Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênh quang MUX.. Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: do

NỘI DUNG

I Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM

I.1 Nguyên lý ghép kênh

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm (Point to Point) thông thường,mỗi sợi quang sẽ có một nguồn phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Nguồnphát quang sẽ mang tín hiệu và ghép vào sợi quang xác định riêng biệt; bộ tách sóngquang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy, muốn tăng dung lượng của

hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang Kỹ thuật ghép kênh WDM sẽ cho phéptăng dung lượng lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũngkhông dùng thêm sợi quang Nó thực hiện truyền các luồng quang với các bướcsóng khác nhau trên cùng một sợi quang Điều này thực hiện được là do các nguồnphát quang có độ rộng phổ khá hẹp, các hệ thống thông tin thông thường chỉ sửdụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của mỗi sợi quang Hình 1.1 mô tả cáccửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang nằm ở các vùng (cửa sổ) 0.85

µm, 1.3 µm, 1.55 µm

Hình 1.1 Các vùng bước sóng (cửa sổ) có suy hao nhỏ cho phép truyền

nhiều bước sóng

Về lý thuyết, có thể truyền một dung lượng khổng lồ trên một sợi quang từ nhiềunguồn phát quang làm việc ở những bước sóng cách nhau một khoảng hợp lý Tạiđầu thu, có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc cácbước sóng khác nhau này Do có, mức suy hao thấp ở vùng bước sóng 1,5µm

nênvùng này được sử dụng rộng rãi trong ghép kênh WDM

Hình 1.2 minh họa nguyên lý cơ bản của ghép và giải ghép kênh WDM Giả sử

hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác

nhau λ1,λ2, ,λn Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này

sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênh quang (MUX) Ở đầuthu, các bộ tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các cướngsóng riêng rẽ này sau khi qua bộ giải WDM (DEMUX)

Hình 1.2 Mô tả quá trình ghép và giải ghép WDM

Hình 1.3 mô tả hệ thống truyền dẫn ghép kênh bước sóng quang WDM theo haichiều

Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh WDM điểm – điểm

Với phương án này, cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện hệ thống thôngtin hai chiều

I.2 Các thông số cơ bản của thiết bị WDM

Các thông số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép – giải ghép (MUX/EMUX)hỗn hợp là: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh Các ký hiệu Ι(λ )i

và Ο(λ )ktương ứng là các tín hiệu đã được ghép đang có mặt ở đường chung Ký hiệu Ι (λ )k k

là tín hiệu đầu vào có bước sóng λk

được ghép vào cửa thứ k; ký hiệu Oi(λ )i

là tín

hiệu có bước sóng λi

đã được giải ghép và đi ra ở cửa thứ i Dưới đây, sẽ xem xét bathông số cơ bản của thiết bị WDM:

+ Suy hao xen:

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao xảy ra trong tuyến truyềndẫn quang do trong tuyến đó có thêm các thiết bị ghép WDM Suy hao này gồm:suy hao do điểm ghép nối với các thiết bị WDM với sợi quang và suy hao bởi bản

than các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải dự trữvài dB cho mỗi đầu Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các

bộ ghép Couple chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng đặctrưng:

• Đối với thiết bị MUX:

( ) 10log

( )

i i

i i

O L

i

O L

( ) ( ) 10 log

Xuyên kênh thường xuất hiện do các nguyên nhân sau: do đặc tính của bộ lọctạo ra thiết bị ghép kênh không hoàn thiện; do phổ của các nguồn phát chồng lấnsang nhau; do các hiệu ứng phi tuyến, nhất là đối với trường hợp công suất các kênhbước sóng lớn.

+ Độ rộng kênh:

Độ rộng kênh là dải sóng dành cho mỗi lênh mà nó định ra cho từng nguồn phátquang riêng Nếu nguồn phát quang là các nguồn phát Diode Laser thì các độ rộngkênh yêu cầu vào khoảng vài chục nm để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do

sự không ổn định của các nguồn phát gây ra Đối với nguồn phát quang là DiodeLED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, bởi vì độ rộng phổ của loạinguồn này rộng hơn Như vậy, để tránh nhiễu do phổ nguồn phát, độ rộng kênh phảiđảm bảo đủ lớn, nghĩa là nó phải được xác định tùy theo loại nguồn phát

II Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM

Các thành phần thiết bị của hệ thống thông tin quang WDM gồm nhiều loại nhưsau:

- Nguồn phát quang và bộ thu quang;

- Cáp sợi quang;

- Thiết bị ghép và giải ghép WDM;

- Thiết bị ghép xen/rẽ OADM;

- Bộ định tuyến bước sóng;

- Thiết bị đấu nối chéo quang;

- Bộ khuếch đại quang;…

Các thành phần thiết bị này được chế tạo dựa trên những thành tựu côngnghệ thông tin quang và tùy theo đặc điểm có sự phù hợp khác nhau đối với các

hệ thống thông tin quang WDM Ta sẽ xem xét các thiết bị chủ yếu với nhữngđặc điểm công nghệ mới nhất phù hợp với ựng dụng cho các hệ thống thông tinquang WDM hiện đại

II.1 Sợi quang

Chức năng chính của sợi quang là dẫn sóng quang (ánh sáng) đi xa với mức suyhao nhỏ nhất Sóng ánh sáng được truyền đi trong sợi quang dựa trên nguyên lýphản xạ toàn phần bên trong sợi quang Sợi quang là một sợi thủy tinh gồm hai lớp

(core và cladding) có chiết suất khác nhau Hiện nay sử dụng hai loại sợi chính: sợiđơn mode và sợi đa mode Sợi đơn mode có core nhỏ hơn và chỉ cho một mode ánhsáng đi qua Do đó, độ trung thực của tín hiệu tốt hơn trong một khoảng cách truyềndẫn lớn vì giảm hẳn tán xạ mode Điều này làm cho sợi đơn mode có dung lượngbăng thông lớn hơn sợi đa mode Do có khả năng truyền tải thông tin cực lớn và suyhao thấp, nên sợi quang đơn mode được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tinđường dài và dung lượng lớn kể cả DWDM.

Việc thiết kế sợi quang đơn mode đã được phát triển mấy chục năm gần đây.Hiện nay ITU-T đã xây dựng chỉ tiêu cho ba loại sợi quang đơn mode sau:

+ Sợi không dịch chuyển tán sắc (NDSF: Non- Dispersion – Shifted Fiber):Chuẩn NDSF được ITU-T đưa ra trong G.652 (hay còn gọi là sợi đơn modechuẩn) được thiết kế để sử dụng ở cửa sổ thứ hai gần 1310 nm, với tán sắc màu gầnnhư bằng 0 ở bước sóng này

+ Sợi chuyển dịch tán sắc (DSF: Dispersion Shifted Fiber):

Chuẩn DSF được ITU-T đưa ra trong khuyến nghị G.653 Ở đây, điểm tán sắcbằng 0 được dịch chuyển đến cửa sổ có bước sóng 1550 nm (băng C) Ở cửa sổ này,sợi quang có suy hao thấp hơn nhiều và phù hợp với tần số làm việc của bộ khuếchđại quang sợi EDFA Tuy nhiên, do ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến gần điểmdịch chuyển 0 nên loại sợi này không phù hợp sử dụng cho DWDM

+ Sợi dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF: Non-Zero Dispersion-ShiftedFiber):

Chuẩn của sợi NZ-DSF được ITU-T khuyến nghị trong G.655, loại này có mứctán sắc thấp ở vùng 1550 nm, nhưng không về không (NZ) nên có thể khắc phục các

9 hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) Do đó loại sợi nàyđược sử dụng cho DWDM

Bảng 1.1 giới thiệu các tham số của sợi quang đơn mode theo khuyến nghị củaITU-T

Bảng 1.1 Các tham số của sợi quang đơn mode (theo khuyến nghị của ITUT G.652, G.653, G.654)

II.2 Thiết bị phát và thu WDM

Thiết bị phát và thu WDM được phát triển nhờ sử dụng công nghệ mạng tíchhợp quang điện (OEIC: Optic-Electronic Intergrated Circuit), trên nền InP Đây làcác thiết bị phát và thu WDM được tích hợp nguyên khối hoạt động ở vùng bướcsóng 1550 nm với khoảng cách kênh nhỏ hơn hay bằng 1 nm Mặt khác, người tatạo ra được các mạch ánh sáng Plamar chế tạo bằng công nghệ Silica-on-Silicon đểphát triển các bộ phát và thu lai ghép tích hợp Các phần tử của mạch tích hợpquang điện OEIC là rất quan trọng cho việc thực hiện công nghệ hệ thống WDM

o Có nhiều phương thức để tạo ra bộ phát WDM nguyên khối: (1) – kết hợpđầu ra của một số nguồn Laser bán dẫn DFB hoặc DBR, có khả năng điềukhiển độc lập qua các cách tử Bragg, bằng các ống dẫn sóng thụ động Bộ

khuếch đại sẽ khuếch đại công suất của tín hiệu để tăng công suất phát; (2) –

sử dụng các nguồn Laser phát mặt có hốc theo chiều đứng (VCSEL: VerticalCavity Surface-Emitting Laser) để tạo ra bố phát WDM có giá thành thấptrong khi việc ghép mảng Laser hai chiều làm trải rộng dải bước sóng; (3) –

tổ hợp cách tử vào trong hốc Laser để thực hiện phát tín hiệu tại một số bướcsóng Cách tử sử dụng loại định tuyến cách tử dẫn sóng WGR

o Các bộ thu WDM nguyên khối thực hiện ghép mảng Photodiode với bộ giảighép kênh, sử dụng hai phương thức: (1) – bộ giải ghép kênh dùng cách tửlõm Plamar được ghép với mảng bộ tách sóng quang; (2) – bộ giải ghép kênhdùng WGR tổ hợp với mảng Photodiode

II.3 Bộ khuếch đại quang

a Nguyên lý hoạt động:

Bộ khuếch đại quang dùng để bù lại công suất tín hiệu quang bị suy hao dotruyền dẫn qua sợi quang, nhằm để tăng khoảng cách của tuyến truyền dẫn Các đặctính chủ yếu cảu bộ khuếch đại là độ khuếch đại, băng tần, công suất ra cực đại, dảiđộng, xuyên kênh,…

Bộ khuếch đại quang gồm hai loại chính: (1) – bộ khuếch đại quang Laser bándẫn; (2) – bộ khuếch đại quang sợi Hiện nay phổ biến dùng loại sợi pha tạpErbium, EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplification)

Bộ khuếch đại EDFA là một đoạn sợi quang khoảng vài mét trong lõi có cấy cácion Erbium Er+ với nồng độ dưới 0.1% Khi có một nguồn photon bơm vào, các ion

Er+ này sẽ hấp thụ các photon đó và nhả ra điện tử chuyển mức năng lượng từ mức

cơ bản E1 lên mức kích thích E2 Do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E3 ở giữa,nên các điện tử này chuyển xuống mức E3 theo cơ chế phân rã không bức xạ Sau 10

ns, điện tử được kích thích này rơi trở về mức cơ bản E1 và phát xạ ra photon Hiệntượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo

cơ chế bức xạ kích thích, tức là sự có mặt của các photon mang năng lượng bằngvới năng lượng chuyển dịch mức của các điện tử, sẽ kích thích sự phát xạ và tạothêm nhiều photon của chùm sáng Nhờ vậy, tín hiệu được khuếch đại khi đi qua sợipha tạp Erbium

Hình 1.4 là sơ đồ khối bộ EDFA, gồm có: Coupler, sợi trộn Erbium, Laser bơm

và hai bộ ngăn cách đặt ở hai đầu của Erbium

Hình 1.4 Sơ đồ khối của EDFA

Tín hiệu qua sợi quang được nối qua bộ ngăn cách để loại các ánh sáng phản xạ

từ sợi vào Bộ ngăn cách ở đầu ra của EDFA ngăn chặn các phản xạ từ sợi ra.Nguồn sáng Laser từ bộ bơm được ghép vào bộ EDFA và nó sẽ kích thích sợiErbium để trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang đi qua đó, ở bước sóng 1550 nm

b Khuếch đại sợi quang EDFA trong hệ thống WDM:

Có ba ứng dụng chính của EDFA là:

o Khuếch đại công suất (BA: Booster Amplifier):

BA là bộ EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát

để tăng mức công suất tín hiệu Do mức công suất ra lớn nên yêu cầu về lọc tạp

âm là không nghiêm ngặt Tuy nhiên, có thể gây nên một số hiệu ứng phi tuyến

o Tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier):

Là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được đặt ngay trước đầu vào bộ thu đểtăng độ nhạy thu Để có mức tạp âm thấp, phải sử dụng các bộ lọc quang bănghẹp

o Khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier):

Là bộ EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền quang đểtăng chiều dài khoảng lặp

+ Các hạn chế của EDFA:

Một trong những hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếchđại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ sốkhác nhau Đặc biệt là tồn tại đỉnh khuếch đại ở bước sóng 1530 nm Hơn nữa,trong trường hợp trên tuyến có sử dụng bộ EDFA thì sẽ hình thành một đỉnhkhuếch đại tại bước sóng 1558 nm Như vậy, với nhiều bộ EDFA liên tiếp được

sử dụng trên tuyến, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (từ 35 nm xuống còn 10nm)

Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng các giải pháp sau:

• Sử dụng bộ lọc để làm suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại (xung quangbước sóng 1553, 1558 nm)

• Điều chỉnh mức công suất của các bước sóng tại đầu vào sao cho ở đầuthu mức công suất của các bước sóng đều nhau

Mặc dù EDFA có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng thông tin quanghiện nay, nhưng vẫn chưa đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng và độ phẳng củaphổ tín hiệu Nói chung, băng thông của EDFA đạt cỡ 35 nm trong băng C (từ 1530đến 1570 nm) Với sự phát triển của công nghệ WDM nên yêu cầu về độ rộng băngthông ngày càng lớn Điều đó đòi hỏi phải có các bộ EDFA có phổ rộng hơn, sự rađời của EDFA băng L (1585-1610 nm) đã khắc phục rào cản về băng thông và mở

ra một cửa sổ WDM mới

Hình 1.5 mô tả phổ quang tại đầu ra của một tuyến thông tin quang DWDMchiều dài 4000 km sử dụng bộ EDFA kết hợp băng tần C (55 kênh bước sóng) và L(45 kênh bước sóng)

Hình 1.5 Phổ quang tại đầu ra tuyến WDM sử dụng các bộ EDFA băng C+L

c Công suất phát của bộ khuếch đại EDFA:

Trong khi tăng dung lượng của đường truyền gắn liền với việc tăng băng thôngcủa EDFA, thì một điều khác cũng rất quan tâm là phải đảm bảo được công suấtphát của EDFA để đảm bảo tỷ số SNR của mỗi kênh và tăng cự ly truyền dẫn (điềunày đặc biệt quan trọng trong các tuyến đường trục hoặc cáp biển) Các hệ thốngDWDM hiện nay có mức công suất phát của EDFA đạt tới 14 dBm (25 mW)

II.4 Bộ tách ghép bước sóng (OMUX/ODEMUX)

- OMUX: kết hợp các bước sóng rời rạc khác nhau thành tín hiệu tổ hợp vàosợi quang

- ODEMUX: tách tín hiệu tổ hợp WDM thành các kênh bước sóng riêng biệttới bộ thu

+ Xuyên âm thấp (thường < -20dB)

+ Tốc độ điều chỉnh nhanh

+ Suy hao xem nhỏ

+ Ít nhạy cảm phân cực

+ Ổn định với môi trường hoạt động

BỘ LỌC QUANG MACH - ZENDER

• Gồm 2 coupler 3dB kết nối với nhau trên 2 nhánh có độ dài khác nhau =>gây ra dịch pha phụ thuộc bước sóng giữa 2 nhánh

• Sự giao thoa cộng hưởng xảy ra tại một đầu ra cho một bước sóng xácđịnh

• Độộ̣ truyền qua: T (v) = (πvτ)

II.5 Bộ xen/rẽ bước sóng OADM

Chức năng xen/rẽ một hoặc một vài bước sóng có chọn lọc từ tín hiệuWDM và chuyển tiếp các bước sóng còn lại

Cấu hình OADM đơn giản:

III Một số vấn đề ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống WDM

Khi thiết kế hệ thống WDM phải giải quyết nhiều vấn đề nhưng tập trung chủyếu vào các vấn đề sau:

III.1 Vấn đề suy hao và quỹ công suất quang

Trong bất kỳ một hệ thống thông tin nào, thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảođược tỷ số SNR sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với mức BER cho phép.Trước đây, khi chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền dẫn(do suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, suy hao đầu nối,…) được bù lại thông quaviệc sử dụng các trạm lặp điện, quá trình này thực hiện quá phức tạp Tuy nhiên, khikhuếch đại quang ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống không còn khókhăn nữa, mà vấn đề quan trọng là việc bố trí các bộ khuếch đại quang sao cho hợplý

b Các phương pháp chính để giảm sự ảnh hưởng của sự tán sắc

Để giảm ảnh hưởng của tán sắc gồm có phương pháp làm hẹp độ rộng phổnguồn tín hiệu và phương pháp bù tán sắc như:

+ Sử dụng sợi quang G.653 (sợi có mức tán sắc không tại cửa sổ 1550 nm).+ Bù tán sắc bằng phương pháp điều biến dịch pha SPM

+ Bù tán sắc bằng các thành phần tán sắc thụ động (bộ kết hợp quay pha bướcsóng và sợi tán sắc âm)

+ Bù tán sắc bằng các thiết bị dịch tần trước (pre – chirp)

+ Bù tán sắc bằng kỹ thuật DST( Dispersion Supported Trans-mission)

+ Bù tán sắc bằng sợi DCF

+ Bù tán sắc băng các module DCM sử dụng cách tử Bragg

Ta cũng có thể coi kỹ thuật WDM cũng có thể coi là một phương pháp giảm ảnhhưởng của tán sắc Do sử dụng kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệthống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tin hiệu

Do đó, nếu không xảy ra các hiệu ứng phi tuyến làm tăng ảnh hưởng của tán sắc,điển hình là hiệu ứng XPM, thì giới hạn khoảng cách truyền dẫn do tán sắc gây rađối với hệ thống WDM có thể coi giống với hệ thống TDM đơn kênh có tốc độbằng tốc độ của một kênh bước sóng trong hệ thống WDM

Tóm lại, vấn đề tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống thông tin quang

cự ly xa Ảnh hưởng của tán sắc càng nghiêm trọng hơn khi tín hiệu quang đượckhuếch đại nhiều lần lặp sử dụng các bộ khuếch đại đường truyền LA Trong hệthống nhiều kênh WDM ảnh hưởng của tán sắc không đều giữa bước sóng (độ dốctán sắc) Khắc phục tán sắc là vấn đề cơ bản cần giải quyết trong thiết kế hệ thốngthông tin quang WDM cự ly lớn Ta còn quay lại vấn đề này ở lần sau

III.3 Vấn đề xuyên kênh

Vấn đề quan trong khác trong thiết kế hệ thống WDM là giải quyết xuyên kênh.Đặc tính của hệ thống sẽ bị suy giảm khi có hiện tượng xuyên kênh, nghĩa là hiệntượng dẫn đến một phần công suất của kênh này chuyển sang kênh khác Có sựchuyển đổi đó là do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến bên trong sợi quang,hiện tượng này được gọi là xuyên kênh phi tuyến vì nó phụ thuộc vào bản chấttruyền dẫn phi tuyến của kênh thông tin quang