NGHIÊN cúu ẢNH HƯỞNG của HIỆU ÚNG điêu CHÊ pha chéo lên hệ thông wdm

Đe đáp ứng nhu cầu dung lượng ngày càng tăng hiện nay, xu hướng của các hệ thống thông tin quang là hướng tới tốc độ và khoảng cách không lặp lớn hơn, cũng như tăng số lượng kênh bước só

Ị PHA CHÉO LÊN H TH NG WDMỆ Ố

^Đề tài:

NGHIÊN cúu NH HẢ ƯỞNG C A HI U ÚNG ĐIÊU CHÊỦ Ệ

Họ và tên sinh viên: Trần Võ Hiếu số hiệu sinh viên: 0851080329

Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49

1 Đầu để dồ án:

2 Các sô liệu và dữ liệu han đâu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

Họ tên giảng viên huớng

Bộ GIẢO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐÔ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Trần Võ Hiếu số hiệu sinh viên: 0851080329

Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49

Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Mạnh Toàn

MỤC L ỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẤU i

TÓM TẮT ĐÔ ÁN iii

DANH MỤC CẢc HÌNH VẼ iv

DA NH MỤC CẢc CHỮ VỈÉT TẮT vi

CHƯƠNG I TÔNG QUAN VÈ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN WDM 1

1.1. Giới thiệu chương 1

1.2. Nguyên lý cơ bản về WDM 1

1.2.1. Khái niệm 1

1.2.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống WDM 2

1.2.3. WDM và DWDM 3

1.3. Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM 5

1.3.1. Bộ phát quang 5

1.3.2. Bộ tách/ghép kênh quang 7

1.3.3. Bộ khuếch đại quang 10

1.3.4. Bộ thu quang 12

1.3.5. Sợi quang 13

1.4. Các tham số trong hệ thống truyền dẫn WDM 14

1.4.1. Các tham số trong các bộ tách ghép kênh 14

1.4.2. Các tham số trong sợi quang 19

1.4.3. Các tham số trong bộ khuếch đại 26

1.5. Kết luận 28

CHƯƠNG II ĐIỀU CHÉ PHA CHÉO XPM 29

2.1. Giới thiệu chương 29

2.2. Tổng quan về XPM 29

2.3. Một số hiện tượng do XPM gây ra 29

2.3.1. Ghép nối phi tuyến 29

2.3.2. Lưỡng chiết phi tuyến 36

2.3.3. Các hiệu ứng quang phổ và thời gian 44

2.4. Quan hệ giữa khoảng cách kênh và tán sắc với XPM 51

2.4.1. Khoảng cách kênh 52

CHƯƠNG III ẢNH HƯỞNG CỦA XPM LÊN CHẤT LƯỢNG HỆ

THỐNG WDM 57

3.1. Giới thiệu chương 57

3.2. Ảnh hưởng của XPM lên chất lượng hệ thống WDM tổng quát 57

3.2.1. Giới hạn khoảng cách truyền dẫn 57

3.2.2. Méo cường độ do XPM 63

3.2.3. Giảm hệ số phẩm chất Q 69

3.2.4. Xuyên kênh giữa các kênh có tốc độ bit khác nhau do XPM 72 3.2.5. Ảnh hưởng của XPM lên hệ thống WDM được quảnlý về tán sắc 75

3.3. Một số giải pháp khắc phục ảnh hưởng của XPM trong hệ thống WDM 79 3.3.1. Dùng bộ triệt XPM 79

3.3.2. Các sơ đồ bù tán sắc thích hợp 82

3.4. Kết luận 85

LỜI NÓI ĐẦU

Trước nhu cầu thông tin ngày càng tăng về tính đa dạng và chất lượng dịch vụ

của người dùng Mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) đang là xuhướng phát triển của viễn thông trên thế giới Trong cấu trúc NGN, mạng truyền tải

lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên

mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính Mạng truyền tải

quang với công nghệ ghép kênh quang WDM (AVavelength Division Multiplex) có

những ưu điếm vượt trội được xem là nền tảng cho mạng NGN Trên thực tế, công

nghệ ghép kênh quang WDM được đánh giá là một công nghệ đã chín muồi và có

nhiều tiến bộ trong thiết kế mạng viễn thông Công nghệ WDM đã và đang cung

cấp cho mạng lưới dung lượng 20Gb/s, 40Gb/s, 80Gb/s, 240Gb/s với nhiều kênh

quang truyền đồng thời trên một sợi, tốc độ mỗi kênh là 2,5Gb/s, lOGv/s

Đe đáp ứng nhu cầu dung lượng ngày càng tăng hiện nay, xu hướng của các hệ

thống thông tin quang là hướng tới tốc độ và khoảng cách không lặp lớn hơn, cũng

như tăng số lượng kênh bước sóng trên một sợi quang Tuy nhiên khi tiến đến các

giới hạn lớn về tốc độ như vậy thì một số đặc tính của môi trường truyền dẫn trở

nên càng quan trọng Hạn chế do suy hao gây ra không còn là vấn đề với các hệthống truyền dẫn WDM với sự xuất hiện của các bộ khuếch đại EDFA (ErbiumDoped Fiber Ampliíier) nhưng các hiệu ứng phi tuyến trong môi trường sợi

1

Em xin trân trọng cảm ơn giảng viên hướng dẫn - Ths PHẠM MẠNH TOÀN,

người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bố sung kiến thức cho em, giúp em hoàn

đồ án Trân trọng cảm ơn các các thầy cô trong Khoa Điện Tử Viễn thông đã tạođiều kiện giúp đỡ trong trong suốt thời gian học tập và hoàn thành chương trìnhđào tạo

Nghệ An, tháng 01 năm 2013

Sinh viên

tượng do XPM hệ thống WDM Đồ án cũng đi sâu nghiên cứu những ảnh hưởng

của XPM lên hệ thống truyền dẫn WDM như giới hạn khoảng cách truyền

Hình 1.4: Tách kênh sử dụng lăng kính8

Hình 1.5: Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ8

Hình 1.6:.Bước sóng có tán sắc bằng không, xo và sườn tại tán sắc không,

so 20

Hình 1.7: Tán sắc thay đổi như một hàm theo bước sóng với một vật liệu

cho trước 21Hình 2.1: Minh hoạ một lá chắn Kerr36

Hình 2.2: Tp thay đổi theo hàm của góc phân cực đầu vào 0 với các đỉnh

công suất khác nhau 41Hình 2.3: Mức truyền của sợi lưỡng chiết có độ dài L=LB43

Hình 2.4: Dạng xung và phổ của các xung bơm và dò, nét đứt là vị trí

xung đầu vào 48Hình 2.5: Nén xung do XPM trong vùng tán sắc thường50

Hình 2.6: Ket nối sợi quang của mạng LEANET dùng trong thí nghiệm (a)

Thuật

ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép xen/rẽ

APD Avalanche PhotoDetector Photodiode thác

ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại

AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng dạng

mảng

DBR Distributed Bragg Redector laser Laser phản xạ Bragg phân tán

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc

DFB Distributed FeedBack laser Laser phản hồi phân tán

DGD Differential Group Delay Trễ nhóm vi sai

DR Distributed Reflector Phản xạ phân tán

DSF Dispersion Shiíted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

DUT Device Under Test Thiết bị kiểm tra đo thử

EDFA Erbium Doped Fiber AmpliEier Bộ khuếch đại sợi quang pha

tạp Erbium

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

HDSF Half - Dispersion Shifted Fiber Sợi quang nửa tán sắc đã dịch

ICI Inter-Channel Interference Nhiễu kênh lân cận

IFBG In-Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg trong sợi quang

ITU International

Telecommunications Union

Liên minh Viễn thông quốc tế

MFD Mode Field Diameter Đường kính trường mode

MPI MultiPath Interference Giao thoa đa đường

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Sợi quang tán sắc đã dịch

không

OADM Optical Add/Drop

ODMU

X Optical DeMultiplexer Bộ tách kênh quang

OMUX Optical Multiplexer Bộ ghép kênh quang

PDL Polarization Dependent Loss Suy hao phụ thuộc phân cực

PMD Polarization Mode

PRBS Pseudo-Random Bit

RIN Relatively Intensity Noise Nhiễu cường độ tưong đối

SBS Stimulated Brillouin Scaterring Tán xạ Brillouin kích thích

SEL Surface Emitting Laser Laser phát xạ mặt

73747476777778787879818183848485

Xuyên kênh theo băng tần điện thu Xuyên kênh theo băng tần điện thu Xuyên kênh XPM phụ thuộc vào tán sắc Hàm truyền đạt của sợi SMF theo các sơ đồ bù tán sắc khác nhau

Méo XPM theo các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với sơ đồ bù truóc

Méo XPM với các tỉ lệ bù tán sắc khác nhau với so đồ bù sau

Hai cấu hình bù tán sắc khác nhau cho kết quả khác nhau Ảnh hưởng của XPM thay đổi theo số chặng m

V

VI

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ sổ tín hiệu trên tạp âmSONET Synchronous Optical

SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scaterring Tán xạ Raman kích thíchSSMF Standard Single Mode Fiber Sợi quang đon mode tiêu chuẩnWDM Wavelength Division

Multiplex Ghép kênh phân chia theo

bướcsóngXPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

CHƯƠNG I TÔNG QUÁN VÈ HỆ THÓNG TRUYỀN DẪN WDM

1.1. Giới thiệu ch ương

Mạng truyền tải với công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM vớinhiều ưu điểm vượt trội đang là nền tảng của mạng thế hệ mới NGN WDM đã và

đang cung cấp cho mạng lưới dung lượng 40Gb/s, 80Gb/s, 240Gb/s với nhiềubước sóng được truyền trên một sợi quang, tốc độ mỗi kênh 2,5Gb/s, lOGb/s Chương 1 trình bày khái niệm, nguyên lý cơ bản của WDM và các thành phần

trong cấu trúc hệ thống WDM như: Bộ phát quang, bộ thu quang, bộ tách ghépkênh, bộ khuyếh đại và sợi quang Các tham số chất lượng hệ thống cũng được xem

xét trong chương này

1.2. Nguyên lý cơ bản về WDM

WDM là từ viết tắt của Wavelength Di Vision Multiplexing - ghép kênh phân

chia theo bước sóng

Theo lý thuyết thì sợi quang có độ rộng băng tần cực lớn (khoảng 25 THz)trong dải tần suy hao thấp 1550 nm; băng tần này rộng gấp 1000 lần so với độ rộng

của băng tần radio trên trái đất Tuy nhiên tốc độ dữ liệu đạt được mới chỉ đến hàng

chục Gb/s vì tốc độ truy cập mạng của một thiết bị đầu cuối còn bị giới hạn bởi tốc

độ đáp ứng của mạch điện tử Sự chênh lệch giữa băng tần điện và băng tần quang

gây ra hiện tượng nút cố chai, do đó không thế tận dụng hết băng tần khổng lồ này

Các bước đột phá mới đây (dung lượng cỡ Tb/s) là kết quả của sự kết họp giữaWDM và EDFA

1

DEMUX sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bước

hệ thống hai sợi thế hiện trong hình 1.2 Tại mồi bộ phát, tín hiệu điện của từng

kênh được điều biến với một sóng mang quang /ựi = 1,2, N) có độ rộng phổ rất

hẹp Bộ ghép OMUX thực hiện ghép các tín hiệu này rồi truyền trên một sợi quang

duy nhất đến đầu thu Tín hiệu trên đường truyền được khuếch đại nhờ bộ khuếch

đại quang Bộ ghép phải có suy hao nhỏ đế đảm bảo tín hiệu đến đầu ra còn đủ lớn

Giữa các kênh có khoảng bảo vệ đế tránh xuyên nhiễu Tại phía thu, ODMUX thực

hiện tách các tín hiệu có bước sóng ẤI(i = l,2, N,i* j) khác nhau thành các

OA: bộ khuếch đại quangODMUX: bộ giải ghép kênh quang

tích cực trên một sợi quang được coi là WDM thông thường

WDM theo chuẩn của ITU về thuật ngữ có nghĩa là hai (hoặc nhiều hơn) tínhiệu ghép trên cùng một sợi quang, trong đó một tín hiệu trong dải 1550 nm và một

tín hiệu trong dải 1310 nm Mới đây, ITU đã chuẩn hoá hệ thống có khoảng

3

quang mới theo các khuyến nghị G.652 c và G.652.D đã gần như loại bỏ đượcmột số đỉnh suy hao và cho phép hoạt động trên toàn bộ 20 kênh WDM của ĨTUtrong các mạng nội thị.

Đặc điêm chính của WDM theo chuân ITU là các tín hiệu chưa có khoảng cách

thích hợp cho khuếch đại bàng EDFA Nguyên nhân là do khoảng cách truyền hạn

chế của WDM, chỉ khoảng 60 km với tín hiệu 2,5 Gb/s, chỉ đủ cho các ứng dụng

mạng nội thị Việc giảm các yêu cầu về mặt quang đã kéo theo việc giảm chi phí

cho các linh kiện WDM, xấp xỉ chi phí cho các linh kiện không WDM WDM cũng

được sử dụng cho các mạng cáp TV, tại đó các bước sóng khác nhau được sử dụng

cho các tín hiệu luồng lên và xuống Trong các hệ thống này, các bước sóng thường

được phân chia rộng, chẳng hạn tín hiệu luồng xuống tại 1310 nm trong khi tín hiệu

luồng lên tại 1550 nm

DWDM - WDM mật độ cao, chỉ những tín hiệu quang được ghép trong dải

1550 nm, tận dụng được khả năng khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các

bước sóng tù’ 1530 - 1560 nm) Một hệ thống DWDM CO' bản có nhũng thành phần

chủ yếu như sau: một bộ ghép kênh đầu cuối, bộ khuếch đại EDFA có thể tích họp

vào trong bộ ghép này hoặc tách riêng, một thiết bị đầu cuối quang trung gian, còn

gọi là bộ ghép quang xen/rẽ, một bộ tách kênh đầu cuối, kênh giám sát quang Các

bước sóng WDM được đặt trong hệ thống có khoảng cách kênh chính xác là

bao gồm các module thu phát có khả năng điều chỉnh phần mềm, hoạt động với 40

hoặc 80 kênh [2]

1.3 Các thành phân cơ hản trong hệ thông WDM

Ta xét các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn WDM: bộ phát quang,

bộ thu quang, bộ lọc quang, các bộ tách/ghép kênh quang, bộ khuếch đại quang và

chất lượng truyền dẫn của hệ thống

Đe đáp ứng các yêu cầu trên, nguồn quang sử dụng trong các bộ phát thường

là các laser đơn mode Laser loại này có laser phát mặt (SEL - Surface EmittingLaser) và các cấu trúc có hốc cộng hưởng lựa chọn tần số Ớ cấu trúc laser phát

5

một cách đáng kể so với biên độ bậc 0 Mode cấp 1 thường có biên độ giảm

thuyết, laser DFB có lóp chống phản xạ ở hai đầu Hai mode bậc 0 ở hai bên bước

sóng Bragg có hệ số khuếch đại giống nhau và nếu cấu trúc hoàn toàn đối xứng thì

hai đỉnh này đồng thời được phát Như vậy đế laser làm việc ở chế độ đon mode,

đặc tính cộng hưởng là không đối xứng Muốn vậy có thể dịch cách tử đi khoảng

1/4 hoặc đơn giản là sử dụng lớp vỏ phản xạ có hệ số phản xạ cao ở một đầu và đầu

Các gói này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40

mA Ánh sáng tù’ nguồn quang phải được điều chế với dòng bit mang thông tin cần

truyền bằng phương pháp điều biến cường độ Quá trình điều biến phải có độ tuyến

tính cao đế tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do

điều biến qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu Các gói DFB kết

hợp với các bộ điều chế trên một chip làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều

chế cao Tuy nhiên chúng cũng có một số hạn chế như độ rộng phố hẹp làm chochúng dề bị ảnh hưởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết

xạ và các bộ lọc Các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên

kết họp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hưởng trong đó mỗi bộ lọc

7

qua

ng

Thấu

Thấukín

Các sợiquan

Hình 1.4: Tách kênh sử dụng lăng kính

Một kỳ thuật khác là sử dụng cách tử nhiễu xạ, kỹ thuật này dựa trên cácnguyên lý về nhiễu xạ của giao thoa quang Khi một nguồn sáng đa sắc chiếu vào

một cách tử nhiễu xạ, mồi bước sóng sẽ bị nhiễu xạ theo một góc khác nhau vàchiếu đến những điểm khác nhau trong không gian Sử dụng thấu kính hội tụ ta có

giữa các kênh lân cận Các ống dẫn sóng được nối đến một khoang tại đầu vào và

là các bước sóng khác nhau được giao thoa tối đa tại các vị trí khác nhau tưong úng

với các cổng đầu ra

Một kỹ thuật khác dùng các bộ lọc giao thoa trong các thiết bị và được gọi

các kênh (bước sóng khác) Bằng cách xếp tầng các thiết bị này có thế tách kênh

cho nhiều bước sóng

Trong các kỹ thuật nói trên, AWG và các bộ lọc màng mỏng đang tăng lênđáng kế Các bộ lọc cho độ ôn định và độ cách ly giữa các kênh rất tốt với chi phí

vừa phải, tuy nhiên chúng có nhược điếm là suy hao xen khá cao AWG là thiết bị

phụ thuộc phân cực (có thể bù được), cho đáp ứng phổ bằng phẳng cùng với suyhao xen thấp Trở ngại lớn nhất của thiết bị này là nhạy cảm với nhiệt độ nên không

thế hoạt động trong tất cả các môi trường Ưu điếm lớn nhất là có thế được thiết kế

đồng thời cho cả ghép kênh và tách kênh Với số lượng kênh lớn thì sử dụng AWG

sẽ tốt hơn vì khi đó việc sử dụng các bộ lọc màng mỏng xếp tầng là không thực tế

Giữa các điếm ghép và tách kênh trong hệ thống có một vùng có nhiều bước

sóng tồn tại Việc thêm hoặc tách một hoặc nhiều bước sóng tại một số điếm trên

đường truyền là rất cần thiết Do đó cần có các bộ ghép xen/rẽ đê thực hiện cácchức năng này Ngoài các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bước sóng, các

9

1.3.3. Bộ khuếch đại quang

Suy hao đã hạn chế độ dài mà sợi quang có thể truyền tín hiệu nguyên vẹntrước khi phải tái tạo Trước khi có các bộ khuếch đại quang người ta đã phải sửdụng các bộ lặp cho mỗi tín hiệu phát đi Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch

đại tất cả các bước sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang điện quang(OEO) Ngoài việc sử dụng trong các kết nối quang, các bộ khuếch đại còn

-được dùng đế khuếch đại công suất tín hiệu sau khi ghép kênh hoặc trước khi tách

kênh vì cả hai trường hợp này đều gây ra suy hao trong hệ thống Ngày nay

cả các hệ thống WDM đều sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped FiberAmpliTier: bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium) Nó đóng vai trò quan trọng

giúp cho hệ thống có khả năng mang những trọng tải lớn trên những khoảng cách

dài Phần này trình bày một số đặc điểm co bản của EDFA

Erbium là một nguyên tố đất hiếm, khi được kích thích nó phát ra ánh sáng có

bước sóng khoảng 1.54 jưm - là bước sóng có suy hao thấp với sợi quang sử

dụng

trong các hệ thống WDM Một tín hiệu khá yếu đến sợi quang được pha tạpErbium, sợi quang được bom với bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm bằng một laser

bơm Ánh sáng bơm này kích thích các phân tử Erbium đế giải phóng năng lượng

dự trữ của chúng và phát ánh sáng có bước sóng 1550 nm Khi quá trình này tiếp

tục dọc theo sợi quang thì tín hiệu sẽ mạnh dần lên Bơm ở bước sóng 1480 nm có

do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bom.Thời gian sống dài ởtrạng thái kích thích của các ion Er3+ là un điểm lớn nhất của EDFA so với cácloại bộ khuếch đại khác Trạng thái kích thích có thế tích luỹ công suất bơm trong

một thời gian dài, do đó công suất bơm trong yêu cầu để giữ được mức nănglượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ 10 mW đến 20 mW để

đạt đến hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB Với các tín hiệu ở các bước sóng khácnhau sự xuyên nhiễu đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các

trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứngnhững thay đôi tín hiệu quá nhanh từ bước sóng này xuyên qua bước sóng khác.Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo thậm chí trong trường hợp

bão hoà sâu Hiển nhiên EDFA có thể tích họp trong một mạng quang vì có cấutạo dựa trên một đoạn sợi Silic Nhược điểm chính của EDFA là phổ khuếch đạikhông bằng phang mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không như

nhau đối với mọi bước sóng

Tuỳ thuộc yêu cầu hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở các vị trí khác nhautrên tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng, có thế chia làm ba loại: BA, LA và PA

BA (Booster Ampliíĩer) là bộ khuếch đại công suất có công suất vào lớn, được

sử dụng ngay sau bộ phát đế tăng mức công suất tín hiệu Do công suất đầu rakhá cao nên có thế bỏ qua tạp âm ASE Bộ khuếch đại đường dây LA (LineAmpliTier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đườngtruyền (giữa hai đoạn sợi quang) đế tăng chiều dài khoảng lặp Yêu cầu đối với

bộ khuếch đại loại này là có công suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ranhỏ nhất Bộ tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm

thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu để tăng độ nhạy thu Để đạt được mức tạp

11

thời phải được thiết kế đế đưa ra mức tín hiệu phù hợp.

Cấu trúc bộ thu quang gồm có bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu

và các mạch xử lý tín hiệu Toàn bộ cấu trúc này thực hiện chuyển đồi tín hiệuquang phát ở đầu sợi từ phía phát tới thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu

trong các tuyến thông tin quang đường dài

Cấu tạo của một photodiode thông thường bao gồm một lớp tiếp giáp p-n phân

cực ngược tạo ra một vùng nghèo hấp thụ photon, sinh ra các cặp điện tủ' - lồ trống

dụng nhiều nhất Giá trị tán sắc bàng không nằm ở bước sóng 1310 nm, tán sắc tại

vùng 1550 nm rất lớn, cỡ 18 ps/nm/km Tuy nhiên, suy hao ở vùng bước sóng 1550

nm nhỏ hơn trong vùng 1310 nm và bộ khuếch đại EDFA làm việc tại vùng này nên

người ta sử dụng sợi quang tán sắc đã dịch (DSF - Dispersion Shifted Fiber) Sợi

quang DSF tuân theo khuyến nghị G.653, có tán sắc bằng không tại bước sóng 1550

nm, thích hợp sử dụng trong các hệ thống WDM thông thường Tuy nhiên do hiệu

ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh nên nó không được sử dụng trong các hệ thống kênh

mật độ dày đặc DWDM Trong các hệ thống DWDM người ta sử dụng sợi DSF

NZ-(Non-zero DSF), loại sợi này có mức tán xạ thấp tại cửa sổ thứ ba Một loại sợi mới

cũng đang được phát triến cho truyền dẫn WDM là sợi HDSF (Half-Dispersion -

shifted Single-mode Fiber) Loại sợi này có bước sóng cắt nhỏ hơn 1500 nm, bước

sóng có tán sắc bằng không lớn hơn 1450 nm và nhỏ hơn 1500 nm, tại bước sóng

hoạt động 1560 nm thì tán sắc còn khoảng 6 đến 11 ps/nm/km

Gần đây, tập đoàn điện tử Sumitomo của Nhật đã tuyên bố vừa phát triển

13

suy hao hấp thụ OH thấp và có tán sắc thấp, cân bằng trong dải bước sóng từ 1280

nm đến 1625 nm Đây là loại sợi quang thích họp để xây dựng các mạng WDM đô

thị Sợi quang này có khả năng ứng dụng trong các đường trung kế khoảng cách lớn

cũng như các mạng đô thị Người ta dự đoán sợi quang này sẽ được sử dụng rộng

rãi trong nhiều hệ thống WDM thông thường và DWDM

1.4 Các tham sô trong hệ thông truyền dân WDM

1.4.1. Các tham số trong các bộ tách ghép kênh

1.4.1.1. Dải kênh

Hiệu suất của một bộ tách/ghép kênh phụ thuộc vào khả năng cách ly các kênh

đầu vào và các kênh đầu ra Mỗi dải kênh được đặc trưng bởi các tham số sau:

a. Bước sóng trung tâm kênh

Bước sóng trung tâm đo được thường dùng để đặc trung cho một kênh của bộ

lọc hoặc bộ tách /ghép kênh Bước sóng trung tâm là bước sóng trung bình của bước

sóng cắt trên và dưới, không nhất thiết phải là bước sóng truyền dẫn lớn nhất.Tham số bước sóng trung tâm rất có ý nghĩa với những bộ lọc có dạng phố đối

xúng hoặc gần đối xúng Nhìn chung, bước sóng trung tâm được định nghĩa nhưđiếm giữa của các bước sóng có sườn giảm xuống 3 dB trên hai bên của bước sóng

truyền dẫn đỉnh Với một phân phối hoàn toàn đối xúng, bước sóng trung tâm

là bước sóng truyền dẫn đỉnh nhưng đây là trường hợp hiếm có Trong thực tế,những thay đối tương đối nhỏ trong hình dạng phô cũng dẫn đến những thay đôiđáng kể trong bước sóng trung tâm Bộ phát của kênh hoạt động gần bước sóng nhỏ,

sinh ra bước sóng mới Với khoảng cách kênh đều hiện tượng FWM sẽ gây ra nhiễu

giữa các kênh

c. Băng thông tại -3 dB và một số giá trị khác

Băng thông là độ rộng pho mà qua đó mức truyền dẫn vượt ra ngoài một số giá

trị cố định Băng thông sẽ không còn nhiều ý nghĩa nếu không kế đến một mứcngưởng cụ thê Băng thông xác định dải phô mà qua đó thiêt bị có thê hoạt động có

hiệu quả Biết được băng tần tại hai mức hoặc nhiều hơn có thê chỉ ra dạng đường

viền của dải Các giá trị có suy hao cao (-20 dB hoặc -30dB) rất có ích trong

nhau rất ít Trong khi sự cách ly kênh mô tả sự loại bỏ công suất tín hiệu từ hoặcđến một kênh khác thì xuyên kênh mô tả công suất bị rò gỉ qua một dải kênh từ các

kênh khác Sự cách ly là giá trị nhỏ nhất tính theo dBm mà tại đó thiết bị đo kiếm

loại bỏ các tín hiệu bên ngoài còn xuyên kênh chỉ sự khác biệt giữa công suất đầu

15

mô tả được sự biến đối của suy hao qua dải thông hoặc kênh ITU Sự biến đổi hay

là sự khác biệt giữa giá trị suy hao nhỏ nhất và lớn nhất qua một dải thông,

1.4.1.2. Các hiệu ứng phụ thuộc phân cực

Tại một điếm bất kỳ trong mạng quang, trạng thái phân cực của năng lượngquang về cơ bản là không được biết Nó phụ thuộc vào hình dạng đường đi của sợi

quang, vào sự lưỡng chiết do sự không đối xứng trong môi trường truyền dẫn - do

bản chất hoặc do nhiệt, sức căng, sức nén - cũng như nhiều hiệu ứng quang khác

được đo trong trạng thái không phân cực thì đó là trường họp suy hao xấu nhấttrong thành phần tại một bước sóng cụ thể (thường là bước sóng hoạt động nhỏ).

Nhìn chung, PDL có giá trị thấp nhất trong băng thông, cao hơn trong vùng chuyến

tiếp và cao nhất trong dải dừng của bộ lọc Hầu hết các nhà sản xuất thành phầnmạng và người dùng đều thấy rằng đo PDL tại trung tâm kênh và biên dải thông là

đủ Với hầu hết các ứng dụng thì yêu cầu đặt ra là PDL nhỏ hơn 0,1 dB Một sốtham số khác cũng thay đối theo phân cực là bước sóng trung tâm và băng tần.Chúng cũng được đánh giá tương tự như PDL

b. Tán sắc mode phân cực PMD (Polariiation Mode Dispersion)

PMD là kết quả khi hai thành phần phân cực của một tín hiệu truyền trong sợi

quang với các vận tốc khác nhau và vượt ra ngoài pha dọc theo sợi Hiệu ứng này

cùng với sự xuất hiện của PDL và chirp của bộ phát làm méo dạng và nới rộng xung

tín hiệu và ảnh hưởng đến tỉ lệ lỗi trong các hệ thống số, đồng thời có thế gây raméo hài nghiêm trọng trong các hệ thống tương tự như các mạng CATV Dưới điều

kiện chiếm ưu thế trong các mạng quang, PMD tích luỹ thống kê theo hàm căn bậc

hai của khoảng cách chứ không phải là tuyến tính theo độ dài cuả sợi quang Vì vậy

mặc dù PMD tông quát được tính theo đơn vị thời gian (ps) nhưng hệ số của PMD

(giá trị trên một đơn vị độ dài) được tính theo trễ trên căn bậc hai của đơn vị khoảng

cách (ps/km) Tuy nhiên, với các thành phần như các bộ tách/ghép kênh thì quátrình PMD được xác định trước nên thông thường ta chỉ quan tâm đên PMD tông

17

cho bất cứ bước sóng truyền dẫn nào Trong thực tế, đây là cách mà hầu hết các nhà

sản xuất sử dụng đế xác định suy hao xen của kênh, cần phải chú ý rằng bước sóng

ITU đưa ra không nhất thiết phải là bước sóng trung tâm của dải thông Phương pháp

này được áp dụng khi đã biết trước độ rộng kênh, nhưng một số linh kiện có xuhướng sử dụng cho các ứng dụng chung nên không thế xác định trước các điều kiện

làm việc cụ thể Trong tình huống này thì cách tốt nhất để mô tả IL là tính toán bước

sóng trung tâm của dải thông sau đó tính IL tại bước sóng đó Phương pháp này được

áp dụng trong các thiết bị đơn kênh hoặc các thiết bị có dải thông đối xứng.Chưa có một chuẩn nào được chấp nhận khi đưa ra định nghĩa về IL với sự có

mặt của PDL Một định nghĩa khá hợp lý đã được các tố chức chuấn hoá đề xuất

Đầu tiên cần phải đo IL với một nguồn đã được khử phân cực PDL biến thiên từ

max tới min theo giá trị này Khi đó ĨL có thế được định nghĩa như một trường họp

suy hao tốt nhất khi trạng thái phân cực tại đầu vào thiết bị kiếm tra đo thử (DUT)

của một nguồn phân cực hoàn toàn (laser) đã được điều chỉnh Trường họp suy hao

xấu nhất là tổng của ĨL và PDL Các số liệu quan trọng khi so sánh giá trị ĨL củanhiều thiết bị khác nhau gồm có ảnh hưởng của các connector và tính đồng đều của

IL qua các kênh trong một thiết bị đa kênh

1.4.1.4 Tỉnh định hướng

Tính định hướng đôi khi còn được dùng để chỉ xuyên kênh đầu gần, là một

1.4.1.5. Suy hao phàn hồi

Khi ánh sáng được bơm vào một linh kiện quang như connector, bộ ghép kênh

hay chính là sợi quang, một phần năng lượng được truyền đi, một phần bị hấp thụ

và một phần phản xạ trở lại Trong các hệ thống quang sợi, ánh sáng bị phản xạ do

tán xạ Rayleigh và phản xạ Fresnel Tán xạ Rayleigh xảy ra bên trong bản thân sợi

quang như một hệ quả không thể tránh khỏi do tương tác giữa phần năng lượng ánh

sáng được phát và các phân tử sợi quang Vì vậy tán xạ Rayleigh phụ thuộc vàothành phần cấu tạo của thuỷ tinh, đồng thời cũng phụ thuộc vào bước sóng Độ lớn

của tán xạ Rayleigh vào khoảng -75 dB trên mét cho sợi quang điển hình tại bước

sóng 1550nm, ảnh hưởng của tham số này có thế xem xét qua các kết nối dài Phản

xạ Fresnel xảy ra tại các bề mặt rời rạc (connector, adapter ), là hệ quả của các lỗ

hống không khí, sự mất liên kết và những chiết suất không phù họp với nhau.Người ta không mong muốn công suất quang phản hồi do một số lý do như sau:

-Tham sô này đóng góp vào suy hao công suât tông

-Các bộ phát laser hiệu suất cao dùng trong các hệ thống DWDM rất nhạy với

ánh sáng phản xạ, vì ánh sáng này có thể làm giảm nghiêm trọng độ ốn định củalaser và đến tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hệ thống Trong những trường họp

nhất định, công suất phản hồi lớn có thể phá huỷ bộ phát laser

-Ánh sáng phản xạ có thể bị phản xạ trong hướng đi Những phản xạ truyềntheo hướng đi này làm chậm tín hiệu ban đầu, gây ra các vấn đề tại phần giải

19

sóng Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng được gọi chung là tán sắc sắc thểcủa sợi quang.

Tán sắc sắc thế không phải là một vấn đề nếu một kênh quang được đặc trưng

bởi một bước sóng, nhưng ngay cả các kênh hẹp nhất cũng có băng tần hạn chế.Thậm chí một nguồn đơn sắc lý tưởng cũng không thể có độ rộng đường phổ bằng

không khi được điều chế vì thực tế nguồn này đang mang tín hiệu Thêm vào đó,

một số hiện tượng trong thực tế, ví dụ như hiện tượng chirp, có thế dẫn đến việc nới

rộng xung, ảnh hưởng đến độ rộng nguồn phát

Vì vậy mỗi một kênh cho trước được đặc trưng bởi một dải các bước sóng có

khoảng cách gần mà không phải là một bước sóng đơn lẻ Bởi vì các bước sóngkhác nhau lan truyền theo các tốc độ khác nhau (hoặc theo vận tốc nhóm khác

Hình 1.6: Buức sóng có tán sắc bằng không, >J0 và suửn tại tán sắc

giảm giá trị tán sắc sắc thể tuyệt đối của sợi quang và khi bù tán sắc Đối với

quang thực tế, tính định hướng của các trục này và sự khác nhau tương đối về

xung tín hiệu trải rộng theo thời gian

Với những bước sóng cụ thể, trạng thái phân cực của ánh sáng được đưa vào

sợi quang có thể chỉnh sửa đế xung không trải rộng Trong thực tế, có hai trạng thái

phân cực trực giao tồn tại Chúng là các trạng thái phân cực cơ bản, một tương ứng

với thời gian truyền xung nhanh nhất và một ứng với thời gian lan truyền xungchậm nhất Sự khác biệt giữa hai thời gian truyền xung này được gọi là trễ

sai (DGD) tương ứng với bước sóng đó và PMD được xác định là giá trị trung bình

theo bước sóng của DGD

Các hệ số tạo ra PMD không thế đo riêng rẽ nên hiện tượng này phải được xem

xét như một sự thay đổi cố định, không ổn định và chỉ mang tính phỏng đoán Quá

trình phỏng đoán này cho kết quả là sự nới rộng các xung mang tin, có thê làm giảm

khả năng giải mã chính xác tại bộ thu Do đó PMD là một tham số giới hạn tốc

bit đạt đến 10 Gb/s và cao hơn nữa thì tham số này có thế trở nên quan trọng làm

giảm chất lượng hệ thống PMD bậc hai luôn có mặt trong những sợi quang đơnmode dài nếu có PMD bậc một (Trong thực tế có một mối liên quan đơn giản về

mặt toán học giữa hai loại PMD đối với các trường hợp sợi quang được ghép) Mặc

dù vậy, PMD bậc hai thông thường chỉ làm giảm chất lượng hệ thống khi kết

Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cường độ tín hiệu laser(công suất trên một đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngưỡng Đồng thời, các hiệuứng phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vượt qua một độ dài

của sợi quang, phụ thuộc vào đặc điếm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt

động của sợi quang

Trong thực tế, trường điện (E) của tín hiệu lan truyền tỉ lệ với công suất tínhiệu p lần hệ số phi tuyến n2 chia cho diện tích hiệu dụng Aett của lõi sợi theocông thức sau:

E(z + dz) = E(z)exp[(-«/2 + i/? + yP(z,t)/2)dz] (1.3)

Trong đó a là suy hao sợi quang, ịỉ là pha của sóng lan truyền, y là hệ số phi

khuếch đại và tác động do hiệu ứng Doppler dịch tần số thấp hon (bước sóng dài

hơn) Hiệu ứng SBS dẫn đến một tín hiệu lan truyền theo hướng đi không ổn định

và rất nhiễu vì rất nhiều năng lượng quang bị tán xạ ngược

Với các sợi quang G.653 tại bước sóng 1552 nm chẳng hạn thì tín hiệu bị

đơn sắc trên 6 dBm được đưa vào sợi quang

Nhiều kỳ thuật đã được phát triển đê khử SBS trong các hệ thống thực tế Kỳ

thuật thông dụng nhất là rung nhanh (~50 kHz) sóng mang qua một dải tần khoảng

1GHz, lớn hơn rất nhiều so với băng tần SBS 30 đến 60 MHz

vào tăng lên trong một sợi quang cố định với diện tích hiệu dụng cố định, khi

bit của kênh tăng lên và trong truờng hợp tán sắc sắc thế mang dấu âm (-) SPMkhông bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh và tăng số lượngkênh, hiệu ứng này giảm xuống khi tán sắc sắc thế có giá trị không hoặc giá trịdưong nhỏ, khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang và khi bù tán sắc

d. Điều chế pha chéo XPM

Trong trường hợp này thì tín hiệu của một kênh điều chế pha của tín hiệu trong

kênh liền kề XPM cũng nhạy với các tham số giống như SPM, ngoài ra còn nhạy

với sự tăng số lượng kênh XPM không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi giảmkhoảng cách kênh nhưng giảm trong các trường họp: tăng diện tích hiệu dụng của

sợi và bù tán sắc Trong các hệ thống WDM sử dụng sợi có diện tích hiệu dụng lớn

thì XPM không phải là một vấn đề quan trọng Các vấn đề về XPM sẽ được nghiên

cứu cụ thế trong chương 2 của đề tài

công thức N2(N-l)/2 với N là số kênh tín hiệu Theo cách tính này thì trong một hệ

thống 4 kênh sẽ xuất hiện 24 kênh bóng, hệ thống 8 kênh xuất hiện 224 kênh bóng,

hệ thống 16 kênh xuất hiện 1920 kênh bóng Sự giao thoa giữa các kênh này sẽ rất

nghiêm trọng tại phía thu Hiệu ứng trộn bốn sóng rất nhạy với sự tăng công suất

kênh, sự giảm khoảng cách kênh, sự tăng số lượng kênh mặc dù đạt được giá trị

quá trình thiết kế mạng, đặc biệt là khi các kênh riêng lẻ phải đi qua nhiều bộkhuếch đại.

nhìn thấy bằng một máy phân tích quang phố Phát xạ này dẫn đến tạp âm trongbăng RF cơ sở (trong tín hiệu điện ra khỏi bộ thu) qua một số cơ chế Ta xem xét

thời gian phân rã dài Ket quả là, một ion Erbium có the duy trì trạng thái này trong

thời gian dài, dẫn đến sự đảo mật độ Với sự xuất hiện trạng thái đảo mật độ này,

các nguyên tử hoặc ion bị cách ly sẽ tạo ra các phát xạ tự phát Trong các phương

tiện có khuếch đại, chang hạn như trong EDFA, phát xạ tự phát này có xác xuấtđược cho trước về khả năng bị giữ lại trong mỗi phần cơ bản của sợi quang đã được

kích thích, do đó được khuếch đại bởi các nguyên tố liên tiếp, tạo ra phát xạ tự phát

được khuếch đại ASE ASE phát sinh trong cả hướng đi và hướng ngược trở lại của

tín hiệu

27

dẫn đến nhiều xung nhọn nhiễu trong phố nhiễu cường độ tương đối RĨN Rất khó

và tốn nhiều thời gian để phân tích phản xạ ngược do các phần ghép nối, cácconnector gây ra trong quá trình sản xuất EDFA, các bộ khuếch đại cần phảiđược kiếm tra MPI sau khi sản xuất Ngoài phương pháp tách RIN, các phươngpháp xác định hệ số tạp âm đã được thảo luận thường không phát hiện được MPI

Với hầu hết các ứng dụng, gần như bất cứ một bậc nào của MPI đều không thế chấp

nhận trong bộ khuếch đại Hệ số nhiễu MPI của một bộ khuếch đại quang được xác

định như sau:

NF>IPI ( Ă ) = SNỈịut(Ã) - SN^(Ả) (1.7)Các tham số trên đều được tính theo dB, SNRjn là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của đầu

vào, SNRout là tỉ số tín hiệu trên nhiễu đầu ra, giả sử dùng bộ lọc băng hẹp tại đầu

vào bộ thu Với bước sóng bơm 980 nm và trạng thái đảo mật độ hoàn toàn, hệ số

NF lý tưởng - hệ số NF nhỏ nhất có thế đạt được với bộ khuếch đại có hệ số khuếch

đại cao - là khoảng 3 dB

CHƯƠNG II ĐIỂU CHÉ PHẢ CHÉO XPM

2.1. Giới thiệu chương

Trong phần 1.4.1.4 - các hiệu úng phi tuyến trong sợi quang đã đề cập đến hiệu

ứng điều chế pha chéo XPM Trong chương 2 của đề tài sẽ tìm hiểu cụ thế hơn về

các hiệu ứng ghép nối cũng như các hiệu ứng phi tuyến khác do XPM gây ra trong

hiện tượng phi tuyến như đã được đề cập trong chương 1 XPM là một trongnhững hiệu ứng phi tuyển có ảnh hưởng khá lớn đến chất lượng truyền dẫn của hệ

thống, đặc biệt là trong hệ thống truyền dẫn WDM do tính chất đa kênh XPMđược định nghĩa là một hiệu ứng phi tuyến trong đó cường độ của một chùm sáng

ảnh hưởng đên pha của một chùm sáng khác Cụ thê, XPM là sự thay đôi phaquang của một chùm sáng gây ra do tương tác với một chùm sáng khác trong một

môi trường truyền dẫn phi tuyến Sự tương tác giữa hai sóng quang làm thay đốicường độ của sóng quang do đó làm thay đổi pha quang của sóng XPM có liênquan đến nhiều hiện tượng khác nhau, gây ra nhiều vấn đề về xuyên kênh trongtruyền thông quang sợi, và ảnh hưởng khá lớn đến hiệu suất truyền dẫn Nhiềuphương pháp loại bỏ XPM đã được nghiên cứu nhưng đều có nhược điểm là hạn

chế khả năng truyền dẫn của hệ thống Phần sau đây trình bày về một số hiện

29