TUYẾN TRUYỀN dẫn QUANG tốc độ CAO

1
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, hệ thống thông tin quang đã nổi lên và là các hệ thống thông tin tiên tiến
bậc nhất. Trong tương lai, cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi và là môi trường truyền
dẫn lí tưởng.
Thế hệ quang thứ nhất được thương mại hóa từ năm 1980, hoạt động ở bước
sóng 800nm và sử dụng laser bán dẫn GaAs. Tốc độ dữ liệu của hệ thống khoảng
45Mb/s với khoảng lặp là 10km.
Thế hệ quang thứ 2 được thương mại hóa từ sau những năm 1980, hoạt động ở
bước sóng gần l.3
m
µ
, trong đó suy hao quang <l dB/km và sợi quang có tán sắc nhỏ
nhất trong vùng này. Năm 1987, hệ thống truyền dẫn quang thế hệ 2 đã có tốc độ bít
1.7 Gb/s và khoảng lặp 50km.
Hệ thống quang thế hệ 3 có tốc độ bít 2.5Gb/s và được thương mại hóa từ năm
1990. Nó được biết đến với sợi quang silic có suy hao tối thiểu (0.2dB/km) ở gần
bước sóng 1550nm. Không may là sợi quang lại có tán sắc lớn ở vùng bước sóng
1550nm. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã đưa ra loại sợi quang tán sắc dịch
chuyển và laser đơn mode dọc. Mặt hạn chế của mạng quang thế hệ 3 là tín hiệu
phải được phát lại một cách tuần hoàn bằng điện khi qua các bộ lặp với khoảng cách
lặp tiêu biểu là 60 -70km.
Việc sử dụng EDFA và WDM là một đặc điểm nổi bật của mạng quang thế hệ
thứ 4 được phát triển từ những năm 1985 và được thương mại hóa từ năm 1990.
EDFA làm cho cho tín hiệu quang có thể truyền tới khoảng cách hàng nghìn km mà
không cần sử dụng bộ tái tạo điện. Việc phát minh ra kỹ thuật WDM đã mở ra một
cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn quang. Thời gian này, người ta đã có thể
truyền qua khoảng cách 11.300km sử dụng cáp quang vượt biển ở tốc độ dữ liệu
5Gb/s.
Mạng quang thế hệ tiếp theo, thế hệ 5, hệ thống quang lại tiếp tục phát triển và
tập trung vào 2 nội dung chính sau. Một là để tăng bước sóng đến dải L (1570nm

1610nm) và dải S (1485nm - 1520nm) để tăng số kênh WDM. Hiện nay, hệ thống
sóng quang được hoạt động ở cửa sổ bước sóng truyền thống là dải C (1530nm -
1565nm). Hai là tập trung vào việc tăng tốc độ dữ liệu của mỗi kênh. Rất nhiều thí
nghiệm đã thành công ở tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s từ năm 2000. Ở tốc độ cao như
thế, việc quản lý bù tán sắc và chống lại các hiệu ứng phi tuyến như SPM, XPM và
FWM là rất quan trọng.
Mặc dù đã 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 được ý
kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, chuyên gia chuyên nghành, đồng nghiệp.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
1.1. Khái quát chung
Cuộc sống ngày nay ngày càng phụ thuộc nhiều vào thông tin, yêu cầu chúng
ta phải luôn nắm thông tin trong tay mình bất cứ lúc nào, bất cứ dạng thông tin
nào chúng ta cần. Thông tin được cung cấp thông qua mạng lưới có phạm vi
toàn cầu của các mạng truyền tin, chúng được bổ xung liên tục hàng ngày
bằng mạng internet và mạng truyền tin chế độ đồng bộ (ATM), nhưng thật
không may, không đử năng lực để chứa dung lượng (dải thông) đòi hỏi.
1.2. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang
1.2.1. Ưu điểm
+ Dải thông lớn
+ Độ suy giảm tín hiệu nhỏ
+ Méo tín hiệu nhỏ
+ Yêu cầu công suất nhỏ
+ Yêu cầu công suất nhỏ
+ Sử dụng vật liệu thấp
+ Yêu cầu về khoảng không nhỏ
+ Giá thành thấp…
1.2.2. Nhược điểm
Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo các linh kiện rất tinh vi

và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối đặc biệt là trong việc hàn nối sợi quang là rất phức
tạp.
Việc cấp nguồn điện cho trạm trung gian là khó vì không lợi dụng luôn được
đường truyền như ở trong các hệ thống thông tin điện.
1.3. Cấu hình hệ thống thông tin quang
Thông tin quang có thể tổ chức hệ thống cũng tương tự như các hệ thống
thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn
tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung như hình 1.
Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin
1.4. Các thông số truyền dẫn quang cơ bản
1.4.1. Các sợi quang đơn mode dùng trong hệ thống quang tốc độ cao.
Có hai loại sợi NZ-DSF. Loại sợi +NZ-DSF có điểm tán sắc bằng không nằm ở
Nơi tín
hiệu
phát đi
Thiết bị
phát
Môi
trường
truyền
dẫn
Thiết bị
thu
Nơi tín
hiệu
đến
Phía
phát tín
hiệu
Phía thu

tín hiệu
3
vùng bước sóng < 1500nm như được thể hiện trong hình 2.4. Loại sợi -NZ- DSF có
điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng > 1600nm. Ngoài ra còn có loại sợi
NZ-DSF có hai điểm tán sắc bằng không thuộc loại sợi tán sắc phẳng.
Hình 1.2. Tán sắc của các loại sợi SMF. DSF và NZ-DSF
Ngoài các ưu điểm về suy hao và tán sắc như đã phân tích ở trên, sợi NZ-DSF
còn có các đặc điểm rất mạnh khác như khả năng giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng
phi tuyến và giảm tán sắc phân cục mode. Nhìn chung các sợi quang được thiết kế
để dịch chuyển tán sắc thường có diện tích hiệu dụng Aeff khoảng 50-60
2
mµ
. Trong
khi đó ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tại tỉ lệ nghịch với Aeff đối với các
hiệu ứng tán xạ Brillouin được kích thích SBS(Stimulated Brillouin Scattering), tán
xạ Raman được kích thích SRS (Stimulate Raman Scattering), SPM, FWM. Còn các
ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến lại tỉ lệ nghịch với (Aeff)
2
đối với hiệu ứng
XPM. Do đó để giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến thì phải tăng diện tích
hiệu dụng của sợi. Các sợi NZ-DSF đã sử dụng cơ chế này để nâng cao năng lực ứng
dụng của chúng. Cũng vì vậy mà sợi quang cho phép có thể tiếp nhận công suất tín
hiệu quang lớn hơn và làm cự ly truyền dẫn càng dài thêm, làm giảm tổng số thiết bị
sử dụng trên tuyến.
Bảng 1.1. Một số loại sợi NZ-DSF
Loại sợi
SMF-
LS NS-
DSF
Submarine

SMF-LS
NS-DSF
LEAF
LEAF
Enhanced
Teralight
ultra
Thời điểm ra đời 4/1997 2/1998 9/1998 1999
Đường kính vỏ phản xạ,
mµ
125,0 1±
125,0 1±
125,0 1±
125,0 1±
125,0 1±
Đường kính vỏ phản xạ,
mµ
ngoài,
mµ

245
5
±
245
5
±
245
5
±
245

5
±
245
7
±
Đường kính trường mode
tại 1550nm,
mµ
8,4
±
0,5 7,9
±
8,9 9,0
±
9,6 9,0
±
9,6 9,2
±
0,5
Độ đồng tâm của trường
mode tại 1550nm,
mµ
≤
0,5
≤
0,5
≤
0,5
≤
0,5

≤
0,5
4
Độ không
tròn đều, %
Trường
mode
Rất nhỏ Rất nhỏ Rất nhỏ Rất nhỏ Rất nhỏ
Vỏ phản xạ
Hệ số tán sắc vùng
1550nm, ps/nm
2
. km
4,4 4,4 3,7 3,7 8
Độ dốc tán sắc, ps/km.nm
≤
0,12
≤
0,07
≤
07 07
≤
0,052
PMD, ps/km
1/2
≤
0,5
≤
0,1
≤

0,1
≤
0,08
≤
0,1
Hệ số suy hao tại 1550nm,
dB/km
≤
0,25
≤
0,22
≤
0,23
≤
0,23
≤
0,22
Suy hao uốn cong tại
1550nm với bán kính
37,5nm, Db
≤
0,05
≤
0,05
≤
0,05
≤
0,5 05
Diện tích hiệu dụng
2

mµ
55 70
70
÷
120 70
÷
120 63
1.4.2. Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang.
Sự suy hao trong sợi quang dẫn đến việc giảm công suất tín hiệu khi lan truyền
qua một khoảng cách nào đó. Để xác định khoảng cách lớn nhất mà một tín hiệu có
thể truyền đối với một công suất phía phát đưa ra và độ nhạy máy thu thì phải xét tới
sự suy giảm tín hiệu. Độ nhạy của máy thu là công suất nhỏ nhất mà máy thu yêu
cầu để nhận được tín hiệu. Gọi P(L) là công suất của xung quang, L là khoảng cách
(km) từ đầu phía phát và A là hệ số suy giảm của sợi (dB/km). Sự suy giảm được
đặc trưng bởi phương trình:
P(L) = P(0) 10
-AL/10
(1.1)
Tại P(0) là công suất quang ở đầu phát. Đối với một tuyến dài L (km) thì P(L)
phải lớn hoặc bằng
( )
MAX 10
r
P 0
10
L log
A P
=
(1.2)
Khoảng cách lớn nhất giữa đầu phát và đầu thu (hay khoảng cách giữa các bộ

khuyếch đại) phụ thuộc vào suy hao chung A nhiều hơn công suất đưa ra của đầu
phát như trước chúng ta đã nói suy hao thấp nhất = 0,2dB/km xảy ra ở 1550nm.
5
CHƯƠNG 2: TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO
2.1. Nguồn phát quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống 40Gbit/s)
Nguồn phát là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong mạng truyền dẫn
quang. Đặc biệt đối với mạng truyền dẫn quang tốc độ 40Gbit/s đòi hỏi phải có
nguồn phát có thông số vượt trội, thoả mãn được yêu cầu của hệ thống. Một số
điều kiện được cân nhắc khi đưa ra quyết định lựa chọn nguồn phát cho hệ thống quang
sợi là:
- Đơn mode: Vì các lý do không tốt do các nguồn quang đa mode mang lại, rất
nhiều laser đơn mode được chế tạo như laser phản hồi phân phối (DFB) và laser
phản xạ Bragg phân phối.
- Nhiễu thấp: Có nhiều loại nhiễu trong thông tin quang như nhiễu pha, nhiễu
cường độ và nhiễu mode. Nhiễu thấp rất quan trọng để giảm hệ số BER trong thông tin.
- Phổ hẹp: Phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ đó dẫn đến giảm hiện tượng giãn
xung ánh sáng do đó tăng được tốc độ truyền.
- Công suất ra lớn: Công suất ra lớn làm tăng tỷ số (tín hiệu/tạp âm) và cho
phép truyền được cự ly xa hơn.
- Dòng ngưỡng nhỏ: Đối với diode laser, hiện tượng laser chỉ xảy ra khi dòng
thiên áp lớn hơn một giá trị min gọi là dòng ngưỡng.
Bước sóng: Các sóng ánh sáng tại các bước sóng khác nhau sẽ có các đặc tính
lan truyền khác nhau.
- Độ rộng phổ điều chế lớn: Trong thông tin quang có hai phương pháp điều
chế: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Với mạng tốc độ cao phải thực hiện
phương pháp điều chế ngoài.
- Độ giãn phổ nhỏ: Giãn phổ là do chiết suất khúc xạ ánh sáng của nguồn
quang. Phổ lớn sẽ làm tăng hiện tượng tán xạ xung nên cần phải hạn chế nó.
- Độ tuyến tính: Đối với thông tin tương tự, độ méo tín hiệu do sự không tuyến
tính của nguồn sáng cần được giảm thiểu. Độ không tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng

sóng hài và xuyên âm.
- Độ điều chỉnh được: Đối với các ứng dụng như ghép kênh theo bước sóng,
khả năng điều chỉnh được bước sóng của diode laser là rất cần thiết. Một diode laser
điều chỉnh được cô hai đầu mối hoặc nhiều hơn cho phép người sử dụng điều chỉnh
bước sóng ra. Một diode laser điều chỉnh được gọi là tôi cần có vùng điều chỉnh tới
vài nghìn GHZ.
2.1.2. Phương thức điều chế nguồn phát quang tốc độ cao(hệ thống 40Gb/s)
Đối với các hệ thống tốc độ l0Gb/s trở lên người ta sử dụng nguồn điều chế
ngoài. Vì vậy, đối với mạng truyền dẫn quang tốc độ 40Gb/s, nguồn phát được sử
dụng là nguồn phát được điều chế ngoài.
Nguồn phát trong hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài bao
gồm các phần tử chính là: Bộ tạo xung, bộ điều chế xung mã, laser, bộ điều chế ngoài,
các bộ lọc quang và điện. Sơ đồ khối nguyên lí của nguồn phát được biểu diễn trên
hình 2.2:
6
Hình 2.2. Nguồn phát sử dụng kĩ thuật điều chế ngoài.
2.2. Bộ thu quang tốc độ cao (dùng cho hệ thống quang 40Gbit/s)
Bộ thu quang là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông
tin quang. Sở dĩ như vậy vì bộ phận này là nơi thu nhận mọi đặc tính tác động trên
toàn tuyến đưa tới, hoạt động của nó có ảnh hưởng quan trọng tới chất lượng của
toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Chức năng chính của bộ thu quang là biến đổi tín hiệu
quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp
ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và độ tin cậy cao.
Bộ
tạo
xung
Bộ
điều
chế
xung

Bộ
lọc
điện
Laser
Điều
chế
Bộ
lọc
quan
g
Nguồn
nhiễu
7
CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG TUYẾN TRUYỀN
DẪN QUANG TỐC ĐỘ CAO
3.1. Khuêch đại đường truyền.
3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động.
Ba dạng cấu trúc khác nhau của EDFA được mô tả qua hình (3.1). Sợi quang có
pha trộn nguyên tố EDFA được ghép nối với sợi quang thông thường và có thể ghép
với các thiết bị khác. Ánh sáng bơm được kết hợp với tín hiệu và nhờ sử dụng bộ
ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống. Ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi
có pha tạp Ethium và bị hấp thụ khi các ion Erbium được đưa lên trạng thái kích
thích. Khi tín hiệu được truyền vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ
các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu.
EDFA là một thiết bị được bơm quang học, do đó năng lượng được cung cấp
bởi một nguồn quang (một LD), để phun năng lượng vào sợi quang pha tạp ở bước
sóng phù hợp với các đặc tính của Erbium (980 hoặc l480nm). Việc bơm có thể thực
hiện theo hướng thuận (hình a), hướng ngược (hình b ) hoặc theo cả 2 hướng (hình
c). Khuếch đại xảy ra bởi sự truyền năng lượng từ sóng bơm đến sóng tín hiệu khi
nó truyền xuống sợi quang pha tạp. Với hình (a) kết cấu này đưa tín hiệu quang và

bơm quang vào sợi quang trộn Erbium trên cùng một chiều, còn gọi là bơm phía
trước. Còn bơm ngược thì tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn
Erbium từ hai hướng khác nhau. Hình (c) là kết cấu đồng thời bơm cùng chiều và
ngược chiều EDFA hoạt động thông qua hệ thống 3 mức năng lượng. Hình vẽ (3.2)
miêu tả quá trình này.
Hình 3.1. Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA
8
3.1.2. Các đặc tính cơ bản của EDFA
3.1.2.1. Nguồn bơm quang
Để kích thích các hạt mang lên mức năng lượng cao hơn để có phát xạ kích thích,
cần phải có một nguồn bơm quang ngoài, hoạt động ở tần số cao hơn tần số của tín
hiệu cần khuếch đại.
Sự hồi tiếp từ hiện tượng phản xạ ở 2 mặt của bộ khuếch đại có hệ số khuếch
đại cao có thể sinh ra dao động và làm giảm khả năng chống nhiễu của hệ thống.
Nếu đặt vào đường truyền này một bộ cách li quang (Isolator) thì có thể triệt tiêu
được sự phản xạ này. Các bộ cách li quang thường làm giảm ánh sáng phản xạ đi
khoảng 35 dB trong khi đó chỉ tổn hao cho tín hiệu truyền qua là 1 dB.
3.2. Các ứng dụng của EDFA.
Hình 3.16. Các ứng dụng của EDFA
3.2.1. Bộ khuếch đại công suất (BA-Booster Amplifier):
(Xem hình 3.16.b)
Khuếch đại công suất là bộ khuếch đại quang sợi EDFA công suất bão hoà cao
được đặt ngay sau nguồn phát ánh sáng để tăng cường công suất tín hiệu truyền đi.
Nó được sử dụng khi nguồn ánh sáng bị giới hạn bởi công suất ra.
3.2.2. Tiền khuếch đại (PA: Pre-Amplifer)
(Xem hình 3.16.c)
Tiền khuếch đại (PA) là thiết bị khuếch đại quang sợi EDFA có tạp âm rất thấp,
nó khuếch đại những tín hiệu có công suất bé, trước khi qua bộ photo-detector (nó
được dùng ngay trước bộ thu) để nâng cao độ nhạy thu. Với mục đích này thì bão
hoà khuếch đại là không đáng kể nhờ công suất tín hiệu yếu. Tuy nhiên, còn phải kể

9
đến lượng công suất tạp âm bức xạ tự phát (ASE), nhưng ta có có thể giảm nó tới
mức cần thiết bằng cách sử dụng một số bộ lọc quang hẹp. Sư dụng PA kết hợp với
BA nâng cao đáng kể quỹ công suất. Với các hệ thống có tốc độ truyền dẫn lớn hơn
10Gbps (STM-64) hoặc tốc độ cao hơn, việc sử dụng các bộ PA là giải pháp hợp lý
để loại trừ vấn đề do hiệu ứng phi tuyến của sợi gây ra.
3.2.3. Khuếch đại đường dây(LA-Line Amplifier)
(Xem hình 3.16.a)
Là bộ khuếch đại quang sợi có tạp âm thấp được sử dụng khi khoảng cách
truyền lớn. Khi đó các bộ khuếch đại quang sẽ được đặt kế tiếp nhau trên đường
truyền để tăng chiều dài tái tạo hay khoảng cách giữa 2 trạm lặp. Trong mạng thuê
bao quang theo cấu hình điểm đa điểm, khuếch đại đường dây được sử dụng để bù
các suy hao tại các điểm rẽ nhánh trong mạng truy nhập quang. Nó có thể thay thế
các trạm tái tạo quang đang sử dụng trên các tuyến đường trục. Với ưu điểm như
vậy, người tạp âm có thể giảm bớt các thiết bị trên đường truyền dẫn. Như vậy trên
các mạng đường trục thì LA đóng vai trò bù suy hao tín hiệu, còn các trạm lặp thông
thường thì có chức năng sửa méo tín hiệu.
3.3. Một số hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao (40Gb/s)
3.3.1. Sơ lược về hệ thống
Trong phần này sẽ phân tích 1 cách chi tiết hệ thống truyền dẫn 40Gb/s RZ qua
khoảng cách truyền dẫn lớn trong đường truyền có thể quản ly được tán sắc (DM
line) mà bao gồm các sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF và các sợi bù tán sắc DCF. Hệ
thống bắt nguồn từ các xung trạng thái ổn định tuần hoàn (xung quanh DM) trong
tuyến DM. Bởi độ rộng của xung trạng thái ổn định là quá lớn cho các hệ thống
40Gb/s cho nên công nghệ điều chế đồng bộ nội tuyến thông thường không thể nâng
cao được chất lượng của hệ thống, tuy nhiên người ta đã tìm ra phương pháp điều
chế đồng bộ nội tuyến cải tiến có thể kéo dài có hiệu quả khoảng cách truyền ngay
cả trên tuyên có DM mạnh. Trong phòng thí nghiệm, người ta đã đưa ra cơ chế của
công nghệ điều chế đồng bộ cải tiến với sự lưu tâm đặc biệt đến sự ổn định xung
trong tuyến truyền dẫn, và chỉ ra rằng 1 tín hiệu RZ 40Gb/s có thể truyền được qua 1

khoảng cách lên tới 20.000km.
Sự truyền dẫn quang sử dụng đường truyền dẫn quản lý tán sắc gồm sợi chuẩn
đơn mode SMF và sợi bù tán sắc DCF là rất quan trọng trong trường hợp phát triển
các hệ thống ghép kênh phân chia thời gian và ghép kênh phân chia bước sóng
TDM, WDM. Tuyến truyền dẫn WDM dung lượng cao hơn 1 Tb/s, truyền dẫn
WDM qua một khoảng cách vượt biển, và truyền dẫn đơn kênh 40Gb/s qua khoảng
cách lớn hơn 1000 khi đã được thực hiện trên tuyến DM gồm sợi tán sắc dịch
chuyển DSF và sợi bù tán sắc DCF. Tuy nhiên, rất khó để truyền các tín hiệu đơn
kênh 40Gb/s qua 1 khoảng cách lớn (khoảng cách vượt biển) như vậy với SMF và
DCF vì tương tác phi tuyến giữa các xung kề nhau là lớn và sẽ giới hạn khoảng cách
truyền dẫn.
3.3.2. Phương pháp đánh giá hoạt động của hệ thống.
10
Hình 3.17. Cấu hình của hệ thống 40Gb/s RZ trên tuyến Dm gồm SMF và DCF.
Ở đây đưa ra hệ thống một kênh đơn 40Gb/s bao gồm các sợi tiêu chuẩn đơn
mode (có tán sắc mode bằng O) SMF và sợi bù tán sắc DCF. Sử dụng phương pháp
Fourier để tính toán phương trình phi tuyến Strodinger. Phương trình này sẽ cho ra
sự lan truyền của xung trong sợi quang và bao gồm các ảnh hưởng của suy hao sợi
vả tán sắc bậc ba. Hình 5.1 đưa ra cấu hình của hệ thống trên đường truyền DM
mạnh gồm SMF và DCF. Các xung 40Gb/s được tạo ra ở bộ phát Tx. Các xung dạng
Gaussian hay dạng Sech với toàn độ rộng ở nửa lớn nhất (FWHM) 5ps và chiều dài
bít tuần tự giả ngẫu nhiên (PRBS) là 27-1 các Xung được tạo ra sẽ bị chirp bởi sợi
có độ tán sắc Dpre được oặt Sau bộ phát (prechirp). SMF có độ dài 50km với độ tán
sắc là 16ps/km.tim. Suy hao sợi, tán sắc bậc 3, hệ số phi tuyến Ken vùng mode ảnh
hưởng là 0.25 db/km, 0.07ps/km/nm2, 2.24*10
-20
m
2
/w Và 78
2

m
µ
. Một sợi bù tán
sắc DCF được đặt sau mỗi sợi SMF. Chúng ta coi như chỉ xét ảnh hưởng tán sắc của
DCF và không tính tới ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến, tán sắc bậc 3 và suy hao
của DCF, bởi vậy sự bù tán sắc có thể sử dụng khối bù tán sắc thay cho DCF. Độ tán
sắc trung bình được tính như sau:
ave DCF
d (16x50 D ) / 50= +
(3.24)
Trong đó D
DCF
là độ tán sắc DCF, đơn vị là ps/nm. Tạp âm của khuếch đại sợi
pha tạp Erbium là 6 do và có các bộ lọc quang được đặt sau mỗi một bộ khuếch đại
EDFA. Chấp của xung phát được bù bởi một sợi có độ tán sắc DPOS được oặt ở
trước bộ thu (post chirp). Tín hiệu quang thu được bởi một photodiode lý tưởng (bộ
tách bậc 2) và được lọc bởi bộ lọc Butterworth bậc hai loại bộ lọc điện thông thấp
với băng thông 26GHZ. Chúng ta sử dụng hệ số chất lượng Q để đánh giá chất
lượng của dữ liệu nhận được. Q được định nghĩa như sau
( )
1 0 0
1 0 e
I I B
SNR
Q
B
2SNR 1 1
−
= ≈
σ + σ

+ +
,
Hay:
2
1 Q
BER exp
2
2 Q
 
−
≈
 ÷
π
 
Với: SNR là tỷ Số tín hiệu trên nhiễu, B
o
: dải thông của bộ lọc quang và Be là
dải thông của bộ lọc điện tại bộ thu.
Khoảng cách truyền dẫn của tuyến được xác định giá trị tại hệ số Q lớn hơn 7
và chúng ta tính toán khoảng cách cho những điều kiện thay đổi chẳng hạn như đầu
ra công suất của EDFA và độ tán sắc trung bình.
Hình 3.21 chỉ ra cấu trúc công nghệ điều chế đồng bộ nội tuyến thông thường
11
sử dụng trong tuyến DM. Hình 3.21b đưa ra cấu trúc của bộ điều chế đồng bộ. Xung
truyền dẫn được điều chế trong một bộ điều chế cường độ mạnh bởi tín hiệu clock
băng cơ bản lấy ra từ một phần của xung truyền dẫn. Hình 3.21a chỉ ra hệ thống
truyền dẫn trong một tuyến DM gồm sợi SMF dùng một bộ điều chế đồng bộ nội
tuyến. Trong phân tích đưa ra, bộ điều chế đồng bộ nội tuyến được đặt ở mỗi khoảng
cách là 250km. Hàm điều chế là:
( )

( )
( )
1 cos / 2 1 cosBt
T t
2
+ π +
=
(3.29)
Hình 3.21. Cấu trúc của hệ thống 40Gb/s RZ dùng công nghệ điều chế đồng bộ
đội tuyến thông thường và cấu trúc cua bộ điều chế đồng bộ
12
CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC VÀ BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ
THỐNG QUANG TỐC ĐỘ CAO
4.1. Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống
Phương trình truyền dẫn cơ bản chi phối sự tiến triển của xung bên trong sợi đơn
mode:
2 3
1 2 3
2 3
A A i A 1 A
0
z z 2 z 6 z
∂ ∂ ∂ ∂
+β + β − β =
∂ ∂ ∂ ∂
4.1.1. Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp)
Phân tích sự lan truyền của các xung Gaussian đầu vào trong sợi quang bằng
cách thiết lập biên độ ban đầu như sau:
( )
2

0
0
1 iC t
A 0,t A exp
2 T
 
 
+
 
= −
 ÷
 
 
 
A
0
: biên độ đỉnh
T
0
biểu thị một nửa độ rộng tại điểm cường độ 1/e. Nó có mối liên hệ với độ
rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWHM (Full Width at Half Maximum) của xung:
FWHM 0 0
T 2 1n2T 1.665T= ≈
Tham số C sẽ tạo nên sự lệch pha tần số tuyến tính tác động vào xung. Xung bị
coi là bị chirp nếu như tần số mang của nó bị thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi tần
số có liên quan đến pha và được viết như sau:
( )
2
0
C

t t
t T
∂φ
δω = − =
∂
φ
là pha của A(0,t). Sự dịch tần số theo thời gian được gọi là chirp. Phổ Fourier
của xung bị chirp bị dãn nhiều hơn so với phổ xung không bị chirp. Điều này có thể
nhận ra bằng cách biến đổi Fourier biểu thức biên độ ban đầu:
( )
( )
1/2
2 2 2
0 0
0
2 T T
A 0, A exp
1 iC 2 1 iC
 
 
π ω
ω = −
 
 ÷
+ +
 
 
 
Nửa độ rộng tại điểm cường độ 1/e được cho là:
2

0
1 iC
T
+
∆ω =
4.1.2. Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn
Tán sắc làm hạn chế đặc tính của hệ thống và trước hết cần thấy rằng ảnh
hưởng đáng cân nhắc nhất là làm hạn chế tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Đối với hệ
thống truyền dẫn tốc độ cao 40Gb/s nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ. Vì vậy,
ta chỉ xét sự giới hạn của tán sắc đến tốc độ truyền dẫn trong trường hợp này.
Trường hợp này tương ứng với V
V 1
ω
<<
. Nếu chúng ta bỏ qua số hạng
3
β
và cho C
= 0 thì ta có:
2
2 2 2
2
0 0 D
0
L
2
 
β
σ = σ + = σ +σ
 ÷

σ
 
13
Đối với phổ nguồn phát hẹp, dãn xung do tán sắc gây ra sẽ phụ thuộc vào độ
rộng ban đầu
0
σ
trái lại nó không phụ thuộc vào
0
σ
khi độ rộng phổ nguồn phát ra
lớn. Trong thực tế Ơ có thể giảm nhỏ tối thiểu bằng cách chọn giá trị tối ưu của ơn
Giá trị tối ưu của Ơ được tìm thấy xảy ra đối với
( )
1/2
0 D
L / 2
σ = σ = β
và được cho bởi
( )
1/2
Lσ = β
. Giới hạn tốc độ bít có thể nhận được khi sử dụng
4B 1σ ≤
và dẫn tơi điều
kiện:
2
B L 1 / 4β ≤
Hình 4.2 so sánh sự giảm tốc độ bit B khi tăng cự ly L bằng cách chọn D = 16
ps/km.nm đối với

0,1
λ
σ =
và 5nm. Biểu thức trên cho trường hợp
0
λ
σ =
tương ứng
với trường hợp mà nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ hơn nhiều tốc độ bít
truyền dẫn.
Hình 4.2. Giới hạn tốc độ bít của sợi đơn mode phụ thuộc vào cự ly
Đối với hệ thống thông tin quang hoạt động ở bước sóng rất gần với bước sóng có
tán sắc bằng không
( )
2
0β ≈
với
V 1
ω
<<
và C = 0, độ rộng xung lúc này được cho là:
2
2 2 2
3
0 0 D
2
0
L1
2 4
 

β
σ = σ + = σ + σ
 ÷
σ
 
Có thể tối thiểu
σ
bằng cách tối ưu độ rộng xung đầu vào
0
σ
. Giá trị nhỏ nhất
của
0
σ
là
0
σ
( )
1/3
L / 4= β
:
1/3
1/2
3
L
3
2 4
 
β
 

σ =
 ÷
 ÷
 
 
Giới hạn tốc độ bit sẽ thu được bằng cách áp dụng điều kiện
4B 1σ ≤
hoặc là
( )
1/3
3
B L 0,324β ≤
. Các ảnh hưởng của tán xạ hầu hết được bỏ qua trong trường hợp
này. Đối với giá trị tiêu biểu
3
0,1β =
ps
3
/km, tốc độ có thể lên tới 150Gb/s với
L=100km, nó chỉ giảm tới 70Gb/s ngay cả khi L tăng 10 lẫn do sự phụ thuộc của tốc
độ bit vào cự ly L
l/3
.
14
4.2. Bù tán sắc trong hệ thống
Nguồn phát quang sử dụng bộ điều biến ngoài và vì vậy sẽ tránh được việc mở
rộng phổ bị gây ra bởi chirp tần số. Sự lựa chọn phương pháp này có tính khả thi tới
việc thương mại hoá những bộ phát gồm những laser DFB với một bộ điều biến tích
phân đơn khối. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn có thể được ước tính từ phương
trình

2
B L 1 / 4β ≤
và được xác định bởi:
2
2
1
L
16 B
<
β
2
β
là hệ số GVD, có liên quan tới tham số tán sắc
2
2
2 c
D
π
= − β
λ
Với
2
β
= 20 ps
2
/km tại bước sóng 1550nm và B-2,5Gb/s thì L<500km. Mặc dù đã
được cải thiện đáng kể so với trường hợp những máy laser DFB điều biến trực tiếp thì
vấn đề tán sắc này vẫn trở thành vấn đề đáng lo ngại khi sử dụng những bộ khuếch đại
tuyến tính để bù suy hao sợi quang. Hơn nữa, nếu tốc độ bit tăng lên trên 10Gb/s thì
khoảng cách truyền dẫn bị giới hạn bởi GVD giảm còn nhỏ hơn 30km, đây là một giá

trị quá thấp không thể áp dụng trong thực tế. GVD tương đối của những sợi quang đơn
mode tiêu chuẩn sẽ giới hạn hoạt động của những hệ thống tại bước sóng 1550nm mà
những hệ thống này sử dụng mạng viễn thông hiện tại với tốc độ bit bằng hoặc lớn hơn
10Gb/s.
Sự phát triển gần đây của những giải pháp bù tán sắc nhằm mục đích giải quyết
thực tiễn vấn đề này. Vấn đề cơ bản của tất cả các giải pháp này rất đơn giản và có
thể hiểu bằng các sử dụng phương trình truyền xung được xác định như sau:
A: biên độ xung
3
β
: tán sắc bậc 3. Trong thực tế, số hạng này có thể không đáng kể khi
2
2
1ps / kmβ >
. Trong trường hợp riêng biệt khi
3
0β =
thì:
( ) ( )
2
z
1 i
A z,t A 0, exp i t d
2 2
+∞
−∞
 
= ω β ω − ω ω
 ÷
π

 
∫
%
( )
A 0,ω
%
là biến đổi Fourier của A(0,t)
Sự suy giảm của tín hiệu quang phát sinh do tán sắc là do thừa số pha
2
2
i
exp z
2
 
β ω
 ÷
 
, thu được bởi thành phần phổ của xung khi lan truyền trong sợi
quang. Những giải pháp bù tán sắc đều nhằm xoá bỏ thừa số pha này để tín hiệu đầu
vào có thể được khôi phục. Việc này có thể thực hiện tại máy thu, máy phát hay dọc
theo tuyến sợi quang.
Ở mạng truyền dẫn tốc độ cao 40Gb/s, việc bù tán sắc phải được thực hiện một
cách thật chính xác. Sự suy giảm của hệ thống ảnh hưởng bởi tán sắc tỷ lệ nghịch
với bình phương tốc độ của tín hiệu gốc. Ví dụ như, tán sắc của hệ thống là
800ps/nm ở tốc độ 10Gb/s sẽ giảm xuống còn 50ps/nm ở tốc độ 40Gb/s. Vì vậy, để
có thể truyền dẫn ở tốc độ 40Gb/s hay lớn hơn nữa, phải tìm ra những phương pháp
bù tán sắc cao.
15
4.2.1. Bù tán sắc bằng sùi tán sắc cao
Một vài kỹ thuật bù tán sắc có những ưu điểm về bản chất tuyến tính và cho khả

năng bù hoàn toàn tán sắc vận tốc nhóm GVD của sợi nếu như công suất quang
trung bình đủ thấp để bỏ qua ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến như hiện tượng
trộn bước sóng FWM, hiện tượng điều pha chéo XPM. Có thể coi tín hiệu quang
được truyền trên nhiều mảnh sợi ghép lại mà các mảnh này có các đặc tính tán sắc
khác nhau.
Bảng 4.1. Thông số các sợi quang và sợi bù tương ứng
Hệ số tán
sắc vùng
1550nm,
ps/km.nm
Độ dốc tán sắc tại
1550nm.ps/nm
2
.km
Chiết suất
phi tuyến
n
2
(10-20
m
2
/W)
Diện tích
hiệu dụng
A
eff
,
2
mµ
Hệ số suy

hao tại
1550nm,
dB/km
SSMF 17 0.058 2.8 80 0.25
DCF cho
SSMF
-90 0.058x (-90/17) 4.3 14.3 0
TW 3.5 0.08 3.45 45 0.25
DCF cho
SSMF
-90 0.058x(-90/17) 4.3 14.3 0
TW 3.5 0.08 3.45 45 0.25
DCF cho
TW
-90 0.08x (-90/3.5) 4.3 14.3 0
TW-RS 4.4 0.045 3.2 55 0.25
DCF cho
TW-RS
-90 0.045x (-90/4.4) 4.3 14.3 0
LEAF 3.7706 0.11 3.0 72 0.25
DCF cho
LEAF
-90 0.11x (-90/3.7706 43 14.3 0
4.2.2. Kỹ thuật bù trước
Kỹ thuật bù tán sắc trước là một kỹ thuật áp dụng phương pháp tiếp cận trên cơ sở
sửa đổi các đặc tính của các xung tín hiệu đầu vào tại thiết bị phát quang trước khi tín
hiệu này được phát vào tuyến truyền dẫn. Thay đổi biên đội phổ
( )
A 0,ω
%

của xung tín
hiệu đầu vào làm cho sự xuống cấp tín hiệu do tán sắc vận tốc nhóm GVD gây ra sẽ
được hạn chế. Tuy nhiên giải pháp cụ thể để thực hiện điều này là không dễ dàng vì việc
tính toán để bù chính xác cho GVD là rất phức tạp. Để đơn giản hơn, người ta chủ động
cho tín hiệu đầu vào bị chirp một cách hợp lý cho có thể giảm tối thiểu sự giãn xung do
GVD gây ra.
Kỹ thuật bù chirp
Kỹ thuật bù chirp là một kỹ thuật mang nhiều ưu điểm đang được sử dụng rộng
rãi. Ở kỹ thuật này, chirp tần số được áp dụng tại thiết bị phát trước khi phát tín hiệu
xung vào tuyến truyền dẫn và được gọi là kỹ thuật chirp trước (pre- chirp). Biên độ
tín hiệu đầu vào lúc này sẽ được viết là:
16
( )
2
0
0
1 iC 1
A 0,t A exp
2 T
 
 
+
 
= −
 ÷
 
 
 
C là tham số chirp
Khi

2
C 0β <
thì xung đầu vào được nén trong sợi có tán sắc. Vì vậy, nếu như
xung được chirp một cách phù hợp thì nó có thể lan truyền trên một cự ly rất dài
trước khi bị dãn ra ngoài vị trí khe bit của nó. Trong trường hợp này, hệ số dãn xung
1 0
T / T 2=
. Cự ly truyền dẫn:
2
D
C 1 2C
L L
1 2C
+ +
=
+
2
D 0 2
L T /= β
: độ dài tán sắc
C=0 thì L = L
D
Xung không bị chirp. Khi C < 0 thì L sẽ tăng lên. Kỹ thuật chirp
trước đòi hỏi tính tối ưu cẩn thận. Khi sử dụng các laser điều chế trực tiếp tham số
chirp C lại có giá trị dương, mà
2
β
tại vùng bước sóng 1550nm cũng có giá trị dương
nên điều kiện
2

C 0β <
không thoả mãn. Trong trường hợp điều chế ngoài các xung
quang hầu như không có chirp. Kỹ thuật chirp trước trong trường hợp này đặt ra cho
chim tần số cần có giá trị tham số chirp âm để thoả mãn điều kiện
2
C 0β <
17
CHƯƠNG 5
MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN CHO TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
5.1. Sơ đồ thuật toán của chương trình
Bắt đầu: Các thông số đầu vào:
SNR yêu cầu: R, công suất phát
Ptx
Băng tần B, bước sóng, loại cáp (hệ
số suy hao, hệ số tán sắc), chiều dài
tuyến
Pin+suy hao >
R
Cần khuếch đại: tính số bộ khuyếch
đại là N
Tính độ dài giới hạn bởi tán sắc:
L
dispersion
L
dispersion
> L
Bù tán sắc
Kết thúc
S
Đ

Đ
S
18
5.2. Các chức năng chính của phần mềm:
- Thiết kế tuyến truyền dẫn quang với các thông số đầu vào là: công suất phát,
chiều dài tuyến, độ suy hao và tán sắc của tuyến truyền dẫn, OSNR yêu cẩu; kết quả
là số bộ khuếch đại và bù tán sắc cho hệ thống.
- Tính toán thông số cho tuyến như: độ suy hao, tán sắc, OSNR….
- Mô phỏng bài toán chương 6 cho hệ thống 10 Gb/s và 40 Gb/s.
- Ngoài ra, chương trình còn có cơ sở dữ liệu các bộ khuếch đại EDFA, các loại
sợi quang hiện có trên thị trường.s
5.3. Các form chính của phần mềm
19
20
21
22
23
KẾT LUẬN
Kết luận lại, ta có thể xây dựng các hệ thống truyền thông dung lượng cao trên
các khoảng cách lớn của sợi và với giá thành chấp nhận được cho các mạng đường
trục, các mạng này sẽ cung cấp cho tập hợp các thuê bao cuối cùng thông qua các
mạng truy cập. Tất cả các điều này đều khả thi bởi một sự điều hành thích hợp các
bộ khuếch đại, bù tán sắc, và các dạng biến điệu.
Luận văn đã đề cập đến các thành phần của hệ thống truyền dẫn quang tốc độ
cao (như: sợi quang, bộ phát, bộ thu, bộ khuếch đại quang) và các yếu tố ảnh hưởng
đến hệ thống (tán sắc, phi tuyến, suy hao,. . .) . Các hệ thống 40 Gb/s đã được tiến
hành trong phòng thí nghiệm và là hệ thống truyền dẫn quang đầy hứa hẹn nhằm
giải quyết những yêu cầu mà một xã hội thông tin đòi hỏi. Những phân tích đối với
các mô hình hệ thống 40 Gb/s trong phòng thí nghiệm. Và việc đưa ra các mô hình
này vào hoạt động trong thực tế là một điều hoàn toàn có thể thực hiện được trong

tương lai gần đây. Mặt khác, bằng cách kết hợp công nghệ WDM, có thể tạo ra các
hệ thống truyền dẫn dùng tốc độ cực lớn, hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta
đã có thể xây dựng được các hệ thống truyền dẫn lên tới l,28Tb/s (32*40Gb/s) từ các
đơn kênh 40 Gb/s. Tuy nhiên, việc xây dựng các hệ thống này không phải là 1 điều
đơn giản, khi mà trong các hệ thống tốc độ cao nảy sinh rất nhiều vấn đề cần giải
quyết
Với thời gian nghiên cứu và tìm hiểu có hạn, luận văn còn nhiều hạn chế và
nhiều vấn đề chưa đề cập đến. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong quá trình học tập và
làm luận văn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 GS.TS. Trần Đức Hân, PGS.TS. Nguyễn Minh Hiến, "Cơ sở kỹ thuật Laser",
NXB GD, 1999.
2. Trần Tuấn, Lê Văn Hiếu, "Hiệu ứng quang học phi tuyến ', NXB đại học
Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2004.
3. Vũ Văn San, "Kỹ thuật thông tin quang", NXB khoa học và kỹ thuật, 1997
4. Vũ Văn San, "Mô hình hoá bộ tiền khuếch đại EDFA hai trạng thái cho các
hệ thống 1 OGbit/s", tạp chí Bưu Chính Viễn Thông, 1 999
5 . Max Ming-kang Liu. "Principles and Application of optical
communications", Irwin, 1996.
6. Akio Sahata, Tetsuro Komukai, Hirokazu Kubota, "40 Gb/s RZ transmission
over a Transocean Distance in a Dispersion Managed Standard Fiber Using a
Modify Inline Synchronous Modulation Method",joumal of lightwave technology,
2003.