Đồ án Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ - Trần Thị Kim Chi

130 trang huongle 80

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ - Trần Thị Kim Chi", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_thiet_ke_mang_dwdm_va_cac_giai_phap_cong_nghe_tran_thi.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ - Trần Thị Kim Chi

Đồ án tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG iso 9001:2008 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn : Thạc sỹ Đoàn Hữu Chức Sinh viên : Trần Thị Kim Chi HẢI PHÕNG - 2010 Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 1 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG THIẾT KẾ MẠNG DWDM VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn : Thạc sỹ Đoàn Hữu Chức Sinh viên : Trần Thị Kim Chi H¶i phßng - 2010 Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 2 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Trần Thị Kim Chi . Mã số : 101334. Lớp : ĐT1001. Ngành: Điện tử viễn thông. Tên đề tài : Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 3 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 4 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ và tên : Đoàn Hữu Chức Học hàm, học vị: Thạc sỹ. Cơ quan công tác : Trường Đại học Dân lập Hải Phòng. Nội dung hướng dẫn : . Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ và tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 5 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Đề tài tốt nghiệp được giao ngày tháng năm 2010. Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm 2010. Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2010. HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: 2. Đánh giá chất lượng của đồ án ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu ): Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 6 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn (ghi cả số và chữ) : Hải Phòng, ngày tháng năm 2010. Cán bộ hướng dẫn PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN 1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 7 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 2. Cho điểm của cán bộ phản biện. (Điểm ghi cả số và chữ). Hải Phòng, ngày tháng năm 2010. Người chấm phản biện Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 8 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH - VIỆT 5 LỜI MỞ ĐẦU 8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM VÀ CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG 10 1.1. Kỹ thuật ghép bước sóng quang 10 1.2. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang 11 1.3. Các tham số chính trong DWDM 17 1.3.1. Suy hao của sợi quang 17 1.3.2. Số kênh bước sóng 18 1.3.3. Độ rộng phổ của nguồn phát 19 1.3.4. Quỹ công suất 20 1.3.5. Tán sắc 21 1.3.6. Vấn đề ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 24 1.3.7. Dải bước sóng làm việc của DWDM 32 1.4. Các ưu điểm của hệ thống DWDM 33 CHƢƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM 34 2.1. Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM 34 2.2. Khối phát đáp quang OTU 34 2.3. Bộ giải ghép kênh quang 36 2.3.1. Phương pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng 37 2.3.2. Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng 38 2.3.3. Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ 40 2.3.4. Các bộ tách ghép bước sóng sử dụng cách tử 41 2.3.5. Phương pháp ghép sợi 42 2.4. Bộ khuếch đại quang sử dụng công nghệ EDFA 44 2.4.1. Tổng quan về công nghệ EDFA 44 Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 9 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 2.4.2. Nguyên lý hoạt động của EDFA 45 2.4.3. Phân loại EDFA 46 2.5. Bộ xen/rẽ kênh quang OADM 49 2.6. Bộ kết nối chéo quang OXC 52 2.7. Khối bù tán sắc 54 2.8. Các loại sợi quang sử dụng trong công nghệ DWDM 55 2.8.1. Sợi quang G.652 55 2.8.2. Sợi quang G.653 56 2.8.4. Sợi quang G.654 56 2.8.4. Sợi quang G.655 56 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG DWDM 57 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ thống 57 3.2. Thiết kế tuyến điểm - điểm 59 3.3. Mạng quảng bá và phân bố 61 3.4. Mạng cục bộ LAN 63 3.5. Thiết kế mạng điểm - điểm dựa trên hệ số Q và OSNR 64 3.5.1. Cách tính hệ số Q từ OSNR 65 3.5.2. Cách tính OSNR cho mạng điểm - điểm 65 3.5.3. Tính toán OSNR bằng khuếch đại Raman 67 3.6. Quỹ thời gian lên 67 3.7. Yêu cầu về quỹ công suất 68 3.8. Ảnh hưởng của tán sắc sợi đến việc thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao thông qua phương pháp xác định tổn hao công suất 70 3.9. Phân loại các mạng quang 73 3.9.1. Thiết kế mạng truy nhập 74 3.9.2. Thiết kế mạng đô thị 76 3.9.3. Thiết kế mạng Long Haul 79 Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 10 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 3.10. Bảo vệ mạng DWDM 80 3.10.1. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH 80 3.10.2.Bảo vệ đoạn ghép kênh quang (OMSP) 82 3.11.Ứng dụng trong mạng ring 83 CHƢƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI MẠNG IP/DWDM 85 4.1. IP/DWDM 85 4.1.1. Lớp quang 86 4.1.2. Chuyển mạch đa giao thức theo nhãn MPLS 86 4.1.3. Chuyển mạch đa giao thức theo bước sóng MPλS 86 4.2. Khả năng hồi phục của mạng IP/DWDM 87 4.2.1. Khái niệm khả năng phục hồi của mạng 87 4.2.2. Một số cách đặt vấn đề tiếp cận nghiên cứu vấn đề năng lực hồi phục mạng 88 CHƢƠNG 5. TÌM HIỂU THIẾT BỊ OPTIX METRO DWDM 6100 CỦA HUAWEI 91 5.1. Giới thiệu chung về thiết bị 91 5.1.1. Vị trí trong mạng truyền dẫn 92 5.1.2. Công nghệ 93 5.1.3. Dung lượng truyền dẫn 93 5.1.4. Khoảng cách truyền dẫn 93 5.1.5. Topo mạng 93 5.2. Một số tính năng của thiết bị 93 5.2.1. Khả năng truy nhập các dịch vụ 93 5.2.2. Các tính năng về kỹ thuật 94 5.3. Cấu trúc phần cứng của thiết bị 95 5.3.1. Tủ (Cabinet) 95 5.3.2. Subrack 96 Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 11 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 5.4. Chức năng các card 98 5.4.1. Chức năng và sơ đồ khối của card OUT 98 5.4.2. Chức năng và sơ đồ khối của card MUX/DEMUX 100 5.4.3. Chức năng và sơ đồ khối của card khuếch đại OA 103 5.4.4. Card giám sát OSC 104 5.4.5. Card điều khiển kết nối SCC 105 5.4.6. Các card phụ trợ (Card Auxiliary) 106 5.5. Các kiểu nút mạng trong hệ thống DWDM 108 5.5.1. Nút mạng ghép kênh quang đầu cuối OTM 109 5.5.2. Nút mạng xen/rẽ quang OADM 111 5.5.3. Nút mạng khuếch đại đường dây OLA 112 5.6. Bảo vệ mạng 113 5.6.1. Bảo vệ kênh quang 113 5.6.2. Bảo vệ đường quang 115 KẾT LUẬN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 PHỤ LỤC 118 1. Bảng tra vị trí của từng board 118 2. Bảng tần số và bước sóng trung tâm hệ thống Optix Metro6100 122 Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 12 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ APD Avalanche Photo Diode Diode quang thác APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ASE Amplifier Spontaneous Emission Nhiễu tự phát được khuếch đại BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit DCF Dispersion Compensated Fiber Sợi bù tán sắc DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc DEMUX Demultiplexer Thiết bị tách kênh DSF Dispersion Division Multiplexer Sợi dịch chuyển tán sắc DWDM Dense Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng IP Internet Protocol Giao thức Internet LED Light Emitting Diode Diode phát quang Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 13 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp LD Laser diode Diode laser MUX Multiplexer Thiết bị ghép kênh NE Network Element Phần tử mạng OADM Optical Add/Drop Mutplexer Bộ xen/rẽ bước sóng quang OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất OLT Optical Line Terminator Bộ kết cuối đường quang OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường dây OPA Optical Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTU Optical Transponder Unit Khối thu phát quang OSC Optical Supervisor Channel Kênh giám sát quang OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang OXC Optical Cross Connect Khối kết nối chéo quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực TFFs Thin Film Filters Bộ lọc màng mỏng Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 14 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ do kích thích Brillouin SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SONET Synchronous Optical Networrk Mạng quang đồng bộ SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ do kích thích Raman SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi đơn mode chuẩn XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 15 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển chưa từng có về nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn, chính điều này đã sản sinh ra một lượng thông tin rất lớn truyền tải trên mạng tạo ra nhiều áp lực mới cho mạng hiện tại. Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hơn bao giờ hết. Để đáp ứng yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi trường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn. Đối với hệ thống dung lượng thấp, công nghệ TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn của một kênh cáp đơn lên 10Gbps, thậm chí là 40Gbps. Tuy nhiên, việc tăng tốc cao hơn nữa là không dễ dàng vì các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn chế mà các mạch điện hiện tại chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM ra đời. DWDM có thể ghép một số lượng lớn bước sóng trong vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệ thống lên hàng trăm Gbps. Vì thế, DWDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đô cao DWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống. DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụ băng rộng trên mạng và là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tương lai. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 16 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Khi thiết kế một hệ thống DWDM, người thiết kế phải đối mặt với một số vấn đề như: bao nhiêu bước sóng được ghép trên một sợi và ở những tốc độ nào? Các bước sóng sẽ được giám sát và quản lý như thế nào? Có bao nhiêu loại lưu lượng khác nhau mà khách hàng yêu cầu? Các thuật toán và giao thức hiệu quả nhất là gì? Độ dài của một chặng mà không cần trạm lặp là bao xa? Bộ khuếch đại nào được sử dụng để thỏa mãn yêu cầu về hệ số khuếch đại và tạp âm? Và để có thể trả lời được những câu hỏi trên đòi hỏi người thiết kế phải nắm vững được nguyên lý, cấu trúc cũng như thường xuyên cập nhật những kỹ thuật mới để có thể đưa ra được những giải pháp tốt nhất cho hệ thống đang xây dựng. Chính vì lý do đó nên em đã tiến hành tìm hiểu đề tài: “Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ”. Em xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy Th.S Đoàn Hữu Chức đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn nghiên cứu để em có thể hoàn thành đồ án này. Do có hạn chế về mặt thời gian và kiến thức, đồ án tốt nghiệp của em còn nhiều thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo trong bộ môn và các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Hải Phòng, ngày 10 tháng 7 năm 2010 Sinh viên Trần Thị Kim Chi Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 17 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM VÀ CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG Để thấy được vai trò quan trọng của công nghệ này đối với viêc phát triển hệ thống mạng, trong chương này chúng ta sẽ xem xét những nét chung nhất về công nghệ DWDM so với các công nghệ truyền dẫn khác. Để giải quyết vấn đề băng thông và phát triển hệ thống đa dịch vụ trên cùng một mạng, công nghệ DWDM đã thực hiện ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang. Với việc tăng số bước sóng ghép trên một sợi quang một cách đáng kể so với công nghệ WDM trước đây, điểm nổi bật của DWDM chính là khả năng cho phép truyền trên sợi quang một lưu lượng khổng lồ lên tới hàng Terabits/s. Tuy nhiên, để đạt được điều này một cách có hiệu quả thì hệ thống DWDM có những yêu cầu rất đặc biệt đối với các chức năng quang như: độ linh hoạt cao, kết cấu đấu chéo nhanh, các bộ lọc và nguồn laser phải có khả năng điều hưởng, các bộ thu phải có tạp âm thấp và độ nhạy cao. Các hệ thống DWDM hiện nay làm việc trên các kênh bước sóng theo khuyến nghị của ITU-T dành cho DWDM. Nhiều bước sóng ghép trên một sợi quang đã mang lại sự linh hoạt và mềm dẻo cho cả các dịch vụ và băng thông. Mỗi kênh bước sóng có thể truyền tải một loại lưu lượng khác nhau như SONET/SDH trên một kênh, ATM trên một kênh khác, tín hiệu thoại TDM hay Internet trên một kênh khác nữa. 1.1. KỸ THUẬT GHÉP BƢỚC SÓNG QUANG Trong hệ thống đơn kênh, khi tốc độ đường truyền đạt đến mức độ nào đó, người ta thấy các hạn chế của các mạch điện tử trong việc nâng cao tốc độ cũng như kéo dài cự ly truyền dẫn. Thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn rất tốn kém vì cấu trúc hệ thống khá phức tạp. Do đó, kỹ thuật ghép kênh quang ra đời nhằm khắc phục được những hạn chế trên. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 18 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Các phần tử quang trong hệ thống thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh. Về lý thuyết, ta có thể làm tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một cách hợp lý và đầu thu có thể thu được các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có bộ tách bước sóng, Đây chính là cơ sở kỹ thuật ghép bước sóng. 1.2. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA GHÉP BƢỚC SÓNG QUANG Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh họa như hình 1.1. Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng λ1,λ2, ,λn. Các tín hiệu quang làm việc ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh, bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để đến phía thu. Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng. Sợi quang O1(  ) I ( ) 1 1 1 MUX DEMUX In(  ) On(  ) n O( I( ) n 1 n ) 1 Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bƣớc sóng Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng thông 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. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 19 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để truyền đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu lúc này là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM. Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 - 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2.5Gbps cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp WDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbps và tiến tới đạt tốc độ Tbps truyền trên một sợi đơn. Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM.  Truyền dẫn một chiều trên hai sợi. WDM một chiều là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều, ở đầu phát mang các tín hiệu có bước sóng khác nhau và đã điều chế λ1,λ2, ,λn thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách những tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang, ở hướng ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 20 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp  1 Bộ Máy thu 1 Máy phát 1 . khuếch quang . quang Bộ ghép Bộ tách . O đại sợi O . . kênh kênh . quang Máy thu Máy phát n n quang quang n 1, 2 n 1 Máy phát Máy thu 1 1. quang Bộ quang . Bộ tách Bộ ghép . O khuếch O . . kênh đại sợi kênh . Máy thu Máy phát n quang n quang quang n 1, 2 n Hình 1.2: Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang  Truyền dẫn hai chiều trên một sợi. WDM hai chiều là kênh quang trên mỗi sợi cùng truyền dẫn theo hai chiều khác nhau, dùng các bước sóng tách rời nhau để thông tin hai chiều (song công). Hệ thống WDM song hướng yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, có cơ cấu phức tạp hơn đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Có rất nhiều vấn đề cần lưu ý như phản xạ quang, xuyên âm giữa các kênh, mức điện của công suất truyền dẫn. Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, dải làm việc ổn định. Do sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại và tiết kiệm được sợi quang. 1 1 Máy phát 1 Máy thu . . quang quang . . 1, 2 n . . Máy thu n n Máy phát Bộ quang n quang Bộ ghép/tách O khuếch O Bộ ghép/tách kênh đại sợi kênh Máy phát 1 Máy thu 1. quang n+1 quang . quang . . . . Máy thu n+1, n+2 2n Máy phát n  n quang 2n quang Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 21 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng làm bộ giải ghép bước sóng. Như vậy, điều đơn giản là “Multiplexer” trong trường hợp này thường sử dụng ở dạng chung để tương thích cho bộ ghép và bộ giải ghép, trừ trường hợp cần thiết để phân biệt hai thiết bị này. Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUX - DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn song hướng. Phân loại các bộ ghép bước sóng trong kỹ thuật ghép bước sóng: Các bộ ghép bước sóng Thụ động Tích cực Các bộ thu Vi quang Ghép sợi phát nhiều Quang tổ hợp Các thiết bị bước sóng khác T án sắc Bộ lọc Phi tuyến Giao thoa Phân cực Tán xạ vật liệu Cách tử Hình 1.4: Phân loại các bộ ghép bƣớc sóng quang Các bộ ghép bước sóng thụ động được sử dụng hiện nay thường là các bộ vi quang học (micro-optic) và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wave fibre coupler). Mỗi loại đều có ưu nhược điểm. Các bộ vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối các thấu kính để ghép vào sợi quang. Các khó khăn trong việc định vị và ghép nối làm hạn chế các đặc tính kỹ thuật, đặc biệt là đối với các sợi đơn mode. Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính của bộ lọc rộng rãi hơn. Các bộ ghép sợi ít chịu ảnh hưởng của các khó khăn nêu trên nhưng lại bị hạn chế trong việc lựa chọn các đặc tính cần có của bộ lọc, chẳng hạn như mức độ bằng phẳng của băng thông. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 22 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Có 3 tiêu chuẩn cơ bản để xác định đặc tính của bộ ghép bước sóng:  Suy hao xen  Xuyên âm  Độ rộng phổ của kênh  Suy hao xen Suy hao xen ở đây được xác định như lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng. Khác với các coupler thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước sóng: Lk = -10log O(λk)/Ik(λk) MUX Li = -10log Oi(λi)/I(λi) DEMUX Trong đó: I(λi), O(λk) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung. Ik(λk) là công suất tín hiệu bước sóng λk đi vào cửa thứ k của bộ ghép, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k. Oi(λi) là công suất tín hiệu bước sóng λk đi khỏi cổng thứ i của bộ tách. Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của bộ ghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc do phản xạ. Mức độ ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên hệ thống còn tùy thuộc vào loại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng.  Xuyên âm Xuyên âm là sự dò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia. Nó làm tăng nền nhiễu, do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Hiện tượng này được sinh ra do các yếu tố sau:  Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện.  Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát.  Do phổ của các nguồn phát chồng lấn lên nhau.  Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa công suất cao vào sợi quang. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 23 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang kênh khác có bước sóng khác với λi. Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên âm nào đó và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xen và được tính bằng dB như sau: Di(λi) = -10log Ui(λk)/I(λk) Trong đó: Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi. Trong thiết bị ghép - giải hỗn hợp, việc xác định suy hao xen kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh. Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk). Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(λi). Khi cho các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng thiết bị.  Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh. Độ rộng này phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh. Độ rộng phổ giữa các kênh tùy thuộc vào từng nguồn phát. Ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau sẽ có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác khác nhau. Độ rộng kênh Độ dịch tần 25 GHz 5 GHz 50 GHz 10 GHz 100 GHz 20 GHz 200 GHz 50 GHz Bảng 1.1: Độ rộng phổ của kênh Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 24 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 1.3. CÁC THAM SỐ CHÍNH TRONG DWDM DWDM thực hiện ghép một số lượng lớn các bước sóng quang đã được điều chế trên một sợi quang. Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này thường là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và có dung lượng truyền dẫn lớn. Giống như bất cứ một công nghệ nào, DWDM cũng tồn tại những giới hạn và những vấn đề kỹ thuật. Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét một số tham số như: suy hao, nhiễu xuyên kênh, số kênh bước sóng, bề rộng phổ nguồn phát, quỹ công suất, tán sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. 1.3.1. Suy hao của sợi quang Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống. Suy hao sợi được tính bằng tỷ số giữa công suất cuối sợi quang P2 của sợi dẫn quang dài L(km) với công suất đưa vào sợi quang P1. Nếu gọi là hệ số suy hao của sợi thì: P1 A(dB)= 10log (1.1) P2 A dB dB/ km (1.2) L km Các nguyên nhân chính gây suy hao trong sợi quang là: Suy hao do hấp thụ ánh sáng, trong đó có hấp thụ tử ngoại và hấp thụ hồng ngoại. Hấp thụ chủ yếu do hấp thụ điện tử, hấp thụ tạp chất và hấp thụ vật liệu. Ngoài ra, còn phải kể đến suy hao do ghép nguồn quang vào sợi quang, suy hao do mối hàn, suy hao do uốn cong sợi và suy hao do tán xạ do tính không đồng nhất quang học của lõi sợi gây ra. Có 3 loại suy hao do tán xạ cơ bản của lõi sợi quang là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin và tán xạ Raman. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 25 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 1.3.2. Số kênh bƣớc sóng Một trong những vấn đề quan trọng là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênh bước sóng và số kênh cực đại hệ thống có thể sử dụng được. Số kênh bước sóng sử dụng phụ thuộc vào: Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang như:  Khả năng băng tần của sợi quang.  Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng. Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:  Tốc độ truyền dẫn của từng kênh.  Quỹ công suất quang.  Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến.  Độ rộng phổ của nguồn phát.  Khả năng tách/ghép của hệ thống DWDM. Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100 nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35 nm (theo quy định của ITU - T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530 nm đến 1565 nm đối với băng C; hoặc băng L từ 1570 nm đến 1603 nm) nên trong thực tế, các hệ thống DWDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi quang. Gọi  là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta có: f c.  / 2 (1.3) Như vậy, tại bước sóng λ = 1550 nm, với  = 35 nm thì f = 4,37.1012 Hz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được N = f /5 = 874 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang. Đây là số kênh tính theo lý thuyết, tuy nhiên, với mật độ kênh càng lớn thì đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần có bộ phát ổn định và Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 26 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp một bộ lọc quang có khả năng chọn lọc bước sóng cao. Bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm dãn phổ sang kênh lân cận. Dựa vào khả năng công nghệ hiện nay, ITU - T đưa ra quy định về khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4 nm) với chuẩn tần số là 193,1 THz. Với công nghệ hiện nay, DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C (1530 - 1560)nm và băng L (1560 - 1600)nm. 1.3.3. Độ rộng phổ của nguồn phát Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh bước sóng hoạt động một cách độc lập nhau, nói khác đi là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. Khoảng cách giữa những kênh này phụ thuộc vào đặc tính của các thiết bị như MUX/DEMUX, bộ lọc, độ dung sai cũng như mức độ ổn định của các thiết bị này. Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số. Các kênh khác nhau làm việc ở các kênh tần số khác nhau trong cùng băng thông của sợi quang. Theo lý thuyết, băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh bước sóng ghép được rất lớn (ở cả 2 cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi và làm việc chỉ ở cửa sổ bước sóng 1550 nm. Vì vậy, băng tần của sợi quang bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại. Như vậy, một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách giữa các bước sóng phải thỏa mãn được yêu cầu tránh cộng phổ của các kênh lân cận ở phía thu. Khoảng cách này phụ thuộc vào đặc tính phổ của nguồn phát và các ảnh hưởng khác nhau trên đường truyền như tán sắc sợi, hiệu ứng phi tuyến Một cách lý tưởng, có thể xem hệ thống DWDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng đủ lớn và công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ công suất phía Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 27 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp thu với phổ công suất nguồn phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ, kí hiệu , băng tần tín hiệu B và bù tán sắc D. Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có biểu thức: ε = B.D. RMS (1.4) Trong đó: B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn. D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn. RMSlà độ giãn rộng phổ. 1.3.4. Quỹ công suất Trong môi trường truyền dẫn cáp sợi quang, quỹ công suất là một yếu tố rất quan trọng nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường. Mục đích của quỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sống của hệ thống. Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang, trên các bộ nối quang và tại các mối hàn. Tổng suy hao trên toàn tuyến nhận được từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến. Suy hao của từng phần tử được tính: P1 A(dB)= 10log (1.5) P2 Trong đó: P1, P2 là các công suất quang đầu vào và đầu ra của phần tử. Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ở trên, ta còn phải có một lượng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của các thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần. Dự phòng cho tuyến thường thường từ 6 - 8 dB. Chính vì vậy mà quỹ công suất của tuyến có thể xem như là công suất tổng PT nằm giữa nguồn phát quang và bộ tách sóng quang. Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi, suy hao bộ nối quang, suy hao mối hàn và dự phòng cho hệ thống. Nếu gọi PS là công suất quang của nguồn phát được đưa vào đầu ghép sợi và PR là độ nhạy của bộ thu quang thì: Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 28 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp PT = PS - PR= 2lC + f.L + dự phòng hệ thống (1.6) Trong đó: lC là suy hao bộ nối quang αf là suy hao sợi L là cự ly truyền dẫn Ở đây, suy hao do mối hàn lSP được gán vào trong suy hao sợi để đơn giản phép tính. 1.3.5. Tán sắc Khi truyền dẫn tín hiệu số dọc theo sợi quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu thu. Thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau, khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh. Sở dĩ có hiện tượng méo này là do tán sắc ở bên trong mode và hiệu ứng giữa các mode gây ra.  Tán sắc bên trong mode bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng. Tán sắc vật liệu do chỉ số chiết suất của vật liệu lõi phụ thuộc vào bước sóng tạo nên. Nó gây ra sự phụ thuộc của bước sóng vào vận tốc nhóm của bất kỳ mode nào. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode . Nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần quan tâm trong sợi đơn mode. Gọi là tán sắc dẫn sóng vì hiện tượng này thường xảy ra trong các ống dẫn sóng kể cả ở sóng cao tần và siêu cao tần.  Tán sắc giữa các mode Tán sắc này chỉ ảnh hưởng đến các sợi đa mode, nó sinh ra do có nhiều đường khác nhau (các mode khác nhau) mà một tia sáng có thể truyền lan trong sợi đa mode dẫn đến tia sáng truyền qua những quang lộ khác nhau, làm cho xung truyền dẫn bị giãn rộng ra, tán sắc này phụ thuộc vào kích thước của sợi quang, đặc biệt phụ thuộc vào đường kính của lõi sợi. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 29 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Các phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống DWDM tốc độ cao có dùng khuếch đại EDFA gồm: làm hẹp bề rộng phổ của nguồn phát hoặc sử dụng các phương pháp bù tán sắc như:  Sử dụng sợi quang có hệ số tán sắc nhỏ.  Bù tán sắc bằng phương pháp tự dịch pha SPM.  Bù tán sắc bằng các thành phần bù tán sắc thụ động.  Bù tán sắc bằng sợi DCF.  Bù tán sắc bằng các modul DCM sử dụng cách tử sợi Bragg. Các hệ thống truyền dẫn TDM cũng như WDM bị ảnh hưởng nhiều hơn đối với một loại tán sắc khác, khi tăng tốc độ truyền dẫn của hệ thống còn phải quan tâm đến ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực (PMD). Ảnh hưởng này thường được bỏ qua đối với hệ thống tốc độ thấp.  Khái niệm tán sắc mode phân cực PMD Tán sắc mode phân cực PMD là một thuộc tính cơ bản của sợi quang đơn mode và các thành phần hợp thành trong đó năng lượng tín hiệu ở bất kỳ bước sóng nào cũng được phân tích thành 2 mode phân cực trực giao có vận tốc truyền khác nhau. Do vận tốc của hai mode chênh lệch nhau đôi chút nên thời gian truyền qua cùng khoảng cách là khác nhau và được gọi là sự trễ nhóm (DGD). Vì vậy, PMD sẽ làm giãn rộng xung tín hiệu gây nên suy giảm dung lượng truyền dẫn. Về phương diện này, ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực cũng giống như ảnh hưởng của tán sắc. Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn đó là: tán sắc là một hiện tượng tương đối ổn định, trong khi đó, PMD của sợi đơn mode ở bất kỳ bước sóng nào cũng là không ổn định. Ngoài những ảnh hưởng trên còn phải kể đến suy hao phụ thuộc phân cực (PLD) của các thành phần hợp thành. PLD phân biệt sự thay đổi phân cực trong thành phần cường độ được tách ra từ tín hiệu mong muốn thông qua sự suy hao trạng thái phân cực có chọn lọc. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 30 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Tán sắc mode phân cực được tính theo công thức: 1/2 PMDtotal = K.L (1.7) Trong đó: PMDtotal là tán sắc phân cực của sợi quang (ps) K là hệ số tán sắc phân cực (ps/km1/2) L là chiều dài của sợi (km)  Nguyên nhân của tán sắc phân cực Do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang cũng như các thành phần quang hợp thành nên có sự khác biệt về chiết suất đối với cặp trạng thái phân cực trực giao, được gọi là sự lưỡng chiết. Sự khác biệt chiết suất sẽ sinh ra độ chênh lệch thời gian truyền sóng trong các mode phân cực này. Trong các sợi đơn mode, hiện tượng này bắt nguồn từ sự không tròn hoặc ovan của lõi sợi theo 2 cách: ống dẫn sóng ovan (vốn có tính lưỡng chiết) và trường lực căng cơ học tạo nên bởi lõi ovan gồm có cả lưỡng chiết phụ. Nhìn chung, ảnh hưởng của ống dẫn sóng ovan có vai trò lớn trong sợi PMD thấp. Sự lưỡng chiết của các vật liệu trong suốt giống nhau như thạch anh được tạo ra từ cấu trúc tinh thể cân xứng. Và như vậy, PMD trong các thành phần quang có thể sinh ra từ sự lưỡng chiết của các thành phần con trong các thành phần quang hợp thành. Tín hiệu truyền trên các đường song song nhau có độ dài quang khác nhau cũng sinh ra hiện tượng trễ nhóm. Sự phân cực trong sợi đặc trưng cho lưỡng chiết do lực cơ học. Nhiều phần tử không phải là thủy tinh được cho vào trong lớp vỏ của sợi nên ở lõi xuất hiện trường lực không đối xứng nhau dọc theo chiều dài sợi. Khi ánh sáng phân cực bị ghép trong một đoạn sợi này thì trường điện đầu ra của ánh sáng đầu vào được phân tích thành 2 modul phân cực trực giao với tốc độ truyền khác nhau. Các modul phân cực được duy trì dọc theo sợi và năng lượng của chúng sẽ không bị ghép. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 31 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Ngoài những nguyên nhân trên, lưỡng chiết còn sinh bởi sự uốn cong của sợi. Sự uốn cong này làm thay đổi mật độ phân tử của cấu trúc sợi, làm cho hệ số khúc xạ mất đối xứng. Tuy nhiên, lưỡng chiết do uốn cong không phải là nguyên nhân chủ yếu sinh ra PMD. 1.3.6. Vấn đề ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến Đối với hệ thống thông tin sợi quang, công suất quang không lớn, sợi quang có tính năng truyền dẫn tuyến tính. Sau khi dùng EDFA, công suất quang tăng lên, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phi tuyến, hạn chế rất lớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và cự ly truyền dẫn dài không có chuyển tiếp. Nhìn chung, có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại:  Hiệu ứng tán xạ: bao gồm tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do kích thích Brillouin (SBS).  Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang: bao gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo(XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM). 1.3.6.1. Hiệu ứng tán xạ Raman SRS Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng stoke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng (gọi là bơm Raman) làm cho phần năng lượng của tín hiệu được truyền tới bước sóng stoke. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 32 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Nếu gọi PS(L) là công suất của bước sóng stoke trong sợi quang thì: g P L r 0 PS(L)=P0 exp (1.8) KS eff Trong đó: P0 là công suất đưa vào sợi tại bước sóng tín hiệu gr là hệ số khuếch đại Raman L là khoảng cách ánh sáng lan truyền tong sợi quang Seff là diện tích vùng lõi hiệu dụng K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng stoke và phân cực của sợi. Đối với sợi thông thường thì K 2. Từ đây có thể tính toán mức công suất P0 mà tại đó hiệu ứng SRS ảnh th th hưởng lớn đến hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman (P 0) (P 0 là công suất của tín hiệu đầu vào mà ứng với nó công suất bước sóng stoke và bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau). th 32Seff P 0 (1.9) Lg r Từ đây, người ta tính toán được rằng, đối với hệ thống đơn kênh, để hiệu ứng SRS có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất phải lớn hơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đường truyền). Tuy nhiên, trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Để đảm bảo suy giảm SNR không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thỏa mãn: 10,28.1012 P < (1.10) N N 1 Leff f Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 33 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong đó: N là số kênh bước sóng f là khoảng cách giữa các kênh bước sóng Như vậy, trong hệ thống WDM, hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này cũng gây xuyên nhiễu giữa các kênh. 1.3.6.2. Hiệu ứng tán xạ Brillouin SBS Tán xạ Brillouin được hiểu như là sự điều chế ánh sáng của năng lượng nhiệt trong vật liệu. Photon ánh sáng vào sợi quang chịu sự tương tác không tuyến tính và tạo ra năng lượng rung động trong thủy tinh cũng như tạo ra ánh sáng tán xạ. Độ dịch tần số và cường độ tán xạ biến đổi theo hàm của góc tán xạ, với giá trị lớn nhất là ngược với hướng truyền và nhỏ nhất bằng không theo hướng truyền. Do đó, tán xạ Brillouin chủ yếu về hướng ngược hướng về nguồn và xa bộ thu, vì vậy làm giảm công suất ánh sáng tại bộ thu. Mức công suất mà tại đó tán xạ Brillouin trở nên đáng kể trong sợi quang đơn mode tuân theo công thức: -3 2 2 PB=17,6 x 10 x a x λ x α x  (1.11) Trong đó: PB là mức công suất (W) cần thiết để tán xạ Brillouin trở nên đáng kể. a là bán kính sợi quang (µm) λ là bước sóng của nguồn phát (µm) α là suy hao của sợi quang (dB/km)  là độ rộng phổ của nguồn (GHz) Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có sự tạo thành của bước sóng stoke với bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng tới. Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: hiệu ứng SBS liên quan đến các photon âm học, còn hiệu ứng SRS liên quan đến các photon quang. Chính do sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hưởng khác nhau đến hệ Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 34 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp thống WDM. Trong hiệu ứng này, một ánh sáng bị tán xạ do các photon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn (tương đương với độ dịch tần là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm). Tuy nhiên, chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược trở lại (tức là ngược chiều với chiều của tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang. Vì vậy, trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh. Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ vài mV. Tuy nhiên, do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với VB/ VLaser ( VB là băng tần khuếch đại Brillouin, VLaser là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 – 100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy ra. Chỉ các hệ thống với nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp mới có thể bị ảnh hưởng của hiệu ứng SBS. Người ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau: kAeff VB VP Pth = 21 . (1.12) gLeff VB Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin Aeff là vùng lõi hiệu dụng k: đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng stoke và phân cực của sợi. Đối với hệ thống thông thường thì k 2. VB là băng tần khuếch đại Brillouin VP là độ rộng phổ của tín hiệu Như vậy, hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 35 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 1.3.6.3. Hiệu ứng tự điều chế pha SPM Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền trong đó: 2 n = n0 + nNL= n0 + n2 E (1.13) Trong đó: n0 là chiết suất tuyến tính -22 2 n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2 = 1,22.10 (V/m) đối với sợi Silic) E là trường quang Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến ΦNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang. Giả sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là: 2 2 nL 2 L n0 n2 E Φ = (1.14)   Đối với trường quang có cường độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên, đối với các trường quang có cường độ thay đổi thì pha phi tuyến ΦNL sẽ thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị là δvNL, với: 1  NL δv = (1.15) NL 2 t Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số v v0. Điều này có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị giãn trong quá trình truyền. Trong hệ thống WDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng giãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh. Hơn nữa, nếu xét đến ảnh hưởng của tán sắc thì thấy dạng xung bị biến đổi dọc theo sợi. Nếu gọi D là hệ số tán sắc của sợi thì: Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 36 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp - Với D 0: thành phần tần số cao sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp làm cho xung bị co lại (nguyên lý truyền dẫn Soliton). Tuy nhiên, việc tạo ra Soliton phải được kiểm soát, nếu không sẽ có hiện tượng lúc đầu xung co lại, sau đó lại giãn ra rất nhanh. 1.3.6.4. Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM Đối với hệ thông WDM, hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của bước sóng khác lan truyền trong sợi. Trong trường hợp này, chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là: 2 2 nNL n2 Ei  E j (1.16) Trong đó: N là tổng số kênh quang Ei, Ej là cường độ trường quang của bước sóng thứ i, j XPM có quan hệ đến phương thức điều chế, khi điều chế PSK thì ảnh hưởng đến tính năng của hệ thống là lớn nhất. Có thể thông qua việc giảm công suất của các kênh tín hiệu để giảm XPM. Ngoài ra, XPM không chỉ phụ thuộc vào công suất của kênh tín hiệu mà còn phụ thuộc vào số kênh tín hiệu. Số kênh tín hiệu càng nhiều thì ảnh hưởng của XPM càng lớn. 1.3.6.5. Hiệu ứng trộn bốn bƣớc sóng FWM Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang với các tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Tương tác này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước sóng tín hiệu với tạp âm ASE của các bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chính hoặc mode bên của một kênh Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 37 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp tín hiệu. Giả sử có 3 bước sóng với tần số i, j,k thì tổ hợp tần số mới tạo ra sẽ là những tần số ijk thỏa mãn: ijk = i + j - k Theo quan điểm cơ lượng tử, hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá hủy photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ở các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng và động lượng. Nếu gọi Pijk(L) là công suất của bước sóng ijk trong sợi quang thì: 6 2 1024 3 2 L Pijk(L) = 2 2 6 2 Pi Pj Pk .exp L (1.17) n0ijkc Seff Trong đó:  là hiệu suất của quá trình FWM c là vận tốc ánh sáng trong chân không Seff là diện tích vùng lõi hiệu dụng Pi, Pj, Pk là công suất tương ứng của bước sóng λi, λj, λk, (3) là độ cảm phi tuyến bậc 3 Hiệu suất  của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha. Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thỏa mãn (tức là động lượng photon được bảo toàn). Về mặt toán học thì điều này có thể biểu thị như sau: (ijk ) = (i) + (j) - (k) Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra. Tuy nhiên, với môi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách truyền dẫn tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt được. Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 38 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại nên sẽ làm giảm chất lượng BER của hệ thống. Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là 0 (< 3 ps.nm), do đó hệ thống WDM làm việc trên sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiêụ ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển (DSF). 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 ly truyền dẫn của hệ thống WDM. 1.3.7. Dải bƣớc sóng làm việc của DWDM Sợi quang thạch anh có 3 cửa sổ suy hao thấp 860 nm, 1310 nm và 1550 nm, trong đó tại cửa sổ 1550 nm đặc tính suy hao của sợi quang là nhỏ nhất, cửa sổ này được áp dụng để truyền dẫn tín hiệu SDH với khoảng cách ngắn và dài. Hơn thế nữa, các bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng hiện nay có đặc tính độ lợi khá bằng phẳng trong cửa sổ này, bởi vậy đây là cửa sổ hoạt động rất tốt của hệ thống DWDM. Các bước sóng làm việc trong cửa sổ 1550nm được chia thành 3 dải: băng S, băng C và băng L. 1460nm 1530nm 1565nm 1625nm Short Conventional Long band band band 1460-1530nm 1530-1565nm 1565-1625nm Hình 1.5 : Sự phân chia dải bƣớc sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 39 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong đó: Băng S (1460 nm – 1530 nm): hiện tại, dải bước sóng làm việc của bộ khuếch đại quang EDFA thuộc băng C và L. Do đó, băng S không sử dụng trong hệ thống DWDM. Băng C (1530 – 1565 nm): đây là dải bước sóng làm việc của các hệ thống DWDM sử dụng 40 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 100 GHz), hệ thống DWDM sử dụng 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 50 GHz) và hệ thống SDH. Băng L (1565 – 1625 nm): đây là dải bước sóng làm việc của các hệ thống DWDM sử dụng 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 50 GHz). Dựa trên số lượng kênh được ghép và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống DWDM, các bước sóng làm việc trong hệ thống DWDM có thể là: 40 bước sóng, 80 bước sóng và 160 bước sóng.  Hệ thống DWDM ghép 40 bước sóng  Dải bước sóng làm việc: băng C (1530 – 1565 nm)  Dải tần số: 192.1 THz – 196.0 THz  Khoảng cách giữa các kênh: 100 GHz  Central frequency offset: 20 GHz (tại tốc độ thấp hơn 2.5Gbps) và 12.5GHz (tại tốc độ 10Gbps) 1.4. CÁC ƢU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG DWDM  Tận dụng được phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra được dung lượng truyền dẫn lớn. Công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tài nguyên băng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25THz) để nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống.  Khoảng cách truyền dẫn xa bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đại quang sợi EDFA. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 40 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp  Cho phép truy nhập nhiều loại hình dịch vụ: các bước sóng trong hệ thống DWDM độc lập nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại hình dịch vụ trên cùng một cáp sợi quang như: SDH, GE hay ATM  Hạn chế được số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang nên tiết kiệm được rất nhiều cáp quang, từ đó có thể giảm được cho phí xây dựng đường dây.  Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng.  Độ linh hoạt cao, mạng kinh tế và ổn định. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 41 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM 2.1. CẤU TRÚC TRUYỀN DẪN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM Hệ thống DWDM thực hiện ghép bước sóng danh định khác nhau (tương ứng với các tín hiệu kênh quang riêng lẻ) thành một chùm sáng và được truyền dẫn trên một sợi, trong đó mỗi kênh quang mang dịch vụ khác nhau. Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM gồm các thành phần chính sau:  Bộ sửa dạng tín hiệu  Các bộ tách ghép kênh quang OMUX, ODMUX  Các bộ khuếch đại quang sợi EDFA  Các bộ xen/rẽ quang OADM  Các modul bù tán sắc DCM  Bộ kết nối chéo quang OXC 2.2. KHỐI PHÁT ĐÁP QUANG OTU OTU (Optical Transponder Unit) là thiết bị được sử dụng để thực hiện sửa dạng tín hiệu. Nó chuyển đổi những tín hiệu của các kênh quang đầu vào ở phía Client side thành các tín hiệu quang chuẩn theo khuyến nghị G.692 của ITU-T để có thể truyền trên hệ thống DWDM. Nguyên lý hoạt động: OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện với các tín hiệu quang đưa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 và thực hiện tái tạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang đã được chuyển đổi thành điện. Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang để đưa ra tín hiệu kênh quang DWDM mà có bước sóng, độ tán sắc và công suất phát quang theo chuẩn G.692. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 42 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp G.957 G.692 Tái tạo dạng tín hiệu, O/E E/O khôi phục định thời Tín hiệu Tín hiệu quang đầu quang đầu vào ra Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU Sau khi chuyển đổi O/E nếu chỉ thực hiện tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời (thực hiện chức năng 2R: Reshape, Retiming) thì OTU thực hiện chức năng sửa dạng tín hiệu cho truyền dẫn ở khoảng cách ngắn. Nếu sau khi chuyển đổi O/E, OTU xử lý tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu (chức năng 3R: Reshape, Retiming, Regenerator) được thực hiện thì OTU đó có chức năng của một bộ repeater. Phân loại và ứng dụng: Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thể được chia làm 3 loại: OTUT (OUT Transmitter), OTUR (OUT Receiver) và OTUG (OUT Generrator). Ứng dụng của chúng trong hệ thống như hình vẽ: O O O O OTUT OTUG OTUR OTUT M D M D O O U A M U A M X U U OTUT OTUG X OTUR X X Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bƣớc sóng OTU trong hệ thống OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng và OMUX. Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tín hiệu quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đưa vào OMUX. Loại OTU này không chỉ thực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việc tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìm byte B1 (byte giám sát lỗi bit từng đoạn lặp). Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 43 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của khách hàng. Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OUTR phải tuân theo chuẩn G.692. Loại OUT này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện sửa dạng tín hiệu, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1. OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX. Tín hiệu đầu vào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692. OTU loại này không chỉ có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu, khôi phục định thời và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R). Vì vậy, OTUG tương đương như một bộ lặp thông thường và cũng có chức năng tìm byte B1. 2.3. BỘ GIẢI/GHÉP KÊNH QUANG Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau 1, 2, , n. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang ở phía phát. Bộ ghép kênh theo bước sóng phải đảm bảo có độ suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tới phía thu. Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ được tách ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp. Có 3 loại WDM chính thức được sử dụng đó là:  Sử dụng bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters - DTF) dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dải bước sóng cụ thể cũng như dễ dàng thích ứng trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều. Bộ lọc DTF được sử dụng để ghép bước sóng tại hai cửa sổ.  Sử dụng cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùng một cửa sổ.  Ghép định hướng theo phương pháp hàn sợi. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 44 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 2.3.1. Phƣơng pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trên nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua. Phần tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bước sóng là bộ lọc điện môi giao thoa, nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đặt xen kẽ nhau. Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry - Perot, gồm 2 gương phản xạ thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt. Nguyên lý hoạt động của nó như sau: Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng. Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánh sáng thì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bước sóng đạt giá trị cực đại. Các tia ánh sáng của các bước sóng khác với bước sóng cộng hưởng phản xạ trọn vẹn, chỉ có một bước sóng đi qua bộ lọc. Gương phản xạ là các lớp thủy tinh nằm trên lớp đệm trong suốt. 1, 2, , n 1 2, , n Bộ lọc Hình 2.3: Bộ tách bƣớc sóng dùng bộ lọc Theo đặc tính phổ thì thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành:  Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt c.  Bộ lọc thông dải có bước sóng trung tâm 0 và độ rộng dải . Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường sử dụng để ghép hoặc tách 2 bước sóng khác nhau, chẳng hạn 850 nm và 1310 nm hoặc 1310 nm và Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 45 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 1550 nm. Loại bộ lọc như vậy thích hợp cho nguồn quang có dải phổ rộng (LED). Bộ lọc thông dải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổ hẹp (LD). Đối với bộ lọc thông dải có một vài yêu cầu, đó là độ dốc sườn đường cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kề nhau, mặt khác độ rộng giải  có dung sai cho phép để đề phòng dịch bước sóng trung tâm của nguồn quang do nhiệt dộ thay đổi. Chiết suất thấp Chiết suất cao Lớp phân cách trong suốt Hình 2.4: Cấu tạo bộ lọc 2.3.2. Một số thiết bị tách kênh dùng bộ lọc điện môi màng mỏng  Bộ tách 2 bước sóng: Do thiết bị ghép và thiết bị tách bước sóng có cấu trúc thuận - nghịch, nghĩa là giữa bộ ghép và bộ tách chỉ thay đổi cổng vào và cổng ra, cho nên trong phần này chủ yếu chỉ trình bày cấu trúc và hoạt động của các bộ tách bước sóng. Thấu kính Kính lọc 1, 2 1 Sợi quang  2 Hình 2.5: Bộ tách 2 kênh dùng thấu kính phẳng và bộ lọc Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 46 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Lăng kính Grin (1/4 P) 1, 2 1 2 Bộ lọc Hình 2.6: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép 2 kênh như ở hình 2.5, trong khi đó việc thực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6. Các phần tử chuẩn trực và hội tụ là các lăng kính Grin - rod 1/4 bước. Bộ lọc được thiết kế để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa 2 lăng kính. Các thiết bị giải ghép này có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300 nm hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ chức bước sóng như 800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; , với suy hao nhỏ hơn 3 dB (cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25 dB.  Bộ tách lớn hơn hai bước sóng: Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau và mỗi bộ lọc cho đi qua một bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại. 1, 2, , n Bộ lọc (1)  1 2 3 4 Hình 2.7: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bƣớc sóng Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 47 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các sợi quang, Hình vẽ là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính Grin và khối thủy tinh trong suốt. 2 4 1, , 5 Sợi quang Lăng kính GRIN Khối thủy tinh trong suốt Bộ lọc 1 3 5 Hình 2.8: Bộ tách kênh vi quang nhiều kênh trên thực tế Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử trực chuẩn, thiết bị không có thấu kính mà các bộ giao thoa ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn. 1 2 3 Sợi quang 1, , 4 4 Bộ lọc Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách kênh sử dụng bộ lọc gắn trực tiếp vào sợi 2.3.3. Phƣơng pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên thấu kính ngày nay hầu như không được sử dụng nữa, thay vào đó người Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 48 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp ta sử dụng cách tử nhiễu xạ là chủ yếu. Các bộ tách/ghép bước sóng sử dụng bộ lọc không thể thực hiện được khi số lượng kênh lớn và số lượng bước sóng sát gần nhau. Thuận lợi chính của cách tử là có thể nhiễu xạ đồng thời tất cả các bước sóng và có thể thực hiện được với các bộ tách ghép nhiều kênh. Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng sử dụng cách tử dựa trên hiện tượng góc nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Cách tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chùm sáng tới theo các hướng khác nhau tùy theo góc tới của chùm sáng trên bề mặt cách tử, bước sóng của ánh sáng tới, các đặc tính thiết kế của cách tử, khoảng cách giữa các rãnh (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử Φ. Trên 1mm của cách tử có hàng chục hay hàng ngàn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài của cách tử được gọi là hằng số cách tử. Người ta chế tạo cách tử bằng cách dùng một mũi kim cương nhọn rạch những đường song song cách đều trên một tấm thủy tinh phẳng. Chỗ bị rạch có tác dụng như những chắn sáng, chỗ còn lại có tác dụng như những khe sáng. Cách tử thu được bằng cách đó gọi là cách tử truyền xạ. Cách tử truyền xạ ngày nay dùng rất ít vì mũi kim cương mau mòn khi rạch lên thủy tinh hoặc thạch anh, khiến cho các khe cuối không còn rộng như khe đầu. Thay vào đó người ta sử dụng cách tử phản xạ bằng cách rạch lên bề mặt kim loại phủ trên thủy tinh, tạo ra các chắn sáng, phần còn lại phản xạ ánh sáng có tác dụng như các khe. Các lớp kim loại phủ thường là bạc hoặc nhôm, khá mềm nên mũi kim cương rất lâu mòn. Tùy theo các bước sóng khác nhau mà cách tử nhiễu xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau. Do vậy, chùm tia tới với nhiều bước sóng khác nhau sẽ được tách ra theo chiều hướng tùy thuộc vào bước sóng. Ngược lại các ánh sáng đơn sắc từ các hướng khác nhau cũng có thể được ghép lại thành một chùm sáng truyền theo cùng một hướng. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 49 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 2.3.4. Các bộ tách ghép bƣớc sóng sử dụng cách tử Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử gồm 3 phần chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn với các thành phần thu - phát), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc. Thấu kính hội tụ Cách tử 1 1,2 2 a) Lăng kính Grin 1 Cách tử  , 1 2 2 b) Hình 2.10: Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bƣớc sóng dùng thấu kính hội tụ, b) Bộ tách bƣớc sóng dùng thấu kính Grin Hình 2.10 a,b là bộ tách Littrow với cấu trúc cơ bản và cấu trúc thực tế sử dụng thấu kính Grin của bộ tách 2 kênh. Trong cấu hình này, cả tín hiệu ánh sáng đi vào và ánh sáng đi ra khỏi bộ ghép chỉ sử dụng một thấu kính, dùng thấu kính chuẩn trực hoặc thấu kính Grin. 2.3.5. Phƣơng pháp ghép sợi Phần trên ta xem xét các thành phần thiết bị vi quang đã được sử dụng rộng rãi cho các loại sợi đa mode, nhưng lại khó sử dụng cho sợi đơn mode bởi vì quá trình xử lý chùm sáng phải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực, hội tụ, , từ đó dẫn tới quang sai và các vấn đề trễ khác tạo ra suy hao tín hiệu quá lớn ở thiết bị. Thiết bị DWDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn mode vì có thể tránh được quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình xử lý chùm sáng qua các đoạn phản xạ, chuẩn trực, hội tụ gây ra. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 50 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Nguyên lý hoạt động: khi lõi các sợi quang đặt gần nhau thì công suất quang từ một sợi sẽ chuyển vào các sợi khác. Các thiết bị DWDM ghép sợi có thể có 2 dạng đó là: nung nóng chảy các sợi kề nhau và mài ghép chỗ tiếp xúc giữa các sợi. 2.3.5.1. Phƣơng pháp ghép xoắn sợi và mài ghép  Phương pháp ghép xoắn sợi Các sợi được bện với nhau và được đặt dưới một nguồn nhiệt có điều khiển, sau khi các sợi đã đạt tới trạng thái mềm dẻo thì dùng lực kéo và xoắn các sợi lại với nhau làm cho các lõi sợi ghép lại gần nhau. Bằng cách điều khiển các yếu tố như: nhiệt độ, vùng được đốt nóng, các lực kéo và xoắn ta có thể thay đổi được kích cỡ, hình dạng và độ dài của vùng ghép. Do đó làm thay đổi được đặc tính của sợi. Đối với các bộ ghép kiểu xoắn nóng chảy, người ta nhận thấy rằng khi tăng chiều dài ghép lên thì có khả năng tách được các bước sóng gần nhau hơn. Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép được kéo dài cho đến khi giá trị ghép theo yêu cầu đạt được ở những bước sóng cố định. Ví dụ: ghép nóng chảy 1300/1550 nm có độ dài ghép 20 nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB.  Phương pháp mài ghép sợi Ở phương pháp này, hai sợi quang được đặt trong hai rãnh cong nằm trong hai khối thạch anh. Tiếp đó, người ta mài cho đến khi các lõi sợi này gần lộ ra và được đặt tiếp xúc với nhau qua một lớp đầu hay epoxy. Do đó, sự ghép nối có thể thực hiện được. Ở đây, hệ số ghép nối có thể đạt đến giá trị tùy ý bằng cách thay đổi khoảng cách giữa hai sợi hay sử dụng các vật liệu có chiết suất khác nhau giữa hai khối. Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phương pháp mài ghép so với phương pháp nóng chảy là có thể điều hưởng được bằng cách dịch chuyển vị trí tương đối của hai sợi với nhau. Ghép theo phương pháp nóng chảy thì giá thành hạ, vì vậy có thể kết hợp cả hai phương pháp để đạt được hiệu quả tối ưu. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 51 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Khi cần ghép nhiều hơn hai bước sóng thì phải ghép nối tiếp các bộ ghép. Hình vẽ là bộ ghép gồm 3 mối ghép nối tiếp ở các bước sóng 1320 nm, 1280 nm và 1200 nm. Sợi quang đơn mode Vỏ sợi Vùng xoắn nóng chảy  1 1 Vỏ sợi 2 1+2  2 1+2 Hình 2.11: a) Phƣơng pháp ghép xoắn sợi; b) Phƣơng pháp mài ghép sợi 2.3.5.2. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp ghép sợi Thực tế cho thấy, băng thông của các bộ ghép bước sóng dùng phương pháp ghép sợi có đặc tính gần như hình sin. Vì vậy khó khăn trong việc lựa chọn bước sóng của nguồn quang. Do đó, việc sử dụng LED đối với các phương pháp này là không thể được vì phổ của chúng quá lớn. Như vậy, chỉ có các Laser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng để tránh suy hao cũng như xuyên âm giữa các kênh. 2.4. BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ EDFA 2.4.1. Tổng quan về công nghệ EDFA Bộ khuếch đại EDFA ra đời làm cho công nghệ truyền dẫn sợi quang phát triển nhanh chóng. Cho đến nay, EDFA đã được đưa vào khai thác và sử dụng ở hầu hết các hệ thống thông tin quang, chúng được dùng để thay thế các trạm lặp thông thường. EDFA làm việc ở bước sóng 1550 nm với hệ số khuếch đại cao, công suất ra lớn và nhiễu thấp. Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống thông tin quang thì cần có một nguồn bơm. Các Laser diode bán dẫn công suất cao là các nguồn bơm thực tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 52 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hưởng do ảnh hưởng phân cực của ánh sáng, bởi vì bão hòa xảy ra trong EDFA tồn tại trong một thời gian khá dài, do đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu tốc độ cao. 2.4.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA Khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium - Doped Fiber Amplifier). Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong ba mức hoặc bốn mức như sau. EDFA có cấu trúc là một đọan sợi quang mà lõi của chúng được cấy Er3+ với nồng độ ít hơn 0,1%. Khi một nguồn bơm photon bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm được bơm vào lõi sợi đặc biệt này, các ion Er3+ này sẽ hấp thụ các photon đó một điện từ của nó chuyển mức năng lượng từ mức cơ bản E1 lên mức kích thích E2, do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E3 ở giữa (xem giản đồ năng lượng), nên các điện tử này chuyển xuống mức năng lượng E3 theo cơ chế phân rã không bức xạ (thả không bức xạ xuống E3), sau một khoảng thời gian điện tử được kích thích này rơi trở lại mức E1 phát xạ ra photon. Hiện tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát (là cơ chế bình thường khi điện tử nhảy mức năng lượng), hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo cơ chế bức xạ kích thích, tức là do sự có mặt của cá photon mang năng lượng bằng với năng lượng dịch chuyển mức của các điện tử (trong EDFA, thì đó là photon của tín hiệu cần được khuếch đại) sẽ kích thích sự phát ra và tạo ra thêm nhiều photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng. Rất may là bức xạ này lại ở vùng bước sóng 1550 nm. Nhờ vậy tín hiệu được khuếch đại khi đi qua sợi pha tạp Erbium. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 53 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Mức kích thích E 2 Phân rã không bức xạ Mức siêu bền E3 λ=980nm λ=1480nm photon photon bơm tới Tín hiệu tới đựoc khuếch đại Er3 + Mức cơ bản E1 Hình 2.12: Giản đồ năng lƣợng của Erbium Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi EDFA: EDF Đầu vào WDM Đầu ra Bộ cách li Bộ cách li nguồn bơm Hình 2.13: Cấu trúc một EDFA đơn tầng 2.4.3. Phân loại EDFA Phụ thuộc và vị trí trong mạng quang, EDFA được chia thành: khuếch đại công suất OBA, khuếch đại đường quang OLA và tiền khuếch đại OPA. OBA là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp âm ASE có thể bỏ qua nên đối với BA không đòi hỏi phải có yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên, với mức công suất ra cao, việc sử dụng BA có thể gây ra một số hiện tượng phi tuyến. Các chức Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 54 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp năng OAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx. BA có thể tích hợp với Tx (gọi là OAT) hoặc tách riêng với Tx. OPA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA, độ nhạy thu được tăng thêm đáng kể. Các chức năng OAM đối với PA có thể tách riêng hoặc chung với Rx. Để đạt được mức tạp âm ASE thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp (nên sử dụng các loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh bước sóng trung tâm). PA có thể tích hợp với Rx (gọi là OAR) hoặc tách riêng với Rx. OLA 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. Tùy theo chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các hệ thống có sử dụng LA, đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh giám sát này (OSC – Optical Supervise Channel) không được quá gần với bước sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng giữa các kênh này. Tại mỗi LA, kênh giám sát này được chèn thêm các kênh thông tin mới (về trạng thái LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó được phát lại vào đường truyền. Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cõ vài nghìn km) có thể đạt được bằng cách chèn thêm LA vào đường truyền. Tuy nhiên, trong trường hợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau, chất lượng hệ thống có thể suy giảm nghiêm trọng do có các hiện tượng như: tích lũy tạp âm, sự phụ thuộc của phổ khuếch đại vào tổng hệ số khuếch đại, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là việc hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA. So với thiết bị đầu cuối thông thường, việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA, LA, PA) sẽ tăng quỹ công suất lên đáng kể. Với phổ khuếch đại tương đối rộng (khoảng 35 nm), khả năng khuếch đại không phụ thuộc Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 55 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp vào tốc độ và dạng tín hiệu, sử dụng khuếch đại quang rất thuận lợi trong việc nâng cấp tuyến (tăng tốc độ hoặc thêm kênh bước sóng). Nhìn chung, sử dụng khuếch đại quang có thể bù lại suy hao trong hệ thống. Như vậy, những hệ thống trước đây bị hạn chế về suy hao thì nay có thể lại bị hạn chế về tán sắc. Trong trường hợp đó, phải sử dụng một số phương pháp để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc, ví dụ như sử dụng sợi bù tán sắc hay các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài Do đặc điểm khác nhau của các loại thiết bị khuếch đại quang nên mức ưu tiên sử dụng đối với từng loại cũng khác nhau. LA đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng, hơn nữa thêm các điểm trung gian vào trên đường truyền cũng làm cho việc bảo dưỡng trở nên phức tạp hơn. Do đó, mức ưu tiên sử dụng đối với LA là thấp nhất, chỉ trong trường hợp mà khi dùng cả BA và PA mà vẫn không đáp ứng nổi yêu cầu về công suất thì mới sử dụng LA. Đơn giản nhất là việc sử dụng BA và PA để tăng quỹ đạo công suất. Tuy nhiên, do cấu hình của PA phức tạp hơn BA (vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp để loại bỏ bớt tạp âm ASE) nên giữa BA và PA thì BA vẫn được ưu tiên sử dụng hơn. Một trong các hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đông đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530 nm. Hơn nữa, trong trường hợp trên tuyến có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bước 1558 nm. Như vậy, với nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có thể từ 35 nm giảm xuống còn 10 nm hoặc hơn nữa, tùy thuộc vào số bộ khuếch đại quang liên tiếp nhau). Hiện nay, để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA có thể sử dụng một số phương pháp sau: Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 56 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại: xung quanh bước sóng 1530 nm và xung quanh bước sóng 1558 nm (trong trường hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền). Hoặc điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại đầu thu, mức công suất của tất cả các bước sóng này là như nhau. Ngoài ra, trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, một vấn đề nữa cũng cần phải xem xét là tạp âm ASE trong các bộ khuếch đại quang: tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau. Sự khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống tới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào là quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây hiện tượng bão hòa ở bộ khuếch đại. Theo tạp chí Lightwave tháng 11-1999 đã có một cải tiến đáng kể trong việc san bằng và mở rộng phổ khuếch đại của bộ khuếch đại quang. Đó là sự ra đời của bộ khuếch đại có tên là EDTFA (Erbium Doped Tellurite - Based Fiber Amplifier). Về bản chất, EDTFA giống như EDFA hay EDSFA, chỉ khác là EDSFA dựa trên nền bán dẫn Silic, còn EDTFA dựa trên nền bán dẫn Telurrium. EDTFA cho phép mở rộng phổ khuếch đại lên tới 90 nm từ bước sóng 1530 nm - 1620 nm (so với 35 nm của EDSFA). 2.5. BỘ XEN/RẼ KÊNH QUANG OADM OADM là một thiết bị được sử dụng trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng để hạ một kênh bước sóng từ sợi quang xuống, định tuyến tín hiệu sang một mạng khác hoặc ghép thêm một hay nhiều bước sóng vào luồng tín hiệu quang truyền đi trên sợi quang. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 57 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp OADM là node mạng có vai trò rất quan trọng trong mạng DWDM, làm cho mạng quang DWDM trở nên linh hoạt và đơn giản hơn nhiều với nhiều cấu hình mạng khác nhau. Chức năng của OADM tương tự như bộ ghép kênh tách nhập ADM (Add Drop Multiplexer) trong mạng SDH, nhưng đối tượng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang. Trong các node OADM, dữ liệu cần tách/ghép được truy nhập thông qua việc lọc lấy một số bước sóng quang từ luồng tín hiệu đa bước sóng trên sợi quang tại node hoặc một số bước sóng quang được ghép vào luồng tín hiệu trên sợi tại node đó. Điểm node OADM có thể chia làm hai loại: điểm node OADM tĩnh và điểm node OADM động. Trong điểm node OADM tĩnh, thực hiện việc xen/rẽ các bước sóng cố định. Trong điểm node OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tín hiệu quang có bước sóng xen/rẽ nhau. Hầu hết các chức năng chính của mạng quang được thực hiện tại node OADM. Mô hình chung của một node OADM gồm các phần tử như: modul xen/rẽ bước sóng có thể điều chỉnh được, các modul bù tán sắc điều chỉnh theo từng kênh DEM (Disperation Equalizier Module), các thiết bị giám sát quang OPM (Optical Performance Moniter). Mỗi modul này sử dụng sợi cách tử Bragg hay các phần tử dẫn sóng AWG như là các thành phần công nghệ chính, nên chúng có được các ưu điểm như suy hao thấp và thiết bị được tích hợp nhỏ gọn. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 58 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp OPM OPM Tín Tín hiệu hiệu OA Tunable OADM OA DWDM DWDM tới nút tiếp theo OPM Demultiplexer Multiplexer Tunalble DEM Tunalble DEM OPM Hình 2.14: Sơ đồ vị trí các thiết bị trong một node OADM Thiết bị OADM như trên hình 2.14 có thể cho phép xen/rẽ một kênh bước sóng đơn hoặc nhiều kênh bước sóng đồng thời. Trong tương lai, khi vai trò của lớp chuyển mạch định tuyến được chuyển dần cho lớp quang thì thiết bị OADM cần có một quá trình chuyển giao từ cấu hình tĩnh sang cấu hình động. Khi đó, các thiết bị OADM này sẽ cho phép chuyển luồng số có bước sóng này sang một bước sóng khác nếu chẳng may mạng gặp sự cố tại một nhánh nào đó, do đó tránh được mất thông tin. Hoặc việc chuyển bước sóng mang này nhằm mục đích cân bằng lưu lượng giữa các nhánh của mạng để đạt hiệu quả cao nhất cho mạng lưới, từ đó cải thiện được hiệu quả truyền thông. Các kỹ thuật sử dụng trong OADM hiện tại chủ yếu dựa trên các bộ lọc điện môi mỏng, các bộ lọc quang âm điều chỉnh được, các bộ dịch pha định tuyến bước sóng AWG, hoặc sợi cách tử Bragg. Với các bộ lọc điện môi, thiết bị OADM đạt được khoảng cách giữa các kênh là 100 GHz và lớn hơn còn với khoảng cách kênh là 50 GHz thì bộ lọc điện môi chưa thể đáp ứng được. Các bộ lọc quang âm mặc dù có ưu điểm là phạm vi điều chỉnh bước sóng rộng, song lại bị hạn chế bởi các đặc tính không thích hợp của bộ lọc băng thông. Các bộ dịch pha bước sóng AWG Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 59 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp mặc dù có ưu điểm cho hệ thống mật độ kênh cao, nhưng chúng vẫn có suy hao xen lớn, cũng có các đặc tính về băng thông chưa thật hoàn hảo. Cách tử Bragg là một triển vọng tốt cho các thiết bị OADM có khoảng cách kênh là 50 GHz với suy hao thấp, đặc tính phổ lọc tương đối tốt. Module OPM (Optical Performance Moniter) có nhiệm vụ đo đạc các thông số của kênh như: bước sóng làm việc, công suất của kênh, tỷ số S/N, số lượng kênh đang hoạt động, khoảng cách giữa các kênh độ khuếch đại và đọ gợn khuếch đại nhằm mục đích giám sát rồi thông báo cho module điều khiển hiệu chỉnh các thông số trên cho phù hợp. Thực chất, OPM như một máy phân tích quang phổ, thực hiện phân tích và đo phổ của nguồn tín hiệu. Yêu cầu đối với OPM là phải có độ tin cậy cao, tốc độ phân tích và đo đạc cao để các bản tin của nó đưa ra phản ánh chính xác tình trạng của mạng. Chính vì vậy, việc thiết kế OPM trên mạng là hết sức quan trọng. 2.6. BỘ KẾT NỐI CHÉO QUANG OXC Chức năng của điểm node OXC tương tự như chức năng nối chéo tín hiệu số của thiết bị DXC (Digital Cross Connection) trong mạng SDH, chỉ khác là OXC thực hiện việc nối chéo tín hiệu trên miền quang, không cần thực hiện chuyển đổi quang điện/điện quang và xử lý tín hiệu điện, cho nên tốc độ xử lý rất nhanh, đáp ứng được mạng thông tin tốc độ cao và hướng tới mạng toàn quang. Như vậy sẽ tạo ra nhiều dịch vụ mới, mang lại lợi ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng. Điểm node OXC được chia ra thành điểm node OXC động và điểm node OXC tĩnh. Trong điểm node OXC tĩnh, trạng thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang khác nhau là cố định, ưu điểm của nó là dễ thực hiện về công nghệ. Trong điểm node OXC động, trạng thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang khác nhau có thể thay đổi theo yêu cầu tức thời, mặc dù rất khó thực hiện về công nghệ. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 60 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong điểm node OXC, kỹ thuật biến đổi bước sóng là rất quan trọng vì nó giúp giảm nghẽn của mạng lưới, thực hiện kết nối định tuyến ảo và vận dụng tối đa tài nguyên băng tần của sợi quang. 1 1 Optical cross . Signal in . connect Signal out er . .  ,  , ,   ,  , ,  1 2 n . . 1 2 n Multiplexer Demultiplex n n N N switch Hình 2.16: OXC với ma trận chuyển mạch N x N Sự phát triển của mạng quang DWDM đòi hỏi định tuyến bước sóng quang động để có thể thay đổi cấu hình mạng linh hoạt mà vẫn giữ được bản chất “trong suốt” của mạng. Chức năng này đựoc đảm bảo bằng việc ứng dụng các bộ đấu nối chéo quang OXC. Có hai loại OXC là: OXC chuyển mạch không gian và OXC định tuyến bước sóng. Cấu trúc OXC chuyển mạch không gian gồm N cổng vào, mỗi cổng thu một tín hiệu DWDM chứa M kênh bước sóng. Bộ tách bước sóng sẽ chia tín hiệu thành các bước sóng riêng biệt và phân phối chúng tới M bộ chuyển mạch quang. Đây là các bộ chuyển mạch không gian, mỗi bộ chuyển mạch thu được N tín hiệu đầu vào có cùng một bước sóng. Một đầu vào và một đầu ra khác của bộ chuyển mạch được thêm vào để cho phép xen/rẽ các kênh đặc thù. Các bộ chuyển mạch sẽ chuyển các tín hiệu tới đầu ra tương ứng để ghép thành M bước sóng hình thành một đường tín hiệu DWDM. Mỗi OXC như vậy cần N bộ ghép sóng, N bộ tách sóng quang và (N+1)x(N+1) bộ chuyển mạch quang. Bộ chuyển mạch thường được sử dụng là ống dẫn sóng N đầu vào và N đầu ra. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 61 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Space Switches Demux Mux Added Dropped Hình 2.17: Bộ kết nối chéo chuyển mạch không gian Cấu trúc OXC chuyển mạch theo nguyên tắc chuyển đổi bước sóng quang. Đầu tiên, mỗi tín hiệu quang từ một sợi được phân chia với số nhánh bằng tổng số kênh quang cần lấy ra tại đầu ra nhờ bộ tách. Sau đó, chúng được đưa tới bộ chuyển mạch quang để lấy ra tín hiệu cần thiết. Tín hiệu được lựa chọn ra lại tiếp tục qua bộ lựa chọn bước sóng, tách ra bộ kênh quang yêu cầu để đưa chúng vào đúng bước sóng quang cần ghép đầu ra. 2.7. KHỐI BÙ TÁN SẮC Bên cạnh suy hao của sợi, tán sắc cũng là một hiệu ứng giới hạn khoảng cách truyền trong tuyến thông tin quang. Trong truyền dẫn quang, hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độ rộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân gây méo xung. Thiết bị bù tán sắc đưa ra một mức tán sắc bằng và ngược lại để điều chỉnh sự giãn xung ánh sáng. Sợi bù tán sắc (DCF – Dispersion Compensate Fiber) là loại sợi đặc biệt mà bước sóng của ánh sáng ở vùng cửa sổ 1550 nm có hệ số tán sắc không âm với khoảng 80 ps/(nm.km). Do đó, 1 km sợi DCF có thể bù tán sắc cho 5 km sợi đơn mode, khi hệ số tán sắc của sợi đơn mode là 17 ps/(nm.km). Hệ số tán sắc của sợi DCF cũng thay đổi theo tần số như sợi SFM, do đó Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 62 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp không thể có khă năng bù tán sắc tốt nếu dải tần số mở rộng. Suy hao của sợi DCF có giá trị cỡ 0,6 dBm/km và lớn hơn sợi SFM. 2.8 CÁC LOẠI SỢI QUANG SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ DWDM 2.8.1. Sợi quang G.652 Đây là sợi quang đơn mode được sử dụng rộng rãi hiện nay, còn gọi là sợi đơn mode không thay đổi vị trí tán sắc, nó có thể làm việc ở hai cửa sổ truyền dẫn 1310 nm và 1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ nhất 0 ps/(nm.km) và suy hao tương đối lớn. Ngược lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm, G.652 có suy hao nhỏ nhất (0.19 dB/km) nhưng hệ số tán sắc tương đối lớn 20 ps/(nm.km), chỉ số PMD nhỏ hơn 0.1 ps/(nm.km). Do đó, với những hệ thống DWDM với tốc độ mỗi kênh 2.5 Gbps thì sử dụng tốt, tuy nhiên, nếu tốc độ mỗi kênh lớn hơn 10 Gbps thì không thể sử dụng được sợi quang G.652. 2.8.2. Sợi quang G.653 Muốn xây dựng tuyến thông tin quang tốc độ cao mà cự ly dài thì phải sử dụng sợi quang có suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng nào đó. Hiện nay, bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, tức là sợi có tán sắc và suy hao tối ưu ở cùng một bước sóng. Sợi G.652 có tán sắc lớn ở dải sóng từ 1500 - 1600 nm, do vậy khó áp dụng vào hệ thống DWDM tốc độ cao. Sợi dịch chuyển tán sắc DSF hay còn gọi là sợi G.653, nó dịch chuyển vùng tán sắc bằng không từ 1310 nm đến vùng 1550 nm, tại đó tán sắc sợi quang là nhỏ nhất. G.653 sử dụng tốt trong dải sóng từ 1500 - 1600 nm vì tán sắc nhỏ. Tuy nhiên, trong hệ thống DWDM với mật độ kênh bước sóng cao thì DSF lại gặp phải hiệu ứng phi tuyến rất nghiêm trọng, cụ thể là hiệu ứng trộn bốn bước sóng nên ít được sử dụng trong DWDM tốc độ siêu cao. Hệ số suy hao của sợi DSF thường nhỏ hơn 0.5 dB/km ở cửa sổ 1300nm và nhỏ hơn 0.3 dB/km ở cửa sổ 1550nm. Hệ số tán sắc ở vùng bước Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 63 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp sóng 1550nm khoảng 20 ps/(nm.km), còn ở vùng bước sóng 1300nm nhỏ hơn 3.5 ps/(nm.km). Bươc sóng cắt thường nhỏ hơn 1270nm. 2.8.3. Sợi quang G.654 G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt. Loại sợi này có đặc điểm: suy hao ở bước sóng 1550 nm rất nhỏ vì lõi sợi làm bằng Silic nguyên chất. Nó có thể truyền các kênh mức công suất cao, tuy nhiên nó vẫn có tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm. Điểm tán sắc bằng không vẫn ở bước sóng 1310 nm. G.654 được sử dụng chủ yếu trong các tuyến cáp quang biển cự ly lớn. 2.8.4. Sợi quang G.655 G.655 hay còn gọi là sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ- DSF), điểm tán sắc bằng không của nó không nằm ở 1550 nm mà dịch tới 1570 nm hoặc gần 1510 - 1520 nm. Giá trị tán sắc trong phạm vi 1548 - 1565 nm là ở 1 - 4 ps/(nm.km) đủ để đảm bảo tán sắc không bằng không, trong khi vẫn duy trì được tán sắc tương đối nhỏ. Sợi quang G.655 có ưu điểm của cả hai loại sợi quang G.652 và G.653, đồng thời khắc phục được những điểm yếu cố hữu của sợi G.652 (bị hạn chế bởi tán sắc) và sợi G.653 (bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phi tuyến “trộn bốn bước sóng” nên khó áp dụng được vào mạng DWDM). Đối với G.655 thì các hiệu ứng phi tuyến như FWM, XPM và FPM là nhỏ nhất. Sợi NZ-DSF sử dụng rất tốt trong hệ thống DWDM siêu tốc, tuy giá thành nó hiện còn cao nhưng đổi lại hệ thống giảm đi bộ bù tán sắc. Có hai loại sợi: sợi NZ-DSF là sợi NZ- (dịch chuyển vùng tán sắc không tới trước bước sóng 1550 nm) và sợi NZ+ dịch chuyển vùng tán sắc không tới sau bước sóng 1550 nm. Về mặt lý thuyết đã chứng minh tốc độ truyền dẫn quang của sợi quang NZ-DSF có thể đạt được ít nhất 80 gbps. Vì vậy sợi NZ-DSF có thể đạt đựoc í nhất 80 Gbps. Vì vậy, sợi NZ-DSF là lựa chọn lý tưởng để thiết kế tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly dài. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 64 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 3 THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG DWDM 3.1. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN VIỆC THIẾT KẾ HỆ THỐNG Để triển khai được công nghệ DWDM trên mạng có rất nhiều vấn đề được đặt ra, trong đó có vấn đề thiết kế tuyến. Với các tuyến đơn kênh quang (chỉ có một kênh bước sóng), việc thiết kế tuyến tương đối đơn giản, ngược lại đối với các tuyến DWDM, việc thiết kế trở nên phức tạp hơn nhiều, đòi hỏi phải hiểu rõ về các giới hạn do suy hao, tán sắc, quỹ công suất, quỹ thời gian lên và các hiện tượng phi tuyến trong sợi quang tạo ra. Do tính chất của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng, nên việc chọn lựa bước sóng hoạt động là một vấn đề quan trọng trong thiết kế. Lúc đầu, sự tổn hao của sợi quang được xem là yếu tố lớn nhất trong việc hạn chế độ dài của mỗi kênh quang. Tuy nhiên, với tốc độ dữ liệu lớn, số xung chiếm ít hơn và ít khe thời gian. Tốc độ tán sắc và phi tuyến (SPM, XPM, FWM) là những vấn đề đáng quan tâm. Như đã biết, liên kết quang được thiết kế bởi hệ số phẩm chất đó là tỷ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống. Thực tế, với mạng WDM, BER = 10-12 (10-9 – 10-12), nghĩa là tối đa có 1 trong 1012 bit bị lỗi trong quá trình truyền. Sự tán sắc là sự mở rộng của một xung trong miền thời gian, thường do tác động lớn của quang phổ. Tác động có hại của sự mở rộng xung là ISI. Nếu giả sử ISI không bao giờ xảy ra thì vẫn có một lượng nhỏ tán sắc có hại tác động vào. Bằng việc đặt các bộ khuếch đại quang có thể làm nâng cao hiệu suất của tín hiệu quang để tách quang. Cường độ của sóng điện từ truyền qua sợi quang dẫn đến phi tuyến. Chiết suất có thành phần phi tuyến phụ thuộc vào mức tín hiệu. Phi tuyến tạo ra sự dịch pha phi tuyến øNL: Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 65 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 1 e L  ø  (3.1) NL = n2 w0  (3.2) cAeff Trong đó:  là hệ số phi tuyến n2 là hệ số vỏ Aeff là diện tích mặt cắt ngang của lõi Trong thông tin quang, lightpath cần được thiết kế giữ ở mức dịch pha cho phép lớn nhất øNL < 1. Điều chế tự dịch pha (SPM) không hoạt động một mình mà thường hoạt động cùng với vận tốc nhóm (GVD) tương ứng qua độ dài của sợi quang. Công suất kênh đầu vào cần được tối ưu hóa để đảm bảo độ tán sắc. Theo toán học. độ dịch pha được biểu diễn: 1 e L  NL  P 2 W P i i  k (3.3) k 1 k 1 Trong đó: W là tổng số các kênh th Pk là công suất của kênh k Độ dịch pha lớn nhất (cho 1 bit) là: NL  max 2w 1Pi (3.4) Quỹ công suất: Mục đích của quỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sống của hệ thống. Quỹ công suất của tuyến có thể xem như là công suất tổng PT nằm giữa nguồn phát quang và bộ tách sóng quang. Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi, suy hao bộ nối quang, suy hao mối hàn và dự phòng cho hệ thống. Nếu gọi PS là công suất quang của nguồn phát được đưa vào đầu ghép sợi và PR là độ nhạy của bộ thu quang thì: PT = PS - PR= 2lC + f.L + dự phòng hệ thống (3.23) Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 66 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong đó: lC là suy hao bộ nối quang f là suy hao sợi L là cự ly truyền dẫn Quỹ thời gian lên: Mục đích của quỹ thời gian lên là bảo đảm rằng hệ thống có khả năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn. Thời gian lên tổng cộng của toàn hệ thống có thể lấy gần đúng như sau: 1 2 2 2 2 2 Tr Ttr T fiber Trec Trong đó: Ttr, Tfiber và Trec là các thời gian lên tương ứng với máy phát, sợi quang và máy thu. Thời gian lên của máy phát và máy thu thường được biết khi thiết kế hệ thống. 3.2. THIẾT KẾ TUYẾN ĐIỂM - ĐIỂM Tuyến điểm - điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của hệ thống thông tin quang. Vai trò của chúng là chuyển tải thông tin trong dạng luồng số bit từ một nơi này đến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể được. Chiều dài tuyến có thể thay đổi từ nhỏ hơn 1 km (cự ly ngắn) đến hàng ngàn km (cự ly dài), phụ thuộc vào ứng dụng. Khi chiều dài tuyến vượt quá một giá trị nào đó, nằm trong khoảng từ 20 - 100 km phụ thuộc vào bước sóng công tác, cần thiết phải bù đắp các suy hao trong sợi quang, ngược lại tín hiệu có thể quá yếu để có thể tách ra ở phía thu. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 67 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Transmitter Regenerator Regenerator Receiver Tx Rx Tx Rx Tx Rx a) Tx Amp Amp Rx Transmitter Amplifier Amplifier Receiver b) Hình 3.1: Các tuyến điểm-điểm có bù suy hao định kỳ bằng cách a) sử dụng các trạm tái tạo ; b) sử dụng khuếch đại quang Hình 3.1 trình bày hai sơ đồ thường sử dụng bộ suy hao quang. Các bộ lặp quang điện còn được gọi là trạm tái tạo bởi vì chúng tái tại lại tín hiệu quang. Hình 3.1a), bộ tái tạo là một cặp thu - phát tách tín hiệu quang đến, khôi phục lại bit điện rồi chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu quang bằng cách điều chế một nguồn quang. Các bộ khuếch đại quang giải quyết vấn đề suy hao nhưng chúng bổ sung thêm nhiễu và làm trầm trọng thêm ảnh hưởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến bởi vì sự suy giảm tín hiệu sẽ được tích lũy ở các tầng khuếch đại. Thực tế, các hệ thống thông tin quang được khuếch đại một cách định kỳ thường bị giới hạn bởi tán sắc trừ khi các kỹ thuật bù tán sắc được sử dụng. Các bộ lặp quang điện không bị ảnh hưởng bởi vấn đề này bởi vì chúng tái tạo lại các luồng bit ban đầu, do đó bù trừ hiệu quả tất cả các nguồn suy giảm tín hiệu một cách tự động. Để thay thế cho bộ lặp quang điện tử, bộ tái tạo quang phải thực hiện ba chức năng tương tự - tái tạo (regenerator), sửa dạng (reshaping) và định thời lại (retiming) tín hiệu, nên được gọi là bộ lặp 3R. Khoảng cách L giữa các bộ tái tạo hoặc bộ khuếch đại quang thường được gọi là khoảng lặp (repeater spacing) là một tham số thiết kế chủ yếu vì Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 68 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp giá thành hệ thống giảm khi L tăng nhưng tán sắc khoảng cách L phụ thuộc vào tốc độ bit B. Tính tốc độ bit - khoảng cách, thông thường được sử dụng như là thước đo chất lượng của các tuyến điểm - điểm. Tích BL phụ thuộc vào bước sóng hoạt động vì cả suy hao và tán sắc trong sợi quang đều phụ thuộc vào bước sóng. 3.3. MẠNG QUẢNG BÁ VÀ PHÂN BỐ Nhiều ứng dụng của hệ thống thông tin quang đòi hỏi thông tin không chỉ được truyền đi mà còn phải được phân bố đến một nhóm thuê bao. Các mạng phân bố có khoảng cách truyền là ngắn (< 50 km) nhưng tốc độ bit có thể cao (đến 10 Gbps và hơn nữa). hub hub hub hub a) 1 3 N Bus 2 4 N-1 b) Hình 3.2: a) Topo hub ;b) Topo bus dành cho mạng phân bố Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 69 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong trường hợp topo hub, phân bố kênh đặt ở vị trí trung tâm (hay các hub), nơi mà thiết kế kết nối chéo tự động chuyển mạch các kênh trong miền điện. Những mạng như vậy được gọi là mạng đô thị (MAN) bởi vì các hub thường được đặt ở các thành phố lớn. Vai trò của sợi quang tương tự như trường hợp đối với tuyến điểm - điểm bởi vì băng thông của sợi thông thường lớn hơn yêu cầu bởi một trạm hub riêng biệt, một vài trạm có thể chia sẻ cùng một sợi quang được xuất phát cho hub chính. Vấn đề cần quan tâm đối với mô hình hub là sự gián đoạn cáp quang có thể ảnh hưởng đến dịch vụ đối với phần lớn mạng. Có thể sử dụng các tuyến nối điểm - điểm bổ sung nối các hub quan trọng trực tiếp với nhau để bảo vệ chống lại sự cố này. Trong trường hợp topo bus, một sợi quang mang tín hiệu quang đa kênh suốt cả vùng dịch vụ. Sự phân bố được thực hiện bằng cách sử dụng các nối phân nhánh quang (optical tap), có tác dụng làm chệch hướng một phần nhỏ công suất quang đến mỗi thuê bao. Một vấn đề với topo bus là suy hao tín hiệu tăng theo hàm mũ với số lượng nối phân nhánh và số lượng thuê bao được phục vụ bởi một bus quang. Khi suy hao sợi có thể bỏ qua, công suất nối ở phân nhánh thứ N là: N-1 PN = PTC[(1 - δ)(1 - C)] (3.5) Trong đó: PN là công suất phát C là phần công suất được tách ra trên mỗi nối phân nhánh δ là suy hao xen được giả định là như nhau tại mỗi nối phân nhánh. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ khuếch đại quang có thể làm tăng công suất quang một cách định kỳ, do đó sự cho phép phân bố đến một số lượng lớn các thuê bao dài cho đến khi ảnh hưởng của tán sắc còn có thể bỏ qua. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 70 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 3.4. MẠNG CỤC BỘ LAN Nhiều ứng dụng của công nghệ truyền dẫn quang đòi hỏi các mạng trong đó phần lớn người dùng trong mạng cục bộ được kết nối với nhau theo cách mà bất kỳ người dùng nào cũng có thể truy nhập mạng một cách ngẫu nhiên để truyền dữ liệu đến những người dùng khác. Các mạng này được gọi là các mạng cục bộ (LAN). Các mạng truy nhập quang được sử dụng trong vòng thuê bao nội hạt cũng thuộc loại này. Do khoảng cách truyền dẫn tương đối ngắn (<10 km), suy hao trên sợi quang đáng quan tâm đối với các ứng dụng trên mạng LAN, động cơ chính thúc đẩy việc sử dụng sợi quang chính là băng thông rộng. 1 2 N node a) N-1 2 1 3 node Star N cupler 4 b) Hình 3.3: Cấu trúc a) mạng vòng ;b) mạng hình sao trong mạng LAN Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 71 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong topo vòng, các node liền kề được kết nối bằng các tuyến điểm - điểm hình thành một vòng khép kín. Mỗi node có truyền hoặc nhận dữ liệu bằng cách sử dụng một cặp máy phát - thu, có thể hoạt động như một trạm lặp. Một thẻ token được truyền quanh vòng. Mỗi node sẽ giám sát luồng bit để lắng nghe địa chỉ riêng và nhận dữ liệu. Nó cũng có thể truyền bằng cách nối vào một thẻ rỗng. Trong cấu hình sao, tất cả các node được kết nối đến node trung tâm gọi là hub hay đơn giản là hình sao bằng các liên kết điểm - điểm. Các mạng LAN như vậy tiếp tục phân loại nhỏ hơn thành các mạng hình sao tích cực hay thụ động, phụ thuộc vào node trung tâm là thiết bị thụ động hay tích cực. Đối với cấu hình sao được hình thành từ các bộ coupler định hướng, công suất còn giảm hơn nữa do suy hao xen và được tính như sau: log N PN = (PT/N)(1 - δ) 2 (3.6) Trong đó: δ là suy hao xen của mỗi coupler định hướng 3.5. THIẾT KẾ MẠNG ĐIỂM - ĐIỂM DỰA TRÊN HỆ SỐ Q VÀ OSNR Để thiết kế một mạng bắt buộc phải thiết kế hệ thống có tỷ số lỗi bit BER cho trước. Tỷ số lỗi bit Q (dB) Hình 3.4: Quan hệ của Q với BER I I Ta có: Q = 1 0 (3.7)  0  1 Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 72 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Trong đó: I1 là giá trị của dòng bit 1 I0 là giá trị của dòng bit 0  1 là độ lệch chuẩn của dòng bit 1  0 là độ lệch chuẩn của dòng bit 0 Mối quan hệ của hệ số Q với BER: 1 Q BER = erfc (3.8) 2 2 3.5.1. Cách tính hệ số Q từ OSNR OSNR là tham số quan trọng nhất được kết hợp với tín hiệu quang. Đó là một đại lượng đo được. B0 QdB = 20log OSNR (3.9) Be B0 QdB = OSNR + 10log (3.10) Be Trong đó: B0 là dải quang của thiết bị cuối (tách quang) Be là dải điện của bộ lọc thu 3.5.2. Cách tính OSNR cho mạng điểm - điểm Xét đường AB. Khuếch đại được đặt theo chu kỳ với khoảng cách lặp lại để nâng cao công suất tín hiệu lên. Mỗi lần khuếch đại, nó là thành phần riêng của nhiễu khuếch đại phát xạ tức thời và làm giảm bớt OSNR. Mỗi bộ khuếch đại sẽ vẫn khuếch đại tạp âm hiện tại. Hình 3.5: Khuếch đại đa miền trong mạng điểm-điểm Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 73 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp Dựa trên OSNR để thiết kế phải đảm bảo OSNR ở mức cuối phù hợp với hệ thống OSNR, do đó BER mới đạt yêu cầu. OSNR ở mỗi mức là: P OSNR = in (3.11) NFmuc hf Trong đó: NFmức là hệ số nhiễu của mức h: hằng số Plank = 6.6260 x 10-34  : tần số quang = 193 THz f : dải thông được tính bằng NF (thường là 0.1 nm) Tổng OSNR của toàn hệ thống: 1 1 1 1 1   (3.12) OSNR OSNR1 OSNR2 OSNRN i OSNRi Cho khuếch đại đơn có độ lợi G. Ta có: P P OSNR = in in (3.13) PASE 2nsp (G 1)hf N 2 nsp = (3.14) N 2 N1 Trong đó: nsp là hệ số phát xạ tự phát N2: số hạt electron ở trạng thái cao hơn N1: số hạt electron ở trạng thái thấp hơn Hệ số phát xạ tự phát cũng được tính theo công thức: NF 10 nsp = 0.5 x 10 (3.15) Do đó: OSNRdb = 1.5893 + Pin -  (db) - NFdb - 10logN – 10logf (3.16) Cho f = 0.1 nm hay 12.5 GHz. Ta sẽ có: OSNRdb = 58 + Pin - (db) - NFdb - 10logN (3.17) Trong đó: NF là hệ số nhiễu ở mỗi bộ khuếch đại là như nhau là hệ số chồng lắp Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 74 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp 3.5.3. Tính toán OSNR bằng khuếch đại Raman Hình 3.6: Khuếch đại Raman đa mức OSNR của mức cuối được tính theo công thức: 1 1 1   (3.18) OSNR i OSNRi(muc) i OSNRRA PiniGRA(i) OSNRi(muc) = (3.19) NFi hf 3.6. QŨY THỜI GIAN LÊN Mục đích của quỹ thời gian lên là bảo đảm rằng hệ thống có khả năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn. Thậm chí, nếu dải thông của các thành phần riêng lẻ của hệ thống vượt quá tốc độ bit, vẫn có thể xảy ra trường hợp toàn hệ thống có thể không hoạt động được ở tốc độ bit đó. Thời gian lên Tr của một hệ thống tuyến tính được định nghĩa là thời gian trong khoảng đó đáp ứng tăng từ 10 - 90% của giá trị ngõ ra cuối cùng khi ngõ vào bị thay đổi đột ngột. Trong một hệ thống tuyến tính, giữa dải thông f và thời gian lên Tr có mối quan hệ nghịch đảo. Ba thành phần của hệ thống thông tin quang có các thời gian lên riêng. Thời gian lên tổng cộng của toàn hệ thống có thể lấy gần đúng như sau: 1 2 2 2 2 2 Tr Ttr T fiber Trec (3.20) Trong đó: Ttr, Tfiber và Trec là các thời gian lên tương ứng với máy phát, sợi quang và máy thu. Thời gian lên của máy phát và máy thu thường được biết khi thiết kế hệ thống. Thời gian lên của máy phát Ttr được xác định chủ Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 75 Lớp ĐT1001
Đồ án tốt nghiệp yếu bởi các thành phần điện tử của mạch điều khiển và các phần tử ký sinh điện liên quan đến nguồn quang. Thường Ttr khoảng vài ns đối với máy phát sử dụng Led, nhưng có thể nhỏ hơn 0.1 ns đối với máy phát sử dụng Laser. Thời gian lên của máy thu Trec được xác định chủ yếu bởi dải thông điện 3 dB sau tách quang. Thời gian lên của sợi quang Tfiber: 2 2 2 T fiber Tmode Tchr (3.21) Trong đó: Tmode là tán sắc mode Tchr là tán sắc màu trong sợi quang 3.7. YÊU CẦU VỀ QUỸ CÔNG SUẤT Trong môi trường truyền dẫn cáp sợi quang, quỹ công suất là một yếu tố rất quan trọng nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường. Mục đích của quỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sống của hệ thống. Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang, trên các bộ nối quang và tại các mối hàn. Tổng suy hao trên toàn tuyến nhận được từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến. Suy hao của từng phần tử được tính: P1 A(dB)= 10log (3.22) P2 Trong đó: P1, P2 là các công suất quang đầu vào và đầu ra của phần tử. Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ở trên, ta còn phải có một lượng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của các thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần. Dự phòng cho tuyến thường thường từ 6 - 8 dB. Chính vì vậy mà quỹ công suất của tuyến có thể xem như là công suất tổng PT nằm giữa nguồn phát quang và bộ tách sóng quang. Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi, suy hao bộ nối quang, suy hao mối hàn và dự phòng cho hệ thống. Sinh viên: Trần Thị Kim Chi 76 Lớp ĐT1001