Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn quang WDM trong mạng NGN

Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn quang WDM trong mạng NGN Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn quang WDM trong mạng NGN Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn quang WDM trong mạng NGN luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Nghiªn cøu c«ng nghÖ truyÒn dÉn quang

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “Nghiªn cøu c«ng nghÖ truyÒn dÉn quang WDM trong m¹ng NGN” được viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Minh Việt

Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng đúng luật bản quyền quy định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của bản luận văn

Học viên

Nguyễn M¹nh Duy

Các thuật ngữ và chữ viết tắt

AON All-Optical Network Mạng toàn quang

ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền dẫn không đồng bộ

BA Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất đầu phát BICC Bearer Independent Call

DXC Digital Cross Connect Bộ đấu chéo số

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

EDFA Erbium-Doped Fiber

Amplifier

Khuếch đại quang Erbium

EDSFA Erbium-Doped Silicon-based

FXC Fiber Cross-Connect Đấu nối chéo sợi

LOA Line Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang đường truyền MOR Multi-wavelength Optical

Repeater

Trạm lặp đa kênh quang MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

OAM Optical Amplifier Module Module khuếch đại quang

ODEMUX Optical DEMultiplexing Bộ tách kênh quang

ODU Optical Demultiplexing Unit Đơn vị tách kênh quang

OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang

PSTN Public Switched Telephone

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp đồng bộ số

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WLL Wireless Local Loop Mạch vòng vô tuyến nội hạt

Mở đầu

Trong xã hội phát triển, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng với các loại hình thông tin đòi hỏi tốc độ và dung lượng truyền dẫn lớn Phương tiện truyền dẫn quang có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với phương tiện truyền dẫn truyền thống như cáp kim loại, hệ thống vi ba…đã bộc lộ ra những điểm hạn chế Cáp sợi quang ra đời đã chứng tỏ khả năng đáp ứng tốt các đòi hỏi về tốc độ và dung lượng truyền dẫn, với các ưu điểm như suy hao nhỏ, độ ổn định cao, băng tần truyền dẫn lớn, chống nhiễu tốt Sợi quang lại có kích thước nhỏ và vật liệu chế tạo sợi quang rất sẵn có Những ưu điểm đó đã được phát triển cho các ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn hiện nay Về mặt kỹ thuật, công nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước sóng được ứng dụng trong mạng Viễn thông đường trục và Quốc tế

ở đây, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang Trên thế giới mạng WDM đã được thương mại hoá từ năm 1996 Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt nam là xây dựng mạng truyền tải toàn quang cho mạng thế hệ sau NGN dựa trên công nghệ WDM

Đề tài: “Công nghệ truyền dẫn quang trên mạng NGN” bao gồm các

nội dung sau:

Chương 1: Giới thiệu các vấn đề chung về công nghệ sợi quang, công nghệ

DWDM, đồng thời nêu bật các đặc điểm và nguyên lý của từng thành phần công nghệ phù hợp theo các khuyến nghị và tiêu chuẩn hoá

Chương 2: Mô tả đặc tính thiết bị khuyếch đại sợi quang và thiết bị xen rẽ

kênh quang, ngoài ra còn đề cập đến vai trò đáp ứng cụ thể từng loại

Chương 3 : Chương này tập trung mô tả các khía cạnh của thiết bị WDM

Đây là các thiết bị then chốt trên tuyến đường trục Bắc Nam trong phạm vi mạng lưới Viễn thông Việt nam

Chương 4: Trình bày tổ chức mạng NGN ở Việt Nam và tổ chức mạng cáp

quang Từ những kết quả thu được trong quá trình phân tích ở các phần trên, phần này trình bày về phương tiện truyền tải theo hướng phát triển mạng NGN của Việt Nam

Đề tài được nghiên cứu và hoàn thành dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thày Phạm Minh Việt Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thày cô khoa Điện tử - Viễn thông, trường

đại học Bách khoa Hà nội

Tôi xin đặc biệt cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thày Phạm Minh Việt và tỏ lời cảm ơn chân thành đến các thày cô khoa Điện tử - Viễn thông, Trung tâm Sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà nội Cho phép tôi gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Luận văn hoàn thành nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo của thày cô và ý kiến đóng góp từ các bạn và người đọc

Hà nội, ngày tháng 10 năm 2006

Học viên

Nguyễn Mạnh Duy

Chương 1 Công nghệ sợi quang, công nghệ DWDM

1-1 Công nghệ sợi quang

1-1-1 Cấu tạo sợi quang:

Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo được sản xuất bằng vật liệu để truyền

được ánh sáng nhìn thấy được và các tia hồng ngoại, chúng có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh lõi Vỏ bọc phía ngoài bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm

và ăn mòn, đồng thời chỗng xuyên âm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý Để bọc ngoài ta dùng các nguyên liệu mềm và độ tổn thất năng lượng quang lớn Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay chất dẻo (Silica), chất dẻo, kim loại, flour, sợi quang kết tinh) Ngoài ra chúng được phân loại thành sợi quang đơn mode và đa mode tương ứng với số lượng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang Ngoài ra chúng còn được phân loại thành sợi quang có chỉ số bước và chỉ số lớp tuỳ theo hình dạng và triết suất của các phần của lõi sợi quang

Hình 1.1: Cấu tạo sợi quang

Sợi quang cấu tạo gồm 2 phần chính:

- Một lõi dẫn quang đặc có chiết suất nR 1 R, bán kính a, đường kính là dR k R

và một lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh ruột có chiết suất nR 2 R

(nR 1 R>nR 2 R) và đường kính dR m R Ngoài ra độ lệch chiết suất sợi quang:

∆n = nR 1 R- nR 2

Và độ lệch tương đối:

∆ = 2

1

2 2

2 1 1

2 1

n n n

n n n

Hai tham số này quyết định đặc tuyến truyền dẫn của sợi quang

1-1-2 Phân loại sợi quang:

Các loại sợi quang có thể phân chia theo nhiều cách khác nhau nhưng có hai loại phân loại sau đây là chủ yếu:

a Phân loại căn cứ vào phương pháp truyền sóng:

Trong lõi của sợi cáp có nhiều tia sáng được đồng thời truyền dẫn tới các

đường đi khác nhau gọi là mode Loại MM này có đường kính dR k R = (25 ữ 100)à m

b Phân loại theo chỉ số chiết suất:

* Sợi có chiết suất phân bậc (Step - Index): SI

Sợi này có chiết suất lõi nR 1 R luôn luôn bằng hằng số và đột biến tại bề mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ:

Hình 1-2 Chỉ số chiết suất phân bậc

Chiết suất trong lõi sẽ giảm từ tâm của lõi ra vỏ lõi và đột biến tại bề mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ

Hình 1 –3 chỉ số chiết suất liên tục

Song trên thực tế người ta thường phân ra làm 3 loại:

- Sợi đa mode có chỉ số khúc xạ phân bậc SI - MM (StepIndex - MultiMode)

- Sợi đa mode có chỉ số khúc xạ liên tục GI - MM (GradienIndex - MultiMode)

- Sợi đơn mode có chỉ số khúc xạ phân bậc SI - SM (StepIndex - SingleMode)

Hình 1 – 4: Các loại sợi quang SI – MM(a), GI – MM(b), SI – SM(c) và

sự biến thiên của chỉ số khúc xạ theo bán kính của sợi

Sự biến thiên của chiết suất trong một sợi có thể biểu thị qua công thức sau:

n

) a

r ( 2 1 n )

a r

Trong trường hợp nhỏ thì công thức trên là cho sợi GI, còn khi g→ ∞ thì

nR (r) ≈ RnR 1 R tức là ta có sợi SI Trong thực tế g ≥ 10 đã được coi là sợi SI Trong thông tin đường dài sợi GI có g ≈ 2 có đặc tính truyền dẫn tốt nhất nên thường

được chọn sử dụng 1≤ g ≤ 3 Thông thường tiêu chuẩn về kích thước các loại sợi quang được từng quốc gia qui định và cũng đang được tiêu chuẩn hoá quốc

1-1-3 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang:

Nguyên lý truyền sóng ánh sáng trong sợi cáp là để ánh sáng truyền từ

đầu sợi đến cuối sợi quang không bị mất ở lớp vỏ thì phải dựa vào hiện tượng

phản xạ ánh sáng toàn phần Như đã trình bày về điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:

nR 0 RSinαR th R=nR 1 R.Sinβ (nR 0 R=1 : chiết suất của không khí)

⇒ 1.SinαR th R=nR 1 R.Sinβ=nR 1 RCosαR 1 R

⇒

−

= α

−

= α

2 n n n Sin

NA

n n n

n 1 n Sin

n

n 1 Sin

1 Cos

1

2 1

2 2 th

2 1

2 2 2

1

2 2 1

th

2 1

2 2 t

2 t

1

2 2

2 1

n 2

Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là

khi đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở

∆

=

αth arcsin n1 2

1-1-4 Sự lan truyền của các mode trong sợi quang

Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực

của các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng Một

mode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của

phương trình sóng và số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn

thoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang

Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp

Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên

Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập trung

trong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập

tắt ngay Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruột sợi và các

mode lan truyền có những đặc tính sau :

Các mode hoàn toàn độc lập với nhau

Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng

Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng

Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn λR g R sao cho các bước sóng

của các mode đều phải tuân theo điều kiện λ > λR g R

Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số dR k R/λ

nên dR k R lớn hơn λ nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi dR k R rất nhỏ

thì chỉ có một mode cơ bản được truyền qua (sợi đơn mode) Người ta định

nghĩa tham số cấu trúc V hay còn gọi là tần số chuẩn hoá:

Với sợi SI, nếu V<2,405 thì người ta có đơn mode, ngược lại là sợi đa mode Còn sợi GI, nếu V<3,518 có sợi đơn mode, V>3,518 ta có sợi đa mode Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyền sóng Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyền sóng Tuy nhiên việc lập và giải phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giản nhất là dùng phương pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trên mặt cắt dọc của sợi

Hình 1 – 6: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi

đơn mode(c)

ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khác nhau nên sợi chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b)với chiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãng

đường đi ngắn nhất (c) ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằm trong một hình nón có nửa góc mở αth

Sợi SI có 2

2

2 1 1

k

405 , 2

n d M

= α

= α

Mà như ta biết khẩu độ số NA = SinαR th

Như vậy sợi SI có NA = n − n 2 = n1 2 ∆

2

2 1

Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2ữ0,37

a

r ( 1 n

Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đưa ra ánh sáng vào tại tâm lõi có độ mở là lớn nhất, còn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng

0

Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết

đã chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn, băng tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại

Theo hình 1-6 ta không thể mô tả đặc trưng của các mode vì thực tế không phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều

được lan truyền đến cuối sợi Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia

có hiện tượng giao thoa

Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một sóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, còn nếu hai bước sóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta gọi là các mode

Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự phân bố cường độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với tốc độ xác định

Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin

khi điều biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode

thì có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định

1-1-5 Các thông số của Sợi quang

Suy hao của sợi quang:

Khi truyền ánh sáng trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần theo

cự ly với quy luật của hàm số mũ nên ánh sáng bị suy hao Biểu thức tổng quát

của hàm số truyền công suất có dạng:

Trong đó : P(0) là công suất ở đầu sợi (L)

P(L) là công suất ở cự ly L tính từ đầu sợi

α : Hệ số suy hao

Hình 1-7 : Công suất truyền trên sợi quang

Độ suy hao của sợi quang tính bởi :

P log 10 L

1 ) Km /

Các nguyên nhân gây ra suy hao

a Suy hao do hấp thụ

Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ

ánh sáng Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các bước sóng ánh sáng truyền qua nó

Sự hấp thụ của các ion OH, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm,

1240 và 1400nm

Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím

và hồng ngoại Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang

b Suy hao do tán xạ

Suy hao do tán xạ hay còn gọi là tiêu hao tán xạ Rayleigh, xuất hiện do

ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn Kích thước của các chỗ không đồng nhất còn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng Vùng hồng ngoại nhiều nên khi bước sóng tăng thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh, tỷ lệ nghịch với số mũ bậc 4 của bước sóng :

λ

λ λ α

= λ

0 tx

Suy hao do mặt phân cách giữa các lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo, lúc đó tia sáng sẽ bị tán xạ Lúc này một tia tới có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới sẽ khúc xạ

ra lớp vỏ bọc và đi ra ngoài lớp bọc sau đó bị suy hao dần

c Suy hao do sợi bị uấn cong

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên chỗ uấn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên Sự phân bố trường sẽ bị xáo trộn đi qua những chỗ uấn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi khi sợi bị uấn cong với bán kính uấn cong càng nhỏ càng suy hao nhiều

Đặc tuyến suy hao

Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ của sợi Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 1-9

Nhìn vào hình 1-9 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ suy hao

* Cửa sổ thứ nhất: ở bước sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ

(2-3)dB/Km, được dùng cho giai đoạn đầu

* Cửa sổ thứ hai : ở bước sóng 1300nm Suy hao tương đối thấp khoảng

từ (0,4ữ0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được dùng rộng rãi hiện nay

* Cửa sổ thứ ba : ở bước sóng 1550nm Suy hao thấp nhất cho đến nay

khoảng 0,2 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1300nm Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm Lúc đó sử dụng cửa

sổ thứ ba sẽ có lợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ Bước sóng 1550nm sẽ được

sử dụng rộng rãi trong tương lai

Hình 1-9: Đặc tuyến suy hao (phổ suy hao) của sợi quang

1-1-6 Tán sắc (Dispersion)

Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau Khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh Hiện tượng giãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc Đối với tín hiệu Analog thì ảnh hưởng của tán sắc làm biên độ tín hiệu ở đầu thu giảm nhỏ và có tín hiệu dịch pha

Hình 1-10: ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b) S chỉ tín hiệu phát, A chỉ tín hiệu thu a: Dẫn xung, b: Xụt biên độ

Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn của sợi bởi vì để thu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến

Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai

Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân

bố Gauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu Độ rộng xung ở giá trị biên độ 0,5 (mức 3dB) là τR s R,τR e

Độ giãn xung là 2

e

2

s − τ τ

= τ

Xung phân bố Gauss có phân bố biên độ là :

) 36 , 0 / t exp(

τ

≈ 26 , 2

1 B

Khi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộng là:

τ

= +

τ + τ

Như vậy độ giãn xung, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C có quan hệ ảnh hưởng lẫn nhau Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết có độ rộng bằng khoảng 1 HZ nhưng trên thực tế cần 1,6HZ cho nên ta có thể nói rằng tốc độ bit/s lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn Từ đó,

để sợi cho phép truyền được các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tần rộng cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất thông qua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi

1-1-6-1 Các nguyên nhân gây ra tán sắc

a Tán sắc mode (Mode Despersion)

Do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua số mũ

g trong biểu thức hàm chiết suất Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode Vì phạm vi có hạn nên ở đây chỉ đưa ra công thức đã tính toán về tán sắc mode : Với chiều dài sợi quang là L, chiết suất nR 1 R, nR 2 R ; Giá sử có hai tia đi vào sợi quang, tia thứ nhất đi đoạn đường dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đường ngắn hơn, ta có:

C

n L t

n C

n L t

2 1 2

2 2

2 1 1

=

=

Trong đó: tR 1 R: Thời gian truyền tia thứ nhất

tR 2 R: Thời gian truyền tia thứ hai

Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền ∆t là:

2 1

t

mat

Độ tán sắc mode là :

8

C

n L

8 n C

L

t= 1 ∆

∆

b Độ tán sắc thể :

* Tán sắc chất liệu: Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên

vận tốc truyền sóng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau Đó

là nguyên nhân gây tán sắc chất liệu

d

) ( n d C M d

λ

λ

∆

=

= Trong đó n(λ) là chiết suất lõi

ở bước sóng 850nm độ tán sắc chất liệu khoảng (90ữ120) ps/nm.Km,

ở bước sóng 1300nm độ tán sắc chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược dấu lên tán sắc sắc thể bằng không Còn ở bước sóng 1550nm độ tán sắc này khoảng 20 ps/nm.Km

này, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm lại lớn Để giải toả trở ngại này người ta làm theo hai cách:

- Giảm độ rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu

1-1-7 Dải thông của sợi quang

Sợi quang được xem như hàm truyền đạt

) fm ( P

) fm ( P )

Đường biểu diễn của hàm truyền đạt như hình 1-12

Tần số điều chế mà tại đó biên độ của hàm truyền đạt bằng 1/2 được gọi

là dải thông B của sợi quang

2

1 )

o

(

H

) B fm

Dải thông của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng và được tính theo công thức:

).

GHZ ( D

Để tiện ta ký hiệu λc là λcR 1 R

Sự phân chia vùng đơn mode và đa mode ở hình 1-13

Hình 1-13: Vùng đa mode và đơn mode

Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong của sợi quang Sợi càng dài và độ uốn cong càng nhỏ thì λc càng nhỏ và ngược lại

1-1-9 Đường kính trường mode (MFD: Mode Field Diameter)

Khi sự phân tích suy hao của các mối nối và điều kiện phóng ánh sáng vào sợi thì sự phân bố trường là rất quan trọng

Năng lượng ánh sáng thể hiện qua năng lượng trường bức xạ F(r) không chỉ tập trung trong lõi mà một phần truyền ngoài lớp bọc

Bán kính trường mode P là bán kính tại đó biên độ giảm đi 1/e lần (e = 2,718… nên 1/e ≈0,37 = 37%) Đường kính trường mode 2P phụ thuộc vào λ, nếu λ dài thì đường kính trường mode càng tăng

Đối với sợi SI - SM thì đường kính trường mode hơi lớn hơn đường kính lõi và tính theo công thức gần đúng sau:

c Vc a 2 6 , 2 V

6 , 2 a

1-1-10 Hàn nối sợi quang

+ Yêu cầu kỹ thuật

Với việc hàn nối phải đạt tổn thất quang càng bé càng tốt Nhưng vì

đường kính của sợi quang rất bé, nhất là ánh sáng chỉ được lan truyền trong lõi sợi quang, do đó rất khó phối hợp Trong thực tế các đầu sợi quang khó lòng khớp sít vào nhau nên không tránh khỏi bị suy hao

+ Các phương pháp hàn nối sợi quang

Để hàn nối hai sợi quang với nhau người ta nghiên cứu phương pháp sau:

- Dùng bộ nối tháo rời được và không tháo rời được

- Hàn nối bằng sợi keo dính và bằng hồ quang điện

Phương pháp đầu đạt độ chính xác không cao, nên hay sử dụng cho các loại sợi có tốc độ truyền dẫn thấp, cự ly gần

Phương pháp hàn nối thứ hai có độ chính xác cao, cố định Trong hướng này có hai phương pháp chính là nối bằng keo dính và hồ quang

Được thực hiện nhờ các máy hàn Hồ quang được tạo ra nhờ các tia lửa điện phóng điện Nguyên lý của phương pháp này như ở hình 1-15 Các bước tiến hành như sau:

Dùng hoá chất để tách và tẩy sạch lớp vỏ bảo vệ hai đầu sợi cần nối Kẹp hai đầu sợi lên bộ gá (hình a)

Điều chỉnh cho hai sợi lại gần, điều chỉnh sao cho đầu sợi hoàn toàn

Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối (hình e)

Ngày nay các nhà máy hàn đã được thiết kế hiện đại, việc làm này được thực hiện hoàn toàn tự động để tăng chất lượng

Việc hàn nối nhờ hoàn toàn tự động nên tiêu hao tại các mối nối rất nhỏ, với sợi đa mode tiêu hao các mối nối trung bình là 0,038 dB, còn với sợi

đơn mode thì là 0,5 dB Trong thực tế, độ suy hao đạt khoảng 0,1 dB là chấp nhận được

Hình 1-15: Đồ thị suy hao thực tế mối hàn Furukawa – SI 475

1-1-11 Bảo vệ mối nối:

Khi nối các sợi quang đã được tách ra, không còn các lớp bảo vệ của vỏ cáp vì vậy người ta dùng các hộp bảo vệ chỗ nối Có nhiều loại hộp bảo vệ, có loại để trong nhà, có loại để ngoài trời, có loại chôn trực tiếp, tuỳ theo điều kiện môi trường và mục đích sử dụng ta chọn cho thích hợp

1-1-12 cấu trúc cáp quang

Cho đến nay, cáp dẫn quang có rất nhiều cấu trúc khác nhau Do công nghệ phát triển đã đưa ra được những mẫu cấu trúc cáp quang có đặc tính thoả mãn được nhiều yêu cầu

Để tạo được cáp dẫn quang, sợi quang trước hết phải được bọc sơ bộ bằng các lớp Polime mỏng rồi mới tạo thành cáp Các sợi đã được bọc hoàn thiện làm thành phần chính của lõi cáp Lõi cáp còn có thể thêm các sợi gia cường bằng nilon và các đôi giây bằng kim loại để cấp nguồn từ xa

Người ta có thể đặt các sợi dẫn cáp quang vào lõi cáp với nhiều hình thức Chính vì vậy cáp quang có thể có dạng hình tròn hoặc dẹt, sợi dẫn quang

Hình 1-16 : Cấu trúc tổng quát của cáp quang

Hình 1-16: Là hình minh hoạ tổng quát của cáp quang nó có những thành phần cơ bản sau:

Sợi quang: Được đặt trong rãnh hoặc ống ghen

Thành phần chịu lực: Gồm có thành phần chịu lực trung tâm và chịu lực bên ngoài

Chất nhồi: Để làm đầy ruột cáp

• Phân loại theo cấu trúc:

e Cáp có dây đồng

Hình 1-17: Các ví dụ về cấu trúc cáp quang

Cáp có cấu trúc cổ điển: Các sợi hoặc các nhóm sợi quang được phân

bố đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm, loại cấu trúc này rất phổ biến

Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc các nhóm sợi được đặt trên các

rãnh có sẵn trên một lõi của cáp

Cáp có cấu trúc băng dẹt: Nhiều sợi quang được ghép trên cùng một

băng và trong ruột cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau

Cáp có cấu trúc đặc biệt: Do nhu cầu, trong cáp có thể có các dây

kim loại để cấp nguồn từ xa, để cảnh báo, để làm các đường nghiệp vụ… hoặc cáp đi trong nhà chỉ cần hai sợi là đủ…

• Phân loại theo mục đích sử dụng:

Cáp dùng để trên mạng thuê bao, nội hạt, nông thôn

Cáp trung kế giữa các tổng đài

Cáp đường dài

• Phân loại theo điều kiện lắp đặt:

Cáp chôn trực tiếp

Cáp đặt trong ống nước

Một ví dụ điển hình để mô tả nguyên lý WDM đó là khi ta sử dụng TV Khi điều chỉnh bộ thu của TV chúng ta thu được nhiều kênh TV khác nhau Mỗi kênh được truyền ở một tần số vô tuyến khác nhau và chúng ta lựa chọn một trong số chúng nhờ bộ điều chỉnh kênh (một mạch cộng hưởng trong TV) Tất nhiên, ở đây là sóng vô tuyến còn trong hệ thống WDM là bước sóng quang ở một góc độ nào đó, không có sự khác biệt cơ bản nào giữa ghép kênh theo tần số (FDM) và ghép kênh theo bước sóng (WDM)

Một cách nhìn khác đối với nguyên lý ghép bước sóng đó là xem mỗi kênh bước sóng có một màu sắc khác nhau và như vậy tín hiệu truyền trên hệ thống WDM sẽ giống như một chiếc cầu vồng Mặc dù bước sóng ứng dụng trong thông tin là những bước sóng không nhìn thấy, song đây là một cách thức rất trực quan để mô tả nguyên lý này

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 rải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi Tuy nhiên, để tránh xuyên nhiễu thì giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định Khuyến nghị của G.692 của ITU-T đã

đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể lựa chọn ở các cấp độ 200GHz, 100GHz, 50GHz

Hình 1-18: Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

Có nhiều cách để tạo nên một hệ thống WDM chẳng hạn như sử dụng bước sóng 1310nm và bước sóng 1550nm hoặc 850nm và 1310nm Khi số lượng các bước sóng được ghép bằng hoặc nhiều hơn 8 thì ghép kênh được gọi là mật độ cao DWDM Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm trên, DWDM nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550nm vì môi trường ứng dụng

hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ 0,5nm Để thuận tiện, thuật ngữ WDM được dùng để chỉ chung cho cả hai khái niệm WDM và DWDM

Công nghệ WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông

do sự phát triển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tập chung mọi nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH

nhưng kết quả thu được không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu

điện tại tốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbps bản thân các mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp Thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt

động khá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới được sử dụng một phần nhỏ Tuy nhiên, ghép kênh theo bước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM nhưng các

hệ thống WDM chỉ được thương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang và đặc biệt là các bộ khuếch đại đường truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman)

1-2-1 Ưu điểm của công nghệ WDM:

So với công nghệ truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những

ưu điểm nổi trội:

• Dung lượng truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM) Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbps, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbps đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbps)

• Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống đơn kênh tốc độ cao

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 một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm

giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

• Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng mở

ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các card mới trong khi hệ thống vẫn đang hoạt động (plug-in-play)

• Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt

Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại

• Giảm chi phí đầu tư mới

Hình 1-19: Khái quát ưu điểm của công nghệ WDM

1-2-2 Nhược điểm của công nghệ WDM:

Bên cạnh những ưu điểm trên, WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:

• Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang

Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho

dù công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

• Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn

1-2-3 Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang WDM

Hình 1-20: Biểu diễn cấu trúc của một tuyến WDM đơn giản

Một hệ thống WDM cũng giống như một hệ thống TDM truyền thống

Sự khác nhau giữa 2 hệ thống này nằm ở số lượng các kênh tín hiệu đồng thời

được mang trên sợi quang

Với một hệ thống TDM cơ bản thì chỉ có một tín hiệu quang duy nhất (một kênh quang) còn hệ thống WDM lại có thể được coi như nhiều hệ thống TDM song song sử dụng chung sợi và thiết bị Về cơ bản, thành phần quang của một hệ thống WDM được thể hiện như hình 1.4 gồm:

• Sợi quang (thường là cáp)

• Bộ thu quang (có số lượng bộ thu bằng số bộ phát)

1-2-4 Khả năng ứng dụng công nghệ WDM trong mạng truyền tải

ứng dụng chủ yếu của công nghệ WDM trong mạng viễn thông được minh hoạ qua vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền tải như trong hình 1.5 Trong đó quan hệ giữa các công nghệ cho mạng truyền dẫn như PDH, SDH thậm chí cả ATM

và WDM là quan hệ giữa lớp client và lớp server

Hình 1-21: Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền tải

Các tín hiệu SDH, PDH và ATM đại diện cho dịch vụ ở lớp client mà được mang trên hệ thống WDM Nếu xét đến khái niệm phân lớp mạng thì hệ thống WDM

được xem như lớp phương tiện vật lý, cùng với sợi quang tạo thành lớp kênh quang

Dưới góc độ phát triển hệ thống thì WDM cùng với thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) và bộ nối chéo quang (OXC) sẽ tạo thành một lớp mạng quang Sự phát triển này tiến tới một mạng truyền dẫn sử dụng kênh bước sóng hay nói ngắn gọn là lớp mạng quang ở dưới lớp client, tức là sẽ tách mạng truyền dẫn về topo thành hai lớp quang và điện trong đó hệ thống WDM

là hạt nhân của lớp mạng quang

Thực tế, có nhiều công nghệ hiện diện trong lớp mạng truyền tải cho nên dưới góc độ truyền dẫn, các hệ thống WDM phải có khả năng thích ứng với mọi dạng lớp trên Hiện tại các hệ thống WDM vẫn được thiết kế chủ yếu

để mang tín hiệu SDH từ lớp client Đây cũng là các hệ thống WDM hoàn thiện nhất Đối với các tín hiệu client khác như PDH, ATM, hay IP, giao diện của hệ thống WDM chưa hoàn thiện Đối với hệ thống WDM được phát triển

để mang SDH, hiện đang có hai xu hướng thực thi, đó là hệ thống WDM tích hợp và hệ thống WDM mở

- Hệ thống WDM kiểu tích hợp

Hệ thống kiểu tích hợp là đầu cuối SDH phải thoả mãn giao diện quang G.692, bao gồm bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang thoả mãn truyền dẫn cự ly dài Hệ thống SDH hiện nay (giao diện G.957) không yêu cầu 2 chỉ tiêu này, tức là phải tích hợp bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang bị hạn chế bởi cự ly tán sắc dài vào hệ thống SDH Cấu tạo của toàn bộ hệ thống tương đối đơn giản, không tăng thêm thiết bị dư thừa

Hình 1-23: Hệ thống WDM kiểu mở

Trong thực tế xây dựng, các nhà khai thác có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn hệ thống kiểu tích hợp hay kiểu mở Như trong điều kiện hệ thống SDH của nhiều nhà sản suất có thể chọn hệ thống mở, ngược lại chọn kiểu tích hợp

để giảm giá thành Nhưng hiện nay ngày càng nhiều hệ thống WDM kiểu mở

1-2-5 Giao diện chuẩn cho hệ thống WDM:

Trong thực tế, nhiều hệ thống WDM sẽ cùng liên kết hoạt động tạo ra mạng truyền dẫn cung cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối đến đầu cuối (mạng WDM hay mạng quang) Để đảm bảo khả năng phối hợp hoạt động trên, các khái niệm, nguyên tắc và chỉ tiêu cụ thể cần phải được đưa ra cho từng hoạt

động của các phần tử mạng Tập hợp những thông số này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống

Tiêu chuẩn hoá các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm liên kết mạng, mục đích của nó là nhằm đảm bảo khả năng chuyển giao thông tin người sử dụng và trao đổi thông tin quản lý giữa các phần tử mạng ý nghĩa của liên kết mạng là các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau trong