các hệ thống quang đường trục dung lượng quang là tạp âm quang, tán sắc màu và hiệu ứng phi tuyến khác nhau Mục đích thiết

kế hệ thống là làm giảm các tác động trên và bù lại những suy hao chất lượng hệ thống Do tính chất phức tạp nên việc đạt được phẩm chất hệ thống tốt nhất chỉ có thể thực hiện được bằng cách dung hòa các tác động này

Mặc dù để giảm các hiệu ứng phi tuyến ta có thể giảm công suất phát nhưng điều này sẽ làm giảm SNR, dẫn đến hạn chế chất lượng của hệ thống Tuy nhiên, khi công suất tín hiệu cao làm tăng SNR nhưng lúc này sẽ dẫn đến xuất hiện các hiệu ứng phi tuyến làm giảm chất lượng hệ thống Để khắc phục điều này thường sử dụng một

số công nghệ sau:

 Dùng tín hiệu bơm 980 nm trong bộ EDFA để nâng cao SNR;

 Sử dụng khoảng cách khuếch đại nhỏ hơn để giảm tạp âm khuếch đại;

 Sử dụng bộ sửa lỗi trước(FEC: Forward Error Correction) để nâng cao hệ số SNR của hệ thống

Các phương thức điều biến và kiểm soát tán sắc mới được sử dụng để làm giảm hiệu ứng phi tuyến và nâng mức ngưỡng phi tuyến lên cao hơn, qua đó có thể nâng cao cửa sổ làm việc của hệ thống

Dưới đây sẽ phân tích và xem xét một số vấn đề tạp âm, công nghệ mới để triển khai các hệ thống đường dài dung lượng cao

1.4.2.1 Tạp âm

Lợi ích của việc giảm khoảng cách lặp trong tuyến cáp nói chung và đặc biệt cáp biển nói riêng: Trong các tuyến đường trục khoảng cách dài (cáp biển) các bộ khuếch đại quang được sử dụng trong những khoảng cách định kỳ (bộ lặp) Đây là một thông số thiết kế chủ yếu Đối với khoảng cách lặp ngắn, tăng ích của bộ khuếch đại

để bù lại suy hao sợi quang yêu cầu thấp hơn nên cho tạp âm khuếch đại thấp hơn (xem (1.17)) Điều này cải thiện được SNR, trong khi phẩm chất lý tưởng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào sự suy giảm tạp âm tích lũy được xác định:

20 log

e SNR B B

Pav lớn hơn khi khoảng cách khuếch đại ngắn hơn, dẫn đến hiệu ứng SPM cao hơn như

đã chỉ ra ở trên Hiệu ứng phi tuyến này làm giảm độ hiệu dụng đạt được khi rút ngắn khoảng cách khuếch đại Các hiệu ứng phi tuyến WDM cũng tùy thuộc vào công suất tín hiệu, mặc dù phụ thuộc phức tạp hơn vào số kênh và khoảng cách kênh Vì thế, Pav

được xem là thước đo phù hợp để so sánh mức độ phi tuyến

Việc nâng cao phẩm chất hệ thống bằng cách giảm khoảng cách trạm lặp cũng được đánh giá bằng thông số Pav Hãy xem xét cụ thể một hệ thống đường dài 10 Gbit/s có khoảng cách 7500 km khi thay đổi khoảng cách của bộ khuếch đại, giá trị Q

lý tưởng với công suất ra của trạm lặp như nhau đều tính theo (1.22) Việc nâng cao phẩm chất được tính bởi tỷ số SNR quang được cải thiện không đáng kể đến tác động phi tuyến Khi điều chỉnh công suất ra của trạm lặp tương ứng với khoảng cách trạm lặp, phẩm chất hệ thống sẽ được tính toán đối với cùng công suất bình quân Kết quả

so sánh cho ở hình 1.9

Hình 1.9 Phẩm chất hệ thống đổi với khoảng cách trạm lặp khác nhau

Khi khoảng cách trạm lặp thay đổi từ 50 km xuống 40 km, tỷ số SNR được cải thiện thêm 1,5 dB Tuy nhiên, nếu tính thêm hiệu ứng phi tuyến, thì độ lợi quỹ công suất chỉ là 0,8 dB Với khoảng cách 60 km, việc cải thiện chất lượng hệ thống đạt được bằng cách chia đôi khoảng cách trạm lặp là vào khoảng 2.4 dB Do đó, so sánh hệ số Q đối với cùng công suất tín hiệu bình quân cho ta đánh giá chính xác hơn lợi ích của việc giảm khoảng cách trạm lặp, và như thế cho ta cách thiết kế khoảng cách trạm lặp tối ưu

1.4.2.2 Kiểm soát tán sắc

Tán sắc màu gây ra méo tín hiệu và làm giảm chất lượng hệ thống Vì thế bù tán sắc là thống số quyết định đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, kiểm soát tán sắc có vai trò quan trọng trong việc khắc phục hiệu ứng phi tuyến của hệ thống

Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn có tán sắc cao khoảng 17 ps/nm.km ở cửa sổ

1550 nm Để khắc phục ảnh hưởng của tán sắc phải dùng sợi dịch chuyển tán sắc về 0

ở cửa sổ 1550 nm Hiệu ứng tán sắc vì thế có thể giảm đáng kể và hiệu ứng SPM cũng giảm Tuy nhiên, đối với công nghệ WDM, việc tán sắc về 0 ở bước sóng tín hiệu lại gây ra sự pha trộn giữa các bước sóng tín hiệu và làm tăng hiệu ứng FWM và XPM

Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng loại sợi dịch chuyển tán sắc không về 0 (NZ-DSF), có mức tán sắc ở cửa sổ tín hiệu rất thấp, -2 ps/nm.km

Trong các hệ thống WDM, cần phải quan tâm đến tán sắc bậc 3 hay độ dốc tán sắc Độ dốc tán sắc gây ra các kênh ngoài tích lũy tán sắc dư dọc theo tuyến Đối với các tuyến cáp biển vượt đại dương tán sắc tích lũy trở nên rất lớn ở các kênh rìa (biên) Băng thông tín hiệu WDM càng lớn thì tán sắc dư càng nhiều Đối với việc kiểm soát tán sắc này, độ dốc tán sắc hạn chế cửa sổ tín hiệu WDM Để bù lượng tán sắc dư, người ta áp dụng bù tán sắc trước và sau trong các thiết bị đầu cuối trong mỗi kênh bước sóng Vì thế, để kiểm soát tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến, cần phải có bản đồ tán sắc với tán sắc toàn trình thấp và tán sắc nội bộ cao; hơn nữa, còn phải bù độ dốc tán sắc trong các hệ thống truyền dẫn cực dài

1.4.2.3 Chọn phương thức điều biến

Phương thức điều biến tín hiệu là một yếu tố thiết kế quan trọng cần xem xét trong việc làm giảm độ phi tuyến Trong các hệ thống thông tin sợi quang, phương án điều biến sâu và tách sóng trực tiếp thường được sử dụng, tức là cường độ tín hiệu được điều biến để mang tín hiệu “1” và “0” Ở đầu thu, tín hiệu được tách ra là các số

“1” hoặc “0” dựa vào cường độ tín hiệu lớn hay thấp hơn ngưỡng quyết định Phương thức tín hiệu không trở về 0 (NRZ) thường được sử dụng khi một xung quang chiếm toàn bộ chu kỳ bít được gửi đi với số “1” và không phát quang được gửi tín hiệu RZ đi đối với số “0” Đối với phương thức tín hiệu trở về 0 (RZ), xung tín hiệu quang cho

“1” không chiếm toàn bộ chu kỳ bít, và vì thế tín hiệu RZ có thể có độ rộng xung khác nhau RZ dịch tần là một mẫu điều biến phức tạp hơn mà cường độ tín hiệu được điều biến theo cùng cách như tín hiệu RZ, nhưng pha của tín hiệu quang được điều biến hình sin với cùng tần số của tốc độ bít Hình 1.10 so sánh phổ quang của các mẫu tín hiệu khác nhau đối với tốc độ bít 10 Gbit/s

Hình 1.10 Phổ quang của các phương thức điều chế khác nhau

NRZ có phổ hẹp, trong khi phổ tín hiệu RZ rộng hơn với băng bên Điều biến pha lên tín hiệu RZ dịch tần tạo ra nhiều băng bên trong phổ tín hiệu, số các băng bên

và biên độ của chúng phụ thuộc vào độ sâu điều biến

Như đã chỉ ra, độ dốc tán sắc tạo ra tán sắc dư ở các kênh ngoài trong hệ thống WDM, nó tác động với hiệu ứng SPM làm giảm phẩm chất hệ thống Phương thức RZ dịch tần có thể sử dụng để cải thiện phẩm chất hệ thống Có thể thấy rằng, tín hiệu ở bước sóng trung tâm ít bị ảnh hưởng của chỉ số điều biến và có thể đạt được phẩm chất

hệ thống tốt với các độ sâu điều biến khác nhau Tuy nhiên, đối với các kênh ngoài, cần phải có chỉ số điều biến lớn để đạt được phẩm chất hệ thống tốt hơn Vì thế, chỉ số điều biến cần phải được tối ưu đối với từng kênh RZ dịch tần là một công nghệ quan trọng để đạt được hệ thống truyền dẫn cực dài

Trên đây đã phân tích về tầm quan trọng của kiểm soát tán sắc, hiệu quả của RZ dịch tần, các công nghệ chính được áp dụng trong các hệ thống WDM đường dài (cáp biển) hiện nay Những công nghệ này cũng được ứng dụng trong các hệ thống đường dài trên mặt đất

Hình 1.11 mô tả chất lượng hệ thống của hệ thống cáp biển WDm 16 kênh, 10 Gbit/s

Hình 1.11 Chất lượng hệ thống của hệ thống cáp biển WDM 16-kênh, 10 Gbit/s

Hình 1.11a mô tả kết quả mẫu của một hệ thống cáp quang biển WDM 16 kênh, 10 Gbit/s có tổng chiều dài 8550 km sử dụng tín hiệu RZ dịch tần và kiểm soát tán sắc Qua kết quả cho thấy, trong hầu hết các kênh, bù tán sắc 100 % ở thiết bị đầu cuối cho chất lượng tốt nhất Dung sai tán sắc là 5% (nếu >5% sẽ làm giảm chất lượng

hệ thống, nhất là ở các kênh ngoài) Hình 1.11 b , mô tả kết quả của một hệ thống cáp biển WDM 16 kênh, 10 Gbit/s có tổng chiều dài 7500 km, và khoảng cách lặp là 50

km Với tín hiệu RZ dịch tần và bù tán sắc tại thiết bị đầu cuối, chất lượng hệ thống được xem xét với những mức công suất khác nhau của tín hiệu Có thể thấy rằng công suất tín hiệu 8,65 dBm (công suất mỗi kênh là -3,4 dBm) cho phẩm chất hệ thống tốt nhất

1.4.2.4 Các công nghệ mới

Trên đây đã trình bày về hiệu ứng truyền dẫn và những công nghệ này chủ yếu được dùng trong hệ thống WDM đường dài hiện nay Tuy nhiên, những tiến bộ công nghệ vẫn cho phép ứng dụng để tăng dung lượng nghĩa là tăng hiệu quả sử dụng phổ với nhiều bước sóng hơn trong băng C cũng như các băng khác,…

 Bộ khuếch đại Raman là một công nghệ khuếch đại chủ yếu, nó dựa trên hiệu ứng SRS với băng thông rộng, khoảng 100 nm cách xa so với bước sóng bơm So với EDFA, khuếch đại Raman có tạp âm thấp Hơn nữa, băng thông Raman có thể điều chỉnh được bằng bước sóng nguồn bơm Với tạp âm thấp, các bộ khuếch đại Raman có thể được sử dụng để tăng cự ly truyền của hệ thống, khoảng cách khuếch đại và dung lượng hệ thống WDM

 Về vấn đề kiểm soát tán sắc cũng được tiếp tục có những nghiên cứu Ví dụ như việc sử dụng phương thức điều biến khác nhau với phương thức điều biến phân cực để cải thiện hiệu suất phổ Sợi quang có độ dốc tán sắc thấp cho phép quan sát tán sắc tích lũy ở những kênh để nâng số kênh bước sóng đang được chế tạo Ngoài ra, một phương pháp kiểm soát tán sắc mới cũng đang được phát triển, theo đó mỗi khoảng cách lặp gồm những sợi với tán sắc dương và tán sắc âm, tức là sợi SMF được dùng làm sợi +D và sợi DCF bù độ dốc được dùng làm sợi –D, như vậy, trong khoảng

lặp, cả tán sắc và độ dốc tán sắc đều được bù Sử dụng phương thức kiểm soát tán sắc này sẽ làm giảm hạn chế của hiệu ứng độ dốc tán sắc đối với truyền dẫn băng rộng

 Các phương thức điều biến mới cũng được nghiên cứu: phương thức RZ chặn sóng mang (Carrier Suppressed RZ-CS-RZ) rất hiệu quả để giảm các hiệu ứng phi tuyến, lọc Vestigial Sidebank (VSB) để cải thiện hiệu suất phổ, CS-RZ có lọc RZ-DPSK Phương thức NRZ đơn giản và có phổ hẹp, nhưng với sự phát triển của việc kiểm soát tán sắc thì cũng không cần thiết những phương thức điều biến phức tạp nữa,

vì thế NRZ cũng có thể sử dụng để nâng cao hiệu suất băng tần

1.5 Kết luận chương

Chương này trình bày các nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM và các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống như: suy hao, xuyên kênh, độ rộng kênh,… Ở đây cũng giới thiệu các thành phần chính của thiết bị trong hệ thống thông tin quang, mà tập trung chủ yếu vào sợi quang, nguồn phát quang và khuếch đại quang

 Phân tích các vấn đề liên quan đến thiết kế hệ thống thông tin quang nhiều kênh WDM như: tính toán quỹ công suất, tán sắc, xuyên kênh, hiệu ứng phi tuyến

 Trình bày về các vấn đề kỹ thuật cần nghiên cứu trong hệ thống WDM đường trục dung lượng cao và cự ly xa; những vấn đề ảnh hưởng cần được kiểm soát như tạp

âm tích lũy trên tuyến gồm các trạm lặp quang, tán sắc màu của sợi quang và các hiệu ứng phi tuyến

Cũng cần nhấn mạnh rằng, những tiến bộ của công nghệ đã khắc phục được nhiều những hạn chế kỹ thuật đã cho phép phát triển các hệ thống thông tin quang dung lượng cực lớn, tớ trên Tera bít/s và được ứng dụng trong thực tế

Chương 2 TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC, ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC MODE PHÂN CỰC LÊN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

TỐC ĐỘ CAO

Chương này sẽ nghiên cứu hai nội dung chính là bản chất của tán sắc MODE phân cực và ảnh hưởng của tán sắc MODE phân cực với nhiễu liên quan trong hệ thống thông tin quang WDM

2.1 Tán sắc MODE phân cực (PMD) trong sợi quang

2.1.1 Các mode phân cực

Thực tế, trong sợi quang đơn mode vẫn tồn tại vài mode phân cực (Polirization mode, PM) và hoàn toàn có thể nghiên cứu các mode phân cực này tương tự như đối với các mode lan truyền trong sợi đa mode Mode bậc thấp nhất là mode cơ bản

HE11(còn gọi là phân cực tuyến tính LP01) có trường điện truyền lan theo hướng trục x của sợi thì phân cực trực giao là mode độc lập được mô tả trê hình 2.1

Hình 2.1 Hai thành phần vector phân cực trường điện của mode HE 11 trong sợi

quang dọc theo a) hướng trục x và b) hướng trục y

Trong sợi quang lý tưởng, vector trường điện từ truyền lan dọc theo trục z được biểu thị bằng tổ hợp tuyến tính của hai phân cực trong mặt phẳng ngang (xy) trực giao với trục z như trong biểu thức sau: