Đồ án Nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang DWDM - Chương 3

Đồ án Nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang DWDM - Chương 3

Chơng III Một số vấn đề công nghệ then chốt của hệ

thống WDM

3.1 Phân bổ khu bớc sóng quang

3.1.1 ý nghĩa của việc phân bổ bớc sóng

Sợi quang có 2 cửa sổ tổn hao thấp bớc sóng dài, tức cửa sổ 1310 nm và cửa sổ 1550nm Chúng đều có thể ding để truyền dẫn tín hiệu quang Nhng vì hiện nay phạm vi bớc sóng công tác của bộ khuếch đại sợi quang Erbium th-ờng dùng là 1530 ~ 1565 nm, do đó khu bớc sóng công tác của hệ thống ghép kênh bớc sóng quang là 1530 ~ 1565 nm, trong khu bớc sóng có hạn này việc phân bổ kênh một cách hiệu quả có quan hệ đến nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau

3.1.2 Phân bổ giữa các kênh

Trên thị trờng hiện nay đang xuất hiện các hệ thống 40 kênh và các thí nghiệm còn đang tiếp tục nghiên cứu các hệ thống có số kênh nhiều hơn, đến nay ITUT đã khuyến nghị có thể nâng cấp các hệ thống lên 81 kênh trong băng C với khoảng cách không thay đổi 50 GHz giữ chặt tại 193,1 THz Vùng này có thể mở rộng tới băng L (191,4  185,9 THz) ở đó các nguồn và các bộ khuếch đại bây giờ sẵn có Điều này sẽ thêm đợc 111 kênh ở khoảng cách 50 GHz

Các hệ thống 16 kênh đã sử dụng tất cả các hệ thống khoảng cách kênh

200 GHz trên một bộ khuếch đại băng rộng (30nm) với các hệ thống khoảng cách kênh 100 GHz trên một bộ khuếch đại băng tiêu chuẩn (20 nm) Việc xây dựng một hệ thống 40 kênh yêu cầu sử dụng cả khoảng cách kênh 100 GHz trên một bộ khuếch đại băng thông rộng (30 nm) và khoảng cách kênh

50 GHz trên một bộ khuếch đại băng thông tiêu chuẩn (20 nm) nh hình 3.1 khoảng cách kênh 100 GHz tơng đơng với bớc sóng 0,8 nm là khoảng cách kênh nhỏ nhất phù hợp với kỹ thuật truyền dẫn hiện nay

Hình 3.1 So sánh giữa khoảng cách kênh 50 GHz và 100 GHz

Hình 3.1 chỉ rõ khi sử dụng khoảng cách kênh 50 GHz ta có thể truyền nhiều kênh hơn nhng khoảng cách này không cho phép mang tốc độ 0C -192

và các tốc độ lớn hơn Do băng thông thực tế của một tín hiệu quang gấp đôi tốc độ bít và các bộ lọc quang thì không đợc bằng phẳng và ổn định Một khoảng cách kênh 50 GHz không cung cấp một đoạn không gian đầy đủ cho một tín hiệu 10 Gbps Sở dĩ khoảng cách kênh nhỏ 100 GHz và sau đó là 50 GHz đợc lựa chọn do:

Thoả mãn yêu cầu khoảng kênh là bội lần của 25 GHz

Linh hoạt trong đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng

Đáp ứng các yêu cầu về dung lợng và phổ của EDFA

Kế hoạch phân bổ bớc sóng đợc chỉ ra trong hình 3.2 Kế hoạch này đợc thảo luận trong khuyến nghị G.692 của ITU-T với khoảng kênh là 100 GHz

Thêm vào các tín hiệu WDM một tín hiệu điều khiển mức tự động (ACL) có bớc sóng 1545 nm thực hiện truyền dẫn WDM ảo không ảnh hởng

đến tải của kênh Chức năng này đảm bảo rằng các hệ thống có thể nâng cấp

số kênh một cách đơn giản và linh động

Hình 3.2 Kế hoạch phân bổ kênh bớc sóng của hệ thống truyền dẫn

theo khuyến nghị G.692 của ITU-T

Do một số khó khăn nhất định nên hiện tại cha sử dụng đợc toàn bộ dải bớc sóng từ 1280 đến 1650nm Nhng với DWDM dải này có thể đợc sử dụng hết Tuy vậy, các hệ thống DWDM cũng dùng để xây dựng các tuyến truyền dẫn khoảng cách lớn nên phải sử dụng các bộ khuếch đại quang mà hiện tại các bộ khuếch đại này chỉ hoạt động tốt ở các cửa sổ quang thứ 3 và thứ 4

(b-ớc sóng từ 1550  1610nm) Mặt khác, thuộc tính tán sắc và phân cực của sợi

đơn mode cũng phụ thuộc vào bớc sóng, do đó các sợi không sử dụng đợc tất cả các bớc sóng

Để thuận lợi cho triển khai DWDM trên thị trờng và tính tơng thích của các thiết bị , ITU-T đa ra bảng khuyến nghị về bớc sóng và các tần số chuẩn cho DWDM nh đã đa ra trong bảng 3.1 Trong bảng này tần số chuẩn 193,10 THz và khoảng cách kênh là 100 GHz Các tần số chuẩn sẽ đợc duy trì và chỉ

đợc bổ xung bởi các tần số tăng thêm Ví dụ dải bớc sóng 1565  1610nm là khả dụng trong việc kết nối với các bộ khuếch đại sợi quang mới

Bảng 3.1 Các tần số và bớc sóng DWDM theo khuyến nghị của ITU-T

Tần số

trung tâm

(THz)

Khoảng cách kênh

Bớc sóng tơng ứng (nm)

100 GHz 200 GHz 300 GHz 400 GHz 500 GHz

192.8 * * 1554.94

3.2 Vấn đề ổn định bớc sóng của nguồn quang

Đối với nguồn quang trong hệ thống WDM, nói chung yêu cầu bớc sóng phát quang của chúng phải chính xác và hiệu suất thành phẩm cao, giá thành hạ của chip tích hợp và khi ứng dụng trong hệ thống WDM yêu cầu

đồng bộ giám sát bớc sóng và công nghệ ổn định Tức là trong hệ thống WDM phải quy định và điều chỉnh chính xác bớc sóng của nguồn quang, nếu không sự trôi bớc sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn

định và kém tin cậy Hiện nay chủ yếu ding hai phơng pháp: Thứ nhất là

ph-ơng pháp điều khiển phản hồi, đó là là thông qua nhiệt độ của chip bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển

b-ớc sóng và ổn định bb-ớc sóng Thứ hai là phơng pháp điều khiển phản hồi bb-ớc sóng, nó thông qua việc giám sát bớc sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang và hình thành kết cấu khép kín, chốt vào bớc sóng trung tâm

3.3 Vấn đề xuyên nhiễu giữa kênh tín hiệu quang

Xuyên nhiễu giữa kênh tín hiệu quang là nhân tố ảnh hởng tới độ nhạy của máy thu, chủ yếu quyết định bởi tính phi tuyến của sợi quang và đặc tính

bộ lọc của bộ tách kênh không nguồn, trong trờng hợp khoảng cách giữa kênh tín hiệu là 1,6 nm hoặc 0,8 nm Hiện nay, các bộ tách kênh dùng cho thơng mại trong hệ thống 2,5 Gbit/s đều đảm bảo độ cách ly giữa kênh tín hiệu lớn hơn 25 dB, cơ bản thỏa mãn yêu cầu của hệ thống WDM

3.4 Vấn đề ảnh hởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn

Sau khi dùng EDFA, vấn đề suy giảm đã đợc giải quyết, cự ly truyền dẫn đợc nâng lên rất cao nhng tổng tán sắc cũng tăng lên Nguyên nhân là hệ thống bị suy giảm biến thành hệ thống bị tán sắc, điều này lại yêu cầu phải

giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện đợc thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài Do đó ảnh hởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang là một nhân tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ cao càng rõ rệt

3.5 Vấn đề hiệu ứng phi tuyến tính của sợi quang

Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hởng của hiệu ứng tán xạ (bao gồm tán xạ bị kích Buliyuan (SBS) và tán xạ bị kích Raman (SRS))

và hiệu suất khúc xạ (bao gồm tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM) và trộn tần 4 sóng (FWM), những hiệu ứng này phần lớn liên quan đến công suất đa vào sợi quang

SRS là hiện tợng khi chiếu vào sợi quang cờng độ mạnh, sẽ gây ra dao

động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế với tín hiệu quang đa vào dẫn đến kênh bớc sóng ngắn trong hệ thống WDM (sóng cao tần) suy giảm tín hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống

SBS cũng có hiện tợng tơng tự nh SRS, khi truy nhập quang tơng đối mạnh trên sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử, nhng so với SRS, trị số đỉnh của tăng ích SBS rất lớn, dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hớng sau chiều tán xạ, ảnh hởng cũng lớn hơn nhất là khi chiều rộng của dây nguồn quang tơng đối hẹp, ngỡng công suất càng thấp thì ảnh hởng càng lớn

SPM là hiện tợng khi cờng độ quang đa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo, gây ra sự biến đổi pha của sóng quang, sau khi khi kết hợp với tán sắc của sợi quang, sẽ dẫn đến tần phổ dãn rộng và tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài, sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn, ảnh hởng lớn đối với xung hẹp, tốc độ cao trong hệ thống

XPM có nghĩa là trong hệ thống nhiều bớc sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cờng độ quang đầu vào, dẫn đến pha của tín hiệu bị điều chế bởi công suất của kênh khác và gây ra xuyên âm giữa các kênh

FWM có nghĩa là khi có nhiều tín hiệu sóng quang tơng đối mạnh truyền dẫn hỗn hợp trên sợi quang thì sẽ xuất hiện nhiều bớc sóng mới khác, gây nên xuyên nhiễu từ đó hạn chế số bớc sóng đợc sử dụng

Trong hệ thống WDM hiện nay đã tìm đợc một số phơng pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hởng của những hiệu ứng trên đối với tryền dẫn, đặc biệt là hệ thống WDM có số lợng kênh quang tơng đối ít (≤ 16), tổng công suất truy nhập sợi quang thờng không lớn hơn + 17dBm, nhỏ hơn rất nhiều so với trị số ngỡng gây ra hiệu ứng SRS, do đó sẽ không có ảnh hởng của SRS Sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ

dao động tần số thấp cũng có thể khắc phục ảnh hởng của hiệu ứng băng hẹp của SBS Hiệu suất trộn tần 4 sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợi quang, sợi quang G665 (NZ-DSF) là sợi quang chuyên dùng cho hệ thống truyền dẫn WDM có thể khắc phục FWM, hơn nữa có thể giảm đợc tán sắc của sợi quang là lựa chọn tốt nhất cho việc sử dụng hệ thống WDM tốc độ cao Điều chế pha chéo (XPM) thờng phát sinh trong hệ thống WDM có nhiều hơn 32 kênh tín hiệu, có thể giải quyết bằng phơng pháp tăng tiết diện hữu hiệu của sợi quang Trên sợi quang G.652, tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp

độ rộng xung quang truyền dẫn, ngợc lại với hiệu ứng dãn xung của tán sắc, ở mức độ nhất định có thể lợi dụng SPM để bù hiệu ứng dãn xung do tán sắc

3.6 Vấn đề tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA và công nghệ chốt EDFA

Trong hệ thống WDM, nếu công suất đa vào biến đổi thậm chí mất hẳn trên một hoặc vài kênh, thì tăng ích của công suất đa ra ở các kênh còn lại sẽ biến đổi nhảy vọt, công suất bơm của EDFA sẽ phân phối lại trong các kênh còn lại, dẫn tới tắc nghẽn đờng dây Cho nên EDFA trong hệ thống ghép kênh bớc sóng phải có chức năng kìm hãm tăng ích lại Công nghệ chốt EDFA là một công nghệ then chốt đợc sử dụng để khắc phục ảnh hởng đến kênh quang khác khi một số kênh nào đó bị đứt mạch

3.7 Vấn đề tăng ích bằng phẳng của EDFA

Hệ thống WDM đối với EDFA có một yêu cầu đặc biệt là tăng ích bằng phẳng Thông thờng EDFA ở bớc sóng 1550 nm, độ rộng băng là 35 ~ 40 nm khi sử dụng vào hệ thống WDM, thì do bớc sóng của các kênh khá nhau nên tăng ích có sai lệch Qua nhiều cấp khuếch đại, sai lệch của tăng ích tích lũy lại, tín hiệu ở kênh mức điện thấp SNR xấu đi, tín hiệu ở kênh mức điện cao cũng do hiệu ứng phi tuyến của sợi quang làm đặc tính của tín hiệu bị xấu đi, cuối cùng toàn bộ hệ thống làm việc không bình thờng Do đó, muốn để cho sai lệch tăng ích trên các kênh nằm trong phạm vi cho phép, tăng ích của bộ khuếch đại phải bằng phẳng

3.8 Vấn đề sóng trào quang của EDFA

Việc sử dụng EDFA có thể làm cho công suất đầu vào tăng lên nhanh chóng, nhng do tăng ích động của EDFA biến đổi tơng đối chậm, ở thời điểm tín hiệu đầu vào đột biến sinh ra sóng trào quang làm cho công suất ở đầu ra xuất hiện "đỉnh nhọn", nhất là khi EDFA đấu nhiều tầng sóng trào quang càng

rõ rệt, trị số đỉnh của công suất quang có thể đạt tới vài W, có hại

cho bộ biến đổi O/E và bộ nối dây quang

3.9 Vấn đề tích lũy tạp âm khi dùng bộ khuếch đại quang EDFA nhiều tầng

Tuy hệ thống sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA truyền dẫn tín hiệu

số, nhng sự biến đổi tỷ lệ tín hiệu tạp âm của tín hiệu sau truyền dẫn phản ánh

hệ thống cũng có đặc trng của hệ thống tơng tự Về lý luận, hệ số tạp âm của

bộ khuếch đại EDFA (tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu vào/tỷ

lệ tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu ra) có thể đạt tới 3 dB, thờng thì trong ứng dụng thực tế ở trong khoảng 4 ~ 6 dB, tức là qua EDFA khuếch đại, tín hiệu tạp âm ít nhất xấu đi 1 đến 2 lần, mức độ xấu đi của tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm có quan hệ với số lợng bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng và sự chênh lệch khoảng cách đoạn sợi quang giữa bộ khuếch đại với nhau đặc biệt là khoảng cách của đoạn sợi quang giữa bộ khuếch đại càng lớn, sự xấu đi của tỷ

lệ tín hiệu trên tạp âm càng nhiều Do đó, khi xác định tổng cự ly truyền dẫn không có chuyển tiếp (hạn chế tán sắc) thì cần làm cho độ dài chặng của đoạn sợi quang nhỏ hơn 120 km (suy hao 33 dB), thờng khống chế trong 80 ~ 120

km để đảm bảo yêu cầu của tính năng truyền dẫn tín hiệu về tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm