Đề cương môn công nghệ truyền tải quang

Hệ thống song hướng Sơ đồ khối Nguyên lý hoạt động: Ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2,…, λi qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại với nhau thành 1 luồng tín hiệ

MỤC LỤC - CN TRUYỀN TẢI QUANG

Phần 1- Hệ thống WDM

1 Phân loại hệ thống WDM theo khoảng cách các kênh bước sóng sử dụng trong hệ thống.

- Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM)

+ Ra đời sớm nhất trong lịch sử phát triển của WDM

+ Thực hiện truyền dẫn 2 kênh bước sóng, trong đó mỗikênh bước sóng thuộc một cửa sổ truyền dẫn (vùng 850

nm, 1310 nm hoặc vùng 1550 nm), khoảng cách giữa cáckênh trong hệ thống này cỡ vài trăm nm

+ Chi phí hệ thống thấp, tuy nhiên dung lượng và khoảngcách truyền dẫn bị giới

hạn

Hệ thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM Coarse WDM)

-+ Ra đời năm 1990, cho phép ghép nhiều hơn 2 bướcsóng trên hệ thống

+ Các khuyến nghị ITU-T G.694.2 và G.695

+ 18 bước sóng từ băng O đến băng L

+ Sử dụng cho các ứng dụng mạng truy nhập/LAN/MAN+ Khoảng cách bước sóng rộng: 20 nm

+ Dung sai độ dịch phổ đối với nguồn quang rộng hơn: ±

2 nm

- Hệ thống WDM ghép mật độ cao (DWDM - Dense WDM)

+ Là các hệ thống WDM hiện tại đang khai thác trên thế

o Bước sóng trung tâm: 1552.52 nm

o Vùng bước sóng hoạt động: Băng S, C, L, U

2 Sơ đồ khối và trình bày nguyên lý hoạt động của

hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM đơn hướng/ song hướng.

a Hệ thống đơn hướng

Sơ đồ khối

Nguyên lý hoạt động: tất cả các kênh quang trên

cùng 1 sợi quang được ghép lại thành 1 luồng tín hiệu vàđược truyền theo cùng 1 hướng Ở hướng đi, các kênhquang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2,…, λN qua bộghép kênh được ghép lại với nhau thành 1 luồng tín hiệu

và truyền dẫn theo 1 chiều trên 1 sợi quang đến đầu thu

Ở đầu thu, bộ giải ghép bước sóng quang tách các tín hiệu

có bước sóng khác nhau trong luồng tín hiệu thu được đểđến các đầu thu riêng rẽ Ở hướng về, nguyên lý truyềngiống với nguyên lý truyền ở hướng đi nhưng truyền trênmột sợi quang riêng biệt khác

b Hệ thống song hướng

Sơ đồ khối

Nguyên lý hoạt động: Ở hướng đi, các kênh quang

tương ứng với các bước sóng λ1, λ2,…, λi qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại với nhau thành 1 luồng tín hiệutruyền dẫn theo 1 chiều trên 1 sợi Cũng sợi quang đó, ởhướng về các bước sóng λi+1, λi+2,…,λN được truyềndẫn theo chiều ngược lại Phương pháp này chỉ cần sửdụng 1 sợi quang cũng có thể thiết lập được một hệ thốngtruyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về

Phần 2- Khuếch đại quang OA

1 Nêu các tham số cơ bản của bộ khuếch đại quang.

a Hệ số khuếch đại:

G = Pout / Pin

G (dB) = 10 log (Pout / Pin)

- Pin và Pout là công suất đầu vào và đầu ra của bộkhuếch đại quang [mW]

- Hệ số khuếch đại đặc trưng cho khả năng khuếchđại công suất ánh sáng của bộ khuếch đại

- Bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa khuếch đại.Điều này làm giới hạn công suất quang ra cực đại của

bộ khuếch đại

b Độ rộng băng tần khuếch đại (B0)

- Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại quang là mộthàm số của tần số quang [G(f)]

Tức là, khi đo hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang

ở các tần số khác nhau sẽ khác nhau

- Độ rộng băng tần khuếch đại của bộ khuếch đạiquang Bo được xác định bởi điểm -

3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại

- Giá trị Bo xác định băng thông của các tín hiệu cóthể được truyền bởi một bộ khuếch đại quang Do đó,

nó ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống thông tinquang khi sử dụng chúng.

c Công suất ra bão hòa

- Khi hoạt động ở chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang

ở đầu ra sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở đầu vàotheo hệ số khuếch đại G: Pout = G.Pin

- Tuy nhiên, khi công suất đầu vào Pin tăng đến mộtmức nào đó, hệ số khuếch đại G không tăng tuyến tínhvới tính hiệu đầu vào nữa mà có thể không đổi thậm chíbắt đầu giảm khi tiếp tục tăng công suất đầu vào Khi đó,

bộ khuếch đại quang đạt trạng thái bão hòa

- Công suất ở đầu ra tại điểm G giảm 3 dB được gọi làcông suất ra bão hòa Psat, out

- Công suất ra bão hòa Psat, out của một bộ khuếch đạiquang cho biết công suất đầu ra lớn nhất mà bộ khuếchđại quang có thể hoạt động được

- Một bộ khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao sẽ

có công suất ra bão hòa cao

d Nhiễu bộ KĐ - Hệ số nhiễu NF

- Các bộ khuếch đại quang đều tạo ra nhiễu, gây ra

do phát xạ tự phát, pha của các photon phát xạ tự phát làngẫu nhiên

- Năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ đượckhuếch đại khi chúng truyền qua bộ khuếch đại về phíađầu ra

- Tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất quang thuđược Pout bao gồm cả công suất tín hiệu được khuếchđại - G.Pin và công suất nhiễu phát xạ tự phát đượckhuếch đại (ASE) - PASE

Pout = G.Pin + PASE

- Ảnh hưởng của nhiễu đối với bộ khuếch đại quangđược biểu diễn bởi hệ số nhiễu (NF)

- SNRin, SNRout là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầuvào và đầu ra của bộ khuếch đại [mW]

- Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch đại càng nhỏ thì càng

tốt Giá trị nhỏ nhất của NF có thể đạt được là 3dB

Những bộ khuếch đại thỏa mã hệ số nhiễu tối thiểu này

được gọi là đang hoạt động ở giới hạn lượng tử

2 Ưu khuyết điểm của khuếch đại quang bán dẫn /

+Cấu hình đơngiản, hạ giá

thành của hệthống

+Cấu trúc nhỏgọn: có thể lắp đặt

Ưu:

+ Tạp âm nhiễu thấp+ Cấu trúc đơn giản,không cần sợi đặcbiệt

+ Dễ chọn băng tần.+ Có thể đạt đượcbăng thông rộng nhờkết hợp vài laser bơm

+Băng tần hiệnnay bị giới hạntrong băng C và L+Nhiễu được tích

Nhược:

+Xuyên âm giữacác kênh tín hiệu dotán xạ Raman kíchthích SRS

+Hệ số KĐ thấp

+ Hiệu suất KĐ thấphơn so với EDFA:

3 Vẽ sơ đồ cấu trúc của bộ khuếch đại EDFA theo 3 chế độ bơm thuận/ ngược/ 2 chiều, nêu chức năng các khối và nguyên tắc hoạt động.

a Bơm thuận:

- Bơm thuận với bước sóng bơm 980nm

- Ion erbium trong sợi quang EDFA liên tục đượcchuyển tiếp từ vùng năng lượng

4I15/2 thấp lên vùng năng lượng cao 4I11/2, sau đó cácion sẽ phân rã xuống vùng 4I13/2

4I11/2 khoảng 1μs trong khi ở 4I13/2 thì tới 10ms Vớithời gian sống dài, vùng 4I15/2

được gọi là vùng ổn định

- Các ion được bơm lên mức cao, sau đó nhanh chóngxuống vùng 4I13/2 và tồn tại ở đó trong một khoảng thờigian tương đối dài tạo nên sự nghịch đảo về nồng độ

- Vì thời gian tồn tại ở mức này dài nên chúng tíchlũy tại đây tạo ra sự nghịch đảo nồng độ.

c Bơm 2 chiều

- Sử dụng cả 2 nguồn bơm (980nm và 1480nm ngượcchiều nhau) Việc bơm tại bước sóng 1480 nm thườngđược sử dụng theo chiều ngược với hướng truyền tín hiệu

và bơm tại 980 nm theo hướng thuận để sử dụng tốt nhất

ưu điểm của mỗi loại bơm Bơm tại 1480 nm có hiệusuất lượng tử cao hơn nhưng có hệ số nhiễu cao hơn,trong khi bơm tại bước sóng 980 nm có thể cung cấp một

hệ số nhiễu gần mức giới hạn lượng tử Hệ số nhiễu thấpphù hợp cho các ứng dụng tiền khuếch đại

 Chức năng các khối

- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium (EDF):

+ nồng độ pha tạp 100 – 2000 ppm, là môi trường KĐ,tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ

+ Vùng lõi trung tâm có đường kính từ 3 -6 μm đượcpha trộn ion Er3+ là nơi có

cường độ sóng bơm Là nơi xảy ra quá trình khuếchđại (vùng tích cực) của

EDFA

+ Lớp bọc có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi,Lớp vỏ bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợiquang tổng là 250 μm

+ Trong giản đồ phân bố năng lượng, các ion Er3+ cóthể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác nhau được kýhiệu: 4I15/2 , 4I13/2 , 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2,2H11/2

- Bộ cách ly quang:

+ Ngăn không cho tín hiệu quang phản xạ ngược vềphía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyềnphản xạ ngược về EDFA.

 Nguyên lý hoạt động:

- Khi bơm ánh sáng cho laser:

+ Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ởvùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có nănglượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái nănglượng cao hơn ở vùng bơm (1)

+ Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạrất nhanh (khoảng 1s) và

chuyển xuống vùng giả bền (2)

Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ởvùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon (có nănglượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng tháinăng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)

+ Các ion Er3+ trong vùng giả bền luôn có khuynhhướng chuyển xuống vùng năng

lượng thấp (4)

+ Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu khôngđược kích thích bởi các photon có năng lượng thích hợpcác ion Er3+ sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấphơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát)(5)

- Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, có 2 quátrình:

+ Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ởvùng nền (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao

+ Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùnggiả bền (7) Hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra Khi

đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng thái nănglượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mứcnăng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới cócùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùngbước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

4 Trình bày cấu tạo và giải thích nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại Raman/ SOA.

 Cấu tạo

+ Sợi quang: nơi xảy ra quá trình khuếch đại, là sợi quangthường truyền tín hiệu như sợi SMF, DSF Trongkhuếch đại Raman, không cần sử dụng sợi quang đặc biệtnhư EDFA.

+ Coupler: dùng để ghép bước sóng tín hiệu vào với bướcsóng bơm

+ Laser bơm có tần số ωp: dùng để cung cấp năng lượngcho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng tháikích thích, giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ Laser phát

ra ánh sáng có bước sóng thích hợp tùy thuộc vào vùngbước sóng cần khuếch đại Đây là một ưu điểm quantrọng của khuếch đại Raman so với EDFA (chỉ khuếchđại được các bước sóng ở băng C)

+ Bộ lọc (hoặc bộ cách ly): đặt ở hai đầu của bộ khuếchđại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộkhuếch đại Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASEtheo hướng ngược về phía đầu vào có thể gây ảnh hưởngđến tín hiệu đầu vào

Nguyên lý hoạt động:

- Luồng ánh sáng bơm có tần số p và ánh sáng tínhiệu ở tần số s cùng được đưa vào sợi quang thông

qua một coupler quang Năng lượng sẽ được truyền từánh sáng bơm sang ánh sáng tín hiệu thông quang hiệuứng SRS trong sợi quang Cụ thể:

- Ánh sáng bơm từ một laser bơm có bước sóng thấphơn bước sóng của tín hiệu cung cấp năng lượng cho cácnguyên tử của sợi quang Khi đó, các nguyên tử của sợiquang sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng bơm và chuyển lênmức cao hơn (mức khích thích) tạo ra sự đảo lộn nồng độ

- Khi có tín hiệu ánh sáng tới, nó sẽ kích thích cácnguyên tử đang ở mức năng lượng cao chuyển sang trạngthái năng lượng thấp hơn và giải phóng ra một nănglượng dưới dạng photon ánh sáng có cùng bước sóng (dàihơn bước sóng bơm) và cùng pha với tín hiệu đến Do đó,tín hiệu đã được khuếch đại

có dấu ngược với trường hợp của sợi SMF Khi tín hiệuquang đã bị tán sắc dương trong sợi SMF đi qua phần sợiquang DCF có giá trị tán sắc âm, thành phần bước sóngngắn hơn lúc này sẽ di chuyển chậm hơn so với thànhphần bước sóng dài hơn Để đảm bảo hiệu ứng dãn xung

được bù hoàn toàn, cần phải thỏa mãn điều kiện sau:

DSMF x LSMF + DDCFxLDCF = 0

Đặc điểm của phương pháp này là tất cả các kênhbước sóng đều có thể đồng thời được bù tán sắc sau khi điqua sợi quang DCF Tuy nhiên, do giá trị tán sắc tại mỗibước sóng tín hiệu là khác nhau (trong trường hợp củaSMF và cả DCF), do vậy cùng một lúc, các kênh bướcsóng khác nhau không thể hoàn toàn được bù tán sắc ởmức độ như nhau

 Sử dụng các bộ lọc quang

Bộ lọc quang có đáp ứng pha thích hợp có thể bùđược tán sắc

Xét một bộ lọc quang có hàm truyền đạt H(ω) đặt sau sợiquang có chiều dài L, tín hiệu quang sau bộ lọc là

Khai triển pha H(ω) theo tần số tham khảo ω0 ở dạngchuỗi Taylor

Pha phổ do sợi sinh ra có thể được bù bằng cách chọn bộlọc quang sao cho có φ 2 = − β 2L

Xung có thể được phục hồihoàn toàn chỉ khi H(ω) và các số hạng bậc ba và bậc caohơn trong khai triển Taylor là không đáng kể

 Sử dụng cách tử sợi quang

Đối với kỹ thuật bù tán sắc bằng cách tử Bragg sợi , cóthể coi như là một bộ lọc quang có sự tồn tại của "băngdừng", là vùng tần số mà trong đó hầu hết ánh sáng tớidều được phản xạ trở lại Băng dừng có bước sóng trungtâm bằng bước sóng Bragg λB=2nΛ trong đó n là chỉ sốmode và Λlà chu kỳ cách tử

 Sử dụng kỹ thuật kết hợp pha quang OPC

Trong hệ thống quang cự li dài, sử dụng kỹ thuậtOPC để bù tán sắc Nguyên lý của OPC là thực hiện liênkết trường phức ại chặng giữa của tuyến, kết quả là tạinửa sau ảnh hưởng của GVD sẽ trung hòa ảnh hướng củaGVD ở nửa đầu Phương pháp này còn được gọi là đảophổ giữa chặng

Phương pháo sử dụng thông dụng nhát trong OPC làFWM trong môi trường phi tuyến: thường chọn bướcsóng bơm trùng với bước sóng tán sắc không

Phần 4- Truyền tải IP/quang

1 Trình bày các giai đoạn phát triển IP/ WDM.

a Giai Đoạn IP/ATM/SDH/WDM

Đây là giai đoạn đầu tiên trong công nghệ truyền tải IPtrên quang.

- Trong giai đoạn này, các IP datagram trước khi đưavào mạng truyền tải quang phải thực hiện chia cắtthành các tế bào ATM để có thể đi từ nguồn tới đích

- Tại chuyển mạch ATM cuối cùng, các IP datagrammới được khôi phục lại từ các tế bào

- Đây là giai đoạn có đầy đủ các tầng IP, ATM vàSDH, do đó chi phí lắp đặt, vận hành và bảo dưỡngtốn kém nhất Tuy nhiên, khi công nghệ các routercòn nhiều hạn chế về mặt tốc độ, dung lượng thì việc

xử lý truyền dẫn IP trên quang thông qua ATM vàSDH vẫn có lợi về mặt kinh tế

b Giai đoạn IP/SDH/WDM

- Giai đoạn này, tầng ATM đã bị loại bỏ và các IPdatagram được chuyển trực tiếp xuống tầng SDH.Thay vào đó, người ta sử dụng công nghệ router vớinhững ưu điểm vượt trội so với chuyển mạch ATM

về mặt tính năng, dung lượng và vì router IP làphương tiện truyền dẫn ưu việt cho công nghệ IPdatagram

- Ngoài ra, việc có thêm kỹ thuật MPLS bổ sung vàotầng IP sẽ tạo ra hai khả năng mới:

- Thứ nhất, nó cho phép thực hiện kỹ thuật lưu lượngnhờ vào khả năng thiết lập kênh ảo VC

- Thứ hai, MPLS tách riêng mặt điều khiển ra khỏi

mặt định hướng nên cho phép giao

thức điều khiển IP quản lý trạng thái thiết bị màkhông yêu cầu xác định rõ biên giới của các IPdatagram

- Như vậy, có thể dễ dàng xử lý đối với các IPdatagram có độ dài thay đổi

c Giai đoạn IP/WDM

Trong giai đoạn này, tầng SDH cũng bị loại bỏ và

IP datagram được chuyển trực tiếp xuống tầngquang

- Giải pháp này cho phép truyền trực tiếp IPdatagram trên hệ thống WDM, mỗi giao

Phần 5- Mạng truy nhập quang FTTx

1 Nêu khái niệm và nêu các ưu khuyết điểm của FTTx.

Khái niệm: Đây là một hình thức truy nhập trong

mạng truy nhập sợi quang, để đưa dịch vụ tới kháchhàng

Check mail…thì cáp đồng vẫn được tin dùng Do

đó càng ngày người ta càng cần phải đầu tưnghiên cứu để giảm các chi phí đó

2 Cho biết các công nghệ của mạng quang thụ động PON

Mạng quang thụ động (PON) là một kiến trúc mạng điểm

- đa điểm, sử dụng các bộ chia quang thụ động (không cónguồn cung cấp) để chia công suất quang từ một sợiquang tới các sợi quang cung cấp cho nhiều khách hàng

- Các công nghệ PON:

Công nghệ ATM PON: được ban hành thành tiêu chuẩn

trong G983.1 của ITU Trên cơ sở này đã xây dựng PONbăng rộng (B-PON) chuẩn ITU-T G983 Một mạngAPON/BPON điển hình cung cấp 622Mbít/s băng thôngđường xuống và 155 Mbit/s đường lên

Công nghệ GPON: Chuẩn ITU-T G984 mô tả sự gia

tăng trong cả băng thông và hiệu suất sử dụng băng thôngnhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi

Hơn nữa chuẩn G984 cho phép vài sự lựa chọn tốc độ bít,

cơ bản sử dụng tốc độ 2,488 Mbit/s cho luồng xuống vàtốc độ 1,244 Mbit/s cho luồng lên

Phương thức gói tổng hợp GPON (GPON