Thiết kế và mô phỏng tuyến thông tin quang wdm bằng phần mềm optiwave optisystem

Trong các bước nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng WDM là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hi

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM

NGHỆ AN - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Mạnh Hùng Mã số sinh viên: 0951085045 Ngành: Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Khoá: 50

Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoa Lư

Người phản biện:

Nội dung đồ án tốt nghiệp:

Nhận xét của người hướng dẫn:

Nghệ An, ngày tháng năm 2014

Người hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 6

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 8

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 9

CHƯƠNG I HỆ THỐNG WDM, CÔNG NGHỆ THEN CHỐT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG WDM 10

1.1 Giới thiệu chung 10

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM 14

1.2.1 Suy hao xen 14

1.2.2 Suy hao xuyên kênh 15

1.2.3 Độ rộng, khoảng cách và số lượng kênh 16

1.3 Ổn định bước sóng của nguồn quang 17

1.4 Ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn 18

1.4.1 Phương pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha(SPM) 19

1.4.2 Phương pháp bù tán sắc PDC 21

1.4.3 Phương pháp bù tán sắc DCF 22

1.5 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn 23

1.5.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM 23

1.5.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang 25

1.6 Ứng dụng WDM 26

1.6.1 Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn 26

1.6.2 Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập 27

1.7 Kết luận 29

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG WDM 30

2.1 Bộ phát quang 30

2.2 Bộ tách/ghép kênh quang 32

2.3 Bộ khuếch đại quang 35

2.4 Bộ thu quang 37

2.5 Sợi quang 38

2.6 Bộ lọc 40

2.7 Một số tham số ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM 41

CHƯƠNG III MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 51

3.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế tuyến thông tin quang 51

3.2 Tổng quan phần mêm optisystem 51

3.3 Bài toán 52

3.4 Phía phát 54

3.5 Phần truyền dẫn 58

3.6 Phía thu 60

3.7 Đặt thiết bị đo 62

3.8 Cài đặt tham số toàn cục 64

3.9 Chạy mô phỏng 65

3.10 Xem các thông số kết quả 65

3.11 Hiệu chính giá thị BER 10-12 68

3.12 Kết luận 73

KẾT LUẬN CHUNG 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn của sợi quang 11

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng 12

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hướng 12

Hình 1.4 Xuyên âm trong hệ thống 15

Hình 1.5 Khoảng cách kênh và ðộ rộng kênh 16

Hình 1.6 Sự dãn xung do ảnh hưởng của hiệu ứng SPM 20

Hình 1.7 Phương pháp phân phối tán sắc 21

Hình 1.8 Phương pháp bù tán sắc OPC 22

Hình 1.9 Mạng WDM quảng bá hình sao 27

Hình 2.1 Tách kênh sử dụng lăng kính 33

Hình 2.2 Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ 33

Hình 2.3 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo bước sóng ở sợi thủy tinh 44

Hình 2.4 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2 (Vb)/dV2] thay đổi theo tham số V 46

Hình 2.5 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng 47

Hình 2.6 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD 48

Hình 3.1 Giao diện làm việc của chương trình 53

Hình 3.2 Cửa sổ Project layout 53

Hình 3.3 Thư viện các phần tử 54

Hình 3.4 Đặt bộ tạo chuỗi bit vào Main layout 55

Hình 3.5 Đặt bộ tạo xung vào Main layout 55

Hình 3.6 Đặt bộ điều chế vào Main layout 56

Hình 3.7 Đặt nguồn Laser phát vào Main layout 56

Hình 3.8 Bốn kênh phát quang 57

Hình 3.9 Thay đổi dải tần số công suất phát 57

Hình 3.10 Tuyến phát quang 58

Hình 3.11 Tuyến truyền dẫn quang 60

Hình 3.12 Đặt bộ tách kênh Demux vào Main layout 60

Hình 3.13 Đặt nguồn thu vào Main layout 61

Hình 3.14 Đặt bộ lọc vào Main layout 61

Hình 3.15 Tuyến thu WDM 62

Hình 3.16 Thiết bị đo công suất và phổ 63

Hình 3.17 Thiết bị đo BER 63

Hình 3.18 Mô phỏng hệ thống WDM 64

Hình 3.19 Hộp thoại Layout Parameters 64

Hình 3.20 Giao diện màn hình chạy mô phỏng 65

Hình 3.21 Chạy chương trình 65

Hình 3.22 Công suất đầu ra máy phát 66

Hình 3.23 Công suất đầu vào máy thu 66

Hình 3.24 Phổ tín hiệu 66

Hình 3.25 Đo tỉ số Ber của kênh 67

Hình 3.26 Hộp thoại chuyển sang chế độ quét tham số 70

Hình 3.27 Hộp thoại Parameter Sweep 70

Hình 3.28 Cửa sổ Report 71

Hình 3.29 Các bước hiển thị kết quả mô phỏng 71

Hình 3.30 Kết quả mô phỏng 72

MỞ ĐẦU

Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triển mạnh mẽ của xã hội loài người, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiện thiết yếu để phát triển kinh tế xã hội Thời gian qua nền kinh tế nước ta đã chuyển biến tích cực, hòa nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới

Xu thế toàn cầu hóa về thương mại và thông tin đòi hỏi sự phát triển những xa

lộ thông tin thỏa mãn nhu cầu và dịch vụ

Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về năng lực Từ khi ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với băng thông gần như vô hạn và rất nhiều ưu điểm khác Các hệ thống truyền dẫn mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu về điện gặp nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang

Trong các bước nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang, khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện Phương pháp ghép kênh theo bước sóng còn có ưu điểm là rất linh hoạt trong việc tăng dung lượng, tận dụng triệt để các hệ thống cáp quang hiện tại

Với hàng loạt các ưu điểm đó, ghép kênh theo bước sóng hiện được nghiên cứu áp dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyến trung kế, liên quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ Muốn

áp dụng công nghệ này vào thực tiễn cần phải nắm được kỹ thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênh theo bước sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng và các yêu cầu của

nó, các ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống truyền dẫn hiện tại Đây cũng chính là mục đích của đề tài mà em nghiên cứu

Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiến thức đã lĩnh hội trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Đại học Vinh

em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế và mô phỏng tuyến

thông tin quang WDM bằngphần mềm Optiwave.Optisystem” Sau một thời

gian tìm hiểu và nghiên cứu đồ án tốt nghiệp với đề tài đã chọn đã được hoàn

thành với nội dung gồm 2 chương như sau:

Chương I: Hệ thống WDM, công nghệ then chốt và ứng dụng

của hệ thống WDM

Chương II: Các thành phần cơ bản trong WDM

Chương III: Mô phỏng tuyến thông tin quang WDM bằng phần

mềm Optisystem

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 thầy giáo PGS TS Nguyễn Hoa Lư đã

tận tình hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án này!

Em xin chân thành cảm ơn ! Vinh, ngày tháng năm 2014

Sinh viên Nguyễn Mạnh Hùng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tìm hiểu theo bước sóng WDM, và qua đó mô phỏng tuyến thông tin quang WDM bằng phần mềm optisystem Công nghệ WDM đã và đang là chìa khoá để giải quyết bài toán về truyền tải lưu lượng tốc độ cao, dung lượng lớn Với những ưu điểm nổi trội, nó đã và đang được ứng dụng ở rất nhiều nơi, trong nhiều mạng và phục vụ rất nhiều dạng hình dịch vụ.…Tuy nhiên, khi nâng cấp một hệ thống thông tin theo công nghệ WDM có rất nhiều vấn đề cần phải xem xét Các vấn đề đáng chú ý nhất trong hệ thống WDM như chất lượng của nguồn quang, các bộ tách/ghép kênh quang, công nghệ khuyếch đại quang…cũng như các vấn đề về hiện tượng xuyên nhiễu, ảnh hưởng của hiện tượng phi tuyến và vấn đề quĩ công suất quang, có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của hệ thống

ABSTRACT

Project Overview to learn about technology with wavelength multiplexing optical WDM and thereby simulating WDM optical communication lines with optisystem software WDM technology has been the key to solve the problem of traffic transmission speed, large capacity With these advantages, it has been applied in many places, in many networks and serve a vast variety of services However, when a system upgrade information technology there are WDM many issues to consider issues most notably in WDM systems as the quality of the optical source, the splitter/optical multiplexing, optical amplification technology as well as the problem of interference phenomena effects of nonlinear phenomena and optical power fund problem, have a direct influence on the quality of the system

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DWDM Density Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc

DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium

FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg

FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang

MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode

MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường

MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode

XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian

OTM Optical Termination

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước song

CHƯƠNG I

HỆ THỐNG WDM, CÔNG NGHỆ THEN CHỐT

VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG WDM

1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng như một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ nhu cầu về dung lượng Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đường trục những khó khăn và thách thức mới Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian TDM đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhưng vẫn còn rất hạn chế Trong thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thường nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s Do ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của các thành phần điện tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới hạn này, chất lượng hệ thống không đảm bảo Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ WDM, OTDM, Soliton… Phương pháp ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode Ghép kênh theo bước sóng WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn của hệ thống Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang được điều chế với các sóng mang quang khác nhau Sau đó, chúng được ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành các kênh quang riêng biệt có bước sóng khác nhau Mỗi kênh này được đưa đến một máy thu riêng Công nghệ WDM cho phép khai thác được tiềm năng băng thông rộng của sợi quang Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có

11

thể truyền trên cùng một sợi quang Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM: Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1.3 và 1.5 của sợi quang Mỗi cửa

sổ có băng thông truyền dẫn (suy hao thấp) của sợi quang là rất lớn Chỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm –

1600 nm, tương ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !

Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn của sợi quang

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rơ ràng, có thể thấy dung lượng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM Thêm vào đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh…

Khái niệm về WDM đã được biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống quang đã được bắt đầu thương mại hóa Dạng đơn giản nhất của WDM

là truyền hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau Ví dụ, truyền trên hai bước sóng 1,3m và 1,55m Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm Sau đó, khoảng cách giữa các kênh giảm dần đi Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn nhỏ hơn 0,1nm Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã được nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu Hiện nay, kỹ thuật ghép

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

20

10 -20 -10

0

Tán sắc (ps/nm.km) Bước sóng (nm) Sợi quang G.652 Sợi quang G.653

0 Tán sắc (ps/nm.km) Bước sóng (nm) Sợi quang G.652 Sợi quang G.653 Sợi quang G.655

12

kênh theo bước sóng đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới Ở nước ta, Tổng công ty bưu chính viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải pháp ghép kênh theo bước sóng

Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hướng ghép kênh theo bước sóng được mô tả như hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng

Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang được điều chế với sóng mang quang có độ rộng phổ rất hẹp Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi

bộ phát có bước sóng khác nhau là 1, 2 n Các kênh quang này được ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh quang MUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo

vệ nhất định để tránh gây nhiễu sang nhau Tại phía thu, bộ DMUX thực hiện quá trình tách tín hiệu thu được thành các kênh khác nhau Mỗi kênh này tương ứng với một bước sóng Mỗi kênh được đưa đến một đầu thu riêng Để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh, yêu cầu thiết kế bộ giải ghép thật chính xác

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hướng

Phần trên trình bày phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng, tức là tín hiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi quang theo một hướng Ngoài ra người ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng trên cùng một sợi quang như hình 1.3

Trong hệ thống truyền dẫn song hướng, n kênh quang có bước sóng

1…n được ghép lại và truyền đi theo một hướng, n kênh quang khác có bước sóng n+1…2n được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lại trên cùng sợi quang Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh

Trong hệ thống mà các bước sóng của các kênh quang cách xa nhau, thường thuộc các cửa sổ khác nhau, được gọi là ghép thưa SWDM (Sparse Wavelength Division Multiplexing) Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ, các kênh quang có bước sóng gần nhau được gọi là hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Khi đó vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lượng các thành

phần trong hệ thống quang rất cao

Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lượng của sợi quang, hạ giá thành hệ thống Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới chỉ được sử dụng một phần rất nhỏ

Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn, có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống 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 thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ

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 phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số

và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…)

1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM

Hệ thống WDM có một số tham số chính, đó là khoảng cách kênh, số kênh ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh, trong đó, ba tham

số suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mô tả đặc tính của bộ ghép/tách kênh

1.2.1 Suy hao xen

Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhưng cần lưu

ý trong WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng Suy hao xen được xác định như sau:

- Đối với MUX:

) (

) ( lg 10

i i

i i

I

O L

) ( lg 10

i

i i i

I

O L

Ii(i) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i của bộ ghép

Oi(i) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách

Tham số suy hao xen luôn được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

1.2.2 Suy hao xuyên kênh

Khi thực hiện ghép các kênh quang có bước sóng khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của kênh khác Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng thứ i có bước sóng i sang các kênh có bước sóng khác với

i Ngay cả trong trường hợp ghép kênh hoàn hảo, ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện tượng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác Hiện tượng này gọi là suy hao xuyên kênh

1



M U X

DEM UX

MUL DEX

Hình 1.4 Xuyên âm trong hệ thống

Trong thực tế luôn tồn tại hiện tượng xuyên kênh và làm giảm chất lượng truyền dẫn Người ta đưa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trưng cho khả năng tách các kênh khác nhau và được tính bằng dB như sau:

- Đối với bộ tách kênh:

( ) ( ) 10log

( )

n

i k

k k i i

i

U D

Trong trường hợp lý tưởng, tại cửa ra thứ i chỉ có bước sóng i, nhưng do

có hiện tượng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i có tín hiệu rò từ các kênh khác Ui(k)

và Pi (j ) là công suất tín hiệu không mong muốn ở bước sóng k và j tại cửa ra thứ i Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ tách kênh Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4) “Xuyên kênh

đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra Ví dụ, Ui(k)

là xuyên nhiễu do kênh quang có bước sóng k tại đầu ra thứ i “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra Ví dụ, Pi (j ) là xuyên nhiễu do kênh

Ij (j ) gây ra trên kênh ra thứ i Khi đưa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị

1.2.3 Độ rộng, khoảng cách và số lƣợng kênh

Độ rộng kênh là dải bước sóng được định ra cho từng kênh quang.Độ rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của các nguồn tín hiệu và khoảng phòng vệ của các kênh Bước sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bước sóng này

Khoảng cách kênh là khoảng cách giữa hai bước sóng trung tâm của hai kênh quang kề nhau Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng khoảng cách kênh

Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh Khoảng cách giữa các kênh thường lớn hơn bốn lần tốc độ bit Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn

Hình 1.5 Khoảng cách kênh và ðộ rộng kênh

Trong hệ thống WDM, mỗi bước sóng được coi tương ứng với một kênh quang Số lượng kênh bằng số lượng các bước sóng được ghép lại để truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu Tham số này phụ thuộc vào

độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh

Trong các hệ thống WDM số lượng kênh càng lớn thì dung lượng truyền dẫn càng tăng, nhưng hệ thống cũng trở nên phức tạp, yêu cầu chất lượng của các thành phần trong hệ thống cao hơn và phải đặc biệt quan tâm đến hiện tượng xuyên kênh, suy hao do thiết bị WDM gây ra Đối với một dung lượng định trước, việc tăng số lượng kênh sẽ làm giảm số sợi sử dụng hoặc tốc độ truyền dẫn nền Đây là mối tương quan cần quan tâm khi áp

dụng xây dựng hoặc nâng cấp các tuyến truyền dẫn quang

Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn đối với việc xây dựng mạng thông tin quang nhưng hiện nay vẩn còn một số vấn đề công nghệ Ví dụ: Yêu cầu đối với bước sóng và tính ổn định của nguồn quang, tính phi tuyến của sợi quang hạn chế rất nhiều công suất ra của bộ khuyếch đại, hiệu ứng trộn bốn bước sóng gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh, khi tốc độ truyền dẫn cao phải khắc phục ảnh hưởng của tán sắc, vấn đề giám sát bộ khuyếch đại quang vv…

1.3 Ổn định bước sóng của nguồn quang

Trong điều kiện hoạt động bình thường, các nguồn quang chịu rất nhiều điều kiện bên ngoài tác động cũng như các điều kiện từ bên trong, ví dụ như các thay đổi điều kiện nhiệt độ, sự tác động của nhiễu, độ già hoá các linh kiện Các sự tác động đó gây nên những thay đổi không chỉ về công suất mà còn thay đổi về bước sóng nguồn quang

Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu

bị thu hẹp lại, do đó sẽ làm giảm chất lượng BER của hệ thống Công suất tín hiệu không ổn định cũng khiến cho tuổi thọ các linh kiện làm việc trong hệ thống không đảm bảo, độ tin cậy của hệ thống giảm

Bước sóng của nguồn quang không ổn định sẽ gây ra những ảnh hưởng hết sức nghiêm trọng Các kênh quang do không ổn định tần số sẽ dịch chuyển sang các tần số khác thuộc phạm vi của kênh quang khác gây ra xuyên âm Lúc đó, có kênh thì mất hoàn toàn tín hiệu do tần số bị lệch khỏi băng thu của kênh đó, có kênh thì bị xuyên nhiễu từ kênh khác và cũng không thể đảm bảo chất lượng Trong trường hợp toàn bộ số kênh của hệ thống mất ổn định, hệ thống sẽ mất hoàn toàn thông tin, hoặc thông tin có được nhưng chỉ là hỗn độn

Vì vậy trong ứng dụng hệ thống WDM, yêu cầu đồng bộ giám sát bước

sóng, ổn định bước sóng cũng như ổn định công suất quang từng bước sóng luôn cần phải được quan tâm đặc biệt Điều này có nghĩa là hệ thống WDM phải quy định, điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang và công suất từng bước sóng Nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn định và kém tin cậy Hiện nay có hai phương pháp chủ yếu để ổn định bước sóng của nguồn quang là:

+ Phương pháp điều khiển phản hồi nhiệt độ : Thông qua nhiệt độ của

bộ kích quang để điều khiển, giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng

+ Phương pháp thứ hai thông qua giám sát bước sóng: Thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số giữa điện áp đầu ra (tách được từ tín hiệu quang đầu ra nhờ photodiode) và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ phát quang, từ đó ổn định được nguồn quang

1.4 Ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn

Tán sắc là hiện tượng những sóng ánh sáng có tần số khác nhau truyền dẫn với tốc độ khác nhau trong cùng một môi trường Tán sắc là bản chất của sợi quang, tán sắc gây ra hiện tượng trải rộng (dãn xung) xung tín hiệu, làm cho biến dạng xung tín hiệu trong khi truyền và tỉ số lỗi bít cao, do đó ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn và khoảng cánh trạm lặp Ví dụ như tuyến có tốc

độ 10 Gbit/s sử dụng sợi G.652, công suất penalty là 1 dB tín hiệu giới hạn

tán sắc của nó là 80km Bộ khuyếch đại cải thiện khoảng cánh giữa các trạm

lặp (bị giới hạn bởi suy hao) trên tuyến rất nhiều Nhưng do nhu cầu ngày

càng lớn về các dịch vụ mới có tốc độ cao nên tán sắc trở thành tham số chính

giới hạn khả năng nâng cao dung lượng của tuyến cáp quang Chính vì vậy

chúng ta cần phải giảm ảnh hưởng của tán sắc

* Các giải pháp giảm ảnh hưởng của tán sắc :

+ Sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài

+ Lựa chọn sợi quang phù hợp

+ Sử dụng các bộ bù tán sắc

Trong phạm vi đề tài nay em chỉ đề cập đến các phương pháp bù tán

sắc khả thi trên tuyến trục Bắc –Nam

1.4.1 Phương pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha(SPM)

Tán sắc sẽ gây ra hiện tượng dịch tần tuyến tính trong xung Mặt khác

khi một xung tín hiệu có công suất P nằm trong ngưỡng phi tuyến của sợi (đối

với trường hợp đơn kênh P>18dB, đối với trường hợp đa kênh thì P nhỏ hơn

và giảm khi số kênh truyền dẫn tăng), sườn lên của xung bị dịch về phía bước

sóng dài có hiệu ứng SPM và hiện tượng này gọi là chirp phi tuyến Đối với

các sợi quang theo tiêu chuẩn G.652, G.653 sử dụng trên tuyến thì chirp phi

tuyến này ngược với chirp tuyến tính Xung sẽ bị chirp một lượng bằng tổng

hai chirp trên Như vậy trong trường hợp này xung phải chịu một lượng chirp

bằng chirp tuyến tính trừ đi chirp phi tuyến nên xung dường như đã được hiệu

ứng SPM “bù chirp do tán sắc gây ra”

Những lý luận trên đã được thử nghiệm lại bằng thực nghiệm truyền

xung dạng Gauss độ rộng xung là 20ps, công suất đỉnh là 50mw Kết quả thí

nghiệm được trình bày ở hình 1.6 Hình này gồm 3 đường biểu diển độ rộng

xung theo thời gian truyền trong 3 trường hợp tán sắc khác nhau và ta có nhận

xét: Trường hợp sợi có tán sắc âm (đường nét đứt) thì đầu tiên xung co lại sau

đó lại bị dãn rộng ra rất nhanh, nhanh hơn cả trường hợp tán sắc dương.Với

sợi có hệ số tán sắc D=-1ps/nm.km thì tại khoảng cách cỡ 10km độ rộng xung đạt cực tiểu (cỡ 15 ps) nhưng ở khoảng cách 60 km thì độ rộng xung đạt 40

ps Đối với tán sắc dương (đường liền nét tương ứng loại sợi G.652 và sợi G.653) đạt cực tiểu sau một khoảng truyền dẫn dài cỡ 60 km Nếu tiếp tục truyền thi xung sẽ bị dãn rộng ra do các hiệu ứng tán sắc thông thường Vậy xung truyền ở ngưỡng phi tuyến ở một công suất nào đó có thể loại bỏ hoàn toàn tán sắc

Hình 1.6 Sự dãn xung do ảnh hưởng của hiệu ứng SPM

Trong thực tế để ứng dụng hiệu ứng SPM vào việc bù tán sắc cho xung truyền dẫn phải sử dụng kỹ thuật phân phối tán sắc tức là kết hợp cả sợi tán sắc dương và sợi tán sắc âm trên tuyến Hình 1.7 là một ví dụ phân phối tán sắc để có thể truyền dẫn trên khoảng dài Ở đây khoảng cách giữa các bộ khuyếch đại là 90 km, bao gồm 60 km sợi tán sắc âm (D=-1,75 ps/nm.km) và

30 km sợi tán sắc dương (D=2 ps/nm.km ) tốc độ truyền dẫn thông thường thì xung sẽ dãn tới độ rộng 75 ps

Hình 1.7 Phương pháp phân phối tán sắc

* Ưu điểm của phương pháp bù tán sắc điều chế tự dịch pha (SPM):

- Tăng đáng kể khoảng cách trạm lặp nên giảm số trạm lặp trên tuyến Yếu tố này cũng góp phần làm giảm giá thành thiết bị trên tuyến

- Cho phép tận dụng số sợi G.652 có sẵn trên tuyến

* Nhược điểm của phương pháp bù tán sắc điều chế tự dịch pha (SPM)

- Dạng xung yêu cầu là RZ trong khi hiện nay dạng xung đang sử dụng

là NRZ Như vậy muốn sử dụng kỹ thuật bù tán sắc này thì phải thay dạng xung đang truyền trên tuyến

- Có thể xảy ra hiện tượng nén xung không mong muốn do dễ bị

Trong phương pháp này OPC sẽ bù cho cả tán sắc dương và tán sắc âm Quá trình bù tán sắc không phụ thuộc vào quá trình điều biến quang

) ( ) (

) ( )

( ) (

) (

2 2 2 2

2 2 1

1 1 1

1 1

L p L y

L D L

p L Y

b) Đánh giá khả năng sử dụng của kỹ thuật OPC để bù tán sắc

* Ưu điểm:

- Thiết bị bù tán sắc hoàn toàn thụ động

- Bù được khoảng tán sắc lớn

* Nhược điểm:

- Suy hao của bộ bù tán sắc lớn và phụ thuộc vào khoảng tán sắc phải bù

- Phải giám sát công suất tín hiệu truyền để tránh các hiện tượng hiệu ứng

1.4.3 Phương pháp bù tán sắc DCF

Các kỹ thuật bù tán sắc trước đó có thể tăng khoảng cách lên gấp đôi nhưng nó không thích hợp cho các hệ thống có cự ly lớn, trong đó tán sắc vận tốc nhóm phải được bù dọc theo đường dây truyền dẫn theo chu kỳ Các kỹ thuật bù trên các hệ thống như thế này phải đảm bảo ở chế độ đặt trên sợi (chứ không phải đặt trên bộ phát hay bộ thu) Và một loại sợi được biết đến

đó là sợi bù tán sắc

Trong thực tế để nâng cấp các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi chuẩn hiện có, người ta thêm vào một đoạn sợi bù tán sắc (với chiều dài từ 6 đến 8 km) đối với các bộ khuếch đại quang đặt cách nhau 60 đến 80 km Sợi bù

) , ( 2 2

2 D 

F

) , (

1D1 1

F

tán sắc sẽ bù tán sắc vận tốc nhóm, trong khi đó bộ khuếch đại sẽ đảm nhiệm

bù suy hao sợi quang

Người ta thường sử dụng sợi DCF kết hợp với các bộ khuếch đại OA (thường sử dụng bộ EDFA) để bù tán sắc trên tuyến quang và tùy vào từng vị trí để đặt DCF Việc sử dụng sợi DCF để bù tán sắc hết sức đơn giản, chỉ cần đặt sợi DCF xen vào giữa, do đặc điểm của sợi DCF là có độ tán sắc âm, nghĩa là khi tín hiệu xung ánh sáng đi qua sợi này thì xung ánh sáng đó sẽ co lại dần, hiện tượng này ngược với sợi SMF – xung ánh sáng bị dãn ra do tán sắc, do đó việc xung ánh sáng bị bị giãn ra đã giải quyết được

1.5 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn

Khi công suất trong sợi quang nhỏ thì sợi quang được xem là môi trường tuyến tính, tính phi tuyến của sợi quang (chủ yếu do chiết suất) có thể bỏ qua Tuy nhiên khi công suất trong sợi quang vượt quá mức nào đó, tính phi tuyến của sợi quang sẽ ảnh hưởng tới quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang Khi đó xuất hiện hiệu ứng phi tuyến, nghĩa là suy hao và chiết suất phụ thuộc công suất tín hiệu quang trong sợi Hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tượng như: xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỉ số S/N vv

1.5.1 Các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM

Nhìn chung có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành hai loại:

- Hiệu ứng tán xạ: bao gồm các hiệu ứng tán xạ Raman (SRS) và hiệu ứng tán xạ Brillouin(SRB)

- Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang: bao gồm các hiệu ứng tự điều chế dịch pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM)

* Hiệu ứng Raman (SRS): là quá trình tán xạ không đàn hồi, trong đó

photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn, phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng dài hơn bước sóng tới Bước

sóng mới này được gọi là bước sóng Stoke Khi ánh sáng truyền trong sợi có cường độ lớn thì quá trình này trở thành quá trình kích thích, trong đó ánh sáng đóng vai trò sóng bơm làm cho phần năng lượng của tín hiệu chuyển vào bước sóng Stoke Trong ghép kênh theo bước sóng, hiệu ứng SRS hạn chế số kênh ghép, khoảng cách giữa các bước sóng, công suất phát mỗi kênh và cự li truyền dẫn của hệ thống Ngoài ra, nếu bước sóng Stoke trùng với các bước sóng tín hiệu sẽ gây ra xuyên âm

Hiệu ứng SRS tỉ lệ thuận với công suất ánh sáng P và tỉ lệ nghịch với hiệu dụng của lõi sợi quang Nếu gọi SRS là ảnh hưởng của hiệu ứng SRS thì

SRS ~ P/Aeff

*Hiệu ứng SBS: Tương tự như hiệu ứng SRS Nghĩa là tự nó hình thành

các bước sóng Stoke Điểm khác nhau giữa hai hiệu ứng này là hiệu ứng SBS liên quan tới các photon âm, còn hiệu ứng SRS lại liên quan đến các photon quang Do có sự khác nhau đó mà chúng có ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống ghép bước sóng quang Trong tán xạ SBS, một phần ánh sáng bị tán xạ

do các photon âm và dịch tới bước sóng dài hơn Phần ánh sáng tán xạ ngược truyền theo sợi quang và nếu các bước sóng của tín hiệu chính trong WDM cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh Tuy nhiên, nếu truyền hai hướng các bước sóng trên cùng một sợi quang thì ảnh hưởng của SBS là đáng kể

Ảnh hưởng của SBS cũng tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu ánh sáng

và tỉ lệ nghịch với Aeff của lõi sợi Nếu gọi SBS là ảnh hưởng của hiệu ứng SBS thì SBS ~ P/Aeff.

* Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM): Trong hệ thống WDM, chiết

suất phụ thuộc cường độ quang không chỉ gây ra hiện tượng tự điều pha mà còn gây ra hiện tượng trộn bốn sóng Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang có tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới như 2f1 – f2, f1 + f2 – f3, 2f2 – f3, Đây gọi là trộn bốn bước sóng, nghĩa

là từ các tần số ban đầu tạo ra tần số thứ tư có tổ hợp là từ các tần số trên và nằm sát các tần số đó

Do việc tạo ra tần số mới từ các tần số cũ nên công suất các tần số cũ sẽ giảm đi đáng kể Hơn nữa, khi khoảng cách các kênh là bằng nhau thì các tần

số mới được tạo ra sẽ rơi vào một trong những kênh tín hiệu và gây nhiễu, làm suy giảm chất lượng hệ thống Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự li truyền dẫn

1.5.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang

Từ phân tích trên ta thấy có các giải pháp khắc phục sau:

+ Lựa chọn sợi quang phù hợp

+ Giảm công suất phát của các kênh

Khi số kênh tín hiệu ở khoảng cánh từ mười đến vài chục kênh thì ảnh hưởng của hiệu ứng FWM là chính Vì mục tiêu đặt ra là giảm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM Có 3 phương án:

a) Phương án tạo khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau:

Phương án này có khoảng cách giữa các kênh bước sóng bằng nhau và

sử dụng sợi quang NZ-DSF(G.655) Như vậy vừa giảm ảnh hưởng của FWM,

hỗ trợ truyền dẫn nhiều kênh, lại làm cho tán sắc ở vùng bước sóng 1550 nm không quá lớn (1-6ps/nm.km), thuận lợi cho việc truyền tín hiệu tốc độ 10 Gbit/s Phương án này sẽ làm nền tảng cho công nghệ WDM

b) Phương án tạo khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu không bằng nhau:

Phương án này làm cho thành phần tần số mới sinh ra bởi hiệu ứng FWM phần lớn bên ngoài băng thông của bộ lọc Từ đó có thể giảm được rất nhiều ảnh hưởng của hiệu ứng FWM, nâng cao công suất quang tối đa của các kênh

c) Phương án tạo một phần khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau:

Khuyết điểm chính của phương án b là chiếm dụng băng tần quá lớn, gấp 1,8 lần so với phương án c Vì băng tần của hệ thống thực tế là có hạn, do

đó phương án b không thích hợp với hệ thống WDM có số kênh bước sóng tương đối nhiều Từ đó người ta nghĩ ra phương án tạo một phần khoảng cánh giữa các kênh tín hiệu bằng nhau Phương án này chiếm băng tần của hệ thống chỉ bằng 58% phương án b, vì vậy số lượng bước sóng có thể ghép tăng lên rất nhiều

1.6 Ứng dụng WDM

1.6.1 Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn

Trong mạng quảng bá, nhiều kênh tín hiệu được ghép lại và truyền tới một nhóm thuê bao Tại mỗi thuê bao, bộ thu thực hiện chức năng lựa chọn một kênh thích hợp thông qua việc tách kênh Mạng truyền hình cáp CATV là một ví dụ của mạng quảng bá Nhiều kênh truyền hình được ghép lại và đưa tới một bus quang chung, sau đó phân phối tới từng thuê bao riêng biệt Hình 1.9

là sơ đồ của mạng WDM quảng bá sử dụng sao quảng bá Mỗi kênh tín hiệu được điều chế với một bước sóng riêng Các kênh này được ghép với nhau nhờ một coupler quang thụ động và được phân phối đồng đều tới tất cả các bộ thu Mỗi thuê bao nhận được toàn bộ dung lương của hệ thống và lựa chọn một kênh thích hợp Mạng này còn đươc gọi là mạng phát quảng bá và thu lựa chọn Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent thì phía thu có thể lựa chọn kênh bằng cách thay đổi băng thông bộ lọc trung tần hoặc điều chỉnh tần số dao động nội Nếu hệ thống sử dụng kĩ thuật tách sóng trực tiếp thì ta dùng các bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng cần thiết

Hiện nay tồn tại rất nhiều ứng dụng của mạng quảng bá ở cấp độ thí nghiệm Gần đây có một thí nghiệm về sao quảng bá 8x8 để phân phối 7 kênh tín hiệu, khoảng cách các kênh 15 nm Mỗi bộ thu có một bộ lọc khả chỉnh băng thông 10 nm và dải điều chỉnh 400 nm Ngoài ra còn một số thí nghiệm khác sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent, thực hiện ghép 10 kênh quang 70Gb/s, và khoảng cách kênh 6GHz Thí nghiệm này sử dụng sao quảng bá 128 x128 để đưa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác nhau

Hình 1.9 Mạng WDM quảng bá hình sao

Trong mạng quảng bá, có hai vấn đề cần được quan tâm là suy hao phân bố và suy hao xen Suy hao phân bố là do tín hiệu trên đường truyền được chia đều tới tất cả các thuê bao Mỗi thuê bao nhận một phần công suất của tín hiệu tổng

Ta có thể khắc phục các ảnh hưởng của suy hao phân bố bằng cách sử dụng các bộ khuyếch đại quang Năm 1990 có một thí nghiệm sử dụng hai bộ khuyếch đại quang EDFA trong mạng quảng bá, mạng này có dung lượng khoảng 39.5 triệu thuê bao Bộ khuyếch đại có chức năng bù phần năng lượng

bị suy hao do phân bố, đảm bảo công suất tín hiệu tại mỗi thuê bao là đủ lớn Ngoài ra, còn một hệ thống thí nghiệm nữa có số thuê bao là 43.8 triệu, dung lượng của hệ thống 39.81Gb/s và khoảng cách truyền dẫn là 507km

1.6.2 Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập

Trong thực tế có rất nhiều kiểu đa truy nhập khác nhau như TDMA, CDMA, FDMA, WDMA Các kĩ thuật này dựa vào tài nguyên thời gian, không gian, tần số và bước sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát Mạng WDM đa truy nhập còn gọi là mạng quang đa truy nhập theo bước sóng (WDMA) Điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng quang đa truy nhập

và mạng quảng bá là mạng đa truy nhập có khả năng đáp ứng truy nhập song



1

1

2

Bộ phát Bộ thu

khả chỉnh Sao quảng bá

hướng của một thuê bao bất kì Mỗi thuê bao có thể thu/phát tín hiệu từ/tới bất kì một thuê bao khác

Trong mạng WDMA, băng thông rộng của sợi quang được chia thành các khoảng nhỏ, mỗi khoảng này mang một kênh quang riêng biệt Các kênh này được truyền đồng thời trên cùng một sợi quang Khoảng cách tối thiểu giữa hai bước sóng cỡ 0,4 đến 0,8 nm Mỗi bước sóng này có thể mang một kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s Mạng WDMA có hai vấn đề cần được quan tâm Đó là tốc độ điều chỉnh bước sóng và giao thức mạng Tốc độ điều chỉnh bước sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu của mạng, đặc biệt trong mạng chuyển mạch gói Ngoài ra, giao thức được triển khai trong mạng phải đảm bảo kết nối ngang hàng các kênh tín hiệu khác nhau Mạng WDMA có hai cấu hình cơ bản là WDMA đơn chặng và WDMA đa chặng

Trong mạng WDMA đơn chặng mỗi nút đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tất cả các nút khác Dữ liệu được phát đi dưới dạng ánh sáng và được truyền trực tiếp đến nút đích mà không phải chuyển về dạng tín hiệu điện Để một gói dữ liệu được truyền, trước hết nó được phát vào mạng nhờ một laser phát Tại nút đích bộ thu quang phải điều chỉnh bước sóng sao cho trùng với bước sóng phát Khi đó, gói tin được truyền qua mạng tới nút đích Mạng WDMA đơn chặng có thể chia làm hai loại, phát quảng bá thu lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bước sóng

Trong mạng đa chặng, một kênh quang được chuyển đi từ một nút phải được chuyển qua một số nút trung gian Mỗi nút thu/phát quang của mạng WDMA đa chặng có một số bộ thu phát quang có thể thu phát một vài bước sóng nhất định

Kết nối trực tiếp xảy ra khi bước sóng được định trước tại nút đích trùng với một trong những bước sóng được định trước ở nút phát Kết nối giữa hai nút bất kì được định tuyến qua các nút trung gian Tại mỗi nút trung gian, dữ liệu được chuyển thành tín hiệu điện Địa chỉ đích của gói được giải

mã và xử lí dưới dạng điện Sau đó, gói tin lại được chuyển thành tín hiệu

quang có bước sóng thích hợp chuyển tới nút đích hay nút trung gian kế tiếp Quá trình được lặp lại cho tới đích Do vậy, gói tin được chuyển qua nhiều chặng, gói tin phải qua một số nút trung gian trước khi đi tới nút đích cuối cùng Số lượng nút trung gian phụ thuộc vào thiết kế và quy mô mạng

1.7 Kết luận

Hệ thống WDM có ý nghĩa to lớn đối với việc xây dựng mạng thông tin

quang nhưng hiện nay vẩn còn một số vấn đề công nghệ Ví dụ: Yêu cầu đối với bước sóng và tính ổn định của nguồn quang, tính phi tuyến của sợi quang hạn chế rất nhiều công suất ra của bộ khuyếch đại, hiệu ứng trộn bốn bước sóng gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh, khi tốc độ truyền dẫn cao phải khắc phục ảnh hưởng của tán sắc, vấn đề giám sát bộ khuyếch đại quang vv… Chương này đã trình bày và giải quyết được những vấn đề công nghệ then chốt đó

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG WDM

2.1 Bộ phát quang

Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát Các bộ phát quang hiện nay thường sử dụng nguồn quang là laser phản hồi phân tán DFB (Distributed Feedback laser) và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg Reflector Laser) Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, ưu điểm của nguồn loại này là phổ hẹp và ổn định tần số cao Nhìn chung các nguồn quang phải đảm bảo một số yêu cầu như sau: độ chính xác của bước sóng phát, độ rộng đường phổ hẹp, dòng ngưỡng thấp, có khả năng điều chỉnh được bước sóng, tính tuyến tính và nhiễu thấp Các yêu cầu trên đối với nguồn quang đều nhằm tránh các loại nhiễu, đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi BER thấp và đảm bảo chất lượng truyền dẫn của hệ thống

Để đáp ứng các yêu cầu trên, nguồn quang sử dụng trong các bộ phát thường là các laser đơn mode Laser loại này có laser phát mặt (SEL - Surface Emitting Laser) và các cấu trúc có hốc cộng hưởng lựa chọn tần số Ở cấu trúc laser phát mặt, độ dày vùng tích cực nhỏ hơn 10m và giống như một hốc thẳng đứng ngắn Bức xạ quang được hướng về phía mặt nhờ các gương 450hoặc các bộ phản xạ Bragg cấp hai

Bộ phản xạ lựa chọn tần số là các cách tử nhăn, chính là lớp ống dẫn sóng thụ động nằm kề vùng tích cực Sóng quang lan truyền song song với cách tử Hoạt động của các laser dựa trên nguyên lý bộ phản xạ cách tử Bragg phân tán Các laser loại này thể hiện hoạt động mode dọc đơn khá tốt, ít nhạy cảm với nhiệt độ và dòng điều khiển

Trong loại laser phản hồi phân tán, cách tử để chọn bước sóng bao phủ toàn bộ vùng tích cực Tại một bước sóng cụ thể, các mode phát của laser đặt đối xứng nhau qua bước sóng phản xạ Bragg Biên độ của các mode phát laser

cấp cao hơn giảm một cách đáng kể so với biên độ bậc 0 Mode cấp 1 thường

có biên độ giảm hơn 30 dB so với biên độ của mode cấp 0 Cách tử của laser DFB được khắc vào một trong các lớp để tạo ra chiết suất thay đổi theo chu

kỳ Thường tránh khắc cách tử trực tiếp vào lớp tích cực vì nó có thể làm tăng mức độ tái hợp không bức xạ Về mặt lý thuyết, laser DFB có lớp chống phản xạ ở hai đầu Hai mode bậc 0 ở hai bên bước sóng Bragg có hệ số khuếch đại giống nhau

và nếu cấu trúc hoàn toàn đối xứng thì hai đỉnh này đồng thời được phát Như vậy

để laser làm việc ở chế độ đơn mode, đặc tính cộng hưởng là không đối xứng Muốn vậy có thể dịch cách tử đi khoảng 1/4 hoặc đơn giản là sử dụng lớp vỏ phản

xạ có hệ số phản xạ cao ở một đầu và đầu kia là lớp chống phản xạ

Đối với laser phản xạ Bragg phân tán, các cách tử được đặt ở các đầu của các lớp tích cực của laser để thay thế cho các gương được dùng trong hốc cộng hưởng Fabry-Perot Trong laser phản xạ phân tán (DR - Distributed Reflector) gồm có các bộ phản xạ phân tán tích cực và thụ động Cấu trúc này cải thiện được các đặc tính phát laser của laser DFB và DBR thông thường, hoạt động có hiệu quả cao, công suất đầu ra lớn

Các loại laser này có độ rộng phổ rất hẹp (0,1 - 0,3 nm) và hoạt động rất

ổn định Chúng thường được ổn định nhiệt độ bằng các bộ làm lạnh Peltier có điều khiển Tuy nhiên cần lưu ý là trong laser DFB phải có ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được độ phản xạ cao, tính chọn lọc mode tốt Hiệu suất ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động là yếu tố chủ yếu quyết định đến chất lượng của laser Nhìn chung, trong laser DFB không có yêu cầu ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động nên vật liệu chế tạo dễ dàng hơn laser DBR Do cấu trúc DFB và DBR khác nhau nên chúng có một số đặc tính khác nhau Điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại laser này là đặc tính phụ thuộc nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng trong laser DBR có sự chuyển đổi từ mode này sang mode khác, còn DFB thể hiện đặc tính ổn định trong một dải nhiệt độ rộng

Một bộ phát của một kênh (một bước sóng) thường gồm một laser DFB, sau đó là một bộ điều chế, thường ở bên ngoài máy phát laser, đặc biệt là khi

tốc độ điều chế cao Sự phát triển của các mạch quang tích hợp gần đây đã giảm giá thành của các máy phát, trong đó chip laser, bộ khuếch đại quang được tích hợp trong một gói Các gói này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm cho dòng kích thích khoảng 40 mA Ánh sáng từ nguồn quang phải được điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền bằng phương pháp điều biến cường độ Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do điều biến qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu Các gói DFB kết hợp với các bộ điều chế trên một chip làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao Tuy nhiên chúng cũng có một số hạn chế như độ rộng phổ hẹp làm cho chúng

dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết

2.2 Bộ tách/ghép kênh quang

Chức năng bộ tách kênh quang là nhận tín hiệu từ sợi quang - một tia sáng bao gồm nhiều tần số sóng quang khác nhau Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận được thành các tín hiệu tại tần số khác nhau Nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngược lại: nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng vào trong một tia sáng để truyền vào sợi quang Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép kênh thụ động

và thiết bị tách/ghép kênh tích cực Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc Các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hưởng trong đó mỗi bộ lọc cộng hưởng với một tần số nhất định Trong phần này ta xem xét một số kỹ thuật tách/ghép kênh quang và các bộ ghép xen/rẽ quang

Một kỹ thuật đơn giản để tách/ghép ánh sáng là sử dụng một lăng kính (hình 2.1) Đặt chùm tia sáng gồm nhiều bước sóng ra khỏi sợi quang tại tiêu điểm một thấu kính hội tụ Ra khỏi thấu kính sẽ là một chùm sáng trắng song song chiếu vào bề mặt một lăng kính, mỗi bước sóng thành phần khúc xạ theo một góc khác nhau do chiết suất lăng kính phụ thuộc vào bước sóng Đặt tiếp một thấu kính sau lăng kính, các tia cùng màu khi ra khỏi lăng kính song song với

nhau sẽ được hội tụ đến một điểm Các sợi quang riêng lẻ đặt tại tiêu điểm của thấu kính sẽ thu được ánh sáng theo các màu khác nhau (hay có bước sóng khác nhau) mang tín hiệu Trường hợp ghép các kênh tín hiệu vào một sợi quang cũng

sử dụng các linh kiện trên nhưng thực hiện theo quy trình ngược lại

Các sợi quang

Sợi quang

Các bước sóng nhiễu xạ

Thấu kính

Cách tử nhiễu xạ

Chùm tia

tới

1

 2

Ngoài hai kỹ thuật phổ biến trên, cách tử dẫn sóng dạng mảng (AWG - Arrayed Waveguide Grating) cũng đang được sử dụng khá nhiều Một thiết bị AWG còn gọi là bộ định tuyến dẫn sóng quang hoặc bộ định tuyến cách tử dẫn sóng, gồm một mảng các kênh ống dẫn sóng cong có sự khác nhau cố định trong độ dài đường đi giữa các kênh lân cận Các ống dẫn sóng được nối đến một khoang tại đầu vào và đầu ra Khi ánh sáng đi vào khoang phía đầu vào nó sẽ nhiễu xạ và đến mảng ống dẫn sóng Tại đó sự khác nhau về đường

đi giữa các ống dẫn sóng sẽ dẫn đến sự trễ pha tại phía đầu ra Các sợi quang phía đầu ra đã được nhân lên nhiều lần Kết quả là các bước sóng khác nhau được giao thoa tối đa tại các vị trí khác nhau tương ứng với các cổng đầu ra Một kỹ thuật khác dùng các bộ lọc giao thoa trong các thiết bị và được gọi là bộ lọc màng mỏng hoặc bộ lọc giao thoa nhiều lớp Bằng cách định vị các bộ lọc có những màng mỏng trong các tuyến quang có thể phân loại (tách kênh) các bước sóng Đặc tính của mỗi bộ lọc là nó phát một kênh (bước sóng) trong khi khúc xạ các kênh (bước sóng khác) Bằng cách xếp tầng các thiết bị này có thể tách kênh cho nhiều bước sóng

Trong các kỹ thuật nói trên, AWG và các bộ lọc màng mỏng đang tăng lên đáng kể Các bộ lọc cho độ ổn định và độ cách ly giữa các kênh rất tốt với chi phí vừa phải, tuy nhiên chúng có nhược điểm là suy hao xen khá cao AWG là thiết bị phụ thuộc phân cực (có thể bù được), cho đáp ứng phổ bằng phẳng cùng với suy hao xen thấp Trở ngại lớn nhất của thiết bị này là nhạy cảm với nhiệt độ nên không thể hoạt động trong tất cả các môi trường Ưu điểm lớn nhất là có thể được thiết kế đồng thời cho cả ghép kênh và tách kênh Với số lượng kênh lớn thì sử dụng AWG sẽ tốt hơn vì khi đó việc sử dụng các bộ lọc màng mỏng xếp tầng là không thực tế

Giữa các điểm ghép và tách kênh trong hệ thống có một vùng có nhiều bước sóng tồn tại Việc thêm hoặc tách một hoặc nhiều bước sóng tại một số điểm trên đường truyền là rất cần thiết Do đó cần có các bộ ghép xen/rẽ để

thực hiện các chức năng này Ngoài các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bước sóng, các OADM còn có khả năng gỡ bỏ một số kênh trong khi chuyển tiếp các kênh còn lại OADM là một phần quan trọng để tiến đến mục tiêu của mạng toàn quang

OADM cũng tương tự như một bộ ghép xen/rẽ SONET (ADM) về nhiều chi tiết, ngoại trừ đặc điểm chỉ xen hoặc rẽ các bước sóng quang và không có

sự chuyển đổi quang - điện nào Có hai loại thiết bị OADM Thế hệ đầu tiên

là một thiết bị cố định được cấu hình vật lý để rẽ một số bước sóng cụ thể đã định trước trong khi xen thêm các bước sóng khác Thế hệ thứ hai có khả năng cấu hình lại và có thể chọn lựa linh hoạt các bước sóng để xen/rẽ

Các bộ lọc màng mỏng đã phát triển thành một công nghệ được chọn lựa cho OADM trong các hệ thống WDM đô thị hiện nay vì chúng có giá thành thấp và độ ổn định cao Để phát triển thế hệ thứ hai của OADM, các công nghệ khác như cách tử và bộ truyền vòng sợi quang khả chỉnh cũng đang được phát triển

2.3 Bộ khuếch đại quang

Suy hao đã hạn chế độ dài mà sợi quang có thể truyền tín hiệu nguyên vẹn trước khi phải tái tạo Trước khi có các bộ khuếch đại quang người ta đã phải sử dụng các bộ lặp cho mỗi tín hiệu phát đi Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch đại tất cả các bước sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang - điện - quang(OEO) Ngoài việc sử dụng trong các kết nối quang, các

bộ khuếch đại còn được dùng để khuếch đại công suất tín hiệu sau khi ghép kênh hoặc trước khi tách kênh vì cả hai trường hợp này đều gây ra suy hao trong hệ thống Ngày nay trong tất cả các hệ thống WDM đều sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier: bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium) Nó đóng vai trò quan trọng giúp cho hệ thống có khả năng mang những trọng tải lớn trên những khoảng cách dài Phần này trình bày một

số đặc điểm cơ bản của EDFA

Erbium là một nguyên tố đất hiếm, khi được kích thích nó phát ra ánh sáng có bước sóng khoảng 1.54m - là bước sóng có suy hao thấp với sợi quang sử dụng trong các hệ thống WDM Một tín hiệu khá yếu đến sợi quang được pha tạp Erbium, sợi quang được bơm với bước sóng 980 nm hoặc 1480

nm bằng một laser bơm Ánh sáng bơm này kích thích các phân tử Erbium để giải phóng năng lượng dự trữ của chúng và phát ánh sáng có bước sóng 1550

nm Khi quá trình này tiếp tục dọc theo sợi quang thì tín hiệu sẽ mạnh dần lên Bơm ở bước sóng 1480 nm có hiệu suất thấp hơn so với bơm ở bước sóng

980 nm nhưng lại có công suất bơm cao hơn Các phát xạ tự phát trong EDFA cũng dẫn đến tạp âm cho tín hiệu và xác định hệ số tạp âm trong một bộ khuếch đại

Các tham số quan trọng trong bộ khuếch đại EDFA bao gồm: hệ số khuếch đại, độ phẳng khuếch đại, mức tạp âm và công suất đầu ra Các bộ khuếch đại này có khả năng cho độ khuếch đại đến 45 dB (10500 lần) và khuếch đại dải bước sóng từ 30 nm đến 35 nm (1535 nm - 1565 nm) Theo lý thuyết thì hệ số nhiễu của EDFA đạt được giới hạn lượng tử (giới hạn này gây

ra do phát xạ tự phát) Thực nghiệm cho thấy hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt được xấp xỉ 3 dB, giá trị thực tế từ 3.5 đến 6 dB Một ưu điểm của EDFA

là bộ khuếch đại có độ nhạy phân cực thấp, do đó có thể mắc chuỗi các bộ khuếch đại EDFA có các đặc tính bão hoà tốt do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm.Thời gian sống dài ở trạng thái kích thích của các ion Er3+ là ưu điểm lớn nhất của EDFA so với các loại bộ khuếch đại khác Trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơm trong một thời gian dài, do đó công suất bơm trong yêu cầu để giữ được mức năng lượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ 10 mW đến 20 mW để đạt đến

hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB Với các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau

sự xuyên nhiễu đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thời gian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích không thể đáp ứng những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bước sóng này xuyên qua bước

sóng khác Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méo thậm chí trong trường hợp bão hoà sâu Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trong một mạng quang vì có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silic Nhược điểm chính của EDFA là phổ khuếch đại không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếch đại, hệ số khuếch đại không như nhau đối với mọi bước sóng

Tuỳ thuộc yêu cầu hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở các vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu kỹ thuật riêng, có thể chia làm ba loại: BA, LA

và PA BA (Booster Amplifier) là bộ khuếch đại công suất có công suất vào lớn, được sử dụng ngay sau bộ phát để tăng mức công suất tín hiệu Do công suất đầu ra khá cao nên có thể bỏ qua tạp âm ASE Bộ khuếch đại đường dây

LA (Line Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp Yêu cầu đối với bộ khuếch đại loại này là có công suất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất Bộ tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu để tăng độ nhạy thu Để đạt được mức tạp âm ASE thấp người ta sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng nguồn phát Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR giảm nên thông thường sau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để khôi phục tín hiệu

2.4 Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành điện Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về bước sóng sử dụng và phương thức điều chế, đồng thời phải được thiết kế để đưa ra mức tín hiệu phù hợp

Cấu trúc bộ thu quang gồm có bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu và các mạch xử lý tín hiệu Toàn bộ cấu trúc này thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang phát ở đầu sợi từ phía phát tới thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các bước xử lý tiếp