Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh WDM

Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM Từ khi có sự ra đời của Laser vào những năm đầu thập kỷ 60 của thế kỷ 20 làm xuất hiện nhiều lĩnh vực ứng dụng phong phú đa dạng. Trong công nghệ viễn thông thì từ khi có sự xuất hiện của laser với sợi quang thủy tinh đã hình thành nên phương thức thông tin mới. Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Các hệ thống thông tin quang không ngừng được hoàn thiện, ứng dụng trong hầu hết các topo mạng từ mạng đường trục, mạng trung kế hay các mạng truy nhập, mạng đô thị,… Với sự gia tăng của các ứng dụng số liệu nhu cầu về tốc độ truyền dẫn cao cùng với khoảng cách truyền dẫn lớn mà không cần đến các trạm lặp, chỉ cần sử dụng các bộ khuếch đại cần nhờ đến việc sử dụng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Nhưng với những hệ thống WDM với tốc độ truyền dẫn cao như 40Gbs trong một bước sóng như hiện nay thì công nghệ bị chi phối bởi ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi. Bài báo cáo này với chủ đề “ Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM”. Nhóm em xin trình bày về tổng quan hệ thống thông tin quang WDM và Mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Từ đó, khảo sát hiệu năng hệ thống truyền dẫn quang WDM theo 2 khuôn dạng điều chế đó là NRZ và RZ.

MỤC LỤC

MỤC LỤC………1

LỜI NÓI ĐẦU ………3

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM……… 4

1.1 Giới thiệu chung……….4

1.2 Sơ đồ khối tổng quát ………4

1.3 Phân loại hệ thống WDM ………5

1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM……… 6

1.4.1 Bộ phát quang………6

1.4.2 Bộ thu quang ………8

1.4.3 Sợi quang ………9

1.4.4 Bộ tách / ghép bước sóng:( OMUX/ODEMUX) ………10

1.4.5 Bộ xen / rẽ bước sóng ( OADM) ………11

1.4.6 Bộ nối chéo quang (OXC) ………13

1.4.7 Bộ khuếch đại quang (OA - Optical Amplifier) ………14

1.4.8 Bộ chuyển đổi bước sóng ………15

1.5 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng……… ……16

1.5.1 Suy hao xen ………16

1.5.2 Xuyên kênh ………16

1.5.3 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến……… 17

1.6 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM ………18

1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA ……… ……….19

1.7.1 Các cấu trúc EDFA ……… 19

1.7.2 Phổ khuếch đại ……… … 20

1.7.3 Các tính chất của EDFA ……… 22

1.7.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại……… 23

1.7.5 Ưu khuyết điểm của EDFA ……… 24

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 2.1 Tổng quan về phần mềm Optisystem………25

2.1.1 Lợi ích ……… 25

2.1.2 Ứng dụng ……… 26

2.2 Đặc điểm và chức năng ……… 26

2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library) ……… 26

2.2.2 Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave ……… 27

2.2.3 Các công cụ hiển thị ……… 28

2.3 Tóm tắt hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem……… 28

2.4 Mô hình mô phỏng ………31

2.4.1 Sơ đồ hệ thống………31

2.4.1.1 Phía phát……….31

2.4.1.2 Tuyến truyền dẫn……….……… 32

2.4.1.3 Phía thu ……… ……… 32

2.4.2 Thiết lập tham số toàn cục ………33

2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế………34

2.4.4 Kết quả mô phỏng khi dùng NZ……….………… 39

2.4.5 So sánh……… 43

Tài Liệu Tham Khảo ……… ……… 44

Lời nói đầu

Từ khi có sự ra đời của Laser vào những năm đầu thập kỷ 60 của thế kỷ 20 làm xuất hiện nhiều lĩnh vực ứng dụng phong phú đa dạng Trong công nghệ viễn thông thì từ khi có sự xuất hiện của laser với sợi quang thủy tinh đã hình thành nên phương thức thông tin mới Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin Các hệ thống thông tin quang không ngừng được hoàn thiện, ứng dụng trong hầu hết các topo mạng từ mạng đường trục, mạng trung kế hay các mạng truy nhập, mạng đô thị,… Với sự gia tăng của các ứng dụng số liệu nhu cầu về tốc độ truyền dẫn cao cùng với khoảng cách truyền dẫn lớn mà không cần đến các trạm lặp, chỉ cần sử dụng các bộ khuếch đại cần nhờ đến việc sử dụng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM Nhưng với những

hệ thống WDM với tốc độ truyền dẫn cao như 40Gb/s trong một bước sóng như hiện nay thì công nghệ bị chi phối bởi ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi

Bài báo cáo này với chủ đề “ Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM” Nhóm em xin trình bày về tổng quan hệ thống thông tin quang WDM và Mô

phỏng hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM Từ đó, khảo sát hiệu năng

hệ thống truyền dẫn qung WDM theo 2 khuôn dạng điều chế đó là NRZ và RZ

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Th.S Cao Hồng Sơn đã hướng dẫn và giúp đỡ nhóm em

trong thời gian qua để hoàn thành bài báo cáo này Bài báo cáo có thể còn nhiều hạn chế về mặt nội dung cũng như hình ảnh, chúng em mong thầy chỉ ra sai sót để nhóm em tiếp thu và tiến bộ hơn trong quá trình học tập ạ

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!

Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2017

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

1.1 Giới thiệu chung

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

1.2 Sơ đồ khối tổng quát

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có một

số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser), Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các

bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu, Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi, )

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

• Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1 dB)

• Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

• Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.2 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

• Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng

• Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều

có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

• Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng

• Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong

hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự Thiết bị phát

quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm

❖ Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo các định dạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK,…) và đảm bảo tín hiệu quang

có độ rộng phổ hẹp tại bước sóng chính xác theo tiêu chuẩn

• Mô hình điều chế ngoài

Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài

• Yêu cầu với nguồn quang:

✓ Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ

thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động

do các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu

dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao

✓ Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng

phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn

đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố)

✓ Dòng ngưỡng thấp: Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong

việc kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin

và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn)

✓ Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi

quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng

✓ Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn

quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh

✓ Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode,

nhiễu pha, Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt

1.4.2 Bộ thu quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít (BER) cho phép

Bộ thu quang trong hệ thống WDM

Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu

1.4.3 Sợi quang

❖ Cấu tạo sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:

• Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

• Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1

Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang

❖ Phân loại sợi quang

▪ Phân loại theo chiết suất:

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)

- Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)

▪ Phân loại theo mode

- Sợi đơn mode (Single-Mode)

- Sợi đa mode (Multi-Mode)

Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:

- Sợi quang G.655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn

- Sợi quang G.655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao

- Độ tán sắc dương của sợi G.655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang

- Vùng hiệu dụng cao của sợi G.655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến

- Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trong cửa sổ C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted)

1.4.4 Bộ tách / ghép bước sóng ( OMUX/ODEMUX)

❖ Định nghĩa: Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với bộ kết nối chéo quang, là thiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kết hợp với bộ kết nối chéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả năng truyền tải đồng thời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ, mà công nghệ hiện nay đang hướng tới Bộ tách/ ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau

❖ Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau:

- Suy hao xen

- Số lượng kênh xử lý

- Bước sóng trung tâm

- Băng thông

- Giá trị lớn nhất của suy hao xen

- Độ suy hao chen giữa các kênh

(a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng (MUX)

(b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX) (c) Các tham số đặc trưng của bộ MUX/ DEMUX

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng

❖ Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:

- Ghép tầng nối tiếp đơn kênh

- OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng,các kênh bước sóng còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua

❖ Các cấu trúc cho OADM :

- Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh Sau đó một số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyên qua một cách thích hợp

Hình 1.7 Cấu trúc song song

- Cấu trúc song song theo băng ( theo modun) :tạo thành bằng cách thiết kế theo từng modun cho cấu trúc song song

Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng

- Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh đi vào OADM

Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp

- Cấu trúc xen rớt theo băng sóng : trong cấu trúc này một nhóm cố định kênh bước sóng thực hiện xen/ rớt tại mỗi nút mạng OADM Các kênh được thiết lập thực hiện xen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc có băng thông là dải bước sóng Sau đó chúng được đưa lên mức ghép kênh cao hơn và từ đó giải ghép kênh thành các kênh bước sóng riêng lẻ

Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng

1.4.6 Bộ nối chéo quang (OXC)

❖ Định nghĩa : OXC là thiết bị đáp ứng yêu cầu về khả năng linh động trong việc

cung ứng dịch vụ, hay đáp ứng khả năng đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến của các dịch vụ đa phương tiện

Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC

❖ Các yêu cầu đối với OXC :

- Cung cấp dịch vụ

- Bảo vệ

- Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit

- Giám sát chất lượng truyền dẫn

- Chuyển đổi bước sóng

- Ghép và nhóm tín hiệu

1.4.7 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier)

Hình 1.12: Khuếch đại quang OLA

❖ Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha tạp Eribum (EDFA) Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

❖ Lợi ích:

+ Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao

+ Tăng độ nhạy của bộ thu

+ Nâng cao mức công suất phát

+ Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh WDM đồng thời + Nâng cấp đơn giản

❖ Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng

+ Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổi cao

+ Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi

+ Không nhạy cảm với phân cực

+ Nhiễu thấp

+ Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM

+ Suy hao ghép nối với sợi quang thấp

Phân loại :

+ Vào: giống như laser bán dẫn nhưng được phân cực dưới ngưỡng

+ Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy ra trong sợi quang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA

+ Ra : khuếch đại xảy ra trong sợi quang nhờ mức công suất bơm cao

1.4.8 Bộ chuyển đổi bước sóng

❖ Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra Đối với hệ thống WDM, bộ chuyển đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau :

• Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong WDM

• Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sử dụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn, linh động hơn

• Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:

Phương pháp quang điện

Phương pháp cửa quang

Phương pháp giao thoa

Phương pháp trộn bước sóng

1.5 Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bứớc sóng

1.5.1 Suy hao xen

Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được biểu diễn qua công thức sau:

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng i khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ ghép

Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ

tách

1.5.2 Xuyên kênh

Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét

Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:

- Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênh khác Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suất trong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận

- Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộ lọc

- Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode

Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suất quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác cũng như vậy.Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui( j)

- Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(j)

- Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví

dụ Ii(k) sinh ra Ui(j)

1.5.3 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất tín

hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn của hệ thống WDM thì mức công suất này

thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh

Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thể chia

thành hai loại là hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ)

a Hiệu ứng tán xạ:

Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS:

- Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống

- Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có hiện tượng như SRS

nhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau chiều tán

xạ Ảnh hưởng càn lớn thì ngưỡng công suất càng thấp

b Hiệu ứng Kerr:

Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM:

- Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự biến pha của sóng quang Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ tần 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 càng lớn

- Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa là trong hệ thống nhiều bước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha của tín hiệu bị điều chế bởi công suất của kênh khác

Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quang truyền dẫn hồn hợp trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên nhiễu làm hạn chế

số bước sóng được sử dụng Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây các hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

1.6 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

a Ưu điểm :

• Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM

• Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang)

• WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang

1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA

1.7.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 1.13: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped FiberAmplifier) được minh họa trên hình 1.13 Trong đó bao gồm:

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra

quá trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

Hình 1.14: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn ionEr3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+ trongvùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion erbium lớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 μm Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùng để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang Nếu không kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông

1.7.2 Phổ khuếch đại

Phổ độ lợi của EDFA được trình bày trong hình 2.12 là tính chất quan trọng nhất của EDFA khi xác định các kênh tín hiệu được khuếch đại trong hệ thống WDM Hình dạng của phổ khuếch đại phụ thuộc vào bản chất của sợi quang, loại tạp chất (Ge, Al)

và nồng độ tạp chất được pha trong lõi của sợi quang

Một số biện pháp được sử dụng để khắc phục sự không bằng phẳng của phổ độ lợi:

• Công nghệ cân bằng độ lợi: dùng bộ cân bằng (equalizer) hấp thụ bớt

công suất ở bước sóng có độ lợi lớn và bộ khuếch đại để tăng công suất của bước sóng có độ lợi nhỏ

• Thay đổi thành phần trộn trong sợi quang: dùng sợi quang trộn thêm

nhôm, photphonhôm hay flo cùng với erbium sẽ tạo nên bộ khuếch đại có băng tần được mở rộng và phổ khuếch đại bằng phẳng hơn

Bộ khuếch đại EDFA hoạt động ở băng C (1530-1565 nm) Tuy nhiên, độ lợi của sợi pha tạp có đuôi trải rộng đến khoảng 1605 nm Điều này kích thích sự phát triển của các

hệ thống hoạt động ở băng L từ 1565 đến 1625 nm Nguyên lý hoạt động của EDFA băng

L giống như EDFA băng C Tuy nhiên, có sự khác nhau trong việc thiết kế EDFA cho băng C và băng L

Các phần tử bên trong bộ khuếch đại quang như bộ cách ly (isolator) và bộ ghép (coupler) phụ thuộc vào bước sóng nên chúng sẽ khác nhau trong băng C và băng L Sự

so sánh các tính chất của EDFA trong băng C và băng L được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Bảng so sánh EDFA hoạt động trong băng C và băng L

Nhỏ hơn khoảng 3 lần Bằng phẳng hơn Cao hơn

Tầng đầu tiên được bơm ở bước sóng 980nm và hoạt động như một bộ EDFA truyền thống (sợi quang dài 20-30nm) có khả năng cung cấp độ lợi trong khoảng bước sóng 1530-1570 nm Ngược lại, tầng thứ hai có sợi quang dài 200m và được bơm hai chiều sử dụng laser 1480nm Một bộ isolator được đặt giữa hai tầng này cho phép nhiễu ASE truyền từ tầng thứ 1 sang tầng thứ 2 nhưng ngăn ASE truyền ngược về tầng thứ nhất Với cấu trúc nối tiếp như vậy, khuếch đại hai tầng có thể cung cấp độ lợi phẳng trên một vùng băng thông rộng trong khi vẫn duy trì mức nhiễu thấp

Hình 1.15 Cấu hình của một bộ khuếch băng L làm bằng phẳng độ lợi trong

khoảng bướcsóng 1570nm – 1610nm với thiết kế hai tầng

- L: chiều dài sợi pha erbium

- (e)s σ , (a)s σ: tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của ion erbium tại bước sóng tín

hiệu

Phương trình cho thấy độ lợi liên quan đến sự nghịch đảo nồng độ trung bình

Gọi1N , 2 N lần lượt là nồng độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích trung bình Khi đó 1 N , 2 N sẽ được tính theo công thức sau:

Phương trình độ lợi có thể được viết lại một cách đơn giản hơn như sau:

1.7.4 Nhiễu trong bộ khuếch đại

Nhiễu trong bộ khuếch đại là một yếu tố giới hạn quan trọng đối với hệ thống truyền dẫn.Đối với EDFA, ảnh hưởng của nhiễu ASE được tính thông qua thông

số hệ số nhiễu NF được cho bởi công thức [2]:

NF = 2nsp Trong đó, nsp = N2/(N2-N1) được gọi là hệ số phát xạ tự phát, N1, N2 là nồng

độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích

N1, N2 thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang và phụ thuộc vào công suất của nguồn bơm và công suất của tín hiệu Do đó, hệ số nhiễu NF của EDFA cũng phụ thuộc vào chiều dài của sợi quang L và công suất bơm PP, giống như độ lợi tín hiệu của EDFA

Sự thay đổi của NF và độ lợi tín hiệu theo chiều dài của sợi quang với một số giá trị của PP/Psat khi công suất tín hiệu ngõ vào 1mW tại bước sóng 1,53 μm Kết quả cho thấy rằng FN có thể đạt gần bằng 3dB khi công suất của nguồn bơm PP

>> Pp,sat Với mức nhiễu tương đối thấp, EDFA là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống thông tin quang WDM hiện nay Dù vậy, nhiễu do bộ khuếch đại cũng làm giới hạn chất lượng các hệ thống thông tin quang đường dài sử dụng nhiều bộ khuếch đại EDFA Vấn đề nhiễu trở nên nghiêm trọng khi hệ thống hoạt động trong vùng tán sắc không của sợi quang Khi đó các hiệu ứng phi tuyến sẽ làm tăng nhiễu

bộ khuếch đại và giảm phổ tín hiệu Ngoài ra, nhiễu của bộ khuếch đại cũng gây nên rung pha định thời Vần đề này sẽ được trình ở phần sau

Hình 1.16 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA

Không chỉ giới hạn tỉ lệ SNR trong các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đại quang, nhiễu ASE mà còn đặt ra những giới hạn khác lên các ứng dụng khác nhau của các bộ khuếch đại quang trong các tuyến thông tin sợi quang Chẳng hạn, xem