Nghiên cứu hệ thống thông tin cáp sợi quang WNM và ứng dụng cho đường trục viễn thông Bắc Nam

Về mặt lý thuyết cĩ thể làm tăng đáng kể dung lượng tuyến truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát cĩ phổ cách nhau mộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

-

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THƠNG TIN CÁP SỢI QUANG WDM

VÀ ỨNG DỤNG CHO ĐƯỜNG TRỤC VIỄN THƠNG BẮC NAM

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Học viên: PHẠM THU HIẾU

Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI

THÁI NGUYÊN – 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

LỜI NĨI ĐẦU 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THƠNG TIN WDM 14

1.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thơng tin quang 14

1.2 Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thơng tin quang 16

1.2.1 Những tồn tại của hệ thống quang 16

1.2.2 Xu hướng phát triển của hệ thống quang 17

1.3 18

1.4 Các phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sĩng 23

1.4.1 Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng 23

1.4.2 Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng 23

1.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM 25

1.6 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM 26

1.6.1 Suy hao xen 27

1.6.2 Suy hao xuyên kênh 27

1.6.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh 29

1.6.4 Số lượng kênh 29

1.6.5 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến 31

1.6.6 Tán sắc – bù tán sắc 31

1.6.7 Đặc điểm của hệ thống WDM 33

CHƯƠNG 2: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG WDM 34

2.1 Các loại cáp quang được khuyến nghị sử dụng trong hệ thống WDM 35

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

2.1.1 Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652 35

2.1.2 Sợi DSF hay sợi G.653 36

2.1.3 Sợi CSF hay sợi G.654 37

2.1.4 Sợi NZ-DSF hay sợi G.655 37

2.2 Nguồn quang WDM 39

2.3 Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) 40

2.4 (Coupler) 41

2.4.1 42

2.4.2 43

2.5 Bộ định tuyến bước sĩng 43

2.6 Thiết bị đấu nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) 44

2.6.1 44

2.6.2 45

2.7 Bộ biến đổi bước sĩng 46

2.8 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 47

2.8.1 Cấu trúc của EDFA 48

2.8.2 Nhiệm vụ của EDFA 49

2.9 Bộ lọc 50

2.9.1 50

2.9.2 Bộ lọc điều chỉnh được 51

2.10 Thiết bị đầu cuối OLT 52

2.11 Chuyển mạch quang 54

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ THỐNG WDM 56

3.1 Tơpơ dạng hình vịng 56

3.2 Mạng WDM hình vịng 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

3.2.1 Kết cấu vịng hai sợi một chiều 58

3.2.2 Kết cấu vịng hai chiều hai sợi 59

3.2.3 Vịng nhiều sợi 60

3.2.4 Bảo vệ mạng hình vịng 61

3.3 Thiết kế hệ thống WDM cơ bản 61

3.3.1 Thiết kế vịng Ring 62

3.3.2 Thiết kế OSNR 63

3.3.3 Bù tán sắc và hiện tượng dịch tần 63

3.3.4 Cân bằng tăng ích và tỉ lệ lỗi bit ( BER) 64

3.3.5 Thực hiện hệ thống 64

3.4 Sơ đồ liên kết nút 65

3.5 Hệ thống điểm-điểm dung lượng lớn 66

3.6 Mạng phân bố và quảng bá 68

3.7 Mạng WDM đa truy nhập 69

CHƯƠNG 4:HỆ THỐNG WDM TRONG TRỤC BẮC NAM 71

4.1 Các giai đoạn phát triển 71

4.2 Khảo sát cấu hình cáp quang trục Bắc Nam 73

4.2.1 Cấu hình tuyến 73

4.2.2 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống WDM 76

4.3 Xây dựng cấu hình cụ thể tuyến truyền dẫn Bắc Nam 77

4.4 Đề xuất lựa chọn phương án tăng dung lượng 81

4.5 Xây dựng cấu hình tuyến và tính tốn hiệu quả kinh tế 85

4.6 Hướng phát triển của WDM 90

4.7 Hệ thống cáp quang Bắc - Nam DWDM 40Gbps Nortel 91

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

CÁC TỪ

AM

Emission

Bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại

Multiplexing

Transsmision

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Home/Building/Premises/Office/Curb/Node

Detection

Telecommunication Standardization Sector

Emission of Radiation

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Multiplexing

Channel

Kênh giám sát quang

SC-OADM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Soỏ hoựa bụỷi Trung taõm Hoùc lieọu http://lrc.tnu.edu.vn/

DANH MỤC HèNH VẼ

Hỡnh 1.1 Cấu trỳc của hệ thống thụng tin quang .……….14

lý ghộp kờnh quang theo bước súng WDM 19

Hỡnh 1.3: Cỏc cửa sổ cú suy hao thấp sử dụng trong WDM 23

Hỡnh 1.4: Phương phỏp truyền dẫn WDM đơn hướng 23

Hỡnh 1.5: Phương phỏp truyền dẫn WDM song hướng 24

Hỡnh 1.6 Sơ đồ hệ thống WDM……….24

Hỡnh 1.7 Xuyờn õm trong hệ thống 28

Hình 1.8 Khoảng cách kênh và độ rộng kênh 29

Hỡnh 2.1 Phõn loại sợi quang theo tỏn sắc 38

40

42

44

46

46

Hình 2.7 Bơm cùng chiều 48

Hình 2.8 Bơm ngược chiều 48

Hỡnh 2.9 Bơm hai chiều 49

Hỡnh 2.10 Vị trớ của EDFA trờn tuyến thụng tin quang 49

51

c Fabry-Perot 51

-Parot 52

Hỡnh 2.14 Thiết bị OLT 53

Hỡnh 3.1: Tụpụ dạng hỡnh vũng 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Hình 3.2 Kết cấu chức năng của OADM 58

Hình 3.3 Cấu hình vịng một chiều hai sợi 59

Hình 3.4 Cấu hình vịng hai chiều hai sợi 60

Hình 3.5 Cấu hình tuyến cáp quang AA- BB-CC 62

Hình 3.6 Cấu hình liên kết giữa các Ring với backbone 65

Hình 3.7 Cấu hình liên kết giữa AA-BB với BB-CC ( 32 bước sĩng) 65

Hình 3.8 Cấu hình liên kết giữa Ring của AA với Backbone ( 32 bước sĩng) 66

Hình 3.9 Cấu hình liên kết giữa Ring của CC với backbone ( 32 bước sĩng) 66

- 67

69

70

Hình 4.1 Mạng cáp quang đường trục Bắc Nam 73

Hình 4.2 Bốn vịng ring mạng cáp quang đường trục Bắc Nam 74

Hình 4.3 Sơ đồ tuyến cáp quang trục Bắc - Nam 78

H×nh 4.4 C¬ chÕ b¶o vƯ vµ kÕt nèi gi÷a các Ring 79

Hình 4.5 Sơ đồ xếp các bước sĩng trên các nút 20Gb/s 85

Hình 4.6 Mơ hình thiết bị WADM………85

Hình 4.7 Bố trí các thiết bị giữa hai nút RING 86

Hình 4.8 Phân bố cự ly và suy hao đoạn HNI- VIN 87

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý đấu nối tại nút VIN 88

Hình 4.10 Cấu hình Ring 2 88

Hình 4.11 Phân bố cự ly và suy hao trên đường dây 500KV 89

Hình 4.12 Sơ đồ mạng lưới hệ thống Long Haul 92

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

DANH MỤC BẢNG BIỂU

21

Bảng 1.2: Sự phân chia các băng sĩng trong WDM 22

Bảng 1.3 Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi khơng cĩ trạm lặp 32

Bảng 4.1 : Mã các tỉnh thành của Việt Nam 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

LỜI NĨI ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại tạo ra một sự bùng nổ về dung lượng Hệ thống thơng tin quang đơn mode đã là một mạng thơng tin tiên tiến, nhưng nĩ chưa tận dụng được băng thơng lớn của sợi quang một cách hữu hiệu, do mỗi sợi quang chỉ truyền được 1 kênh Vì vậy cần phải cải thiện các hệ thống thơng tin quang cĩ sẵn bằng các kỹ thuật tiến tiến với chi phí thấp bằng cách ghép nhiều bước sĩng cùng truyền trên một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sĩng WDM (Wavelengh Division Multiplexer)

ra đời, cho phép nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống lên rất lớn mà khơng cần phải tăng thêm sợi quang và tận dụng được băng tần lớn của sợi quang

do cĩ thể ghép nhiều kênh bước sĩng trên cùng một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sĩng đang được ứng dụng rộng rãi trong các mạng viễn thơng Sự phát triển của cơng nghệ WDM cùng với cơng nghệ khuếch đại quang và chuyển mạch quang sẽ tạo nên một mạng thơng tin thế hệ mới: mạng thơng tin tồn quang

Cơng nghệ WDM là cơng nghệ ghép kênh theo bước sĩng đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Cơng nghệ ghép kênh WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống

mà khơng cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sĩng

Cơng nghệ WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thơng tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn của hệ thống

Vì vậy “ Nghiên cứu hệ thống thơng tin cáp sợi quang WDM và ứng dụng trong đường trục viễn thơng Bắc Nam”là một yêu cầu quan trọng nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng, đáp ứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong

tương lai

Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hệ thống thơng tin quang sử dụng kỹ thuật WDM và được sự đồng ý của Thầy hướng dẫn, em đã thực hiện luận văn tốt

đường trục viễn thơng Bắc Nam” Luận văn gồm 4 chương được khái quát như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Chương 1: Tổng quan hệ thống thơng tin cáp sợi quang WDM

tin quang,

quang Từ đĩ nêu bật những ưu điểm khi hệ thống WDM ra đời

Trình bày nguyên lý cơ bản, phân loại, đặc điểm và các kỹ thuật cần quan tâm của hệ thống WDM

-Chương 4: Hệ thống WDM trong mạng đường trục Bắc - Nam

Ứng dụng lý thuyết của ba chương trước vào bài tốn cụ thể để giải quyết vấn đề cho tuyến đường trục Bắc – Nam Đưa ra các vịng Ring trong mạng Back- Bone Việt Nam, cách liên kết và bảo vệ các vịng ring Xây dựng cấu hình tuyến và tính tốn hiệu quả kinh tế và phương án tăng dung lượng mạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THƠNG TIN

CÁP SỢI QUANG WDM

Trong kỹ thuật thơng tin quang mỗi sợi quang chỉ cĩ thể truyền tín hiệu quang

từ một nguồn phát tới một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu, Các tín hiệu

từ các nguồn quang khác nhau địi hỏi các sợi xác định và riêng biệt Trong thực tế thì nguồn quang cĩ độ rộng phổ tương đối hẹp, do vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần băng tần vốn rất lớn của sợi quang Về mặt lý thuyết cĩ thể làm tăng đáng kể dung lượng tuyến truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát cĩ phổ cách nhau một cách hợp lý và ở đầu thu cĩ thể thu được các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu

cĩ các bộ tách bước sĩng Đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bước sĩng WDM

1.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thơng tin quang

Tuyến thơng tin quang bao gồm: Bộ phát quang, sợi quang, khuếch đại quang và bộ thu quang Mơ hình chung của tuyến thơng tin quang như sau:

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống thơng tin quang Tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào mơi trường truyền dẫn tương ứng

và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền Như vậy, tín hiệu đã được thơng tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến Mơi trường truyền dẫn ở đây chính là sợi dẫn quang, nĩ thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát tới phía thu

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sĩng tồn tại ba vùng mà tại đĩ

cĩ suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sĩng 850 nm, 1310 nm và 1550 nm

Sợi quang

Bộ lặp

Thiết

bị thu quang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Ba vùng bước sĩng này được sử dụng cho các hệ thống thơng tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thơng tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do cơng nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thơng tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba

Nguồn phát quang ở thiết bị phát cĩ thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thơng tin quang, với tín hiệu quang đầu ra cĩ tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dịng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đơi khi cĩ dạng tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và cơng suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dịng điều biến Bước sĩng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sĩng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu

từ hướng phát đưa tới Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều cĩ thể sử dụng để làm các bộ tách sĩng quang trong các hệ thống thơng tin quang, cả hai loại này đều cĩ hiệu suất làm việc cao và cĩ tốc độ chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sĩng quang sẽ quyết định bước sĩng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sĩng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang,

nĩ mơ tả cơng suất quang nhỏ nhất cĩ thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào

đĩ ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đĩ, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải cĩ trạm lặp quang đặt trên tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm cĩ thiết bị phát và thiết bị thu ghép Thiết

bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Trong các tuyến thơng tin quang điểm nối điểm thơng thường, mỗi một sợi quang sẽ cĩ một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sĩng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sĩng 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 Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thơng mà các sợi truyền dẫn quang

cĩ thể truyền dẫn với suy hao nhỏ

Vì vậy, đã dẫn đến một ý tưởng hợp lý khi cho rằng cĩ thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang cĩ bước sĩng phát khác nhau trên cùng một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sĩng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này

1.2 Những tồn tại và xu hướng phát triển của hệ thống thơng tin quang

1.2.1 Những tồn tại của hệ thống quang

Ngồi những nhược điểm của hệ thống quang được nêu ở trên thì trong hệ thống thơng tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh cịn cĩ những tồn tại sau: Các hệ thống quang thường cĩ dung lượng thấp (<10 Gb/s) do ảnh hưởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi, trong khi đĩ băng tần của sợi quang

là rất lớn (> 1 Thz) Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự ly truyền

lại, bản thân các mạch điện tử khơng đáp ứng được xung tín hiệu cực hẹp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Việc khắc phục những nhược điểm trên địi hỏi phải cĩ cơng nghệ cao và rất tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp Hệ thống thơng tin quang nhiều kênh

sẽ giải quyết các tồn tại trên như sau:

: Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan trọng địi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục được nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên

: Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của Laser làm tăng khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tương lai

, khi sử dụlượng của hệ thống mà khơng cần tăng thêm sợi quang, tận dụng được băng tần khơng hạn chế của sợi

1.2.2 Xu hướng phát triển của hệ thống quang

Với sự phát triển khơng ngừng của thơng tin viễn thơng hiện nay thì hệ thống thơng tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới

Do cĩ nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các hình thức thơng tin khác về băng thơng, suy hao và an tồn tín hiệu mà hệ thống thơng tin quang hiện nay giữ vai trị chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dương, mạng nội hạt, mạng trung kế Cơng nghệ quang phát triển như ngày nay

đã là tiền đề cho hệ thống thơng tin quang phát triển theo xu hướng hiện đại và kinh

tế nhất

Hệ thống thơng tin quang sử dụng sợi quang đơn mode cĩ ưu điểm là khơng

cĩ trễ, khơng cĩ can nhiễu, suy hao trên đường truyền nhỏ, quãng đường truyền là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng được khoảng cách của tuyến truyền dẫn quang và tạm thời đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người

Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thơng tin của con người và các loại hình dịch

vụ băng rộng như internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building /Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung lượng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode khơng thể đáp ứng được, mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền được một mode tín hiệu nên khơng tận dụng được băng thơng lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lượng của hệ thống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên người ta lại nghĩ đến phương thức cải thiện nhược điểm của hệ thống quang đơn mode Kết quả là hệ thống quang nhiều kênh

ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bước sĩng WDM (Wavelength Division Multiplexing)

Hệ thống thơng tin quang ghép kênh theo bước sĩng ra đời đã làm tăng đáng

kể dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các cơng nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn quang như suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các cơng nghệ khuếch đại quang EDFA, chuyển mạch gĩi quang

Các cơng nghệ khác như ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM (Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lượng được đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành vấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thơng tin quang hiện nay Ngồi ra, người ta cịn cải tiến cơng nghệ WDM bằng các cơng nghệ ghép kênh theo bước sĩng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bướ

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)

Ở nước ta, thơng tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng Các tuyến cáp quang được hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thơng tin tồn quốc

1.3

Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang được điều chế với các sĩng mang quang khác nhau Sau đĩ, chúng được ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

các kênh quang riêng biệt cĩ bước sĩng khác nhau Mỗi kênh này được đưa đến một máy thu riêng Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sĩngđược thể hiện như sau:

lý ghép kênh quang theo bước sĩng WDM

Cơng nghệ WDM cho phép khai thác được tiềm năng băng thơng to lớn của sợi quang Chỉ riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bước sĩng cĩ thể sử dụng là

1500 nm – 1600 nm tương ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz Hệ thống gồm các phần sau:

Phần phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng các nguồn phát quang là các Laser cĩ độ rộng phổ hẹp, phát ra các bước sĩng ổn định, mức cơng suất đỉnh, bước sĩng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng dịch tần phải nằm trong giới hạn cho phép

Ghép/tách tín hiệu: Bộ ghép các bước sĩng quang MUX cĩ nhiệm vụ ghép các bước sĩng khác nhau λ1, λ2, λ3,…, λN từ các nguồn quang khác nhau thành một luồng ánh sáng chung để truyền qua sợi quang Bộ ghép kênh quang này phải cĩ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu ở đầu ra của bộ ghép kênh ít bị suy hao, giữa các kênh phải cĩ khoảng bảo vệ nhất định để tránh nhiễu sang nhau Bộ tách tín hiệu quang DEMUX cĩ nhiệm vụ phân luồng tín hiệu thu được thành các kênh cĩ bước sĩng khác nhau và đi đến đầu thu riêng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc hay các hiệu ứng phi tuyến mà mức độ ảnh hưởng của mỗi yếu tố phụ thuộc vào loại sợi được sử dụng trong hệ thống

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng các bộ khuếch đại quang là các bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) hoặc

bộ khuếch đại Raman

Thu tín hiệu: Các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sĩng quang là các bộ PIN (Positive Intrinsic Negative) hoặc Diode quang thác APD (Avalanche Photo-Diode)

để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nĩ phải tương thích với bộ phát cả về bước sĩng và đặc tính điều chế

dài L, thì B.L = (B1+ B2+…+ BN)L Khi tốc độ bit đồng đều, tức B1=B2=…=BN thì dung lượng của hệ thống sẽ tăng lên với hệ số N

Dung lượng cực đại của các tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách cho phép giữa các kênh Khoảng cách tối thiểu là khoảng cách mà đảm bảo được khả năng chống nhiễu xuyên kênh giữa các kênh

Các kênh tần số (hay bước sĩng) của các hệ thống WDM đã được chuẩn hố bởi ITU_T thì khoảng cách giữa các kênh bước sĩng là 100 Ghz, hệ thống WDM hiện tại hoạt động trong băng C và L thì sẽ cĩ 32 kênh bước sĩng hoạt động trên mỗi băng Như vậy, nếu giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền mà sử dụng cơng nghệ WDM thì cũng đủ làm tăng băng thơng truyền trên một sợi quang lên 64 lần

(Dense Wavelength Division Multiplexing)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

vật liệu khơng cịn, được sử dụng cho các sợi đa mode GI, các sợi đơn mode và dùng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly xa khoảng mấy chục km với tốc độ hàng Gb/s

thống cĩ cự ly truyền dẫn hàng trăm km với tốc độ lên đến hàng ngàn Gb/s

Ghép kênh quang phân chia theo bước sĩng WDM cĩ thể ghép nhiều bước sĩng truyền trên một sợi quang mà khơng cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sĩng Cơng nghệ WDM tăng băng thơng bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sĩng 1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sĩng này được chia ra làm các băng hoạt động như trong Bảng 1.2

Bảng 1.2: Sự phân chia các băng sĩng trong WDM

Trong hệ thố

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Hình 1.3: Các cửa sổ cĩ suy hao thấp sử dụng trong WDM

1.4 Các phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sĩng

Hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tương tác, tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi và nhận tín hiệu về Cĩ hai phương pháp thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sĩng WDM, đĩ là truyền dẫ

ền dẫn WDM song hướng

1.4.1 Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng

Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng là: tất cả kênh quang trên cùng một sợi quang được ghép lại thành một luồng tín hiệu và được truyền theo cùng

theo một chiều trên một sợi quang đến đầu thu Ở đầu thu, bộ giải ghép bước sĩng quang tách các tín hiệu cĩ bước sĩng khác nhau trong luồng tín hiệu thu được để

ớng đi nhưng truyền trên một sợi quang riêng biệ

1.4

Hình 1.4: Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng

1.4.2 Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng

Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sĩng 1, 2, , i qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu truyền dẫn theo một chiều trên một sợi Cũng sợi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

quang đĩ, ở hướng về các bước sĩng i+1, i+2, , N

λ 1 , λ 2 ,…, λ i

λ i+1 , λ i+2 ,…, λ N

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

1.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM

Hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tương ứng với phía phát, kênh tín hiệu điều khiển giám sát quang và hệ thống xử lý Mỗi phần tử trên hệ thống đều thực hiện những chức năng xác định một cách chính xác

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được minh họa ở hình 1.6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

)

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống WDM

1.6 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM

Hệ thống WDM cĩ một số tham số chính, đĩ là khoảng cách kênh, số kênh ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh Trong đĩ, ba tham số suy

Khuếch đại trung

Bộ phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh quang

ls

LA

Thu/phát tín hiệu điều khiển giám sát kênh quang

Hệ thống quản lí mạng

Bộ thu tín hiệu điều khiển giám sát kênh quang

Máy thu quang

Bộ thu 1

Bộ tách sĩng quang Bộ thu n

Bộ thu n

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mơ tả đặc tính của bộ ghép/tách kênh

1.6.1 Suy hao xen

Suy hao xen được xác định là lượng cơng suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến cĩ thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhưng cần lưu ý trong WDM là xét cho một bước sĩng đặc trưng Suy hao xen được xác định như sau:

- Đối với OMUX:

) (

) ( lg 10

i i

i i

I

O L

) ( lg 10

i

i i i

I

O L

Ii(i) là cơng suất tín hiệu tại đầu vào thứ i củabộ ghép

Oi(i) là cơng suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách

Tham số suy hao xen luơn được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

1.6.2 Suy hao xuyên kênh

Khi thực hiện ghép các kênh quang cĩ bước sĩng khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của kênh khác Do đĩ khi tách kênh sẽ cĩ sự rị cơng suất tín hiệu từ kênh thứ i cĩ bước

trường hợp ghép kênh hồn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luơn cĩ hiện tượng rị cơng suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tượng này gọi là xuyên kênh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Hình 1.7 Xuyên âm trong hệ thống Trong thực tế luơn tồn tại hiện tượng xuyên kênh và làm giảm chất lượng truyền dẫn Người ta đưa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trưng cho khả năng tách các kênh khác nhau và được tính bằng dB như sau:

- Đối với bộ tách kênh:

1,

( )( ) 10 log

( )

n

i k

k k i i

i

U D

hiện tượng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i cĩ tín hiệu rị từ các kênh khác Ui(k) và Pi

(j ) là cơng suất tín hiệu khơng mong muốn ở bước sĩng k và j tại cửa ra thứ i Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ tách kênh ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.7) “Xuyên kênh đầu xa”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

các kênh khác ở đầu vào sinh ra Ví dụ, Pi (j ) là xuyên nhiễu do kênh Ij (j ) gây

ra trên kênh ra thứ i Khi đưa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị

1.6.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh

rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phịng vệ của kênh Bước sĩng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bước sĩng này

Khoảng cách kênh là khoảng cách giữa hai bước sĩng trung tâm của hai kênh quang kề nhau Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng khoảng cách kênh

Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh Khoảng cách giữa các kênh thường lớn hơn bốn lần tốc độ bit Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm bảo khơng bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

cùng một sợi quang đến đầu thu Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh

Giả sử các kênh quang cần truyền trong hệ thống cĩ độ rộng phổ bằng nhau và

độ rộng kênh của một kênh quang là:

i = ’i + ’’i

tối đa của hệ thống WDM là:

thường nhỏ hơn độ rộng phổ của kênh Nhưng trong hệ thống quang, do hạn chế

lớn gấp bốn lần ’i

hao thấp của sợi quang Băng thơng này cũng được tính ở mức suy hao 3 dB Trong thực tế ta khơng thể sử dụng được tồn bộ dải băng này, cĩ rất nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng tồn bộ cửa sổ suy hao thấp Ví dụ, khi trên tuyến cĩ sử dụng bộ khuếch đại quang Bộ khuếch đại cĩ dải khuếch đại nhỏ Điều này giới hạn số

cả khi sử dụng các cơng nghệ làm phẳng phổ khuếch đại Một số yếu tố khác cũng hạn chế số lượng kênh, đĩ là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của laser, sự suy giảm của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh

Trong các hệ thống WDM số lượng kênh càng lớn thì dung lượng truyền dẫn càng tăng, nhưng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lượng của các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tượng xuyên kênh,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

suy hao do thiết bị WDM gây ra Đối với một dung lượng định trước, việc tăng số lượng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn nền Đây là mối tương quan cần quan tâm khi áp dụng xây dựng hoặc nâng cấp các tuyến truyền dẫn quang

1.6.5 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

Đối với hệ thống thơng tin sợi quang, cơng suất quang khơng lớn, sợi quang

cĩ tính năng truyền dẫn tuyến tính, sau khi dùng EDFA, cơng suất quang tăng lên, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phi tuyến tính, hạn chế rất lớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và hạn chế cự ly truyền dẫn dài khơng cĩ trạm lặp

Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ bao gồm:

Sau khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự

ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên Do đĩ, lại yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu khơng, khơng thể thực hiện được việc truyền thơng tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài Bây giờ ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ cao lại lại càng thể hiện rõ rệt Ví dụ sợi quang G 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly

bị hạn chế ở khoảng 928 km, nếu tốc dộ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ cịn 58 km

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Bảng 1.3 Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi khơng cĩ trạm lặp

(G.652)

1550 nm (G.655)

1310 nm (G.652)

- Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đường đi khác nhau, cĩ cự ly đường truyền khác nhau và do đĩ thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau

- Tán sắc vật liệu: chỉ số chiết suất trong sợi quang thay đổi theo bước sĩng

chiết suất, cho nên các thành phần phổ khác nhau của mode đã cho sẽ lan truyền đi

ở các tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào bước sĩng, vì thế tán sắc vật liêu là một hiệu ứng tán sắc bên trong mode, và là yếu tố quan trọng đối với các sợi đơn mode và các hệ thống sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang LED

- Tán sắc dẫn sĩng: do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng

ở trong lõi, cịn 20% năng lượng ánh sáng truyền trong vở sợi nhanh hơn năng lượng truyền trong lõi

Các phương pháp chính cĩ thể sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc là làm hẹp độ rộng phổ nguồn phát hoặc sử dụng một số phương pháp bù tán sắc như:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Việc sử dụng kỹ thuật WDM là một phương pháp khơng làm tăng mức độ tán sắc của hệ thống vì kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống mà khơng phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tín hiệu

Cĩ một loại tán sắc mà thường được bỏ qua đối với các hệ thống tốc độ thấp, nhưng đối với các hệ thống tốc độ cao thì cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của nĩ, đĩ là tán sắc mode phân cực

1.6.7 Đặc điểm của hệ thống WDM

1.6.7.1 Ưu điểm

- Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM cĩ thể cĩ nhiều kênh quang, mỗi kênh quang tương ứng với một tốc độ bít nào đĩ Do đĩ hệ thống WDM cĩ dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Sử dụng cơng nghệ WDM cĩ nghĩa là trong một sợi quang cĩ thể ghép rất nhiều kênh quang (cĩ bước sĩng khác nhau) để truyền đi , mỗi kênh quang lại ứng với một tốc độ bit nào đĩ (TDM) Hiện nay đã thử nghiệm thành cơng hệ thống WDM 80 bước sĩng với mỗi bước sĩng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s Trong khi đĩ với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM -256 (dung lượng 40 Gbit/s)

- Loại bỏ những yêu cầu khắt khe cũng như những khĩ khăn gặp phải với các

hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao: Khơng giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sĩng riêng, do đĩ tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn của tán sắc Do đĩ giảm được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

- Tính trong suốt của mạng WDM: Do cơng nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên cĩ thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thư thoại chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP…

+ Mạng trong suốt: Trong một dải băng thơng xác định, mạng cĩ thể truyền các dịch vụ với bất kì tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào Như vậy nhà cung cấp dịch vụ cĩ thể đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

hạ tầng duy nhất Như vậy sẽ rất cĩ lợi về mặt kinh tế và vẫn cĩ thể triển khai các dich vụ mới một cách hiệu quả, nhanh chĩng mà khơng làm ảnh hưởng gì đến các dịch vụ trước đĩ

- Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt

- Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện cĩ lên đến hàng Tbps,

cĩ thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau Bên cạnh đĩ nĩ cũng

mở ra một thị trường mới, đĩ là thuê kênh quang (hay bước sĩng quang) ngồi việc sợi hay cáp quang việc nân cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug and Play)

- Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo

- Bằng cách thay đổi phương thức đinh tuyến và phân bổ bước sĩng trong mạng WDM, ta cĩ thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế Hiện nay WDM là cơng nghệ duy nhất cho phép xây dựng

mơ hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng quang trong suốt

- Sử dụng cơng nghệ WDM cĩ thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng quang trước đĩ, giảm được chi phí đầu tư mới Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn 1.6.7.2 Nhược điểm

chưa khai thác hết băng tần cĩ thể hoạt động của sợi quang Cơng nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nĩ chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù cơng nghệ cịn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị giới hạn

- Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do cĩ nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn Nếu hệ thống sử dụng sợi quang DSF theo chuẩn G.653 thì rất khĩ triển khai WDM vì khi nĩ xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sĩng rất gay gắt

Hệ thống thơng tin cáp sợi quang đã được đưa vào sử dụng cách đây hơn 30 năm Ngày nay hệ thống WDM đã thể hiện được nhiều ưu điểm phù hợp với các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

yêu cầu truyền dẫn như dung lượng cao, độ méo nhỏ, mức độ tạp âm hầu như khơng đáng kể vì tín hiệu được truyền trong một mơi trường ổn định Hệ thống thơng tin cáp sợi quang WDM được hình thành bởi nhiều phần tử Vì vậy chương 2

trong hệ thống ghép kênh quang theo bước sĩng Từ các phần tử đưa ra nguyên lý

và lựa chọn sử dụng các phần tử trong hệ thống WDM

2.1 Các loại cáp quang được khuyến nghị sử dụng trong hệ thống WDM

2.1.1 Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652

Sợi đơn mode là sợi truyền dẫn một mode ánh sáng Loại này cĩ được là do đường kính lõi được giảm đến một kích thước mà nĩ chỉ cho phép truyền lan một mode ánh sáng Lõi của sợi đơn mode thường cĩ đường kính 8m - 10m Sợi quang đơn mode cĩ nhiều ưu điểm nổi bật so với so với sợi đa mode như suy hao nhỏ và tán sắc cũng nhỏ hơn do khơng cĩ tán sắc mode

Sợi SSMF là cáp đơn mode cĩ tán sắc gần bằng khơng trong vùng bước sĩng

1310 nm Lúc đầu, cáp này chế tạo ra nhằm mục đích tối ưu hố sử dụng khai thác

ở vùng bước sĩng này Tuy nhiên, cáp G.652 cĩ thể được sử dụng cả ở vùng 1550

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

bằng khơng hay tán sắc dịch chuyển khác khơng NZ-DSF (Non-zero Shifted Fiber)

Dispersion-2.1.2 Sợi DSF hay sợi G.653

Sau khi chế tạo cáp G.652 người ta thấy rằng:

Nếu truyền tại cửa sổ 1310 nm thì tuy tán sắc gần bằng khơng, nhưng lại cĩ suy hao quá lớn khoảng 0,4dB/km Cịn nếu truyền tại bước sĩng 1550 nm thì tuy

cĩ suy hao nhỏ nhưng lại cĩ tán sắc lớn 17 ps/nm.km

Muốn truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm vừa cĩ suy hao nhỏ, đồng thời lại vừa muốn cĩ tán sắc gần bằng khơng, người ta đã nghĩ ra cáp G.653 bằng cách pha thêm một số tạp chất vào sợi Kết quả sợi G.653 ra đời, sợi quang này tận dụng được ưu điểm của hai vùng cửa sổ quang, đĩ là hệ số suy hao của vùng cửa sổ thứ hai cĩ bước sĩng trung tâm là 1310 nm và hệ số tán sắc vùng cửa sổ thứ ba cĩ bước sĩng trung tâm là 1550 nm, với suy hao sợi thực tế khoảng 0,2dB/km đồng thời cĩ tán sắc bằng khơng khi truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm Đĩ là nguyên nhân vì sao gọi sợi G.653 này là sợi tán sắc dịch chuyển

DSF là sợi quang đơn mode dịch tán sắc cĩ tính năng tốt nhất ở bước sĩng

1550 nm Sợi này cịn được sử dụng tối ưu cho các bước sĩng nằm xung quanh vùng 1550 nm (1525 nm – 1575 nm) Bằng cách thay đổi sự phân bố khúc xạ làm cho điểm sáng bằng khơng dịch từ cửa sổ 1310 nm tới khu vực bước sĩng làm việc

1550 nm Sợi này cũng cĩ thể dùng cho vùng bước sĩng 1310 nm (1285 nm – 1340 nm)

Đặc tính suy hao của sợi DSF cũng giống như sợi đơn mode khơng dịch tán sắc, nhưng tối ưu tán sắc tại bước sĩng 1550 nm Tại bước sĩng này suy hao và tán sắc của sợi DSF là bé nhất Sợi quang đơn mode DSF cĩ suy hao nhỏ, giới hạn suy hao điển hình là (0,17dB/km - 0,25dB/km) và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất hiệu quả cho việc ứng dụng vào các hệ thống thơng tin quang hoạt động ở vùng bước sĩng

1550 nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trong đĩ hiệu quả nhất là đối với các hệ thống đơn kênh quang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

Tuy nhiên, cáp này chỉ thích hợp truyền dẫn những luồng quang bình thường, khơng phải ghép kênh quang tốc độ cao Khi cĩ ghép kênh, nhất là ghép DWDM như hiện nay, chính việc cĩ tán sắc gần bằng khơng tại cửa sổ 1550 nm đã làm cho hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sĩng (FWM - Four Wave Mixing) tăng rất mạnh (nếu ghép càng nhiều kênh gần nhau) Vì hạn chế khả năng ghép kênh DWDM như vậy nên đây là nguyên nhân chính làm loại cáp này bây giờ được sử dụng rất ít

2.1.3 Sợi CSF (cut-off shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.654

Cáp này lại cĩ tán sắc gần bằng khơng tại cửa sổ 1310 nm, và tại cửa sổ 1550

nm là khoảng 20 ps/nm.km Nhưng nĩ lại cĩ suy hao tối thiểu tại cửa sổ 1550 nm (theo khuyến nghị phải < 0,22dB/km) Trên thực tế, các hãng cĩ thể chế tạo ra cáp

cĩ suy hao nhỏ hơn Nĩi chung, đây là loại chế tạo ra khơng cĩ dịch chuyển tán sắc (giống sợi G.652) Ngồi ra cố gắng làm giảm cực tiểu suy hao trong vùng 1550 nm

để kéo dài truyền dẫn nhất là với cáp quang biển Cáp này nĩ cĩ ưu điểm nổi trội là

mở rộng băng thơng hoạt động sang cả vùng băng thơng quang L, tức là mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sĩng 1625 nm

2.1.4 Sợi NZ-DSF (non-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.655

Ngày nay với sự phát triển ưu thế của ghép kênh theo tần số quang mật độ cao, kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sĩng WDM ra đời thể hiện khả năng truyền nhiều bước sĩng trên một sợi quang, lúc này cần phải chú trọng đáp ứng phi tuyến của sợi quang Vì đáp ứng phi tuyến nĩ gây ra thêm một loạt các hiệu ứng phi tuyến như hiệuứng trộn bốn sĩng FWM, tự điều chế pha SPM (Self Phase Modulation), điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation) Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM là nghiêm trọng nhất Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF khơng thích hợp với các hệ thống WDM cĩ dung lượng lớn và cự ly xa Để giải quyết vấn

đề này thì sợi NZ-DSF đã ra đời nhằm chống lại giới hạn FWM của DSF để đảm bảo cho tất cả các kênh cĩ các tốc độ khác nhau trong sợi quang Đặc tính suy hao của sợi này tương tự như sợi đơn mode thơng thường SMF, nhưng điểm nổi bật của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

bằng khơng tại vùng cửa sổ 1550 nm Do đĩ, đặc điểm nổi trội nhất của nĩ so với các sợi khác ở chỗ, nĩ được tối ưu hố chống lại các hiệu ứng phi tuyến (nhất là FWM), để cĩ thể truyền dẫn cho hệ thống DWDM Băng thơng quy định theo khuyến nghị là băng C (1530 nm – 1565 nm) nhưng mở rộng sang cả băng L thì càng tốt, tức là khuyến khích chế tạo mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sĩng

1625 nm

Cĩ hai loại sợi NZ-DSF là loại DSF và loại -NZ-DSF Loại sợi DSF cĩ điểm tán sắc bằng khơng nằm ở vùng bước sĩng nhỏ hơn 1500 nm Loại sợi -NZ-DSF cĩ điểm tán sắc bằng khơng nằm ở vùng bước sĩng lớn hơn 1600 nm

+NZ-Sau đây là sơ đồ biểu diễn hệ số tán sắc của các loại sợi quang

Hình 2.1 Phân loại sợi quang theo tán sắc

Từ các ưu, nhược điểm của các loại sợi cáp trên thì mạng viễn thơng đường trục của nước ta đang sử dụng cáp theo chuẩn G.652 bởi giá thành rẻ Trong tương lai để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh của mạng viễn thơng và các tuyến thơng tin trọng điểm DWDM thì cần nên khai thác ưu điểm của sợi cáp G.655

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

2.2 Nguồn quang WDM

Cấu trúc của một hệ thống thơng tin quang bao gồm nhiều thành phần cơ bản, một trong các thành phần cơ bản đĩ là nguồn quang tạo ra sĩng mang quang Nguồn quang trong hệ thống WDM khơng cĩ gì khác với nguồn quang của hệ thống thơng tin quang khác, tuy nhiên nguồn quang được sử dụng trên tuyến truyền dẫn tốc độ cao và rất cao, cụ thể trong hệ thống thơng tin quang ghép kênh theo bước sĩng thường là Diode Laser (LD)

 Các yêu cầu cơ bản của nguồn quang

Đơn mode: vì các lý do khơng tốt mà nguồn quang đa mode đem lại, rất nhiều laser đơn mode được chế tạo như laser phản hồi phân phối và laser phản xạ Bragg phân phối

cường độ và nhiễu mode Nhiễu thấp rất quan trọng để giảm hệ số BER trong thơng tin

 Phổ hẹp: phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ đĩ dẫn đến giảm hiện tượng giãn xung ánh sáng và vì vậy tăng được tốc độ truyền

 Cơng suất ra lớn: cơng suất ra lớn làm tăng tỷ số Tín hiệu/Tạp âm và cho phép truyền được cự ly xa hơn Để cĩ được cơng suất cao, nguồn quang phải được thiết kế để cĩ hiệu suất ghép cao

Dịng ngưỡng nhỏ: đối với các LD, hiện tượng laser chỉ cĩ thể xảy ra khi dịng thiên áp ngược lớn hơn một giá trị min gọi là dịng ngưỡng

truyền khác nhau

chế đĩ là điều chế trực tiếp và điều chế ngồi Điều chế trực tiếp thường được dùng, bởi vì nĩ đơn giản, phương pháp này sử dụng tín hiệu cần truyền để điều khiển nguồn quang một cách trực tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

sẽ bị giãn (mở rộng), giãn phổ là do chiết suất khúc xạ ánh sáng của nguồn quang

Do phổ lớn sẽ làm tăng hiện tượng tán xạ xung nên nĩ cần được hạn chế

tính của nguồn sáng cần được giảm thiểu Độ khơng tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng sĩng và xuyên âm

khả năng điều chỉnh được bước sĩng của diode laser là rất cần thiết Một diode laser điều chỉnh được cĩ hai đầu mối hoặc nhiều hơn, cho phép người sử dụng điều chỉnh được bước sĩng ra Một LD điều chỉnh được gọi là tốt cần cĩ vùng điều chỉnh được tới vài ngàn GHz

2.3 Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)