Nghiên cứu và đánh giá các kỹ thuật bù trong hệ thống thống thông tin quang wdm

Đáp ứng những nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hiệu quả băng thông cực lớn của sợi quang, nâng cao được dung lượng tr

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



-ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT BÙ TRONG

HỆ THỐNG THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

GV hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

SV thực hiện: PHẠM CÔNG KHANG

Lớp: 51K - ĐTVT Khóa học: 2010- 2016

NGHỆ AN-5/2016

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những nghành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền đẫn quang đã thế hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch

vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hắn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như:

Băng tần rộng, có cự ly thông tin không bị ảnh hướng của nhiễu và sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao Các hệ thống này không chỉ phù hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương, mà còn có tiềm năng trong các hệ thống thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả trong tương lai Một trong những yếu tố mang lại ưu điểm nổi trội cho các hệ thống thông tin quang chính là các phần tử quang điện cấu thành nên hệ thống Các thành phần tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh từ phía phát đến phía thu Đáp ứng những nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hiệu quả băng thông cực lớn của sợi quang, nâng cao được dung lượng truyền dẫn và làm giảm giá thành sản phẩm Sự phát triển này sẽ mang lại những ưu điểm vượt trội về chất lượng truyền dẫn cao, đặc biệt là băng thông rộng

Tuy nhiên hệ thống thông tin quang dung lượng lớn sẽ gặp phải 3 vấn đề lớn cần quan tâm như: Suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến làm giảm chất lượng và cự li truyền dẫn của hệ thống

Với đồ án này em sẽ nghiên cứu về hệ thống thông tin quang và đánh giá các phương pháp bù suy hao, tán sắc trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình làm không thể tránh được các sai sót, em mong được các thầy cô giáo và các bạn góp ý thêm Qua đây, em xin

gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đã tận

tình hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án này!

Sinh viên Phạm Công Khang

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN xiii

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH 1

1.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang WDM 1

1.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM 4

1.2.1 Giới thiệu hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM 4

1.2.2 Các kết cấu cơ bản của hệ thống WDM 5

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM 5

1.3 Hai dạng hệ thống WDM 7

1.3.1 Hệ thống WDM kiểu tích hợp 7

1.3.2 Hệ thống WDM kiểu mở 8

1.4 Đặc điểm chính của công nghệ WDM 8

1.4.1 Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng lớn của sợi quang 8

1.4.2 Truyền dẫn nhiều tín hiệu 9

1.4.3 Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi 9

1.4.4 Tiết kiệm đầu tư cho đường dây 9

1.4.5 Giảm yêu cầu tốc độ nhanh với linh kiện 10

1.4.6 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng 10

1.5 Giao diện chuẩn và các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM 10

1.5.1 Giao diện chuẩn cho hệ thống WDM 10

1.5.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM 11

CHƯƠNG 2 SỢI QUANG VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG WDM 12 2.1 Sợi quang 12

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang 12

2.1.2 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 13

2.1.3 Các thông số của sợi quang 15

2.2 Cáp quang 19

2.2.1 Yêu cầu kết cấu của cáp quang 19

2.2.2 Cấu trúc và các thành phần của cáp 20

2.2.3 Các loại cáp quang khuyến nghị sử dụng trong hệ thống WDM 22

2.3 Nguồn quang WDM 26

2.4 Thiết bị khuếch đại quang sợi 28

2.4.1 Chức năng của bộ khuếch đại quang OA 28

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang (EDFA) 28

2.4.3 Ứng dụng khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM 30

2.4.4 Khuếch đại quang sợi thế hệ mới cho hệ thống WDM 32

2.5 Thiết bị xen rớt quang (OADM) 33

2.5.1 Các chức năng của OADM 33

2.5.2 Các phần tử quang tiên tiến trong thiết bị OADM 33

2.5.3 Module giám sát hệ thống (OPM) trong thiết bị OADM 35

2.5.4 Module điều chỉnh cân bằng tán sắc DEM 35

2.6 Thiết bị kết nối chéo OXC 36

2.6.1 Sự ra đời của công nghệ chuyển mạch quang hoàn toàn 36

2.6.2 Thiết bị kết nối chéo quang OXC 37

CHƯƠNG 3 NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚIHỆ THỐNG WDM 39

3.1 Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 39

3.2Vấn đề ổn đinh bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát 44

3.2.1 Ổn định bước sóng của nguồn quang 44

3.2.2 Yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát 45

3.3 Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang 46

3.4 Suy hao - quỹ công suất của hệ thống WDM 46

3.5 Tán sắc - bù tán sắc 47

3.6 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 48

3.6.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ 49

3.6.2 Ảnh hưởng của hiệu suất khúc xạ 50

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT BÙ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 53

4.1 Giới thiệu chung 53

4.2 Các kỹ thuật bù được sử dụng để đánh giá 53

4.2.1 Kỹ thuật bù sử dụng EDFA 53

4.2.2 Kỹ thuật bù sử dụng sợi DCF 54

4.2.3 Kỹ thuật bù sử dụng symmetrycal,opgrating 55

4.3 Tiến hành xây dưng sơ đồ khối mô phỏng 55

4 4 Mô phỏng tuyến truyền dẫn thay đổi sử dụng các kỹ thuật bù khác nhau 62 4.4.1 Trường hợp hệ thống ghép bước sóng 4 kênh cơ bản không bù 63

4.4.2 Trường hợp sử dụng kỹ thuật bù suy hao EDFA 64

4.4.3 Trường hợp sử dụng kỹ thuật bù tán sắc PRE DCF 64

4.4.4 Trường hợp sử dụng kỹ thuật bù tán sắc POST DCF 65

4.4.5 Trường hợp sử dụng kỹ thuật bù tán sắc Symmetrical 66

4.4.6 Trường hợp sử dụng kỹ thuật bù suy hao optigrating 66

4.5 Tiến hành chạy mô phỏng và kết quả bù tín hiệu của các trường hợp 67

4.5.1 Kết quả trường hợp hệ thống WDM 4 kênh không bù 67

4.5.2 Kết quả mô phỏng Trường hợp bù suy hao bằng EDFA 68

4.5.3 Kết quả mô phỏng trường hợp bù tán sắc PRE DCF 69

4.5.4 Kết quả mô phỏng trường hợp bù tán sắc POST DCF 69

4.5.5 Kết quả mô phỏng trường hợp bù tán sắc Symmetrical 70

4.5.6 Kết quả mô phỏng trường hợp bù suy hao sử dụng optigrating 71

4.6 Đánh giá các phương pháp bù suy hao 72

4.6.1 Kỹ thuật bù suy hao EDFA 73

4.6.2 Kỹ thuật bù suy hao optigrating 74

4.7 Đánh giá chất lượng tín hiệu của tất cả các trường hợp sử dụng 75

4.8 Mối quan hệ giữa công suất đầu vào và Ber của các trường hợp sử dụng kỹ thuật bù tín hiệu 75KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang 1

Hình 1.2 Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang 3

Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng 5

Hình 1.4 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 7

Hình 1.5 Hệ thống WDM kiểu tích hợp 7

Hình 1.6 Hệ thống WDM kiểu mở 8

Hình 2.1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 13

Hình 2.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) 13

Hình 2.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI 14

Hình 2.4 Chiết suất dạng dịch độ tán sắc 15

Hình 2.5 Chiết suất dạng san bằng tán sắc 15

Hình 2.6 Công suất truyền trên sợi 16

Hình 2.7 Dạng xung vào và xung ra sau hiện tượng tán sắc 18

Hình 2.8 Cấu trúc tổng quát của cáp quang 21

Hình 2.9 Phân loại sợi quang theo tán sắc 26

Hình 2.10 Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b) 28

Hình 2.11 Cấu trúc của khuếch đại quang sợi EDFA 29

Hình 2.12 Ứng dụng của EDFA 30

Hình 2.14 Ma trận chuyển mạch OXC 37

Hình 2.15 OXC với chuyển mạch kiểu “one wavelength-per-card” 38

Hình 3.1 Hiệu ứng tán xạ SRS 49

Hình 4.1 Cấu tạo của một EDFA Error! Bookmark not defined Hình 4.2 Hệ thống WDM cơ bản Error! Bookmark not defined Hình 4.3 Khối Pseudo-Random Bit Sequence Error! Bookmark not defined Hình 4.4 Các thành phần của phần phát Error! Bookmark not defined Hình 4.5 Sơ đồ khối phần phát của hệ thống Error! Bookmark not defined Hình 4.6 Sơ đồ khối phần thu của hệ thống Error! Bookmark not defined

Hình 4.7 Tuyến truyền dẫn hệ thống WDM 4 kênh cơ bản.Error! Bookmark not defined.

Hình 4.8 Tuyến truyền dẫn hệ thống WDM bù suy hao sử dụng EDFA Error! Bookmark not defined.

Hình 4.9 Tuyến truyền dẫn hệ thống WDM bù tán sắc bằng PRE DCF Error! Bookmark not defined.

Hình 4.10 Tuyến truyền dẫn hệ thống WDM bù tán sắc sử dụng POST DCF

Error! Bookmark not defined Hình 4.11 Tuyến truyền dẫn hệ thống WDM bù tán sắc Symmetrical Error! Bookmark not defined.

Hình 4.12 Tuyến truyền dẫn hệ thống WDM bù tán sắc bằng cách sử dụng

optigrating Error! Bookmark not defined

Hình 4.13 Hệ số Q tối thiểu. 63

Hình 4.14 Tỷ lệ lỗi bit tối thiểu. 63

Hình 4.15 Ngƣỡng kênh hệ thống 64

Hình 4.16 Chiều cao của tín hiệu 64

Hình 4.17 Ber mẫu của hệ thống 64

Hình 4.18 Sơ đồ EYE mẫu 64

Hình 4.19 Min BER của tín hiệu 65

Hình 4.20 Ngƣỡng của tín hiệu 65

Hình 4.21 Chiều cao của tín hiệu 65

Hình 4.22 Ber mẫu bù suy hao 65

Hình 4.23 Sơ đồ EYE mẫu 65

Hình 4.24 Hệ số Q tối thiểu 66

Hình 4.25 Tỷ lệ lỗi bit tối thiểu 66

Hình 4.26 Ngƣỡng kênh hệ thống 66

Hình 4.27 Chiều cao của tín hiệu 66

Hình 4.28 Ber mẫu của hệ thống 67

Hình 4.29 Hệ số Q tối thiểu 67

Hình 4.30 Tỷ lệ lỗi bit tối thiểu 67

Hình 4.31 Hệ số Q tối thiểu 68

Hình 4.32 Tỷ lệ lỗi bit tối thiểu 68

Hình 4.33 Ngƣỡng kênh hệ thống 69

Hình 4.34 Chiều cao của tín hiệu 69

Hình 4.35 Hệ số Q tối thiểu 70

Hình 4.36 Tỷ lệ lỗi bit tối thiểu 70

Hình 4.37 Hệ số Q tối thiểu 68

Hình 4.38 Tỷ lệ lỗi bit tối thiểu 68

Hình 4.39 Ngƣỡng kênh hệ thống 69

Hình 4.40 Chiều cao của tín hiệu 69

Hình 4.41 Hệ số Q tối thiểu 70

Hình 4.42 Tỷ lệ lỗi bit tối thiểu 70

Hình 4.43 Ngƣỡng kênh hệ thống 70

Hình 4.44 Chiều cao của tín hiệu 70

Hình 4.45 Ber mẫu của hệ thống 70

Hình 4.46 Mô hình đầu ra cho tín hiệu quang sau 10km dài OFC 72

Hình 4.47 Tín hiệu ra bộ điều chế 72

Hình 4.48 Tín hiệu thu đƣợc 72

Hình 4.49 Tín hiệu quang thành phần FBG 72

Hình 4.50 Hệ thống WDM 4 kênh cơ bản 76

Hình 4.51 Hệ thống EDFA bù suy hao 76

Hình 4.52 Hệ thống EDFA asymetrical 77

Hình 4.53 Hệ thống EDFA optigrating 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tần số trung tâm danh định 41

Bảng 3.2 Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh 44

Bảng 3.3 Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết) 47

Bảng 3.4 Bảng so sánh chất lượng tín hiệu giữa các phương pháp Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASE Amplifier Spontaneous Emission Bức xạ tự phát đƣợc khuếch

đại

bộ

phát

Service Digital Network

Mạng số đa dịch vụ băng rộng

Module

Khối bù độ dốc tán sắc

FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi Bragg

Union

Hiệp hội viễn thông quốc tế

LASER Light Amplication by Stimulate Emission of Radiation

LH AMP Long Haul Amplifier Bộ khuếch đại Long Haul

LH RPT Long Haul Repeater Bộ lặp Long Haul

LOA Line Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang đường

truyền LTE Line Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đường dây MAN Metropolitan Area Network Mạng nội thị

MI Modulation Instability Tính không ổn định của điều

chế MOR Multi-wavelength Optical Repeater Trạm lặp đa kênh quang

MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MS SPRING Multi Section-Share Protection Ring Ring bảo vệ luồng đoạn ghép

kênh

MSP Multiplex Section Protection Bảo vệ đoạn ghép kênh

NDSF Non-Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển bằng

không

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

NLE Non-Linear Effect Hiệu ứng không tuyến tính

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dịch chuyển khác

không

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

OMU Optical Multiplexing Unit Đơn vị ghép kênh quang

OMUX Optical Multiplexing Bộ ghép kênh quang

OPM Optical Performance Monitor Thiết bị giám sát mạng quang OSC Optical Supervisor/Service Channel Kênh giám sát quang

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OTPM Optical Translator Port Module Module cổng chuyển đổi quang OUT Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quang

OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Phân cấp cận đồng bộ số

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PSTN Publish Service Transport Network Mạng dịch vụ công cộng

PTE Path Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đường truyền QOTU Quad Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quang mật

độ cao

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp đồng bộ số

SNCP Sub-Network Connection Protection Bảo vệ mạch vòng thứ cấp SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical NETwork Mạng quang đồng bộ

SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman

SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi cáp quang đơn mode chuẩn STE Section Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối đoạn

STM Synchronous Transport Module Module truyền tải đồng bộ TMN Telecommunication Management

Network

Mạng quản lý viễn thông

TriFEC Triple Forward Error Control Điều khiển lỗi hướng tới

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

WT Wavelength Transponder Chuyển đổi bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM hiện đang được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới và sẽ trở thành phương tiện để thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật thông tin quang trong tương lai Bởi vì, chi phí đầu tư và tính

ổn định của nó có nhiều điểm hơn hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM, nhất là khi mà nhu cầu về dung lượng ngày càng cao như hiện nay WDM có thể ghép nhiều bước sóng trong dải tần C, tận dụng được băng thông rất rộng và khả năng truyền dẫn của sợi quang, từ đó nâng cao được dung lượng truyền dẫn, đáp ứng được những yêu cầu về truyền dẫn tốc độ cao Tuy nhiên tín hiệu truyền đi thường bị ảnh hưởng bởi sự suy hao, tán sắc trong sợi quang Để bù suy hao sử dụng bộ khuếch đại EDFA, bù tán sắc sử dụng sợi DCF

Trong đồ án này chúng ta sẽ thiết kế mô phỏng và đánh giá các kỹ thuật sử dụng bù suy hao và tán sắc Kết quả đạt được khi sử dụng các kỹ thuật bù thì tín hiệu thu được chất lượng tốt hơn

In the thesis, we will learn about the WDM optical communication systems, fiber optic devices, the technical issue of concern and will carry out technical assessment of compensation in WDM optical communication systems

Các thiết bị khác

Thu quang

Phát quang

Trạm lặp

Mạch điện

Khuếch đại quang

Đầu thu quang

Khôi phục tín hiệu Khuếch đại

Bộ thu quang

Tín hiệu điện ra

Nguồn phát quang

Mạch điều khiển

Tín hiệu

điện vào

Bộ phát quang

Mối hàn sợi

Bộ nối quang

các hệ thống thông tin quang để tiến tới xây dựng một mạng truyền dẫn hiện đại

1.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang WDM

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang đƣợc mô tả nhƣ hình 1.1

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang [1]

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang đƣợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ

môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó

có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1310 nm và 1550

nm Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai

và thứ ba

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng

số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng

và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang 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 Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ như hình 1.2

Hình 1.2 Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang[1]

O,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 O,7 1,4 1,5 1,6  (  m)

Vì vậy, đã dẫn đến một ý tưởng hợp lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này

1.2 Nguyên lý gh p nh theo ước sóng WDM

G t ệu ệ t ốn p n t o s n

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng băng thông ngày càng cao của xã hội mà các phương thức truyền dẫn cũ như ghép kênh PDH, ghép kênh SDH không thể đáp ứng, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn đã xem xét một số phương thức truyền dẫn mới thay thế Với những ưu thế nổi bật, truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Devision Multiplexing) đã được ứng dụng rộng rãi trên mạng viễn thông của các quốc

gia trên thế giới

Ghép kênh theo bước sóng WDM 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

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời

hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó, các mạch điện tử sẽ có hạn chế là không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, mặc khác chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên.[1]

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 Lưu lượng được mang bởi các tín hiệu quang có các bước sóng khác nhau

bộ thu tương ứng với phía phát, kênh tín hiệu điều khiển giám sát quang và hệ

DE MUX

RxN

Rx2 Rx1

Hệ thống WDM đơn hướng

λ 1 , λ 2 , … λ n

λ 1 , λ 2 , … λ n

thống xử lý Mỗi phần tử trên hệ thống đều thực hiện những chức năng xác định một cách chính xác

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được minh họa ở hình 1.4 Ở đầu phát, trước tiên tín hiệu đến từ thiết bị đầu cuối được bộ chuyển đổi bước sóng quang (OWT – Optical Wavelength Translators) chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu quang

có bước

sóng theo chuẩn G.692, phù hợp với phổ bước sóng quang WDM Sau đó các bước sóng WDM theo chuẩn G.692 sẽ được tập hợp thành tín hiệu quang tổng nhờ bộ ghép sóng quang, được khuếch đại qua các bộ khuếch đại công suất quang và phát lên sợi quang Khi khoảng cách truyền dẫn giữa hai nút mạng quá lớn (lớn hơn 130 km), tín hiệu quang cần được khuếch đại chuyển tiếp

Ở đầu thu, bộ tiền khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu quang tổng hợp (đang

bị suy giảm nhiều về công suất), tiếp đó bộ tách sóng quang sẽ tách các tín hiệu quang có bước sóng nhất định ra khỏi tín hiệu quang tổng hợp Bộ thu quang phải đảm bảo các yêu cầu về độ nhạy, công suất quá tải, chịu đựng tín hiệu quang có tạp âm, có khả năng khuếch đại băng rộng,…

Chức năng chính của kênh tín hiệu quang giám sát là điều khiển và giám sát tình hình truyền dẫn các kênh tín hiệu quang của hệ thống WDM Ở đầu phát, tín hiệu quang giám sát sẽ được hợp với tín hiệu quang tổng và đưa ra sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu quang giám sát sẽ được tách ra khỏi tín hiệu quang tổng hợp Các byte đồng bộ khung, byte nghiệp vụ, byte thông tin mào đầu (overheard), … mà mạng quản lý, sử dụng đều được truyền qua kênh tín hiệu quang giám sát

Hệ thống quản lý mạng trên mạng WDM thông qua lớp vật lý của kênh tín hiệu quang giám sát truyền các byte mào đầu đến các nút trên mạng WDM Nhờ vậy hệ thống quản lý mạng WDM thực hiện được các chức năng quản lý như: quản lý cấu hình, quản lý sự cố, quản lý tính năng, quản lý bảo mật, … và kết nối với hệ thống quản lý cấp cao hơn TMN (mạng quản lý viễn thông)

Hình 1.5 Hệ thống WDM kiểu tích hợp[2]

Rn

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

SDH SDH

SDH SDH

Bộ phát tín hiệu quang giám sát

Bộ chuyển đổi bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng

Tín hiệu quang 1

Tín hiệu quang n

Bộ phát tín hiệu quang giám sát

Phần thu quang WDM

KĐ

Bộ phát và thu tín hiệu quang giám sát

Phần KĐ đường dây

1.3.2 Hệ t ốn ểu mở

Hệ thống WDM kiểu mở có bộ chuyển đổi bước sóng OUT ở đầu phát Tác dụng của nó là chuyển đổi lại bước sóng quang theo yêu cầu nhất định trong khi không biến đổi khuôn dạng số liệu tín hiệu quang để thoã mãn yêu cầu thiết kế

hệ thống WDM Ở đây, “kiểu mở” là trong cùng một hệ thống WDM, có thể nối vào các hệ thống SDH của các nhà sản xuất khác nhau, chuyển đổi bước sóng không quy phạm SDH thành bước sóng tiêu chuẩn OTU không có yêu cầu đặc biệt đối bước sóng của tín hiệu đầu vào, có thể tương thích bất kỳ tín hiệu SDH của nhà sản xuất nào đó Đầu ra OTU thão mãn giao diện quang G.692, tức bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang thoã mãn truyền dẫn cự ly dài Hệ thống WDM có OTU không yêu cầu hệ thống SDH có giao diện quang G.692 nữa, có thể tiếp tục sử dụng thiết bị SDH phù hợp với giao diện G.957 tiếp nhận các hệ thống SDH trước đây, mô tả như hình 1.6

Hình 1.6 Hệ thống WDM kiểu mở

1.4 Đặc điểm chính của công nghệ WDM

So với công nghệ truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm vượt trội sau:

4 Tận dụn tà n uy n dả tần rất rộn l n ủ sợi quang

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng tần rộng lớn của sợi quang (đoạn sóng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần Từ đó tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giá thành, có giá trị ứng dụng và giá trị kinh

tế rất lớn Hiện nay, hệ thống thông tin sợi quang chỉ truyền dẫn trong một kênh

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

OTU OTU SDH

SDH

G.957

tín hiệu bước sóng, mà bản thân sợi quang trong khu vực bước sóng có tổn hao thấp rất rộng, có rất nhiều bước sóng có thể sử dụng nhưng hiện nay người ta chỉ

sử dụng một bộ phận rất nhỏ trong tần phổ tổn hao thấp của sợi quang Mặc dù cũng sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) (1530 ~1565 nm), nhưng cũng chỉ chiếm 1/6 dải tần của

nó Cho nên công nghệ WDM tận dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode, do đó ở mức độ cao đã giải quyết vấn đề truyền dẫn

4 Truyền dẫn n ều tín ệu

Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó

có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín

hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phương tiện (như âm tần, thị tần, số liệu, văn bản, đồ hoạ,… )

4 3 T ự ện truyền dẫn ều tr n một sợ

Do các phương tiện thông tin đều dùng phương thức hoàn toàn song công,

vì vậy dùng công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dây Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như: mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ (LAN) nhiều đường nhiều địa chỉ…, do đó rất quan trong đối với ứng dụng mạng

4 4 T t ệm đầu t o đ ờn dây

Dùng công nghệ WDM có thể ghép kênh N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode, khi truyền dẫn đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Ngoài ra, thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang, ngoài việc thuê sợi hoặc thuê cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản cắm thêm Card mới trong khi hệ thống vẫn đang hoạt động

4 6 Tín l n oạt, tín n t và độ t n ậy o ủ ấu ìn mạng

Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ IP) Thông qua việc tăng thêm một bước sóng phụ để đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn, (ví dụ hiện nay thực hiện công nghệ IP trên WDM) Sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai

1.5 Giao diện chuẩn và các tiêu chuẩn liên quan đ n hệ thống WDM

5 G o d ện uẩn o ệ t ống 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 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 một phân đoạn mạng hay nói cách khác là phải bảo đảm tính tương hợp ngang trong mạng

Khuyến nghị G.692 của ITU-T đưa ra tiêu chuẩn của các hệ thống WDM điểm-điểm cự ly lớn; tốc độ của từng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 hoặc STM-64; số kênh bước sóng 4, 8, 16 hoặc 32 kênh; loại sợi G.652, G.653 hoặc

G.655; khoảng cách cực đại của tuyến khi không dùng khuếch đại quang là 160

km và có sử dụng khuếch đại quang là 640 km

1.5.2 t u uẩn l n qu n đ n ệ t ốn

1) ITU-T G.872: kiến trúc của mạng truyền tải quang

Khuyến nghị này qui định các chức năng của mạng truyền tải quang truyền tải tín hiệu số, bao gồm:

- Kiến trúc chức năng truyền tải của mạng quang

- Quản lý mạng quang

- Các kỹ thuật hồi phục mạng quang

2)ITU G.709: giao diện cho mạng truyền tải quang (OTN), khuyến nghị này:

- Phân cấp truyền tải quang (OTN)

- Chức năng của phần mào đầu trong việc hỗ trợ thông tin đa bước sóng

- Cấu trúc khung

- Tốc độ bít

- Phương thức sắp xếp các tín hiệu client

2)ITU-T G.959: giao diện vật lý của mạng truyền tải quang, khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu đối với giao diện kết nối mạng cho các mạng quang sử dụng công nghệ WDM

2) ITU-T G.692: giao diện quang cho hệ thống đa kênh quang sử dụng khuếch đại quang

3) ITU-T G.957: giao diện quang cho thiết bị và hệ thống SDH

4) ITU-T G.691: giao diện quang cho hệ thống đơn kênh quang tốc độ STM-64, STM-256 và các hệ thống SDH khác sử dụng khuếch đại quang

rất rẻ và phổ biến vì nó có trong cát thường Sợi quang có ba cửa sổ truyền dẫn:

 Vùng cửa sổ một: Người ta dùng LED chế tạo ra cửa sổ quang có bước sóng 850 nm, mức suy hao  = 1dB/Km, hệ số tán sắc lớn

 Vùng cửa sổ hai: Ứng với bước sóng 1310 nm, có hệ số suy hao  = 0.5 dB/Km, hế số tán sắc nhỏ  TS = 3,5 – 5 ps/nm.Km

 Vùng cửa sổ thứ ba: Ứng với bước sóng 1550 nm, có hệ số suy hao nhỏ nhất  = 0,154 dB/Km Với kỹ thuật cao có thể chế tạo được sợi quang đơn mode có  = 0,14 dB/Km

Suy hao tại ba vùng cửa sổ này là thấp nhất, ở Việt Nam thường dùng ở cửa

sổ thứ ba (= 1550 nm) Ghép kênh theo bước sóng là công nghệ làm tăng dung lượng đường truyền bằng cách tăng số kênh quang truyền trên sợi quang thay vì chỉ dùng một kênh quang Vì vậy, yêu cầu môi trường truyền dẫn phải có:

 Hệ số suy hao nhỏ

 Hệ số tán sắc nhỏ

ấu tạo và n uy n lý truyền dẫn tron sợi quang

Sợi gồm một lõi dẫn quang bằng thủy tinh có chiết suất n1, bán kính là a, đường kính là dk Và lớp bọc bằng thủy tinh bao xung quanh ruột có chiết suất

n2, với n1 > n2, đường kính dm Các tham số n1, n2 và a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang, người ta gọi đó là các tham số cấu trúc

Khi ánh sáng truyền trong lõi, sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đó, ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uống cong (với một độ cong giới hạn) như hình 2.1

Hình 2.1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

dạn p ân ố t suất tron sợi quang

a, Sợi quang có chiết suất nhảy bậc ( SIMM: Step Index Multi Mode)

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc

khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang

phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các con đường khác

Hình 2.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:

n1 chiết suất môi trường trong lõi sợi

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian

truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới hiện tượng khi

đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng

hơn ở cuối sợi Đây là hiện tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể

hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

a Sợi quang có chiết suất giảm dần (GIMM: Graded Index Multi Mode) Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parapol, vì chiết suất thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uống cong dần Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau, vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn với vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn với vận tốc truyền nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất

ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parapol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này là bằng nhau hình 2.3 Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

 Dạng giảm chiết suất lớp bọc

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thủy tinh có chiết suất lớn thì phải pha thêm nhiều tạp chất nhưng điều này lại làm tăng suy hao Dạng này chỉ đảm bảo độ chênh lệch chiết suất Δ nhưng có chiết suất lõi n1 không cao

 Dạng dịch độ tán sắc

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1310 nm Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550 nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 2.4

Hình 2.4 Chiết suất dạng dịch độ tán sắc

 Dạng san bằng tán sắc

Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng,

để đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 2.5

Hình 2.5 Chiết suất dạng san bằng tán sắc

3 t ôn số ủ sợi quang

2.1.3.1 Suy hao của sợi quang

Công suất quang truyền tải trên sợi giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số

mũ tương ứng như tín hiệu điện Biểu thức của hàm số truyền công suất có dạng:



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

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

 là hệ số suy hao ( < 0)

P1 =P0 P2 = P (L)

L

Hình 2.6 Công suất truyền trên sợi

-Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức :

 

2

1

lg 10

P

P dB

Trong đó : P1 = P (0) công suất đưa vào sợi

P2 = P (L) công suất ở cuối -Hệ số suy hao trung bình :

 (dB /km) =

) (

) (

km L

dB A

Trong đó : A là suy hao của sợi

L là chiều dài của sợi

 Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang

a Suy hao do hấp thụ

 Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại

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

năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan

(Mn), cobar (Co) và niken (Ni) Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào

nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó Để có được sợi quang có

độ suy hao dưới 1 dB/Km cần phải có thủy tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp

chất không quá 10-9

 Sự hấp thụ của ion OH

Các liên kết giữa SiO2 và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệu khi

chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp

thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950 nm, 1240 nm, 1400 nm Như vậy độ ẩm là

một trong những nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang

 Sự hấp thụ cực tím và hồng ngoại

Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sự hấp thụ vẫn xảy ra Vì bản thân thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và vùng hồng ngoại, sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại sẽ gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang

b Suy hao do tán xạ

 Tán xạ Rayleigh

Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thủy tinh, các khuyết tật như bọt khí, các vết nứt sẽ gây ra hiện tượng tán xạ Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ Các tia truyền qua những điểm không đồng nhất này sẽ tách ra nhiều hướng khác nhau, chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại sẽ truyền theo hướng khác, thậm chí truyền ngược lại nguồn quang

 Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo

Khi tia sáng truyền đến những chỗ khuyết tật (lõi) giữa lõi và lớp bọc, tia sáng sẽ bị tán xạ Lúc đó có một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản

xạ khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ qua lớp bọc và suy hao dần

c Suy hao bị uốn cong

 Vi uốn cong

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó Hay nói cách khác, sự phân bố thường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng khỏi sợi Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất là bước sóng dài

 Uốn cong

Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng

d Suy hao mối hàn

Khi hàn nối các sợi quang, chúng ta nối đầu sợi quang lại với nhau chuẩn

trục Nếu lõi của hai sợi không được gắn với nhau chính xác và đồng nhất thì

phần ánh sáng đi qua khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn, gây ra suy

hao

2.1.3.2 Tán sắc

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng biến

dạng, hiện tượng này gọi là tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu analog và

làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital Sự tán sắc làm hạn chế dải thông

của đường truyền dẫn quang

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang kí hiệu là D, đơn vị là S, được xác định

bởi công thức:

D   

Trong đó: i, 0 là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (S)

Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km

Đối với loại tán sắc do chất liệu người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km

sợi ứng với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là

Hình 2.7 Dạng xung vào và xung ra sau hiện tượng tán sắc

 Các nguyên nhân gây tán sắc

a Tán sắc mode

Tán sắc mode là do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode,

mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền khác

nhau Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi đặc biệt là đường kính lõi

sợi Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode

b Tán sắc sắc thể

Tán sắc thể là do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau

 Tán sắc chất liệu

Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau Đó là nguyên nhân gây nên tán sắc chất liệu Tán sắc chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang Đơn vị của độ tán sắc do chất liệu

Ở bước sóng 1550 nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 20 ps/nm.km

 Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng

Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng gây nên sự tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc do ống dẫn sóng thay đổi theo bước sóng

2.2 Cáp quang

Y u ầu t ấu ủa cáp quang

Cấu trúc của cáp quang phải thõa mãn yêu cầu chính là bảo vệ sợi quang trước tác dụng của cơ học, của điều kiện bên ngoài trong quá trình thi công lắp

đặt và cả quá trình sử dụng lâu dài Các lực cơ học có thể làm đứt sợi quang hoặc làm tăng suy hao và làm giảm tuổi thọ của sợi quang

Cáp quang phải được chế tạo phù hợp với mục đích sử dụng viễn thông như: cáp treo, cáp chôn, cáp thả cống, cáp thả biển và cáp trong nhà

Thành phần chính của sợi quang gồm: lõi (core) và lớp bọc (cladding) Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi, nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc Ngoài ra để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài, sợi quang còn bọc thêm vài lớp phụ

Có thể phân loại sợi quang thành bốn nhóm dựa trên vật liệu chế tạo:

-Sợi Sillica (SiO2) -Sợi hợp chất thủy tinh

Cấu trúc tổng quát của cáp bao gồm như hình 2.8

Sợi quang: các sợi quang đã được bọc lớp phủ và lớp vỏ, sắp xếp theo một thứ tự nhất định Lớp vỏ có thể có dạng đệm lỏng, đệm khí, đệm tổng hợp, băng dẹp

Thành phần chịu lực: bao gồm thành phần chịu lực trung tâm và thành phần chịu lực bên ngoài

Chất nhồi: để làm đầy ruột cáp

Vỏ cáp: để bảo vệ ruột cáp

Lớp gia cường: để bảo vệ sợi cáp trong những điều kiện khắc nghiệt

 Có tác dụng ngăn ẩm

 Không có tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp

 Không thay đổi thể tích trong khoảng nhiệt độ làm việc

 Dể tẩy sạch khi hàn nối

 Khó cháy

Ngoài ra ruột cáp còn được bao bọc bởi một lớp ngăn ẩm bằng kim loại dán mỏng thường là nhôm (hoặc Plastic) Đối với loại cáp không chứa thành phần kim loại dán mỏng thường được làm dạng gợn sóng để tăng sức chịu đựng các lực cơ học

Đối với các loại cáp không cần độ chống ẩm cao như cáp dùng trong nhà thì không cần bơm chất nhờn, cũng như không cần lớp chống ẩm

Sợi quang

Vì sợi quang bằng thủy tinh dễ gãy nên trong cáp sợi quang phải có các thành phần chịu lực để giữ cho sợi quang không bị kéo căng trong quá trình lắp đặt cũng như sử dụng

Vỏ cáp để bảo vệ ruột cáp khỏi tác động của môi trường, như tác động của

cơ học, hóa học, hơi ẩm, nhiệt độ

Khi chọn vật liệu làm vỏ cáp cần lưu ý đến các đặc tính sau:

3 loạ p qu n đ ợ uy n n ị sử dụn tron ệ t ống WDM 2.2.3.1 Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652

Sợi đơn mode là sợi truyền dẫn một mode ánh sáng Loại này có được là do đường kính lõi được giảm đến một kích thước mà nó chỉ cho phép truyền lan một mode ánh sáng Lõi của sợi đơn mode thường có đường kính 8m - 10m Sợi quang đơn mode có nhiều ưu điểm nổi bật so với so với sợi đa mode như suy hao nhỏ và tán sắc cũng nhỏ hơn do không có tán sắc mode

Sợi SSMF là cáp đơn mode có tán sắc gần bằng không trong vùng bước sóng 1310 nm Lúc đầu, cáp này chế tạo ra nhằm mục đích tối ưu hoá sử dụng khai thác ở vùng bước sóng này Tuy nhiên, cáp G.652 có thể được sử dụng cả ở vùng 1550 nm Khi hoạt động ở bước sóng 1550 nm thì có:

 Hệ số suy hao khoảng 0,2 dB/km

Tuy nhiên, nếu dùng sợi G.652 đem áp dụng trong hệ thống WDM tại vùng bước sóng cửa sổ thứ ba (1550 nm) thì sẽ gây ra suy hao lớn, không ghép được nhiều kênh,ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến Để khắc phục nhược điểm này người ta đã chế tạo ra hai loại sợi đó là sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion-Shifted Fiber) và sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF (Non-zero Dispersion-Shifted Fiber)

2.2.3.2 Sợi DSF (dispersion-shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.653

Sau khi chế tạo cáp G.652 người ta thấy rằng:

Nếu truyền tại cửa sổ 1310 nm thì tuy tán sắc gần bằng không, nhưng lại có suy hao quá lớn khoảng 0,4dB/km Còn nếu truyền tại bước sóng 1550 nm thì tuy có suy hao nhỏ nhưng lại có tán sắc lớn 17 ps/nm.km

Muốn truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm vừa có suy hao nhỏ, đồng thời lại vừa muốn có tán sắc gần bằng không, người ta đã nghĩ ra cáp G.653 bằng cách pha thêm một số tạp chất vào sợi Kết quả sợi G.653 ra đời, sợi quang này tận dụng được ưu điểm của hai vùng cửa sổ quang, đó là hệ số suy hao của vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng trung tâm là 1310 nm và hệ số tán sắc vùng cửa sổ thứ ba

có bước sóng trung tâm là 1550 nm, với suy hao sợi thực tế khoảng 0,2dB/km đồng thời có tán sắc bằng không khi truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm Đó là nguyên nhân vì sao gọi sợi G.653 này là sợi tán sắc dịch chuyển

DSF là sợi quang đơn mode dịch tán sắc có tính năng tốt nhất ở bước sóng

1550 nm Sợi này còn được sử dụng tối ưu cho các bước sóng nằm xung quanh vùng 1550 nm (1525 nm – 1575 nm) Bằng cách thay đổi sự phân bố khúc xạ làm cho điểm sáng bằng không dịch từ cửa sổ 1310 nm tới khu vực bước sóng làm việc 1550 nm Sợi này cũng có thể dùng cho vùng bước sóng 1310 nm (1285 nm – 1340 nm)

Đặc tính suy hao của sợi DSF cũng giống như sợi đơn mode không dịch tán sắc, nhưng tối ưu tán sắc tại bước sóng 1550 nm Tại bước sóng này suy hao và tán sắc của sợi DSF là bé nhất Sợi quang đơn mode DSF có suy hao nhỏ, giới hạn suy hao điển hình là (0,17dB/km - 0,25dB/km) và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất hiệu quả cho việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trong đó hiệu quả nhất là đối với các hệ thống đơn kênh quang

Tuy nhiên, cáp này chỉ thích hợp truyền dẫn những luồng quang bình thường, không phải ghép kênh quang tốc độ cao Khi có ghép kênh, nhất là ghép DWDM như hiện nay, chính việc có tán sắc gần bằng không tại cửa sổ 1550 nm

đã làm cho hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng (FWM - Four Wave Mixing) tăng rất mạnh (nếu ghép càng nhiều kênh gần nhau) Vì hạn chế khả năng ghép kênh DWDM như vậy nên đây là nguyên nhân chính làm loại cáp này bây giờ được sử dụng rất ít

2.2.3.3 Sợi CSF (cut-off shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.654

Cáp này lại có tán sắc gần bằng không tại cửa sổ 1310 nm, và tại cửa sổ

1550 nm là khoảng 20 ps/nm.km Nhưng nó lại có suy hao tối thiểu tại cửa sổ

1550 nm (theo khuyến nghị phải < 0,22dB/km) Trên thực tế, các hãng có thể chế tạo ra cáp có suy hao nhỏ hơn Nói chung, đây là loại chế tạo ra không có dịch chuyển tán sắc (giống sợi G.652) Ngoài ra cố gắng làm giảm cực tiểu suy hao trong vùng 1550 nm để kéo dài truyền dẫn nhất là với cáp quang biển Cáp này nó có ưu điểm nổi trội là mở rộng băng thông hoạt động sang cả vùng băng thông quang L, tức là mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625 nm

2.2.3.4 Sợi NZ-DSF (non-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.655

Ngày nay với sự phát triển ưu thế của ghép kênh theo tần số quang mật độ cao, kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời thể hiện khả năng truyền nhiều bước sóng trên một sợi quang, lúc này cần phải chú trọng đáp ứng phi tuyến của sợi quang Vì đáp ứng phi tuyến nó gây ra thêm một loạt các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM, tự điều chế pha SPM (Self Phase Modulation), điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation) Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM là nghiêm trọng nhất Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thích hợp với các hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa Để giải quyết vấn đề này thì sợi NZ-DSF đã ra đời nhằm chống lại giới hạn FWM của DSF để đảm bảo cho tất cả các kênh có các tốc độ khác nhau trong sợi quang Đặc tính suy hao của sợi này tương tự như sợi đơn mode thông thường SMF, nhưng điểm nổi bật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là 0,1ps/nm.km ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 6 ps/nm.km trong vùng bước sóng

1530 nm – 1565 nm nhưng không được bằng không tại vùng cửa sổ 1550 nm

Do đó, đặc điểm nổi trội nhất của nó so với các sợi khác ở chỗ, nó được tối ưu hoá chống lại các hiệu ứng phi tuyến (nhất là FWM), để có thể truyền dẫn cho

hệ thống DWDM Băng thông quy định theo khuyến nghị là băng C (1530 nm –