luận văn thạc sĩ hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao

1

bộ giáo dục và đào tạo
viện đại học mở hà nội





luận văn thạc sĩ
ngành: điện tử viễn thông


Đề tài:
hệ thống truyền dẫn quang
tốc độ cao






Ngời hớng dẫn khoa học: GS.TS Trần Đức Hân
Học viên: Trần trung hiếu

hà nội - 2012


1
LờI CảM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn GS. TS Trần Đức Hân đ
tận tình chỉ dạy và hớng dẫn tôi trong suốt thời gian học tập và làm
luận văn .
Tôi cũng xin gửi lời biết ơn chân thành đến quý thầy giáo, cô
giáo Viện Đại Học Mở Hà Nội đ tận tình chỉ dạy, trang bị cho tôi
những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trờng.
Xin chân thành cảm ơn Cán bộ công chức, Giảng viên Khoa sau
Đại Học - Viện Đại Học Mở Hà Nội. Cảm ơn tất cả anh chị em học
viên Cao học Điện tử khóa 3 đ tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình học tập và làm luận văn.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn Gia đình, bạn bè đồng nghiệp
đ giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn này!.

Hà Nội, tháng 10 năm 2012.
Tác giả


Trần Trung Hiếu

2

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn "Hệ
thống truyền dẫn quang tốc độ cao" đợc viết dựa trên kết quả
nghiên cứu theo đề cơng bởi cá nhân tôi dới sự hớng dẫn của
GS. TS Trần Đức Hân. Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều
đợc trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng theo đúng luật bản quyền
quy định. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn
của mình.
Học viên cao học


Trần Trung Hiếu

3

Mục lục
LờI CảM ƠN 1
Lời cam đoan 2
mục lục 3
danh mục hình vẽ 6
danh mục bảng 7
Lời nói đầu 9
thuật ngữ viết tắt 11
tóm tắt luận văn..10
Chơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang wdm 14
1.1. Cấu hình hệ thống thông tin quang 14
1.2. Hiện trạng tốc độ hệ thống WDM 16
1.3. Các thông số truyền dẫn quang cơ bản 19
1.3.1. Bớc sóng, tần số và khoảng cách kênh 19
1.3.2. Các tiêu chuẩn bớc sóng 21
1.3.3. Công suất và suy hao 22
1.4. Những giải pháp nâng cao tốc độ truyền dẫn quang 23
1.5. Ưu điểm của các hệ thống tốc độ cao 25
1.6. Các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao 25
Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao 27
2.1. Máy thu/phát quang tốc độ cao 27
2.1.1. Nguồn phát xung quang rất ngắn 27
2.1.2. Ghép kênh phân chia thời gian quang (OTDM) 28
2.2. Đờng truyền tốc độ cao 29
2.2.1. Trạm lặp quang 2R/3R 29
2.2.2. Hệ thống điều chế và giải điều chế 30

2.2.3. Bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao 32
2.2.4. Bù tán xạ mode phân cực 33
2.2.5. Sợi quang dùng trong hệ thống 160Gb/s 34
2.3. Bộ khuếch đại trong hệ thống 160Gb/s 35
2.3.1. Khuếch đại quang sợi pha đất hiếm 35
2.3.2. Khuếch đại quang sợi Raman 36


4
2.3.3. Khuếch đại quang tham số 36
2.3.4. Khuếch đại quang bán dẫn chấm lợng tử 37
Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc
độ cao 38
3.1. Máy thu quang 38
3.1.1. Giới thiệu 38
3.1.2. Hệ số phẩm chất 39
3.1.3. Nhiễu máy thu 41
3.1.4. Kết quả mô phỏng 43
3.1.5. Độ nhạy máy thu 44
3.1.6. Giới hạn hệ số phẩm chất 47
3.2. Khuếch đại đờng truyền 49
3.2.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 49
3.2.1.1. Nguyên tắc hoạt động của EDFA 50
3.2.1.2. Phân tích nhiễu trong đờng truyền dùng EDFA 51
3.2.2. Khuếch đại Raman 54
3.3. Một số hệ thống truyền dẫn 160Gbps và 40Gbps 57
3.3.1. Hệ thống 10Gbps 58
3.3.2. Hệ thống 40Gbps 59
3.3.3. Hệ thống 160Gbps 59
Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao 62

4.1. Tán xạ trong sợi quang 62
4.2. Tán sắc trong hệ thống truyền dẫn 160Gb/s 62
4.2.1. Gin xung do tán sắc 62
4.2.2. Giới hạn tán sắc tuyến tính 64
4.3. Bù tán sắc trong hệ thống 66
4.3.1. Bù tán sắc bằng sợi tán sắc cao 67
4.3.2. Bù tán sắc trớc tối u 70
4.4. Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang 72
4.5. Chiết suất phi tuyến 74
4.5.1. Tự điều chế pha 75
4.5.2. Trộn 4 bớc sóng (FWM) 78
4.5.3. Điều chế pha chéo (XPM) 79
4.6. Tán xạ phi tuyến 82
4.6.1. Tán xạ kích thích Raman (SRS) 82


5
4.6.2. Tán xạ kích thích Brillouin (SBS) 85
Chơng 5: Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang 88
5.1. Bù tán sắc 88
5.2. Bù suy hao trên đờng truyền 89
5.3. Tính toán nhiễu trên đờng truyền 90
5.4. Đánh giá chất lợng tuyến (OSNR, Q, BER) 91
5.5. Chơng trình mô phỏng tính toán 92
Kết luận 95
Tài liệu tham khảo 96
Phụ lục 97

6
danh mục hình vẽ

Hình 1.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn quang 14

Hình 1.2. Hoạt động bộ điều chế dữ liệu 15

Hình 1.3. Sơ đồ máy thu và máy phát dùng ghép kênh quang 18

Hình 1.4. Nguyên tắc bộ hấp thụ bo hoà 19

Hình 1.5. Lới sử dụng tần số trong hệ thống WDM do ITU quy định 22

Hình 1.6. Các vấn đề trong thực hiện hệ thống tốc độ cao 23

Hình 2.1. Hệ thống OTDM 29

Hình 2.2. Cấu hình cơ bản của trạm lặp toàn quang 3R 30

Hình 3.1. Cấu trúc bộ thu quang 38

Hình 3.2. Tín hiệu điện sau khi qua bộ tách sóng quan và xác suất
mật độ Gaussian 40

Hình 3.3. Mô phỏng nhiễu theo công thức trung bình với các giá trị tiền
khuếch đại khác nhau. B
0
= 80GHz, B
e
= 40GHz, OSNR = 30dB trong băng

thông quang 0.1nm 43

Hình 3.4. Kết quả mô phỏng độ nhạy theo hệ số tiền khuếch đại tại các tốc độ
bit khác nhau 44

Hình 3.5. Nhiễu (màu đỏ) và tín hiệu quang (xanh) đến máy thu 45

Hình 3.6. Hệ số phẩm chất theo công suất trung bình với các hệ số tiền
khuếch đại khác nhau (G = 15, 18 và 20dB). OSNR = 20dB trong
B
ref
= 0.1nm, B
0
= 2B
e
= 5,10 và 80GHz tơng ứng với tốc độ 2.5Gb/s, 10Gb/s
và 40Gb/s 46

Hình 3.7. Hệ số phẩm chất theo công suất trung bình (OSNR = 20dB trong
0.1nm) không dùng tiền khuếch đại. B
0
= 2 x tốc độ bit và B
e
= 0,7 x tốc độ bit
= 1.75,7 và 28GHz tơng ứng với các tốc độ 2.5, 10 và 40Gbps 48

Hình 3.8. Mô hình 3 mức hoạt động của EDFA 51

Hình 3.9. Cấu trúc đờng truyền quang dùng khuếch đại 52

Hình 3.10. OSNR (trong băng thông 0.1nm) theo công suất trung bình và chặng
truyền dẫn (suy hao 20dB mỗi chặng). OSNR đầu vào là 40dB trong 0.1nm 53

Hình 3.11. OSNR (trong 0.1nm) theo cự ly truyền với 3 chiều dài mỗi chặng khác
nhau. OSNR đầu vào là 40dB trong 0.1nm. OSNR yêu cầu để Q = 6 là 25dB 54

Hình 3.12. Phổ khuếch đại Raman 56

Hình 3.13. Khuếch đại Raman 57



7
Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn 58

Hình 3.15. Hệ thống khuếch đại 2 tầng EDFA 60

Hình 3.16. Hệ số phẩm chất Q theo cự ly truyền với công suất trung bình
0dBm và OSNR tại máy phát là 35dB 61

Hình 4.1. Biến đổi xung do tán sắc tích luỹ (độ rộng xung ban đầu 2.5ps) 65

Hình 4.2. Hệ thống truyền dẫn N chặng, lợng bù tán xạ trớc D
pre
và tán xạ
d mỗi chặng D
res
70

Hình 4.3: (a) Công suất truyền trong chiều dài sợi quang (b) mô hình tơng

ứng của chiều dài hiệu dụng 73

Hình 4.4: Sự điều chế qua lại (a) giữa 2 tín hiệu vào (
1
,
2
); (b) giữa 3 tín
hiệu vào ((
1
,
2
,
3
) và tạo ra các thành phần tần số mới 79

Hình 4.5: XPM ảnh hởng đến xung tín hiệu ở những vị trí chồng lặp khác nhau 80

Hình 4.6. Hàm công suất bù Raman theo số kênh với một số giá trị công suất
kênh P
ch
. Khoảng cách kênh là 100GHz và các kênh có cùng công suất 84

Hình 4.7: Nguyên tắc SBS 85

Hình 5.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn cự ly 3 chặng x 100km 88




8

danh mục bảng biểu

Bảng 1.1. Thông số sợi quang 17

Bảng 1.2. Giới hạn lý thuyết của cự ly truyền theo PMD 17

Bảng 2.1. Nguồn xung quang tốc độ cao 28

Bảng 2.2. Hiệu quả phổ của NRZ 31

Bảng 3.1. Giới hạn Q theo OSNR (dB) của bộ lọc điện băng thông 28GHz 48

Bảng 3.2. Giới hạn Q theo OSNR (dB) của bộ lọc điện
băng thông 112GHz 48

Bảng 4.1. Công suất bù theo hàm của tán xạ tích luỹ 66

Bảng 4.2. Thông số các sợi quang và sợi bù tơng ứng 69



9

Lời nói đầu

Các hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày nay là thành phần chính của
các mạng mặt đất và trên biển với cự ly xa. Đó là kết quả của rất nhiều nghiên
cứu và giải pháp hiện nay vẫn đang đợc tiếp tục.
Các hệ thống thông tin quang đầu tiên đợc lắp đặt trong những năm 80
với tốc độ bít vài Mbps đến 560Mbps. Dung lợng của các hệ thống này tơng

đơng với các hệ thống truyền dẫn cáp đồng trục nhng chúng có một u
điểm chính là khoảng cách giữa các trạm lặp khoảng 70km cho hệ thống
truyền dẫn mặt đất. Tiếp theo là giảm số lợng các trạm lặp quang là vấn đề
chính trong các hệ thống truyền dẫn trên biển.
Vào đầu những năm 1990, hệ thống quang dung lợng cao đầu tiên ra
đời. Hệ thống này có tốc độ bít 2,5Gbps, bớc sóng 1550nm với khoảng cách
các trạm lặp là 90km (trạm lặp toàn quang hoặc trạm lặp quang điện). Từ giai
đoạn này, các hệ thống quang có dung lợng và chất lợng cao hơn các hệ
thống vô tuyến.
Sự phát triển nhanh chóng của mạng toàn cầu do sự phát triển của Web
và các ứng dụng của nó. Do đó dẫn đến nhu cầu tăng dung lợng để đảm bảo
truyền dẫn số liệu.
Việc tăng tốc độ kênh là cần thiết vì lý do kinh tế. Đó là lý do tại sao
các hệ thống 10 Gbps đang dần thay thế các hệ thống 2,5 Gbps. Để tăng tốc
độ bít trên kênh cần có đầy đủ các linh kiện điện tử cơ bản và các linh kiện
quang điện tử. Theo phơng pháp này, điều chế và giải điều chế sóng quang
có thể thực hiện đợc. Các thiết bị này đáp ứng đợc tốc độ 2,5 Gbps vào đầu
những năm 90, tốc độ 10Gbps vào năm 1998. Với tốc độ 40Gbps thì thiết bị
đầu tiên xuất hiện vào năm 2001.
Tất cả các vấn đề truyền lan sóng ánh sáng trong hệ thống WDM tốc độ
cơ sở 10Gbps sẽ càng mạnh lên trong hệ thống 40Gbps và càng nghiêm trọng
hơn ở tốc độ 160Gbps.


10
Luận văn sẽ trình bày một số nội dung liên quan đến hệ thống truyền
dẫn tốc độ cao, đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang 160 Gb/s. Luận văn tập
trung nghiên cứu ảnh hởng của nhiễu từ các nguồn nhiễu khác nhau đến chất
lợng hệ thống tốc độ cao và đa ra các yêu cầu cần thiết cho các thiết bị thu
phát, các bộ khuếch đại trên đờng truyền. Với tốc độ cao nh thế, việc quản

lý bù tán sắc và chống lại các hiệu ứng phi tuyến nh SPM, XPM, và FWM là
rất quan trọng. Luận văn cũng đa ra phơng pháp bù tán sắc tối u để đảm
bảo hạn chế đợc ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến.
Nội dung cụ thể gồm các chơng sau:
Chơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM
Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao
Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn
quang tốc độ cao
Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao
Chơng 5: Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao
Mặc dù đ có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành đề
tài song do trình độ và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót,
rất mong nhận đợc ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, chuyên gia
chuyên ngành, đồng nghiệp, em xin chân thành cảm ơn!.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Học viên


Trần Trung Hiếu






11
thuËt ng÷ viÕt t¾t

APD : Avalanche Photodiode
ASE : Amplified Spontaneous Emission

BA : Booster Amplifier
BER : Bit Error Ratio
DFB : Distributed Feedback
DM : Dispersion Management
DSF : Dispersion Shifted Fiber
EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier
ESA : Excited State Absorption
FWHM : Full Width Half Max
FWM : Four Wave Mixing
GVD : Group Velocity Dispersion
LA : Line Ampifier
LD : Laser Diode
LEAF : Lerger Effective Area Fiber
MZ : Mach - Zehnder
MMF : Multi-Mode Fiber
NRZ : Non-Return to Zero
NZ-DSF : Nonzero Dispersion Shifted Fiber
NEP : Noise Equivalent Power
NF : Noise Figure
O/F : Optical_Electric converter
OEIC : Optoelectronic Intergrated Circuit
PA : Power Amplifier
PMD : Polarization Mode Dispersion
PRBS : Psedo-Random Bit Sequences
PIN : P_type Intrinsic N_type
SBS : Simulated Brilium Scattering


12
SOA : Semiconductor Optical Amplifier

SNR : Signal to Noise Rate
SMF : Single Mode Fiber
SPM : Self Phase Modulation
SRS : Stimulated Raman Scattering
TL : Teralight
RZ : Return to Zero
WDM : Wevelength Division Multiplexing
XPM : Cross Phase Modulation




















13
Tóm tắt luận văn

Luận văn "Hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao" gồm 5 chơng với
nội dung sau:
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang WDM chủ yếu đề
cập đến các khái niệm cơ bản và thành phần chủ yếu của hệ thống thông tin
quang ghép kênh theo bớc sóng (WDM), tình hình hiện tại của hệ thống và
xu hớng phát triển.
Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao trình bày tập trung vào
các tuyến quang tốc độ cao nh 40Gb/s, 160Gb/s mỗi kênh. Các yêu cầu với
các thành phần đờng truyền tốc độ cao, vấn đề và giải pháp.
Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu đến hệ thống tốc độ cao.
Chơng này tập trung tính toán nhiễu từ các nguồn nhiễu khác nhau trên tuyến
truyền dẫn quang. Dùng phần mềm Matlab để khảo sát và đa ra kết quả các
chỉ tiêu về công suất, cự ly truyền dẫn để đảm bảo chất lợng hệ thống.
Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống tốc độ
cao. Chơng này tập trung đánh giá ảnh hởng của tán sắc, các hiệu ứng
quang phi tuyến đến hệ thống tốc độ cao, đặc biệt là 160Gb/s. Đồng thời, đa
ra kỹ thuật bù tán sắc trớc để giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến.
Chơng 5: Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang. Phần này
xây dựng chơng trình tính toán mô phỏng bằng phần mềm Visual Basic cho
các kết quả trong chơng 3 và 4.
Các từ khóa chính trong luận văn: (1) Hệ thống quang tốc độ cao (2).
Hệ thống thông tin quang tốc độ 160Gb/s (3). Nhiễu trên đờng truyền quang
(4). Tán sắc và bù tán sắc (5) Tính toán hệ số phẩm chất Q, BER.


14
Chơng 1
Tổng quan hệ thống thông tin quang wdm
1.1. Cấu hình hệ thống thông tin quang
Đầu tiên, chúng ta xem xét cấu hình một đờng truyền dẫn quang nói

chung gồm những thành phần sau.

Hình 1.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn quang

Có thể thấy trên hình trên phần phát quang gồm 3 khối: khối tạo dữ liệu
cần truyền đi thờng là tín hiệu điện và cần phải chuyển thành tín hiệu quang.
Dữ liệu này đợc m hoá quang bằng nhiều phơng pháp khác nhau. Cách
thông dụng nhất là m hoá NRZ và RZ. Bộ điều chế quang điện là thành phần
quan trọng trong máy phát quang, nó sẽ điều chế tín hiệu quang đầu vào theo
biên độ của tín hiệu dữ liệu vào nh minh hoạ trên hình 1.2.
Sử dụng kỹ thuật WDM sẽ tăng đợc dung lợng truyền dẫn. Một số
kênh bớc sóng đợc ghép vào một sợi quang. Tất cả các kênh có độ rộng phổ
bằng nhau và đợc đặc trng bằng khoảng cách kênh và hiệu quả ghép kênh
đợc xác định bằng tỷ số:


15
Channel _ bit _ rate
Spectralefficiency
Channel _Spacing
=


Hình 1.2. Hoạt động bộ điều chế dữ liệu

Một đờng truyền gồm một số chặng chia cách bằng các vị trí đặt bộ
khuếch đại. Độ dài mỗi chặng trong các hệ thống truyền dẫn mặt đất khoảng
80 đến 100km.
Các bộ khuếch đại có 2 chức năng chính là bù suy hao và bù tán xạ trên
đờng truyền. Các bộ khuếch đại này có thể là các bộ khuếch đại pha tạp

Erbium (EDFA) hoặc bộ khuếch đại phân bố dùng hiệu ứng Raman trong sợi
quang.
Bộ khuếch đại cũng có nhiệm vụ bù tán sắc do hiện tợng tán sắc của
sợi quang trên đờng truyền làm dn xung ánh sáng. Khối bù tán sắc sẽ khôi
phục xung quang về độ rộng ban đầu của nó. Nếu bỏ qua nhiễu, hiệu ứng phi
tuyến và phân cực trong sợi quang chúng ta có thể thu đợc các xung quang
giống nh phía phát nếu tán sắc đợc bù hoàn toàn.
Phần add-drop đợc dùng để trích một phần tín hiệu trong tổng số tín


16
hiệu quang truyền đi hoặc thêm một số dữ liệu vào đó. Để trích dữ liệu từ tín
hiệu quang, tín hiệu quang phải đợc tách kênh bằng một bộ hợp rồi chuyển
sang tín hiệu điện. Để thêm dữ liệu vào thì quá trình tơng tự ngợc lại.
Tại đầu thu, đầu tiên tín hiệu quang đợc giải phép xen thành các kênh
riêng rẽ. Sau đó đợc chuyển sang tín hiệu điện dùng photodiode. Một bộ lọc
điện dùng để tái tạo lại hình dạng xung tín hiệu điện.
Để đo chất lợng đờng truyền, dùng tỷ lệ bít lỗi trên tổng số bít
(BER). Một đờng truyền chất lợng tốt có BER nhỏ hơn 10
-9
. Khi mô phỏng,
không thể đạt đợc giá trị BER thấp nh vậy vì thờng độ dài chuỗi tín hiệu
thấp hơn 1024 bit. Do đó, có thể đánh giá chất lợng đờng truyền thông qua
hệ số phẩm chất Q phụ thuộc vào độ mở rộng của đồ thị mắt. BER 10
-9
tơng
ứng với hệ số phẩm chất bằng 6.
1.2. Hiện trạng tốc độ hệ thống WDM
Trong phần này sẽ tóm tắt một số kỹ thuật mới về thiết bị điện tử,
quang điện tử, sợi quang để thực hiện hệ thống WDM tốc độ cơ sở 40Gbps.

Nhân tố chính trong việc tăng tốc độ bit là sợi quang. Sợi quang thông
dụng nhất là G652 có tên là SSMF (sợi quang đơn mode tiêu chuẩn). Sợi
quang này có tán sắc lớn là 17ps/nm.km ở bớc sóng 1550nm. Các thông số
chính của các sợi quang dùng trong thông tin quang đợc cho trên bảng 1.2
Tất cả các vấn đề truyền lan sóng ánh sáng trong hệ thống WDM tốc độ
cơ sở 10Gbps sẽ càng mạnh lên trong hệ thống 40Gbps và càng nghiêm trọng
hơn ở tốc độ 160Gbps. Khả năng chịu tán sắc trong hệ thống 10Gbps là
1000ps/nm (tơng ứng với 60km sợi G652) nhng với hệ thống 40Gbps chỉ là
60ps/nm (chỉ 4km sợi G652). Tán sắc sợi quang trong đờng truyền thờng
đợc bù bằng sợi bù tán sắc (DCF). Một số loại DCF có thể phù hợp với độ dốc
tán sắc của các sợi quang trên đờng truyền khác nhau. Suy hao của các sợi bù
tán sắc này lớn hơn sợi quang sử dụng trên đờng truyền. Tại bớc sóng
1550nm, suy hao tín hiệu khoảng 0.6dB/km trong khi với sợi quang dùng trên
đờng truyền là 0,2dB/km. Gần đây có thiết bị bù toàn bộ tán sắc bậc 2 và bậc 3
cho tất cả các sợi có tên là HOM (khối mode bậc cao) với suy hao thấp hơn.


17
Do yêu cầu bù tán sắc với độ chính xác cao hơn nên đ xuất hiện các
thiết bị bù tán sắc tự động. Bộ bù tán sắc có khả năng điều chỉnh độ dốc tán
sắc cho băng C và băng L (từ 1525 đến 1610nm) đ thành công năm 2002.
Hng Teraxion cũng đ thiết kế một số linh kiện dùng các tử Bragg trong sợi
quang có khả năng điều chỉnh bù tán sắc trên một số kênh bớc sóng có giá trị
từ -300 đến -2700 ps/nm.
Bảng 1.1. Thông số sợi quang
Loại sợi quang
Tán xạ
ps/nm.km
Độ dốc tán xạ
ps/nm

2
.km
Vùng hiệu dụng
à
àà
à
m
2
SMF 17 0.08 80
DCF -90 -0.45 20
LEAF 4.2 0.085 72
Truewave 4.5 0.045 50
Teralight 8 0.057 65

Một khía cạnh khác cần quan tâm là tán xạ mode phân cực (PMD)
trong sợi quang. Nhìn chung, cần 15% thời gian bit cho hiệu ứng tán xạ mode.
Ví dụ, nếu tốc độ bit là 10Gbps và giá trị PMD của sợi quang là
0.1ps / km

thì khoảng cách truyền dẫn tối đa là:
2
2
b
jeber
T 15% 100.0,15
L 22500km
PMD 0,1

ì

= = =






Bảng 1.2 là các giới hạn cự ly truyền dẫn tiêu biểu theo giá trị PMD
trung bình của sợi quang trên đờng truyền với tốc độ bít khác nhau.
Bảng 1.2. Giới hạn lý thuyết của cự ly truyền theo PMD

G652A(ITU
recommendation)

G652D (ITU
recommandation)

Good fibre in
laboratory
Fibre in
field
PMD(ps/
km
)

0,5 0,2 0,04 0,08
10Gbit/s 900km 5625km 140000km 35000km
40 Gbit/s 56km 350km 8800km 2200km
160 Gbit/s 4 km 22 km 550 km 140 km
Khả năng chịu đựng với PMD là một trong những yếu tố then chốt để

18
thực hiện các hệ thống WDM 40Gbps. Hiệu ứng PMD tạo ra trễ giữa 2 phân
cực theo 2 trục. PMD có thể đạt đợc 2ps/
km
với một số phần tới hạn của
sợi quang. Nghĩa là khi ánh sáng truyền đi 25km với tốc độ 40Gbps thì độ trễ
nhóm (DGD) là 10ps, gần bằng một nửa độ rộng bit.
Độ rộng phổ của tín hiệu quang tốc độ (40 Gbps và 160 Gbps) cao sẽ
tăng ảnh hởng các hiệu ứng phi tuyến trong kênh. Để giảm hiệu ứng này, cần
giảm công suất tín hiệu nhng điều này không dễ vì cần đạt đợc tăng ích 6dB
để đảm bảo có cùng mức OSNR khi tăng tốc độ bit lên 4 lần.
Với tốc độ 40Gbps có thể dùng các bộ ghép kênh điện, nhng để thực
hiện đợc máy phát tốc độ 160Gbps thì chỉ có cách duy nhất là dùng các bộ
ghép kênh quang. Nguyên lý máy thu phát tốc độ 160Gbps cho trên hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ đồ máy thu và máy phát dùng ghép kênh quang

Phía máy thu cần các photodiode hoạt động ở tốc độ 40Gbps. VSK
Photonics đ phát triển các linh kiện với tốc độ này vào tháng 4/2002. Hầu hết
các bộ tách sóng đều xây dựng trên các photodiode trong đó chất bán dẫn hấp
thụ các photon có bớc sóng thích hợp và tạo ra dòng điện phụ thuộc vào dòng
ánh sáng.
Để tăng dung lợng truyền dẫn trên sợi quang, giải pháp là dùng kỹ
thuật ghép kênh theo bớc sóng. Có thể ghép 4 đến 40 thậm chí 80 kênh
2,5Gbps. Do đó dẫn đến không còn phổ trong băng C truyền thống của các bộ
khuếch đại EDFA (1530 - 1565nm) và điều cần làm là phải tăng tốc độ kênh

19
cơ sở trong các hệ thống WDM. Phơng pháp này cũng giúp làm tăng hiệu
quả phổ và giảm giá thành truyền dẫn.
Vấn đề là khi tăng tốc độ bít cơ sở lên 40Gbps và cao hơn, khả năng
chịu đựng với các hiệu ứng tán sắc hoặc tán xạ mode phân cực giảm. Để mở
rộng cự ly truyền dẫn ở tốc độ 40Gbps với cùng chất lợng truyền cần thêm
một số chức năng động.
Các thiết bị thích hợp ra đời để bù PMD. Hiện nay, các bộ bù này bù cho
từng kênh và cần tách kênh bớc sóng dẫn đến giá thành cao hơn rất nhiều. Mục
đích trong tơng lai sẽ có các thiết bị xử lý cho toàn bộ kênh trớc sóng WDM.
Một chức năng quan trọng trong thông tin quang là các trạm lặp.
Alcatel đ đa ra trạm lặp toàn quang dựa trên bộ hấp thụ bo hoà tốc độ
40Gpbs vào tháng 3/2002. Khoảng cách truyền dẫn có thể tăng từ 1300km lên
7600km cho kênh truyền dẫn một bớc sóng và 2200km cho hệ thống WDM
5 kênh có khoảng cách kênh 200 GHz.

Hình 1.4. Nguyên tắc bộ hấp thụ bão hoà
1.3. Các thông số truyền dẫn quang cơ bản
Phần này giới thiệu và định nghĩa các thông số phổ biến liên quan đến
hệ thống thông tin quang.
1.3.1. Bớc sóng, tần số và khoảng cách kênh
Khi nói dến các tín hiệu WDM là chúng ta đang nói về bớc sóng hoặc
tần số của các tín hiệu này. Bớc sóng

và tần số f liên hệ với nhau qua công
thức: c = f

.
Trong đó c là tốc độ của ánh sáng trong không gian tự do và bằng 3 x
10

8
m/s. Tốc độ ánh sáng trong sợi quang thật sự thấp hơn một chút (gần


20
2x10
8
m/s), do đó các bớc sóng cũng khác nhau.
Để mô tả một tín hiệu WDM, ta có thể sử dụng hoặc tần số hoặc bớc
sóng của nó. Bớc sóng đợc đo bằng đơn vị nanomet (nm) hoặc micromet
(
à
m hoặc microns), (1nm = 10
-9
m, 1
à
m = 10
-6
m). Các bớc sóng đợc dùng
trong thông tin quang tập trung xung quang 0.8, 1.3 và 1.55
à
m. Các bớc
sóng này nằm trong dải hồng ngoại, không thể nhìn thấy đối với mắt ngời.
Tần số đợc đo bằng đơn vị Hertz (hoặc số chu kỳ trên giây), tiêu biểu hơn là
Megahertz (1MHz = 10
6
Hz), Gigahertz (1GHz = 10
9
Hz), hoặc Terahertz
(1THz= 10

12
Hz). Sử dụng c = 3 x 10
8
m/s, một bớc sóng 1.55
à
m sẽ tơng ứng
với một tần số xấp xỉ 193 THz hay 193 x 10
12
Hz.
Một số thông số đợc quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng
cách giữa hai bớc sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM. Khoảng cách
kênh có thể đợc đo bằng đơn vị của bớc sóng hoặc tần số. Mối liên hệ giữa
hai đại lợng có thể đạt đợc bắt đầu từ phơng trình f = c /

.
Lấy vi phân phơng trình này quanh một giá trị trung tâm

0
, ta đợc
mối liên hệ giữa khoảng cách tần số

f và khoảng cách bớc sóng là

là:

f = -c.

/

0

2

ở bớc sóng

0
= 1550nm, khoảng cách bớc sóng 0,8nm tơng ứng
một khoảng cách tần số 100Ghz, một khoảng cách tiêu biểu trong các hệ
thống WDM.
Các tín hiệu thông tin số trong miền thời gian có thể đợc xem nh
chuỗi các xung định kỳ, mở hoặc tắt, phụ thuộc vào dữ liệu là 1 hay 0. Tốc
độ bit đơn giản là nghịch đảo của chu kỳ. Các tín hiệu này có một sự biểu
diễn tơng tự trong miền tần số, nơi mà năng lợng của tín hiệu trải dài qua
một tập tần số. Sự biểu diễn này đợc gọi là phổ công suất, hoặc đơn giản là
phổ. Băng thông tín hiệu là độ rộng phổ của tín hiệu. Băng thông cũng có thể
đợc đo trong miền tần số hoặc trong miền bớc sóng, nhng hầu hết đợc
đo trong miền tần số. Lu ý rằng chúng ta đang sử dụng thuật ngữ băng
thông khá lỏng lẻo. Băng thông và tốc độ bit của một tín hiệu số liên quan


21
nhau nhng không giống nhau một cách chính xác. Băng thông thờng đợc
đo bằng kilohertz, megahertz hoặc gigahertz, trong khi đó tốc độ bit đợc
tính bằng kilobit/giây (kb/s), megabit/giây (Mb/s), hoặc gigabit/giây (Gb/s).
Mối liên quan giữa hai đại lợng phụ thuộc vào dạng điều chế đợc sử dụng.
Ví dụ nh, một đờng dây điện thoại cung cấp băng thông 4kHz, nhng kỹ
thuật điều chế phức tạp cho phép chúng ta thực hiện một tốc độ bit 56kb/s
qua đờng dây điện thoại này. Tỉ số của tốc độ bit với băng thông có sẵn
đợc gọi là hiệu suất phổ. Các hệ thông thông tin quang sử dụng các kỹ thuật
điều chế khá đơn giản mà đạt đợc hiệu suất phổ khoảng 0.4 bits/s/Hz. Vì
thế hợp lý khi cho rằng một tín hiệu ở tốc độ 10Gb/s sử dụng băng thông xấp

xỉ 25Ghz. Lu ý rằng băng thông tín hiệu cần đủ nhỏ hơn khoảng cách kênh,
nếu không ta sẽ gặp các nhiễu không mong muốn giữa các kênh kế nhau và
méo của chính tín hiệu.
1.3.2. Các tiêu chuẩn bớc sóng
Các hệ thống WDM ngày nay chủ yếu sử dụng vùng bớc sóng 1.55
à
m vì hai lý do: mất mát vốn có trong sợi quang thấp nhất ở vùng này, và các
bộ khuếch đại sẵn có trong vùng đó. Các bớc sóng và tần số đợc sử dụng
trong các hệ thống WDM đợc tiêu chuẩn hoá trên một lới tần số bởi Hiệp
hội Viễn thông Quốc té (ITU). Nó là một lới vô tận tập trung ở 193.1 THz,
một phần của nó đợc chỉ ra trong hình 1.4. ITU quyết định tiêu chuẩn hoá
mạng lới trong miền tần số dựa vào các khoảng cách kênh tơng đơng
50GHz hoặc 100GHz. Quan sát thấy rằng nếu nhiều kênh đợc cách đều nhau
theo bớc sóng, thì sẽ không cách đều một cách chính xác trong miền tần số
và ngợc lại.


22

Hình 1.4. Lới sử dụng tần số trong hệ thống WDM do ITU quy định
Ngày nay, ta đang bắt đầu thấy những hệ thống sử dụng các khoảng
cách kênh 25GHz và nhiều băng truyền dẫn đợc sử dụng. Các hệ thống
WDM trớc đây sử dụng băng C (xấp xỉ 1530-1565nm). Sử dụng băng L có
bớc sóng dài (xấp xỉ 1565-1625nm gần đây với sự phát triển của các bộ
khuếch đại quang trong dải này. Nó đợc chứng minh rằng khó đạt đợc sự
thoả thuận từ những nhà sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ WDM khác
nhau trên những tiêu chuẩn bớc sóng cụ thể hơn. Các nhà sản xuất WDM
khác nhau dùng các phơng pháp khác nhau để tối u những thiết kế hệ thống
của họ, vì thế kế hoạch hội tụ tại một bớc sóng là điều khó khăn. Tuy nhiên,
tiêu chuẩn của ITU đ giúp tăng cờng sự triển khai các hệ thống này.

1.3.3. Công suất và suy hao
Trong thông tin quang, việc sử dụng đơn vị decibel (dB) để đo công
suất và các mức tín hiệu gần nh là phổ biến, trái với các đơn vị quy ớc. Lý
do để làm điều này là công suất thay đổi qua nhiều mức trong một hệ thống.
Điều này dễ giải quyết với một tỷ lệ logarit hơn là mộtt hang đo tuyến tính.
Hơn nữa, sử dụng tỷ lệ này, các tính toán liên quan đến phép nhân trong miền
quy ớc trở thành các thao tác cộng trong miền decibel. Các đơn vị decibel
đợc dùng để thể hiện các giá trị tơng đối cũng nh tuyệt đối.
Để hiểu hệ thống này, ta xét một tuyến truyền dẫn sợi quang. Giả sử ta
phát một tín hiệu ánh sáng với công suất P
t
watts(W). Dới dạng đơn vị dB, ta có:
(P
t
)dBW = 10log(P
t
)W


23
Trong nhiều trờng hợp, đo công suất quang bằng miliwatts (mW)
thuận tiện hơn và ta có một giá trị dBm là
(P
t
)dBm = 10log(P
t
)mW
Ví dụ: Một công suất 1mW tơng ứng 0dBm hoặc -30dbW. Một công
suất 10mW tơng ứng với 10dBm hoặc - 20dBW.
Khi truyền qua sợi quang, tín hiệu ánh sáng sẽ suy hao, nghĩa là công

suất bị giảm. ở đầu cuối của đờng truyền, ta giả sử công suất nhận đợc là
P
r
. Thì mất mát T của đờng truyền đợc định nghĩa là T = P
r
/P
t
. Trong đơn vị
dB, ta sẽ có:
(T)dB = 10logT = (P
r
)dBm - (P
t
)dBm
Lu ý rằng dB đợc dùng để chỉ các giá trị tơng đối, trong khi đó dBm
và dBW đợc dùng để chỉ các giá trị công suất tuyệt đối.
Ta thờng đo mất mát trong sợi quang bằng đơn vị dB/km. Ví dụ một
tín hiệu đợc truyền qua 120km sợi quang với mất mát 0.25dB/km thì sẽ bị
suy hao 30dB.
1.4. Những giải pháp nâng cao tốc độ truyền dẫn quang
Có rất nhiều vấn đề cần giải quyết để thực hiện các hệ thống tốc độ cao.
Có thể tóm tắt trên hình 1.5.


Hình 1.5. Các vấn đề trong thực hiện hệ thống tốc độ cao
a. Máy thu/phát
Tạo ra các linh kiện quang điện tốc độ cao dùng trong các máy thu phát
là một nhiệm vụ quan trọng cần thực hiện để tạo ra và thu lại các tín hiệu

24
quang tốc độ cao. Trong thực tế, ghép kênh phân chia theo thời gian miền điện
(ETDM) là một kỹ thuật rất quan trọng để giảm kích thớc và giá thành mạch
điện. Sự phát triển của các linh kiện quang/điện tử tơng ứng với tốc độ bit
40Gbps đang trong quá trình và có rất nhiều báo cáo về các thí nghiệm hệ
thống 40Gbps dùng các thiết bị này trên báo chí và các hội thảo.
b. Truyền dẫn
Để truyền các tín hiệu quang tốc độ cao cần có các biện pháp chống lại
các hiệu ứng làm suy giảm chất lợng tín hiệu trên đờng truyền dẫn.
Thứ nhất, cần tăng OSNR lên 4 lần (6dB) khi tăng tốc độ bit 4 lần từ
10Gbps lên 40Gbps. Trong trờng hợp này cần tăng công suất quang lên 4 lần
thì có thể đạt đợc OSNR mong muốn, tuy nhiên sẽ gặp các hiệu ứng phi
tuyến trong sợi quang làm ảnh hởng nghiêm trọng đến chất lợng tín hiệu.
Do đó phơng pháp tăng công suất để đạt đợc OSNR là rất khó khăn.
Để giảm ảnh hởng đến chất lợng đờng truyền do OSNR không đủ
có thể có 2 giải pháp thay thế là:
- Giảm OSNR yêu cầu
- Hạn chế sự suy giảm OSNR trên đờng truyền.
Phơng pháp giảm OSNR yêu cầu có thể đợc thực hiện bằng cách cải
tiến kỹ thuật máy thu/phát. Đồng thời cần lựa chọn phơng pháp điều chế/giải
điều chế thích hợp và thực hiện sửa lỗi FEC hiệu quả cao.
Mặt khác, để hạn chế suy giảm OSNR trên đờng truyền cần có biện
pháp làm giảm suy hao, hiệu ứng phi tuếyn của sợi quang, giảm nhiễu của các
bộ khuếch đại quang.
Ngoài hạn chế về OSNR còn có các yếu tố khác làm giảm chất lợng
truyền dẫn nh hiện tợng tán sắc, tán xạ mode phân cực (PMD). Do đó cần
bù tán xạ trong các hệ thống thực tế, kỹ thuật bù tán xạ điều chỉnh cho phép
bù tán xạ tối u.
Đặc tính PMD của sợi quang có tính chất thống kê và dung sai của nó là
khoảng 1/10 khe thời gian tơng ứng với tốc độ bit. Do có hạn chế trong việc giảm

PMD của sợi quang và của bộ khuếch đại quang nên cần dùng kỹ thuật bù PMD.