Nghiên cứu, đề xuất công nghệ và giải pháp xây dựng hệ thống cáp quang biển việt nam

TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “Nghiên cứu, đề xuất công nghệ và giải pháp xây dựng hệ thống cáp quang biển Việt Nam” giới thiệu tổng quan về các hệ thống cáp quang biển trên thế giới, các công

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

TÓM TẮT LUẬN VĂN 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN 12

1.1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP QUANG BIỂN 12

1.2.ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN 15

1.2.1.Đặc điểm chung 15

1.2.2.Phân loại hệ thống 16

1.3.LƯU LƯỢNG THÔNG TIN QUA CÁC HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN 17

CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT PHỤC VỤ CHO TRUYỀN DẪN CÁP QUANG BIỂN 19

2.1.CÔNG NGHỆ CÁP 20

2.1.1.Cáp OS/OFS 20

2.1.2.Cáp HF 25

2.2.CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG 27

2.2.1.Nguyên lý của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA 27

2.2.2.Đặc tính tạp âm 29

2.2.3.Đặc trưng khuếch đại 31

2.2.4.Ứng dụng của EDFA 33

2.3.CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN WDM 35

2.3.1.Nguyên lý truyền dẫn WDM 35

2.3.2.Ứng dụng khuếch đại quang trong truyền dẫn WDM 37

2.3.3.Hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) 39

2.3.3.1.Khái niệm 39

2.3.3.2.Các thành phần chính trong hệ thống DWDM 40

2.3.3.3.Ưu điểm của hệ thống DWDM 43

2.3.3.4.Ứng dụng của DWDM trong hệ thống mạng thực tế 44

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 50

3.1.LỰA CHỌN CẤU HÌNH MẠNG 50

3.1.1.Mạng vòng (ring network) 50

3.1.2.Mạng kiểu đường trục - rẽ nhánh (trunk - and - branch) 51

3.1.3.Mạng lặp (festoon) 52

3.1.4.Mạng lưới (mesh network) 53

3.2.THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN 53

3.2.1.Tham số Q 54

3.2.3.Khắc phục hiện tượng suy giảm chất lượng đường truyền 55

3.2.4.Quỹ dự trữ công suất 57

3.3.THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN VIỆT NAM 58

3.3.1.Các yêu cầu trong thiết kế hệ thống cáp quang biển Việt Nam 58

3.3.1.1.Nhu cầu dung lượng của Việt Nam 58

3.3.1.2.Lựa chọn địa điểm xây dựng trạm cập bờ 58

3.3.1.3.Lựa chọn công nghệ truyền dẫn 58

3.3.1.4.Lựa chọn cấu hình hệ thống 59

3.3.1.5.Các yêu cầu kỹ thuật trong hệ thống cáp quang biển Việt Nam 59

3.4.MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG CÔNG CỤ OPTISYSTEM 74

3.4.1.Giới thiệu công cụ mô phỏng hệ thống thông tin quang OptiSystem 74

3.4.2.Mô phỏng hệ thống 78

3.4.2.1.Tính toán thiết kế hệ thống 78

3.4.2.2.Thông số thiết kế 81

3.4.2.3.Kết quả mô phỏng 82

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN 85

4.1.THIẾT LẬP TUYẾN 85

4.1.1.Nghiên cứu sơ bộ 85

4.1.2.Khảo sát tuyến 88

4.2.RẢI CÁP 91

4.2.1.Độ chùng của cáp (Slack) 91

4.2.2.Cấu trúc cáp trong quá trình rải cáp 92

4.2.3.Hằng số thuỷ lực 93

4.2.4.Quản lý độ chùng của cáp 94

4.2.5.Rải cáp tự động 99

4.2.6.Mô phỏng quá trình rải cáp 100

4.2.7.Lắp đặt khối rẽ nhánh 101

4.3.QUÁ TRÌNH CẬP BỜ 102

4.3.1.Cập bờ nhiều cáp (Multi - cable Landing) 102

4.3.2.Phương pháp cập bờ bằng ống dẫn 102

CHƯƠNG 5: BẢO VỆ VÀ SỬA CHỮA 104

5.1.CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ CHO HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN 104

5.1.1.Hoạt động đánh bắt cá 104

5.1.2.Hoạt động neo đậu 105

5.1.3.Cáp hư hỏng do quá trình rải không chính xác 105

5.1.4.Cáp hư hỏng do các hiện tượng tự nhiên 106

5.1.5.Sự cố của các mạch lặp hay sợi quang 106

5.2.BẢO VỆ CÁP 106

5.2.1.Chôn cáp 106

5.2.1.1.Độ sâu chôn cáp 106

5.2.1.2.Các hệ thống chôn cáp 107

5.2.2.Các công nghệ bảo vệ cáp khác 110

5.2.3.Thiết bị ngầm tự động AUV (Autonomous Underwater Vehicle) tuần tra cáp 110 5.3.SỬA CHỮA CÁP 111

5.3.1.Phân loại và xác định vị trí xảy ra sự cố 112

5.3.1.1.Shunt fault (dò dòng cấp nguồn) 112

5.3.1.2.Short fault 113

5.3.1.3.Open fault 114

5.3.1.4.Sự cố gãy sợi quang (fiber break fault) 114

5.3.2.Quy trình sửa chữa cáp 114

5.3.2.1.Xác định vị trí sự cố tại khu vực sửa chữa 115

5.3.2.2.Quá trình cắt và giữ cáp 115

5.3.2.3.Giữ cáp và đưa một đầu cáp lên tàu 115

5.3.2.4.Gắn một phao vào đầu cáp 116

5.3.2.5.Giữ và đưa lên tàu đầu cáp còn lại 117

5.3.2.6.Loại bỏ đoạn có sự cố và thực hiện mối nối thứ nhất 118

5.3.2.7.Rải đoạn cáp thay thế đến vị trí phao 119

5.3.2.8.Lấy phao và đầu cáp lên tàu 120

5.3.2.9.Thực hiện nối giữa cáp thay thế và đầu cáp còn lại (mối nối cuối cùng) 120 5.3.2.10.Thả mối nối 120

5.3.2.11.Các quá trình khác 122

5.3.3.Trao đổi thông tin trong quá trình sửa chữa 122

5.3.4.Cải tiến quá trình sửa chữa cáp 122

KẾT LUẬN 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay thông tin quang là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông Hệ thống mạng đường trục nội địa quốc gia hiện tại về cơ bản đã phục vụ được nhu cầu truyền dẫn trong nước Tuy nhiên, để hướng đến nhu cầu về dung lượng ngày càng tăng trong tương lai thì Việt Nam cần đầu tư xây dựng một hệ thống cáp quang biển của riêng mình, hệ thống cáp quang biển này có khả năng kết nối với các trung tâm viễn thông lớn trong nước, kết nối với hệ thống cáp quang biển quốc tế và có khả năng dự phòng trong trường hợp hệ thống mạng đường trục nội địa phải nâng cấp sửa chữa

Nội dung luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin cáp quang biển

Chương 2: Các công nghệ then chốt phục vụ cho truyền dẫn cáp quang biển Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 4: Triển khai hệ thống cáp quang biển

Chương 5: Bảo vệ và sửa chữa

Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải - Giảng viên

hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2015

Học viên thực hiện

Trần Ngọc Tú

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài “Nghiên cứu, đề xuất công nghệ và giải pháp xây dựng hệ thống cáp quang biển Việt Nam” giới thiệu tổng quan về các hệ thống cáp quang biển trên thế giới, các công nghệ phục vụ cho truyền dẫn cáp quang biển với chủ đạo là công nghệ ghép kênh bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), từ đó tính toán phân tích thiết kế hệ thống cáp quang biển Việt Nam,

mô phỏng hệ thống sử dụng công cụ Optisystem, cuối cùng là thực hiện triển khai

hệ thống trên thực tế và đưa ra các phương pháp bảo vệ sửa chữa hệ thống

ABSTRACT

The project “Study technology and solution proposal to design Vietnam submarine system” introduced about submrine systems over the world, technologies are used for submarine transmission DWDM is a popular technology for this system Then calculates and analyzes to design Vietnam submarine system This submarine system is simulated by Optisystem (Optisystem is a tool which is uesd to simulate optical systems) Finally, perform to deploy cable of submarine system in the moment and take some methods to protect and repair submarine system

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các hệ thống cáp quang biển 13

Hình 1.2: Chia vùng các hệ thống cáp quang biển 13

Hình 1.3: Vị trí của hệ thống truyền dẫn cáp quang biển trong mạng viễn thông 14

Hình 1.4: (a) Sơ đồ của một tuyến cáp quang biển cơ bản, (b) Mô tả chi tiết một tuyến cáp quang biển trong thực tế 15

Hình 1.5: Sự tăng trưởng của lưu lượng thông tin quốc tế qua cáp quang biển 17

Hình 1.6: Lưu lượng thông tin các tuyến quốc tế tăng 17

Hình 2.1: Cáp LW 22

Hình 2.2: Cáp SAM 23

Hình 2.3: Cáp HF 26

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium 27

Hình 2.5: Sơ đồ mức năng lượng ion Erbium và các quá trình dịch chuyển 28

Hình 2.6: Mô hình Laser 3 mức 29

Hình 2.7: Đặc tính tạp âm bộ khuếch đại 30

Hình 2.8: Độ khếch đại chưa bão hoà theo bước sóng 32

Hình 2.9: Độ khuếch đại chưa bão hoà theo chiều dài EDF 32

Hình 2.10: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất tín hiệu đầu vào 33

Hình 2.11: Quản lý tán xạ 35

Hình 2.12: Nguyên lý của truyền dẫn WDM 36

Hình 2.13: Khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM 37

Hình 2.14: Ứng dụng khuếch đại quang trong truyền dẫn WDM 38

Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống DWDM 40

Hình 2.16: Hệ thống quản lý mạng DWDM 41

Hình 2.17: Hệ thống mạng DWDM của Viettel 46

Hình 2.18: Hệ thống cáp quang biển SMW-3 47

Hình 2.19: Hệ thống cáp quang biển quốc tế EASSy 48

Hình 3.1: Cấu hình mạng kiểu ring 51

Hình 3.2: Cấu hình kiểu đường trục - rẽ nhánh 51

Hình 3.3: Cấu hình kiểu Festoon 52

Hình 3.4: Cấu hình kiểu Mesh 53

Hình 3.5: Chuỗi sợi quang bù tán xạ 56

Hình 3.6: Cấu hình mạng cáp quang biển Việt Nam 59

Hình 3.7: Sơ đồ hệ thống cáp quang biển 60

Hình 3.8: Cáp quang biển trong thực tế 61

Hình 3.9: Khối cung cấp nguồn trong hệ thống cáp quang biển 63

Hình 3.10: Hệ thống cấp nguồn kiểu điểm - điểm 64

Hình 3.11: Hệ thống cấp nguồn kiểu đường trục - rẽ nhánh 64

Hình 3.12: Khối thiết bị quang 65

Hình 3.13: Bộ lặp trong thực tế 66

Hình 3.14: Bộ rẽ nhánh trong thực tế 67

Hình 3.15: Bộ rẽ nhánh thụ động 68

Hình 3.16: Bộ rẽ nhánh chuyển mạch điện 69

Hình 3.17: Bộ rẽ nhánh xen/ rẽ quang chuyển mạch điện 70

Hình 3.18: Bộ rẽ nhánh chuyển mạch không điện 71

Hình 3.19: Bộ cân bằng độ lợi trong thực tế 71

Hình 3.20: Sơ đồ kết nối trạm cập bờ với mạng đất liền 73

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối các trạm cập bờ với nhau 74

Hình 3.22: Giao diện khởi động OptiSystem 74

Hình 3.23: Giao diện sử dụng của OptiSystem 75

Hình 3.24: Quá trình tính toán trên OptiSystem 76

Hình 3.25: Phổ tín hiệu 76

Hình 3.26: Đồ thị mắt 77

Hình 3.27: Sơ đồ thiết kế hệ thống cáp quang biển Việt Nam 78

Hình 3.28: Phổ tín hiệu sau tách kênh 83

Hình 3.29: Đồ thị mắt 83

Hình 4.1: Hệ thống khảo sát đáy biển 90

Hình 4.2: Các ngoại lực tác dụng khi rải cáp 92

Hình 4.3: Độ chùng khi bắt đầu rải cáp 95

Hình 4.4: Độ chùng cáp khi giữ cáp 96

Hình 4.5: Độ chùng cáp thay đổi do gặp phải dốc 97

Hình 4.6: Độ chùng cáp với dốc xuống 98

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng quá trình bắt đầu rải cáp 101

Hình 4.8: Thiết bị sử dụng trong phương pháp HDD 102

Hình 4.9: Ứng dụng HDD 103

Hình 5.1: Cable plough 108

Hình 5.2: ROV 108

Hình 5.3: Tractor 109

Hình 5.4: AUV 111

Hình 5.5: Cắt cáp 115

Hình 5.6: Giữ cáp 116

Hình 5.7: Đưa đầu cáp lên bong 117

Hình 5.8: Gắn phao 117

Hình 5.9: Giữ đầu cáp còn lại 118

Hình 5.10: Loại bỏ cáp hỏng và thực hiện mối nối thứ nhất 119

Hình 5.11: Rải cáp thay thế 119

Hình 5.12: Lấy phao và đầu cáp lên bong, thực hiện mối nối cuối cùng 120

Hình 5.13: Thả dây buộc 121

Hình 5.14: Hoàn thành quá trình sửa chữa 121

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các loại cáp OS/OFS chính 21

Bảng 2.2: Sức căng của cáp OS/OFS (Đơn vị KN) 24

Bảng 3.1: Bảng thông số đầu vào 81

Bảng 3.2: Kết quả mô phỏng 82

Bảng 4.1: Thiết bị khảo sát ngầm 89

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng

dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không

đồng bộ ASE Amplified Spontaneus Emission Nhiễu phát xạ tự phát được

khuếch đại AUV Autonomous Underwater Vehicle Phương tiện tự động dưới

DCM Dispersion Compensating Module Mô đun bù tán sắc

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Công nghệ ghép kênh theo

bước sóng mật độ cao DPS Dynamic Positioning System Hệ thống định vị động

EMS Element Management System Hệ thống quản lý phần tử

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi quang pha

tạp Erbium

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

ITU-T International Telecommunication Union

Telecommunication Standardization

Tổ chức viễn thông quốc tế

ICMS Intergrated Cable Management Systerm Hệ thống quản lý cáp tích

hợp

trọng lượng nhẹ LME Line Monitoring Equipment Thiết bị giám sát đường dây

nhẹ MPLS Multiple Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao

thức

NME Network Management Equipment Thiết bị quản lý mạng

NOC Network Operation Centre Trung tâm vận hành mạng

NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng

PSBU Power Switched Branching Unit Bộ rẽ nhánh chuyển mạch

nguồn PFE Power Feed Equipment Thiết bị cung cấp nguồn

ROV Remotely Operated Vehicle Phương tiện được vận hành

từ xa

SPM Self Phase Modulation Hiện tượng tự điều pha

SNR Signal Noise to Ratio Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu

dụng đặc biệt SLTE Submarine Line Termination Equipment Thiết bị đầu cuối tuyến cáp

quang biển

SDH Synchronous Digital Hierarchy Truyền dẫn phân cấp số

đồng bộ SIE SDH Interconnection Equipment Thiết bị kết nối mạng SDH

TLA Terminal Line Amplifier Bộ khuếch đại đầu cuối

đường truyền WTE Wavelength Termination Equipment Thiết bị đầu cuối bước sóng

WDM Wavelength Division Multiplexing Công nghệ ghép kênh phân

chia theo bước sóng XSP Exchange Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

CHƯƠNG

1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN CÁP

QUANG BIỂN

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG

TRUYỀN DẪN CÁP QUANG BIỂN

Lịch sử phát triển của truyền dẫn cáp quang biển được bắt đầu từ cuối thập niên 80 của thế kỷ trước Ban đầu việc ứng dụng phương pháp truyền dẫn này gặp không ít khó khăn do những hạn chế về công nghệ, đặc biệt là những công nghệ sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt dưới đáy đại dương Từ hệ thống FS-400M là hệ thống cáp quang biển truyền dẫn tốc độ 400 Mbit/s đầu tiên được đưa vào phục vụ thương mại vào năm 1986, rồi đến TPC-3 là hệ thống cáp quang biển đầu tiên tại Thái Bình Dương, được đưa vào khai thác ở tốc độ 280 Mbit/s đầu năm 1989, sau đó là rất nhiều các hệ thống cáp quang biển được quy hoạch và xây dựng Sự phát triển của công nghệ khuếch đại quang trên cơ sở khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium đã có những tác động mạnh mẽ đến các hệ thống truyền dẫn cáp quang biển, đặc biệt là các hệ thống truyền dẫn đường dài

Một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là các mạch lặp đơn giản hơn so với các bộ khuếch đại tái tạo truyền thống vốn yêu cầu một số lượng lớn các thành phần như: Laser, các Diode phát/thu quang và các mạch điện tốc độ cao Đặc tính không phụ thuộc vào tốc độ bit của các bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) mở ra một khả năng lớn trong việc tăng dung lượng hệ thống Thực tế là hệ thống cáp quang biển FSA-10G, ứng dụng công nghệ khuếch đại quang đã được đưa vào khai thác đầu năm 1995, rồi các hệ thống truyền dẫn vượt đại dương như: TPC-5, TAT-12/13 và APCN lần lượt được đưa vào khai thác trong những năm 1995/1996

Hình 1.1: Các hệ thống cáp quang biển

Ngày nay truyền dẫn cáp quang biển đã trở thành phương tiện truyền dẫn hàng đầu phục vụ cho truyền thông khoảng cách lớn và trung bình như thấy trên hình 1.1 Các hệ thống cáp quang biển được chia thành các vùng như trên hình 1.2

Hình 1.2: Chia vùng các hệ thống cáp quang biển

1a Anh và biển Bắc 1b Baltic và Skagerrak

2 Địa Trung Hải và biển Đỏ 3a Đại Tây Dương

3b Vùng Caribbean

4 Đông Thái Bình Dương 5a Tây Thái Bình Dương, Viễn Đông và đông Ấn

Độ Dương 5b Vùng Australia

6 Vịnh Ả-rập, biển Ả-rập và tây Ấn Độ Dương

Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM là một phương pháp hiệu quả để tăng tổng dung lượng hệ thống Các hệ thống truyền dẫn dưới biển ứng dụng công nghệ WDM đầu tiên như: SEA-ME-WE-3 và China-US, tốc độ kênh 2,5 Gbit/s và có thể đạt được dung lượng tổng 20→40 Gbit/s Để tăng hơn nữa

về dung lượng truyền dẫn cần phải tăng cả tốc độ bit trên một kênh và tăng số kênh WDM trên một sợi quang Tuy nhiên trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, hiệu ứng phi tuyến sợi quang sẽ tác động rất nhiều đến hiệu quả truyền dẫn tín hiệu Ngày nay các nỗ lực nghiên cứu chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề này từ hai phương diện thiết kế hệ thống và cải tiến các thành phần thiết bị của hệ thống Các công nghệ DWDM cùng với các cải tiến về sợi quang truyền dẫn và cải tiến về công nghệ khuếch đại quang cho phép chúng ta tăng dung lượng truyền dẫn lên hàng Tbit/s nhằm thoả mãn nhu cầu về dung lượng đang bùng nổ

Hệ thống truyền dẫn cáp quang biển

Mạng truyền thông đất liền

Mạng truyền thông đất liền

Mạng truyền thông đất liền

Hình 1.3: Vị trí của hệ thống truyền dẫn cáp quang biển trong mạng viễn thông

1.2 ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN

1.2.1 Đặc điểm chung

Hệ thống cáp quang biển là một hệ thống truyền dẫn gồm các tuyến cáp quang được rải dưới đáy biển để truyền lưu lượng thông tin giữa các vùng, các quốc gia hay giữa các lục địa khác nhau Nó đóng vai trò là cầu nối giữa các mạng truyền dẫn trên đất liền Hình 1.3 cho thấy vị trí của hệ thống truyền dẫn cáp quang biển trong mạng viễn thông Hệ thống cáp quang biển cơ bản gồm các thành phần được trình bày trên hình 1.4

tuyến cáp quang biển trong thực tế

Cáp quang là môi trường truyền dẫn tín hiệu Trạm cập bờ gồm nhiều thiết bị thực hiện nhiệm vụ kết cuối tuyến cáp quang biển, trao đổi lưu lượng với các mạng khác đồng thời thực hiện điều khiển, giám sát và duy trì sự hoạt động của hệ thống Trong hình 1.4 (b), các bộ lặp có nhiệm vụ khôi phục mức tín hiệu bị suy hao trong quá trình lan truyền nhằm cải thiện khoảng cách truyền dẫn Ngoài ra, hệ thống còn

có các thành phần khác như các khối rẽ nhánh, các hộp nối cáp…

 Hệ thống không lặp

Hệ thống trong đó không sử dụng các bộ lặp độc lập Thay vì sử dụng các bộ lặp các hệ thống này ứng dụng các công nghệ khuếch đại tín hiệu phát (post amplifier), khuếch đại trước thu (pre-amplifier) và các công nghệ khuếch đại như: khuếch đại quang sợi pha tạp và khuếch đại Raman từ trạm cập bờ Khoảng cách truyền dẫn của các hệ thống này thường là nhỏ hơn hệ thống có lặp

Dựa vào công nghệ sử dụng cho bộ lặp có thể chia ra:

 Hệ thống lặp tái tạo

Là các hệ thống truyền dẫn cáp quang biển truyền thống sử dụng các bộ lặp, tái tạo tín hiệu thông qua quá trình chuyển đổi về tín hiệu điện Các hệ thống này đang ngày càng bộc lộ nhiều hạn chế và dần được thay thế bởi các hệ thống lặp khuếch đại quang

 Hệ thống lặp khuếch đại quang

Là các hệ thống ứng dụng các công nghệ khuếch đại quang vào các bộ lặp, thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải chuyển đổi về tín hiệu điện Hệ thống này có nhiều ưu điểm như: cấu tạo bộ lặp sẽ đơn giản hơn, không phụ thuộc vào tốc độ bit tín hiệu, tiềm năng về băng thông lớn

2000 2005 2010 0.001

Hình 1.5: Sự tăng trưởng của lưu lượng thông tin quốc tế qua cáp quang biển

Hình 1.6: Lưu lượng thông tin các tuyến quốc tế tăng

1.3 LƯU LƯỢNG THÔNG TIN QUA CÁC HỆ THỐNG CÁP

đó đồng nghĩa với việc dung lượng phục vụ cho thông tin quốc tế mà mỗi hệ thống cáp quang biển phải đảm nhận sẽ phải lớn hơn 10 Tbit/s trong những năm tới nhằm

100M 1G 10G 100G

thoả mãn nhu cầu này Hình 1.5 thể hiện mức tăng lưu lượng thông tin quốc tế trên một cáp truyền dẫn theo dự đoán đến năm 2020, trong đó có phân định dịch vụ thoại truyền thống và dịch vụ số liệu

Nhu cầu về lưu lượng thông tin tăng cũng đã dẫn đến sự mở rộng về loại khách hàng và nhà cung cấp Những khách hàng mới bao gồm: các nhà cung cấp dịch vụ truy nhập Internet (ISP - Internet Service Provider), các nhà cung cấp dịch vụ kết nối Internet (XSP - Exchange Service Provider) và các nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng (ASP - Application Service Provider) cho các dịch vụ ứng dụng Internet Trong đó bao gồm cả thương mại điện tử Cơ sở hạ tầng truyền dẫn cung cấp bởi các hệ thống cáp quang biển có thể được ứng dụng cho nhiều dịch vụ số liệu đang

sử dụng các công nghệ mạng tiên tiến như: ATM và IP-MPLS kết nối hướng IP Chưa từng bao giờ các hệ thống cáp quang biển giành được nhiều sự quan tâm như hiện nay

CHƯƠNG

2 CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT PHỤC VỤ CHO TRUYỀN DẪN CÁP

QUANG BIỂN

Các hệ thống cáp quang biển là những thành phần có ý nghĩa rất quan trọng đối với truyền thông quốc gia cũng như quốc tế Một trong những đặc trưng của các hệ thống cáp quang biển là khoảng cách truyền dẫn rất lớn, có thể lên tới hàng vạn km Với khoảng cách truyền dẫn lớn như vậy, sự suy hao gây ra lỗi tín hiệu là điều không thể tránh khỏi Để khắc phục điều này cần phải khôi phục mức tín hiệu bằng cách đặt các bộ lặp ở các khoảng cách thích hợp (với hệ thống có lặp) hoặc áp dụng các công nghệ khuếch đại quang (với hệ thống không lặp) Trong một bộ lặp truyền thống dùng cho cáp quang biển, tín hiệu quang nhận được trước hết được biến đổi thành tín hiệu điện Tiếp đó, nó được khôi phục trong một mạch điện có chức năng gọi là 3R (Reshaping, Retiming và Reproducing) Các bộ lặp dùng cho cáp quang biển phải có độ tin cậy cao để giảm thiểu khả năng gián đoạn thông tin của toàn bộ tuyến truyền dẫn Đồng thời các thiết bị thành phần trong bộ lặp cũng phải có độ tin cậy cao Điều đó làm cho giá thành của bộ lặp tăng lên đáng kể Hơn nữa, số lượng mạch lặp gắn trong một bộ lặp bị hạn chế bởi kích thước nhỏ của vỏ bọc cáp (repeater housing) Đây chính là điều ngăn cản khả năng tăng dung lượng truyền dẫn

Những cải tiến hiện nay trong công nghệ khuếch đại quang đã giải quyết các vấn đề trên cho cả hệ thống có và không dùng bộ lặp Một trong những cải tiến quan trọng đó là sử dụng bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium, hiệu quả của nó

đã được chứng minh trong các hệ thống truyền dẫn đường dài và tốc độ cao

Công nghệ truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM hay DWDM mở ra một tiềm năng rất lớn về dung lượng truyền dẫn và sự linh hoạt trong cấu trúc mạng cho hệ thống truyền dẫn cáp quang biển

Trong chương này sẽ trình bày các công nghệ và các ứng dụng của chúng trong truyền dẫn cáp quang biển, tuy nhiên trước hết ta cần tìm hiểu về các công nghệ liên quan đến việc chế tạo cáp quang biển

2.1 CÔNG NGHỆ CÁP

Là một môi trường truyền dẫn nên sợi quang có rất nhiều đặc tính ưu việt như suy hao thấp, băng thông rộng… Bên cạnh đó sợi quang cũng rất dễ bị hư hại do uốn cong và do các lực tác dụng bên ngoài Vì thế, khác với cáp đồng trục truyền thống

và cáp quang dùng trên đất liền, cáp quang biển cần có thiết kế riêng, đặc biệt phù hợp với những điều kiện dưới đáy biển Dưới đây trình bày về hai họ cáp phổ biến

là cáp OS/OFS dùng trong hệ thống có lặp và cáp HF dành cho hệ thống không lặp

2.1.1 Cáp OS/OFS

KDD, NTT và NEC đã hợp tác trong việc thiết kế loại cáp cho các hệ thống có lặp, gọi là OS/OFS Cáp OS/OFS được thiết kế để bảo vệ sợi quang khỏi các lực tác dụng và áp suất nước trong quá trình vận chuyển, rải cáp, chôn cáp và sửa chữa cũng như đảm bảo hoạt động ổn định trong suốt thời gian sử dụng hơn 20 năm của

hệ thống Cáp OS/OFS cung cấp các đặc tính cơ khí, điện và quang rất ổn định để chống lại sự biến động về nhiệt độ và các tác động bên ngoài như: ngoại lực, áp suất nước, sự uốn cong… Cáp OS/OFS không chỉ được sử dụng trong các hệ thống cáp quang biển quốc tế như: TPC-3, TPC-4, TPC-5, APCN, FLAG, SEA-ME-WE 3, CUCN và JUCN mà nó còn được sử dụng trong các hệ thống quốc gia như: Hamada-Fukuoka, Niigata-Sapporo, Kagoshima-Naha và JIH Hiệu quả và sự ổn định của cáp OS/OFS đã được thực tế chứng nhận

Cáp quang biển dùng trong các hệ thống có lặp chủ yếu gồm các đường dẫn quang bằng sợi thuỷ tinh Silica và đường cấp nguồn bằng kim loại đồng để cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị ngầm dưới đáy biển Cáp OS có thể mang tối

đa 4 đôi sợi quang (8 sợi), còn cáp OFS có thể mang 6 đôi sợi quang (12 sợi) Cáp OS/OFS có nhiều loại áp dụng cho từng vùng nước sâu và điều kiện dưới đáy biển như được liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Các loại cáp OS/OFS chính

1 Light Weight Cable LW Có thể lên tới 8000 m

2 Light Weight Screened Cable LWS Lên tới 8000 m với rải cáp

7000 m với phục hồi

3 Single Armored (light) Cable SAL Tối đa 1500 m

4 Single Armored (medium) Cable

Cable

5 Single Armored (heavy) Cable SAH Tối đa 500 m

Cấu trúc khối sợi quang được sử dụng đồng nhất cho tất cả các loại cáp quang

ở trên Các sợi quang được sắp xếp quanh một sợi dây thép bọc đồng và được nhồi đầy nhựa thông lưu hoá UV để tạo thành khối hình trụ Nước thấm vào cáp được ngăn cản bởi nhựa thông này Các loại cáp OS/OFS chỉ khác nhau ở phần bảo vệ bên ngoài để thích hợp với từng điều kiện đáy biển Ví dụ như trong hai loại cáp cơ bản LW và SA được trình bày dưới đây

Cáp LW

Các đặc tính cơ khí và cấu trúc của cáp LW được cho trên hình 2.1 Khối sợi quang trình bày ở trên được đặt tại trục trung tâm của cáp Ba mảnh thép có dạng hình quạt chéo đối diện được bao bọc quanh khối sợi quang để tạo thành ống thép chịu

áp 3 mảnh (3-divided steel pipe) Khoảng trống giữa khối sợi quang và thành trong của ống tiếp tục được điền đầy hợp chất Uranthane để chống hiện tượng thấm nước theo chiều dọc trong trường hợp hỏng cáp

Khối sợi quang

Hợp chất chống thấm

Vòng thép 3 mảnh

Sợi thép

Ống đồngBảo vệ

Vỏ

Trọng lượng trên bờ 8,88 kN/km Trọng lượng dưới nước 4,8 kN/km

Cáp SAM

Cấu trúc và các đặc tính của cáp SAM được cho trên hình 2.2 Một cấu trúc tương

tự cáp LW được đặt ở trung tâm và có thêm một cấu trúc bên ngoài nhằm tăng cường khả năng bảo vệ Loại cáp này được ứng dụng ở vùng nước sâu tối đa

1000 m, với các đặc tính kỹ thuật như trên hình 2.2

Thành trong tạo bởi sợi Polyme quấn ngược chiều nhau Bao quanh gồm 18 sợi thép mạ kẽm đường kính 5 mm Bao quanh những sợi này là hợp chất chống thấm Thành ngoài cũng gồm hai lớp sợi Polyme quấn quanh các sợi dây thép Cuối cùng

là một lớp bảo vệ

m

Tương tự LWThành trongThành ngoài Ф = 42 mmDây bao quanh Ф = 5 mm x 18

Trọng lượng trên bờ 41 kN/km Trọng lượng dưới nước 29,3 kN/km

Bán kính cong tối thiểu 900 mm

Hình 2.2: Cáp SAM

Tóm tắt các đặc tính của cáp OS/OFS:

1) Đặc tính cơ khí

Sức căng Theo bảng thống kê

Áp suất nước chịu được > 78 Mpa

Độ thấm nước < 250 m/14 ngày ở độ sâu 1000 m

< 1000 m/14 ngày ở độ sâu 5500 m

2) Đặc tính điện

Điện trở bảo vệ > 2x1011 Ohm-km, chịu điện áp

0,5 kVDC giữa ống đồng và đất khoảng 5 phút hoặc lâu hơn Điện trở một chiều < 0,7 Ohm/km

Điện trở với điện thế cao Chịu được điện thế 30 kVDC giữa

ống đồng và đất sau 5 phút Điện dung danh định 170 nF/km

Bảng 2.2: Sức căng của cáp OS/OFS (Đơn vị KN)

Loại cáp

NPTS: Sức căng cố định trên danh định, cáp và các sợi quang có thể chịu được theo

thiết kế trong suốt thời gian sử dụng

NOTS: Sức căng vận hành theo danh định, áp dụng cho cáp trong thời gian cần thiết

để tàu dải cáp thực hiện ba kết nối đầy đủ, khi khôi phục cáp mà không làm giảm đáng kể NPTS

NTTS: Sức căng tạm thời theo danh định, được áp dụng cho cáp trong thời gian

khoảng 1 giờ mà không làm giảm đáng kể NTPS/NOTS Điều kiện này thường gặp phải khi vận hành khôi phục

PBL: Tải trọng đứt sợi quan, khi áp dụng cho trường hợp dẫn đến đứt sợi quang đột

Đặc trưng nổi bật của cáp HF là sử dụng các băng sợi quang và cấu trúc “lõi không khí” Mặt cắt ngang được thể hiện trên hình 2.3 Các băng sợi quang được xếp chặt vào các khe được đặt xoáy chôn ốc trong một lõi bằng nhựa tổng hợp và được bao quanh bằng các sợi thép chịu lực đặt trong một ống đồng kín, 20 sợi thép gia cường đóng vai trò là thành phần chịu lực căng và giữ cho cáp luôn căng Các sợi chịu lực và ống đồng kết hợp tạo thành ống chịu áp suất Băng thấm nước được quấn quanh các khe để ngăn cản nước xâm nhập vào sợi quang trong trường hợp gãy cáp Một lực căng vừa phải được cố ý tạo ra cho sợi quang trong quá trình xử

lý Các cáp HF có thể chứa tối đa 35 dải 4 sợi quang (100 sợi) Cấu trúc tối đa này

có thể ứng dụng ở độ sâu khoảng 3000 m Nông hơn so với trường hợp cáp có lặp, tuy nhiên độ sâu như vậy là đủ đảm bảo vì cáp HF được thiết kế chỉ cho các ứng dụng hệ thống không lặp

Băng 4 sợi quang

Cáp HF có thể sử dụng sợi quang bọc Carbon (CCF) Sử dụng lớp vỏ bọc Carbon cho sợi quang có thể tăng cường độ tin cậy cho sợi quang chống lại các tác động cơ học cũng như các tác động của nước Các CCF có thể hàn nối bằng các máy hàn nối truyền thống

Tóm tắt đặc trưng của cáp HF (loại trọng lượng nhẹ):

Số sợi quang 24 dải 4 sợi (tối đa)

Độ sâu ứng dụng tối đa 3000 m

Trọng lượng cáp 1 kg/m (trên bờ) hoặc 0,5 kg/m (dưới nước)

Áp suất chịu được > 29 Mpa

Mức độ thấm nước < 200 m/ 14 ngày ở độ sâu 3000 m

2.2 CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG

Bộ khuếch đại quang là thiết bị khuếch đại công suất tín hiệu ánh sáng một cách

trực tiếp Các bộ khuếch đại quang có thể được phân chia thành: khuếch đại Laser

bán dẫn (Semi-Conductor Laser Amplifier) sử dụng một chip Laser làm môi trường

khuếch đại và khuếch đại sợi quang (Fiber Amplifier) sử dụng sợi quang làm môi

trường khuếch đại Ngoài ra, khuếch đại sợi quang còn được chia ra thành: khuếch

đại sử dụng sợi quang pha tạp các nguyên tố đất hiếm và khuếch đại Raman Công

nghệ khuếch đại quang sợi đặc biệt là khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm

Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) với nhiều ưu điểm, là một trong

những công nghệ có vai trò hết sức quan trọng với truyền dẫn cáp quang biển Phần

dưới đây sẽ trình bày về công nghệ khuếch đại này

2.2.1 Nguyên lý của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA

Đối với EDFA, tín hiệu quang đuợc khuếch đại khi lan truyền trong môi trường

chất nghịch đảo về mật độ Sự khuếch đại tín hiệu được quyết định bằng các quá

trình dịch chuyển trạng thái của các ion Erbium như: quá trình hấp thụ ánh sáng

bơm vào, quá trình phát xạ tự phát và phát xạ do ánh sáng tín hiệu kích thích

Nguồn bơm

EDF

Bộ lọc quang Ánh sáng bơm

Sợi quang pha tạp Erbium

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium

Hình 2.4 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một EDFA Các thành phần chủ yếu

gồm: một nguồn bơm ánh sáng, một bộ ghép quang (Coupler) để kết hợp ánh sáng

bơm vào và ánh sáng tín hiệu, một đoạn sợi quang pha tạp đất hiếm EDF (Erbium

Doped Fiber) làm môi trường khuếch đại, bộ lọc quang và các bộ cách quang

Ion Erbium có các dải bước sóng hấp thụ là: 0,14 µm; 0,65 µm; 0,8 µm; 0,98

µm và 1,48 µm Khi ánh sáng ở một trong các bước sóng trên đi vào EDF, năng lượng quang của nó sẽ bị hấp thụ và ion Erbium chuyển lên trạng thái kích thích tương ứng với bước sóng ánh sáng bơm vào Khi ánh sáng tín hiệu tới EDF đã được bơm ánh sáng, các ion Erbium ở trạng thái kích thích bị kích hoạt bởi ánh sáng tín hiệu ở dải bước sóng 1,5 µm Các ion được kích hoạt này sẽ bức xạ ra ánh sáng có pha và bước sóng đồng dạng với tín hiệu vào và chuyển về trạng thái hấp thụ cơ bản Các bộ khuếch đại này khuếch đại tín hiệu quang ở dải bước sóng 1,5 µm

Nguồn bơm

980 nm

Phân rã nhanh

Bức xạ tự phát 1520→1570 nm

Bức xạ kích thích

1550 nm Tín hiệu

Hình 2.5: Sơ đồ mức năng lượng ion Erbium và các quá trình dịch chuyển

Hình 2.5 biểu diễn các mức năng lượng và các quá trình dịch chuyển trạng thái của ion Erbium, đối với trường hợp bước sóng ánh sáng bơm vào là 1,48 µm và 0,98 µm Bước sóng 1,48 µm hay 0,98 µm thường được sử dụng cho EDFA, vì ở những bước sóng này ánh sáng được chuyển đổi thành tín hiệu một cách hiệu quả, đồng thời có thể sử dụng các nguồn quang bằng Diode Laser thông thường Trục thẳng đứng thể hiện mức năng lượng so với trạng thái hấp thụ cơ bản (4I15/2) của ion Erbium Mỗi mức năng lượng bao gồm rất nhiều các phân mức nhỏ hơn biểu diễn bằng các đường thẳng mảnh nằm ngang trên hình Mật độ phân bố ion trên các phân mức tuân theo luật phân bố Boltzman Độ chênh lệch năng lượng bằng năng lượng

của photon bị hấp thụ hay bức xạ trong quá trình dịch chuyển giữa hai mức năng lượng, được biểu diễn bằng mũi tên thẳng đứng Mũi tên chéo thể hiện sự dịch chuyển không bức xạ Thời gian của sự dịch chuyển này ngắn hơn rất nhiều so với

nsp = N2

N2 − N1 (2.1)

nsp được gọi là chỉ số nghịch đảo Hiệu suất khuếch đại sẽ đạt cao hơn với N2 lớn và

N1 nhỏ, có nghĩa là nsp tiến dần tới 1

2.2.2 Đặc tính tạp âm

Tiêu chuẩn đánh giá quan trọng nhất đối với một hệ thống thông tin quang là tỷ lệ lỗi bit (BER) Lỗi bit xuất hiện tại đầu thu khi nó quả quyết rằng xung tín hiệu gửi bởi phía phát là ‘0’ (‘1’) trong khi ‘1’ (‘0’) mới thực sự là xung đã được gửi Một trong những yếu tố chính để xác định BER (Bit Error to Ratio) là tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR ngay trước mạch lựa chọn SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm

Thông thường, đặc tính tạp âm của bộ khuếch đại quang được thể hiện bằng chỉ

số tạp âm NF NF được định nghĩa là tỷ số giữa SNRin và SNRout

NF = SNRinSNRout (2.2)

Với SNRout là SNR của ánh sáng đã khuếch đại và SNRin là SNR của ánh sáng đầu vào không có tạp âm ngoài

Hình 2.7 biểu diễn một ví dụ về tính chỉ số tạp âm cho một EDFA được bơm ánh sáng kích thích đủ mạnh

Hình 2.7: Đặc tính tạp âm bộ khuếch đại

Trong ví dụ này giá trị NF với bước sóng bơm vào là 0,98 µm gần bằng 3dB Điều đó cho thấy trạng thái nghịch đảo mật độ lý tưởng có thể đạt được ở bước sóng 0,98 µm Mặt khác NF trong trường hợp bơm 1480 µm khoảng 4→5 dB Đó

là vì sự nghịch đảo mật độ là không hoàn toàn mặc dù công suất bơm vào mạnh Các giá trị NF trên được tính giữa ánh sáng đầu ra và đầu vào của EDF Nếu các thiết bị như các bộ cách quang được đặt giữa đầu vào và EDF như trong hình 2.4, thì giá trị NF sẽ tăng lên do suy hao qua các thiết bị này

2.2.3 Đặc trưng khuếch đại

Mức công suất của ánh sáng tín hiệu và ánh sáng bơm vào thay đổi dọc theo chiều dài EDF Nếu công suất bơm vào nhỏ hay công suất tín hiệu lớn thì mật độ ion N2 ở mức Upper nhỏ hơn giá trị lý tưởng Trong trường hợp này N2 phân bố dọc theo EDF Hệ số độ lợi g được tính cho một đơn vị chiều dài và phụ thuộc vào mật độ ion ở mức cao hơn Thông thường, g là hàm của toạ độ z dọc theo EDF và bước sóng tín hiệu λ Độ khuếch đại đạt được bằng cách tính tích phân dọc theo chiều dài EDF Ta có, hệ số độ lợi là:

1 + (ω − ω0)2 T2 + P/PS

(2.3)Trong đó: g(ω) là độ lợi tại tần số ω

g0 là độ lợi đỉnh

ω là tần số tín hiệu đến (ω = 2π

λ )

ω0 là tần số trung tâm

P là công suất của tín hiệu quang đến

PS là công suất bão hòa

T2 là thời gian hồi phục phân cực (T2 < 1ps)

Ở trạng thái chưa bão hòa (P/PS<<1) thì hệ số độ lợi chưa bão hòa là:

g(ω) = g0

1 + (ω − ω0)2 T2 (2.4) Nếu gọi Pin, Pout lần lượt là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại thì

P(z) = Pin exp(gz) (2.7)Giả sử bộ khuếch đại có chiều dài L, ta có:

của bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa khuếch đại Điều này làm giới hạn công suất quang đầu ra của bộ khuếch đại

Một ví dụ về phổ độ khuếch đại chưa bão hoà được biểu diễn trên hình 2.8, trong khi độ khuếch đại phụ thuộc vào chiều dài EDF được biểu diễn trên hình 2.9

Hình 2.8: Độ khếch đại chưa bão hoà theo bước sóng

Hình 2.9: Độ khuếch đại chưa bão hoà theo chiều dài EDF

Psin=-20dBm Pp=50mW 1.48µm pumping

10

20 30 40

Psin=-20dBm λ=1550nm 1.48µm pumping

Hình 2.10: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất tín hiệu đầu vào

Hình 2.10 biểu diễn mối quan hệ giữa độ khuếch đại và công suất tín hiệu vào

Có thể thấy khi công suất bơm tăng, công suất tín hiệu vào bão hoà, độ khuếch đại bão hoà cũng tăng

rẻ có thể được thực hiện

Các ưu điểm của EDFA ngày càng được phát huy trong các hệ thống truyền dẫn khoảng cách lớn Khi các EDFA được ứng dụng trong các hệ thống cáp quang biển đường dài thì các điểm sau cần phải được lưu ý:

5 10

20mW 10mW

5mW

a) Tạp âm quang sinh ra tại mỗi bộ lặp sẽ được tích luỹ lại Vì thế, cần thiết phải tối ưu hoá biểu đồ mức tín hiệu và sử dụng các bộ khuếch đại tạp âm thấp, để khống chế sự suy giảm SNR tại đầu cuối thu

b) Méo dạng xung tín hiệu do tán xạ ở các chặng được tích luỹ lại Để khắc phục cần sử dụng các phương pháp bù tán xạ

c) Méo trong phổ tín hiệu do tính phi tuyến sợi quang cũng được tích luỹ Các thông số liên quan đến tính phi tuyến quang như: công suất phát, bước sóng không tán xạ hay mặt cắt sợi quang phải được chú ý trong khi giả quyết vấn

đề này

Vấn đề về tính chất phi tuyến trong truyền dẫn quang không được đề cập nhiều trước khi ra đời EDFA, vì tính phi tuyến của thuỷ tinh Silic nhỏ và tạp âm tán xạ được loại bỏ ở các bộ lặp tái tạo đặt cách nhau vài chục km Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ lặp có tái tạo sẽ giảm khi các EDFA được sử dụng như là các bộ lặp không tái tạo tín hiệu Vì thế vấn đề về tính phi tuyến quang phải chú ý trong các hệ thông có sử dụng bộ lặp EDFA

Hiện tượng tán xạ có thể được giảm nhỏ nên giảm được méo do (b), nhưng hiện tượng không tán xạ lại gây ra (c) Quản lý tán xạ là một cách để giải quyết các vấn đề mâu thuẫn này Phương pháp này thay đổi giá trị tán xạ tại các phần khác nhau dọc theo chiều dài sợi quang trong khi giữ cho tổng tán xạ là 0 Như thấy trên hình 2.11

dù các hệ thống không lặp không phải chịu hiện tượng tích luỹ tạp âm và méo tín hiệu gây ra bởi nhiều bộ lặp, nhưng tính phi tuyến quang là một trong những điều lưu ý đặc biệt khi thiết kế hệ thống, vì công suất tín hiệu càng cao thì hiệu ứng phi tuyến càng tăng

Ứng dụng EDFA vào các hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng tín hiệu rất được quan tâm ở phương diện mở rộng dung lượng của các hệ thống truyền dẫn đường dài có sử dụng bộ lặp Điều này sẽ được xét kỹ hơn ở phần tiếp theo

2.3 CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN WDM

2.3.1 Nguyên lý truyền dẫn WDM

Trước đây tuyến dẫn quang thường là truyền dẫn đơn kênh, mỗi một sợi dẫn quang truyền một tia Laser với một bước sóng ánh sáng, tại đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Mỗi một sóng Laser này mang một tín hiệu

điện với phổ nhất định Sau những năm 1980, công nghệ sợi quang đã có nhiều tiến

bộ, một sợi quang có thể truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng Phương thức ghép kênh quang theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) ra đời dựa trên những cải tiến đó WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền cũng như số sợi quang

Hình 2.12 minh họa cấu hình của hệ thống WDM Trong đó, các luồng tín hiệu quang từ các nguồn có các bước sóng khác nhau: λ1, λ2, …, λn được ghép lại nhờ bộ ghép kênh MUX (Multiplexing) Bộ ghép kênh MUX phải đảm bảo ít suy hao và không cho sự xuyên nhiễu giữa các luồng Các luồng tín hiệu sau khi ghép được truyền trên một sợi quang tới phía thu Trên một tuyến đường có cự ly dài thì chùm sóng quang được khuếch đại nhờ các bộ khuếch đại

R 1

R 2

Rn

Sợi quang truyền dẫn

Hình 2.12: Nguyên lý của truyền dẫn WDM

Tại phía thu, bộ phân kênh DEMUX (Demultiplexing) sẽ tách các luồng sóng quang: λ1, λ2, …, λn tới các bộ thu tương ứng của từng luồng Tiếp theo, các bộ tách sóng quang trong thiết bị thu, khôi phục lại các tín hiệu điện của từng luồng tương ứng với phía phát

Nếu với lưu lượng 1 kênh bước sóng là 2,5 Gbit/s, ghép WDM từ 8 đến 16 luồng thì ta thực hiện được một đường thông tin quang với lưu lượng là 20→40 Gbit/s trên một sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được các thiết bị ghép kênh

và phân kênh hiện có

2.3.2 Ứng dụng khuếch đại quang trong truyền dẫn WDM

Các bộ khuếch đại quang có thể khuếch đại cùng lúc nhiều ánh sáng ở các bước sóng khác nhau Như thấy trên hình 2.13 Ứng dụng phổ biến này rất hợp với truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng

Khuếch đại bức xạ tự phát OA

Bộ khuếch đại quang

Hình 2.13: Khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM

Nếu các bộ lặp tái tạo được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn WDM, thì

số mạch lặp tái tạo trong mỗi bộ lặp sẽ phải bằng số kênh truyền Các bộ ghép và phân kênh cũng phải cần đến trước và sau bộ lặp để tách và ghép các kênh tín hiệu WDM

Những hạn chế này ngăn cản việc các hệ thống cáp quang biển có lặp sử dụng phương thức truyền dẫn WDM, vì không gian và công suất tiêu thụ cung cấp cho các mạch lặp bị giới hạn

Các đặc tính thông thường của các bộ khuếch đại quang cho phép tất cả các kênh WDM được khuếch đại trong một mạch lặp mà không cần tách ghép kênh

Hình 2.14 biểu diễn hệ thống truyền dẫn WDM cơ bản sử dụng EDFA làm bộ lặp

Kênh 1

Kênh 8

M U X

Kênh 1

Kênh 8

D E M U X EDFA

Sợi quang

Hình 2.14: Ứng dụng khuếch đại quang trong truyền dẫn WDM

Hiệu suất của hệ thống truyền dẫn WDM này bị giới hạn bởi các yếu tố sau:

1) Sự tích luỹ tạp âm ASE (Amplified Spontaneus Emission) sinh ra ở mỗi

bộ lặp

2) Méo dạng xung do tán xạ sợi quang

3) Méo dạng và tạp âm sinh ra do sự kết hợp giữa tính phi tuyến và tán xạ sợi quang

4) Nhiễu xuyên kênh từ các kênh khác do tính phi tuyến của sợi quang

Các yếu tố từ 1→3 là đặc điểm chung của các hệ thống truyền dẫn lặp khuếch đại quang Yếu tố thứ 4 là đặc trưng của truyền dẫn WDM Quản lý tán xạ có thể giải quyết hạn chế này Để tăng dung lượng truyền dẫn của một hệ thống truyền dẫn cáp quang biển, hiện nay có 3 hướng đang được nghiên cứu:

1) Tăng số kênh WDM trên mỗi sợi quang

2) Tăng tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh WDM

3) Tăng số lượng sợi quang trong mỗi cáp

Mở rộng và làm phẳng băng tần khuếch đại của bộ khuếch đại quang và tăng mật độ kênh WDM là các yêu cầu chính của hướng 1

Nghiên cứu và phát triển công nghệ truyền dẫn tốc độ siêu cao cũng như các công nghệ về thiết bị tốc độ siêu cao là cần thiết với hướng thứ 2

Hướng thứ 3 là đặc trưng của các hệ thống cáp quang biển Nghiên cứu cấu trúc của các bộ lặp dùng cho cáp quang biển và cấu trúc của cáp quang biển là việc

cần thiết cho hướng này Trong một hệ thống truyền dẫn cáp quang biển có sử dụng

bộ lặp, các bộ lặp phải được cấp nguồn từ các trạm cập bờ Năng lượng điện với hiệu điện thế cao được truyền theo một đường cấp nguồn song song với sợi quang bên trong cáp Công suất tiêu thụ của các bộ lặp cáp quang biển cần phải nhỏ tối thiểu có thể Vì thế việc cải thiện hiệu suất của EDFA là điều cần thiết

2.3.3 Hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division

Bộ ghép kênh Kênh 1

Kênh 2

Kênh n

OA

Bộ khuếch đại OA