Nghiên cứu bộ khuyếch đại raman trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (886.42 KB, 109 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ THỊ CẨM HÀ
NGHIÊN CỨU BỘ KHUYẾCH ĐẠI RAMAN TRONG HỆ
THỐNG THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO
BƯỚC SÓNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : Điện tử viễn thông
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
NGUYỄN CHẤN HÙNG
Hà Nội – 2007
Mục lục
Bảng các thuật ngữ viết tắt......................................................................4
Danh mục các hình vẽ.....................................................................................6
Danh mục các bảng..........................................................................................7
Lời nói đầu ............................................................................................................8
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Ghép kênh
theo bớc sóng Wdm .....................................................................................10
1.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang ..........................................10
1.2 Công nghệ ghép kênh theo bớc sóng WDM .................................................12
1.2.1 Nguyên lý ghép kênh quang theo bớc sóng...........................................13
1.2.2 Các tham số cơ bản của bộ ghép, giải ghép.............................................15
1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM ...................................................18
1.3.1 Bộ phát quang ..........................................................................................18
1.3.2 Bộ thu quang............................................................................................19
1.3.3 Bộ ghép xen rẽ kênh quang OADM ........................................................20
1.3.4 Bộ đấu chéo quang OXC .........................................................................23
1.3.4 Bộ khuếch đại ..........................................................................................26
1.3.5 Sợi quang .................................................................................................30
1.4 Ưu nhợc điểm của công nghệ WDM ............................................................32
Chơng 2: ảnh hởng của tán sắc và Các hiệu ứng phi tuyến
trong hệ thống WDM ....................................................................................34
2.1 ảnh hởng của tán sắc.....................................................................................34
2.2 ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến...........................................................37
2.2.1 Hiệu ứng tự điều chế pha (SPM).............................................................38
2.2.2 Hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM) ........................................................41
2.2.3 Hiệu ứng trộn bốn bớc sóng (FWM) ....................................................43
2.2.4 Hiệu ứng Raman (SRS)............................................................................44
2.2.5 Hiệu ứng Brillouin (SBS) .........................................................................50
2.2.6 Các giải pháp hạn chế các hiệu ứng phi tuyến.........................................50
Chơng 3: khuếch đại raman ....................................................................53
1
3.1 Giới thiệu chung..............................................................................................53
3.2.1 Nguyên lý khuếch đại Raman .................................................................56
3.2.2 Các u điểm của khuếch đại Raman........................................................59
3.3 Các phơng trình truyền tín hiệu và nguồn bơm.............................................61
3.3.1 Phổ khuếch đại Raman. ...........................................................................63
3.3.2 Khuếch đại Raman 1 nguồn bơm. ...........................................................64
3.3.3. Khuếch đại Raman nhiều nguồn bơm ....................................................67
3. 4 Các yếu tố ảnh hởng tới chất lợng của bộ khuếch đại Raman. ..................70
3.4.1 Tán xạ Raman tự phát..............................................................................70
3.4.2 Tán xạ Rayleigh.......................................................................................73
3.4.3 Tạp âm từ nguồn bơm. .............................................................................73
3.4.4 ảnh hởng bởi tán xạ mốt phân cực........................................................73
Chơng 4: Phơng pháp thiết kế tuyến dùng toàn khuếch đại
Raman ....................................................................................................................75
4.1 Gới thiệu chung...............................................................................................75
4.2 Bài toán thiết kế dùng toàn khuếch đại Raman...............................................77
4.2.1 Một số vấn đề cần quan tâm khi tính toán thiết kế hệ thống thông tin
quang ghép kênh theo bớc sóng......................................................................77
4.2.2 Quy trình thiết kế hệ thống......................................................................79
4.2.3 Lựa chọn phơng án khuếch đại quang ...................................................79
4.2.4 Lựa chọn bộ phát quang, thu quang và sợi quang ...................................80
4.3 Kiểm tra cự ly chặng khuếch đại ....................................................................81
4.4 Lựa chọn phơng án và tính toán bù tán sắc...................................................82
4.5 Tính toán suy hao và bù công suất trong hệ thống..........................................85
4.5.1 Suy hao trên chặng khuếch đại ................................................................85
4.5.2 Các suy hao khác trên vòng .....................................................................87
4.5.3 Tính toán bù công suất do hiệu ứng phi tuyến.........................................87
4.5.4 Tính toán dự phòng thiết bị......................................................................88
4.6 Tính toán các thông số của khuếch đại phát và tiền khuếch đại .....................89
4.7 Phơng pháp tối u các bộ khuếch đại Raman phân bố .................................91
4.7.1 Quy trình thực hiện..................................................................................92
4.7.2 Lựa chọn dải bớc sóng bơm...................................................................93
2
4.7.3 Xác định số nguồn bơm và lựa chọn dải công suất bơm .........................93
4.7.4 Lựa chọn các bớc sóng và công suất của các nguồn bơm .....................94
4.7.5 Tính toán hệ số khuếch đại Raman..........................................................95
4.7.6 Tính toán khuếch đại G của các kênh......................................................96
4.7.7 Tính toán độ và kểm tra độ phẳng khuếch đại.........................................98
4.8 Thiết kế các vòng và các bộ khuếch đại LRA.................................................98
4.9 Tính toán BER và các thông số đánh giá hiệu năng hệ thống: .....................100
Kết luận .............................................................................................................103
Tài liệu tham khảo ........................................................................................106
Tóm tắt luận văn..........................................................................................108
3
Bảng các thuật ngữ viết tắt
ASE
Amplicated Spontaneous Emission
Sự phát xạ tự phát đợc khuếch đại
BER
Bit Error Ratio
Tỷ số lỗi bít
CW
Continuos Wave
Sóng liên tục
DCF
Dispersion Compansate Fiber
Sợi bù tán sắc
DCU
Dispersion Compansate Unit
Bộ bù tán sắc
DGE
Dynamic Gain Equalizer
Bộ cân bằng khuếch đại động
DPSK
DRA
DWDM
Differential Phase Shift Keying
modulation
Distributed Raman Amplication
Dense Wavelength Division
Multiplexing
Điều chế khóa dịch pha vi sai
Khuếch đại Raman phân bố
Ghép kênh bớc sóng mật độ cao
EDFA
Erbium Dopted Fiber Amplification
Khếch đại trộn Erbium
FC
Frequency Chirping
Dịch tần
FEC
Forward Error Correction
Sửa lỗi trớc
FWM
Four Wave Mixing
Trộn bốn sóng
GVD
Group Velocity Dispersion
Tán sắc vận tốc nhóm
GFF
Gain Flat Filter
Bộ lọc phẳng khuếch đại
ITU
International Telecommunication
Union
Hiệp hội viễn thông quốc tế
LD
Laser Diode
Diode laser
LED
Light Emitting Diode
Diode phát xạ ánh sáng
LRA
Lumped Raman Amplication
Khuếch đại Raman rời rạc
PDL
Polarization Dependent Losses
Suy hao phụ thuộc phân cực
PMD
Polarization Mode Dispersion
Tán xạ Mode phân cực
PS
Polarization Scrambler
Bộ trộn phân cực
RZ
Return to Zero format
Dạng mã trở về không
4
SBS
Stimulated Brillouin Scattering
T¸n x¹ Brillouin kÝch thÝch
SMF
Single Mode Fiber
Sîi ®¬m mode
SNR
Signal to Noise Ratio
Tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m
SOP
State of polarization
Tr¹ng th¸i ph©n cùc
SPM
Shelf Phase Modulation
§iÒu chÕ tù dÞch pha
SRS
Stimulated Raman Scattering
T¸n x¹ Raman kÝch thÝch
WDM
Wavelength Division Multiplexing
GhÐp kªnh theo b−íc sãng
XPM
Cross Phase Modulation
§iÒu chÕ pha chÐo
5
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1 Mô hình của hệ thống thông tin quang........................................Trang 10
Hình 1.2 Nguyên lý ghép kênh theo bớc sóng.................................................... 13
Hình 1.3 Hệ thống ghép bớc sóng theo một hớng và theo hai hớng............... 14
Hình 1.4 Ghép xen rẽ kênh quang ........................................................................ 21
Hình 1.5 OADM sử dụng BPF.............................................................................. 21
Hình 1.6 Bộ OADM sử dụng cách tử sợi và bộ xoay vòng .................................. 22
Hình 1.7 Cấu hình bộ OADM sử dụng AWG 16 kênh......................................... 23
Hình 1.8 Sơ đồ mạch của bộ OXC........................................................................ 24
Hình 1.9 OXCR và OXCT ...................................................................................... 25
Hình 1.10 Cơ chế bức xạ trong ba mức và bốn mức............................................... 26
Hình 1.11 Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA........................................ 27
Hình 2.1 Hiện tợng tán sắc trong sợi quang ....................................................... 34
Hình 2.2 Sự phụ thuộc của FWM vào D trong sợi quang..................................... 43
Hình 2.3 Sự tơng tác giữa photon và phonon quang ........................................... 45
Hình 2.4 Hiện tợng Raman nghiêng................................................................... 46
Hình 2.5 Phổ khuếch đại Raman của Silic ở bớc sóng bơm p = 1àm ............... 47
Hình 3.1 Phổ truyền dẫn của DWDM 6 kênh và phổ thu đợc sau khi bị ảnh
hởng bởi SRS ....................................................................................... 55
Hình 3.2 Cấu hình của bộ khuếch đại Raman ...................................................... 56
Hình 3.3 Phổ lúc truyền và khi thu đợc của hệ thống dùng khuếch đại Raman. 56
Hình 3.4 Quá trình cơ lợng tử trong hiện tợng tán xạ Raman .......................... 57
Hình 3.5 Phổ khuếch đại Raman của ba loại sợi quang ....................................... 57
Hình 3.6 Mô hình hệ thống truyền dẫn quang có sử dụng bộ khuếch đại Raman 58
Hình 3.7 Hệ thống khuếch đại Raman phân tán và hệ thống tơng đơng của một
chặng khuếch đại và bộ khuếch đại rời rạc .......................................... 60
Hình 3.8 Sơ đồ của bộ khuếch đại Raman dựa trên sợi quang theo cấu hình bơm
thuận ...................................................................................................... 62
Hình 3.9 Phân bố khuếch đại Raman tổng từ 6 nguồn bơm với công suất và
6
bớc sóng bơm khác nhau ..................................................................... 68
Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống WDM dung lợng lớn, cự ly xa sử dụng toàn
khuếch đại Raman ................................................................................. 76
Hình 4.2 Quy trình thiết kế .................................................................................. 79
Danh mục các bảng
Bảng 4.1 Số liệu bù công suất do các hiệu ứng phi tuyến ...................................... 87
Bảng 4.2 Danh mục dự phòng công suất quang ..................................................... 88
7
Lời nói đầu
Thông tin liên lạc đóng một vai trò hết sức quan trọng trong sự phát triển đời
sống xã hội ngày nay. Xã hội càng phát triển nhu cầu trao đổi và sử dụng các dịch
vụ thông tin ngày càng cao chính vì vậy mà ngày càng có nhiều các hệ thống thông
tin với nhiều hình thức đa dạng khác nhau và các hệ thống này ngày càng đợc nâng
cấp cải tiến về quy mô, chất lợng cũng nh công nghệ.
Từ khi ra đời hệ thống truyền dẫn sử dụng cáp quang đã tỏ ra là một phơng
thức truyền dẫn u việt và đợc sử dụng phổ biến trên thế giới đặc biệt là đợc sử
dụng hầu hết trong các tuyến trung kế, vợt biển và xuyên lục địa. Ngày nay với
việc sử dụng công nghệ ghép kênh quang theo bớc sóng kết hợp với các bộ khuếch
đại quang thay vì các trạm lặp điện 3R đã góp phần nâng cao dung lợng, tốc độ và
cự ly truyền dẫn đáng kể. Rõ ràng có mặt của các bộ khuếch đại quang trên tuyến có
một ý nghĩa hết sức quan trọng kể cả về tính kỹ thuật cũng nh tính kinh tế. Trong
những năm vừa qua ngời ta sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA trên tuyến thông
tin quang WDM nh là một điều tất yếu vì những lợi ích mà nó đem lại.Tuy nhiên
việc sử dụng EDFA trong hệ thống thông tin quang WDM để truyền dẫn đặc biệt
với cự ly xa, dung lợng lớn với mật độ ghép cao cũng đã nảy sinh ra nhiều vấn đề
cần quan tâm đặc biệt là phổ khuếch đại của EDFA không đồng đều trong mọi bớc
sóng. Thêm vào đó với sự thơng mại hóa của những Laser công suất lớn làm cho
việc chế tạo những khuếch đại dựa trên hiệu ứng phi tuyến đặc biệt là khuếch đại
Raman trở thành hiện thực và là một hớng đi mới cho việc thiết kế các tuyến truyền
dẫn quang cự ly dài, dung lợng lớn vì những u điểm của nó so với EDFA. Từ
khoảng đầu những năm 2000 các bộ khuếch đại Raman đợc thơng mại hóa và từ
năm 2003 thì khuếch đại Raman đợc sử dụng rộng rãi trong các tuyến đờng dài
trên thế giới với cự ly hàng ngàn km cho chất lợng thông tin tốt ... Vì vậy việc tìm
hiểu, nghiên cứu các bộ khuếch đại Raman trên hệ thống WDM là một vấn đề cần
đợc quan tâm.
8
Sau một thời gian nghiên cứu tài liệu, luận văn của em với đề tài Nghiên cứu
khuếch đại Raman trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
WDM đợc chia làm 4 chơng:
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
Chơng 2: ảnh hởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống
WDM
Chơng 3: Khuếch đại Raman
Chơng 4: Phơng pháp thiết kế hệ thống thông tin quang WDM sử dụng
khuếch đại Raman
Do trình độ và thời gian còn nhiều hạn chế, nên bản luận văn này chắc chắn
sẽ không tránh đợc những thiếu sót, em rất mong đợc sự góp ý và thông cảm của
thầy cô và bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn, động viên, giúp đỡ nhiệt tình của
thầy giáo Nguyễn Chấn Hùng cũng nh tất cả các thầy cô, bạn bè đã tạo điều kiện
cho em trong suốt thời gian học tập và hoàn thành bản luận văn này.
Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2007
Học viên
Lê Thị Cẩm Hà
9
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Ghép
kênh theo bớc sóng Wdm
1.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang
Về cơ bản tổ chức hệ thống thông tin quang cũng tơng tự nh các hệ thống
thông tin khác nh vô tuyến, vi ba, cáp kim loại và vệ tinh chỉ hơi khác ở các hệ
thống con về phần quang và môi trờng truyền dẫn. Một hệ thống thông tin quang
bao gồm: phần phát quang, phần truyền dẫn quang-sợi quang và phần thu quang.
Mô hình của hệ thống thông tin quang đợc mô tả ở hình 1.1.
Bộ phát quang
Tín hiệu
điện vào
Mạch
điều
khiển
Nguồn
phát
quang
Bộ nối
quang
Chỗ nối sợi
quang
Bộ tách hoặc
ghép quang
Tín hiệu điện
Sợi
quang
Trạm
lặp
Tín hiệu quang
Tới các thiết bị khác
Khuếch đại
quang
Tách
sóng
quang
Khuếch đại
điện
Khôi
phục
tín hiệu
Tín hiệu
điện ra
Bộ thu quang
Hình 1.1 Mô hình của hệ thống thông tin quang
Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phát
quang. Phần thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện và mạch
khôi phục tín hiệu. Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia,
10
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
các trạm lặp, các trạm tách và ghép quang, trong đó sợi quang là thành phần quan
trọng nhất.
Các nguồn quang cơ bản sử dụng cho hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể
là diode laser LD hoặc diode phát quang LED. Các thiết bị này phù hợp cho hệ
thống thông tin cáp sợi quang do có công suất ra thích hợp cho rất nhiều ứng dụng.
ánh sáng phát ra từ LD hoặc LED có tham số biến đổi tơng ứng với biến đổi của
tín hiệu điện vào. Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc hoặc tơng tự. Thiết
bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tơng ứng
bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang. Công suất quang ra phụ
thuộc vào biến đổi của cờng độ dòng điều biến cờng độ ánh sáng IM. Bớc sóng
ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát.
Ví dụ GaAlAs phát sóng ở vùng bớc sóng 800nm đến 900nm, InGaAsP phát sóng
ở vùng 1100nm đến 1600nm. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp
với sợi dẫn quang trên đờng truyền dẫn.
Tín hiệu quang sau khi đã đợc điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyền dọc
theo sợi dẫn quang. Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang sẽ có thể bị suy hao
và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu tố hấp thụ, tán
xạ, tán sắc. Độ dài của tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao sợi quang theo
bớc sóng.
Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cần
phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch tín hiệu bù trừ suy hao. Trặm lặp gồm
các thiết bị thu, biến đổi quang-điện, khuếch đại điện, biến đổi điện-quang và phát
lại quang vào đờng truyền tiếp theo. Các trạm lặp có thể đợc thay thế bằng các bộ
khuếch đại quang.
Phần thu quang gồm các bộ phận tách sóng quang tiếp nhận ánh sáng, tách
lấy tín hiệu thu đợc từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện. Trong phần này
thờng sử dụng các photodiode PIN hoặc photodiode APD vì chúng có hiệu suất
làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh. Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu
11
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
quang này là độ nhạy quang và công suất quang nhỏ nhất có thể thu đợc ở một tốc
độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit BER cho phép.
Phần tử đầu tiên của bộ thu quang chính là bộ tách sóng quang. Bộ tách sóng
quang thu các tín hiệu quang và chuyển đổi công suất quang thành dòng điện tơng
ứng. Do tín hiệu quang thờng bị suy giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp
quang nên bộ tách sóng quang phải đáp ứng đợc những yêu cầu về đặc tính rất cao.
Một trong những yều cầu hàng đầu là có đáp ứng cao hay độ nhạy của khoảng bớc
sóng phát của nguồn quang đợc sử dụng, có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có
độ rộng băng tần đủ để xử lý tốc độ dữ liệu mong muốn. Bộ tách sóng quang phải
không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, phải tơng thích về kích thớc với sợi
cáp quang, phải có giá cả hợp lý đối với các thành phần khác của hệ thống, và tất
nhiên phải có thời gian hoạt động lâu dài.
Nhìn chung, việc xây dựng hệ thống truyền dẫn quang cần phải tiến hành
thiết kế và lựa chọn cả thiết bị phát, thiết bị thu và cáp sợi quang. Mục tiêu để xây
dựng hệ thống truyền dẫn quang là phải đa ra đợc cấu hình hệ thống thực tế có
chất lợng và hiệu quả. Để làm điều này, các tham số hệ thống cần phải thoả mãn
các tiêu chuẩn đợc qui định và nhất là phải tiến hành các phép đo kiểm tra các
thành phần của hệ thống.
1.2 Công nghệ ghép kênh theo bớc sóng WDM
Công nghệ WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự
phát triển cha từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng
dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet. Trớc WDM, ngời ta tập trung mọi nỗ
lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhng kết quả thu đợc
không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã dần đến
giới hạn. Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbps bản thân các mạch điện tử không thể
đảm bảo đáp ứng đợc xung tín hiệu cực kỳ hẹp. Thêm vào đó, chi phí cho các giải
pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao.
Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới đợc sử dụng một phần nhỏ.
Ghép kênh theo bớc sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM
12
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
nhng các hệ thống WDM chỉ đợc thơng mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín
hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong chế tạo các
laser phổ hẹp, các bộ lọc quang và đặc biệt là các bộ khuếch đại đờng truyền quang
dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman).
1.2.1 Nguyên lý ghép kênh quang theo bớc sóng
Ghép kênh theo bớc sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng
quang. Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyền nhiều kênh
bớc sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang. Mỗi bớc sóng biểu
thị cho một kênh quang trong sợi. Để tránh xuyên nhiễu thì giữa các kênh phải có
khoảng cách nhất định. Khuyến nghị của G.692 của ITU -T đã đa ra cụ thể các
kênh bớc sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể lựa chọn ở các cấp độ
200GHz, 100GHz, 50GHz.
1
2
N
Sợi quang
MUX
DEMUX
1 2 ............ N
1
2
N
Hình 1.2: Nguyên lý ghép kênh theo bớc sóng WDM
Trong hình 1.2 mô tả sơ đồ nguyên lý cơ bản của tuyến thông tin có ghép
bớc sóng quang. Phía phát các tín hiệu có bớc sóng khác nhau đợc ghép lại nhờ
bộ ghép kênh. Các bộ ghép bớc sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau
khi đợc ghép phải đợc truyền dọc theo sợi để đến phía thu. Các bộ tách sóng khác
nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bớc sóng riêng rẽ này
sau khi chúng qua bộ giải ghép bớc sóng.
Để thiết lập một hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bớc sóng quang chúng ta
có hai phơng án. Đó là phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang theo một
hớng và phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang theo hai hớng. Phơng án
truyền dẫn ghép bớc sóng quang theo một hớng (hình 1.3a) là kết hợp các tín hiệu
có bớc sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới
13
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Nh vậy phơng án này phải sử dụng hai sợi
quang để thực hiện truyền tín hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về.
Phơng án truyền dẫn WDM hai hớng (hình 1.3b) thì không quy định phát ở
một đầu và thu ở một đầu; điều này tức là có thể phát thông tin theo một hớng tại
bớc sóng 1, 2 ,n và đồng thời cũng phát thông tin khác theo hớng ngợc lại
tại bớc sóng 1, 2, ,n. Vì vậy phơng án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng
có thể thiết lập đợc một hệ thống thông tin cho cả chiều đi và chiều về.
Kênh 1
Nguồn(1)
Thu(1)
Kênh 2
Kênh 2
Một sợi
Nguồn (2)
Kênh 1
Thu (2)
MUX 1, 2, 3, N DEMUX
Kênh N
Kênh N
Nguồn (N)
Thu (N)
(a
Kênh 1
Kênh 1
Kênh N
Kênh N
Nguồn(1)
Thu(1)
Nguồn(N)
Thu(1)
MUX/
DEMUX
Một sợi
1N
1N
Thu(N)
MUX/
DEMUX
Nguồn(1)
Thu(N)
Nguồn(N)
Kênh 1
Kênh 1
Kênh N
Kênh N
(b
Hìmh 1.3 Hệ thống ghép bớc sóng theo một hớng a) và theo hai hớng b)
Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hớng thì cần phải có bộ ghép
kênh ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau
đa vào một sợi quang chung. Tại đầu thu, cần phải có bộ giải ghép kênh để thực
hiện tách các kênh quang tơng ứng. Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát
một lợng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trớc của
chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lu tâm ở đầu phát. Vấn đề đáng
lu tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn
quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách
14
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
sóng quang thờng nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bớc sóng cho nên nó có
thể thu đợc toàn bộ các bớc sóng đợc phát đi. Nh vậy, để ngăn chặn các tín hiệu
không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh
quang. Để thực hiện đợc điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thật chính xác hoặc
sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bớc sóng cắt chính xác.
Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bớc sóng nào cũng có thể đợc dùng làm
bộ giải ghép bớc sóng. Nh vậy, có thể hiểu đơn giản multiplexer - bộ ghép trong
trờng hợp này thờng đợc sử dụng ở dạng chung để tơng thích cho cả bộ ghép và
bộ giải ghép, loại trừ trờng hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai loại
chức năng. Vì vậy rõ ràng là khi các luồng tín hiệu quang đợc giải ghép ở phía thu
thì bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngợc lại.
Trong thực tế thì hệ thống WDM theo một chiều đợc ứng dụng tơng đối
rộng rãi. Còn hệ thống WDM hai chiều có yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn,
vì khi thiết kế và ứng dụng hệ thống WDM hai chiều phải xem xét đến nhân tố của
các hệ thống then chốt, nh để hạn chế can nhiễu xuyên kênh cần phải chú ý đến
ảnh hởng của phản xạ quang, cách li giữa các kênh hai chiều, trị số và loại hình của
xuyên âm, trị số mức điện của công suất truyền dẫn trên hai chiều và sự phụ thuộc
vào nhau giữa chúng. Nhng so với hệ thống WDM một chiều thì hệ thống WDM
hai chiều giảm đợc số lợng bộ khuếch đại sợi quang và đờng dây.
1.2.2 Các tham số cơ bản của bộ ghép, giải ghép
Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép, giải ghép là suy hao
xen, xuyên kênh và độ rộng kênh. Các ký hiệu I(i) và O(k) tơng ứng là các tín
hiệu đợc ghép đang có mặt ở đờng chung. Ký hiệu Ik(k) là tín hiệu đầu vào đợc
ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này đợc phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu
Oi(i) là tín hiệu có bớc sóng i đã đợc giải ghép và đi ra cửa thứ i. Sau đây ta
xem xét chi tiết các thông số của hệ thống.
(a) Suy hao xen
15
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
Đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn
quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bớc sóng quang WDM. Suy hao này bao
gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân
các thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen đợc diễn giải tơng tự nh suy hao đối với
các bộ ghép coupler chung, nhng ở WDM là xét cho một bớc sóng đặc trng:
Li = 10 log
O (i )
I i (i )
MUX
(1.1)
Li = 10 log
O (i )
I (i )
DEMUX
(1.2)
Trong đó:
- Li: Suy hao tại bớc sóng i khi thiết bị đợc ghép xen vào tuyến truyền dẫn.
- O(i): Công suất phân bố tín hiệu quang của bớc sóng i tại đầu ra bộ ghép
- I(i): Công suất đầu vào của tín hiệu quang có bớc sóng i tại đầu vào bộ ghép.
- Ii(i): Công suất quang đầu vào cổng thứ i của bớc sóng i.
Các tham số này luôn phải đợc các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh
quang của thiết bị.
(b) Xuyên kênh
Mô tả một lợng tín hiệu từ kênh này đợc ghép sang kênh khác. Các mức
xuyên kênh cho phép nằm ở dải rộng tuỳ thuộc vào trờng hợp áp dụng. Nhng nhìn
chung phải đảm bảo nhỏ hơn - 30dB.
Trong một bộ giải ghép kênh lý tởng, sẽ không có sự rò công suất tín hiệu từ
kênh thứ i có bớc sóng i sang các kênh khác có bớc sóng khác với i. Nhng
trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lợng
truyền dẫn của thiết bị.
Khả năng tách các kênh khác nhau đợc diễn giải bằng suy hao xuyên kênh
và đợc tính bằng dB nh sau:
16
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
Di ( k ) = 10 log[U i ( k ) I ( k )]
(1.3)
Trong các hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:
- Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh khác gây
xuyên kênh. Khi sóng mang quang đợc điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công
suất của các viền phổ của nó đợc thể hiện nh điều chế công suất trong băng của
kênh lân cận.
- Những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly gây ra xuyên
kênh. Đối với các bộ lọc có khoảng cách tơng đối từ 80nm đến 100nm thì có thể
đạt đợc mức cách ly khoảng 20nm đến 30nm.
- Tính phi tuyến trong sợi ở mức công suất cao đối với hệ thống cáp đơn
mode có thể gây xuyên kênh. Cơ chế của nó là tán xạ Raman, đây là hiệu ứng tán xạ
kích thích phi tuyến làm cho công suất quang ở một bớc sóng tác động đến tán xạ
và công suất quang trong các bớc sóng đó.
Có hai loại xuyên kênh:
Xuyên kênh đầu gần: Xuyên kênh quang sinh ra do hiệu ứng kí sinh của các
nguồn trên các bộ phận ở lân cận các nguồn này. Nó thờng xảy ra trong trờng hợp
truyền hai hớng trên cùng một sợi, tức là ở mỗi một đầu đều có thiết bị thu và phát
Xuyên kênh đầu xa: Do các kênh khác đợc ghép đi vào đờng truyền gây ra.
Thông thờng xuyên kênh đầu gần nhỏ hơn xuyên kênh đầu ra.
(c) Độ rộng kênh
Là dải bớc sóng định ra cho từng nguồn kênh quang riêng. Nếu nguồn phát
quang là các diode laser thì các độ rộng kênh đợc yêu cầu vào khoảng vài chục
nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn
phát gây ra.
Đối với nguồn phát quang là diođe phát quang LED yêu cầu độ rộng phổ
kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng
hơn.
17
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM
Trong thực tế, các thiết bị WDM rất đa dạng phong phú, sau đây chúng ta chỉ
xét một số các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn WDM
1.3.1 Bộ phát quang
Trong hệ thống thông tin quang nói chung, vai trò của bộ phát quang rất quan
trọng, nó tạo ra nguồn ánh sáng mang thông tin để đa vào sợi quang và truyền sang
phía thu. Các thành phần chính của bộ phát quang là nguồn quang và mạch điều chế
quang.
Nguồn phát quang trong các hệ thống tốc độ cao, cự ly xa thờng sử dụng
LD có nhiều u điểm hơn so với LED về công suất và độ rộng phổ quang. Về cơ bản
các laser làm việc dựa trên hiện tợng phát xạ kích thích khi xảy ra hiện tợng đảo
nồng độ hạt dẫn. Laser sẽ tạo ra ánh sáng có thể ở dạng ánh sáng liên tục hay xung
ánh sáng để mang thông tin truyền trên sợi quang.
Đối với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, dung lợng lớn thờng sử dụng
loại laser hồi tiếp phân bố với các tham số chính dới đây:
- Độ rộng phổ: Để tối u các thông số trong hệ thống thờng yêu cầu các
laser có độ rộng phổ hẹp, điều này sẽ làm giảm độ rộng dãn xung do tán sắc, thuận
lợi cho việc ghép kênh theo bớc sóng và tránh ảnh hởng của các hiệu ứng phi
tuyến.
- Dải bớc sóng làm việc: Dải bớc sóng làm việc đóng vai trò quan trọng
trong hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao, dung lợng lớn. Các hệ thống này
thờng sử dụng dải bớc sóng lân cận 1550nm. Bởi vì ở dải bớc sóng này suy hao
trên sợi quang đạt giá trị cực tiểu, việc bù công suất do suy hao sẽ thấp và hệ thống
sẽ đạt đợc cự ly tổng xa hơn.
- Công suất phát quang: Đối với các hệ thốn truyền dẫn quang tốc độ cao thì
thờng sử dụng điều chế ngoài, lúc này laser đóng vai trò là nguồn tạo ra tín hiệu
quang liên tục và đa tới bộ điều chế ngoài để mang thông tin đa vào sợi quang.
Tùy thuộc vào thiết kế của hệ thống mà dải công suất phát quang của laser khoảng
18
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
vài chục mW. Việc lựa chọn các bộ laser có công suất phát phù hợp tùy thuộc vào
việc thiết kế hệ thống để đảm bảo công suất đa vào sợi không quá nhỏ hoặc không
quá lớn để giảm các ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến.
Điều chế quang là quá trình thay đổi các thông số sóng mang quang ánh sáng
phát ra từ các nguồn quang để truyền tải thông tin qua sợi quang. Công suất quang
ra của đầu phát có thể đợc điều chế theo biên độ, tần số hay ph, thông tin đợc
truyền đi tơng ứng sẽ là sự thay đổi về biên độ, tần số hay pha của ánh sáng. Tùy
thuộc vào vị trí của bộ điều chế quang mà ngời ta chia thành điều chế trực tiếp và
điều chế ngoài.
Đối với hệ thống truyền dẫn quang dung lợng lớn, tốc độ cao để đảm bảo
tránh sự biến động về tần số hoặc phân chia mode nh ở điều chế trực tiếp, ngời ta
thờng dùng bộ điều chế ngoài.
1.3.2 Bộ thu quang
Bộ thu quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu quang từ đờng truyền và biến đổi
thành tín hiệu điện qua đó các thông tin cần truyền tải đợc khôi phục. Để thực hiện
chức năng trên, bộ thu quang bao gồm các thành phần sau: diode tách quang, mạch
khuếch đại và mạch khôi phục tín hiệu.
Trong hệ thống thông tin quang các diode tách quang đợc sử dụng có thể là
PIN hoặc diode quang thác APD. Các diode tách quang này có đặc tính kỹ thuật và
các u nhợc điểm khác nhau nhng nguyên lý chung đều là biến đổi tín hiệu quang
thành tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng quang điện để đa tới mạch khuếch đại và
mạch tái tạo lại dãy tín hiệu ban đầu. Vì PIN có độ nhạy thấp hơn so với APD, mặt
khác PIN thích hợp cho tốc độ bít không cao nên APD thích hợp hơn với tuyến có cự
ly dài và tốc độ cao. Tuy nhiên APD cần có điện áp phân cực cao và phải ổn định
nhiệt nên giá thành đắt.
Các thông số chính của bộ thu cần quan tâm:
- Độ nhạy thu và ngỡng quá tải: Độ nhạy thu là công suất thu nhỏ nhất để
đạt đợc tỷ số lỗi bit yêu cầu của hệ thống (thông thờng trong các hệ thống WDM
19
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
thì yêu cầu BER<10-13). Ngỡng quá tải là mức công suất thu lớn nhất mà hệ thống
vẫn đạt đợc tỷ số lỗi bít theo yêu cầu, tuy nhiên nếu công suất thu lớn hơn ngỡng
này sẽ đánh hỏng diode tách quang. Hai thông số trên đợc dùng làm cơ sở tính toán
suy hao cho phép của hệ thống để đảm bảo công suất tới bộ thu hợp lý nhất.
- Dải bớc sóng làm việc: Cũng giống nh với bộ phát quang, dải bớc sóng
làm việc cũng đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang tốc độ
cao, dung lợng lớn. Các mạch thu hiện nay thờng cho phép dải bớc sóng làm
việc tơng đối rộng.
- Thời gian lên: Là khoảng thời gian lên đạt từ 10% tới 90% giá trị cực đại
khi dòng quang đầu vào biến đổi một cách tức thời. Thời gian lên là một thông số
quan trọng liên quan trực tiếp tới quỹ thời gian lên của cả hệ thống.
- Khả năng đáp ứng của diode tách quang: Là thông số mô tả mối quan hệ
giữa công suất phát quang đầu vào và dòng điện đầu ra của điode tách quang và
đợc tính theo công thức dới đây:
R=
Ip
Pin
(1.4)
Trong đó:
- R: Khả năng đáp ứng của diode tách quang
- Ip: Dòng quang tại đầu ra của diode
- Pin: Công suất ánh sáng tại đầu vào của diode
1.3.3 Bộ ghép xen rẽ kênh quang OADM
Các bộ ghép xen rẽ là rất cần thiết cho các mạng WDM trong đó một hay
nhiều kênh cần đợc tách ra hay xen vào trong khi vẫn phải bảo toàn tính nguyên
vẹn của các kênh khác. Bộ ghép xen rẽ kênh quang cho phép xen rẽ một kênh bớc
sóng tại mỗi một nút quang. Các tín hiệu ở các bớc sóng khác nhau đợc lấy ra tại
các nút khác nhau trong mạng và sau đó các tín hiệu mới với cùng các bớc sóng đó
lại đợc đa vào các nút quang. Việc xen rẽ bớc sóng quang là trong suốt đối với
20
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
dạng mã tín hiệu, nó chỉ phụ thuộc vào bớc sóng chứa tín hiệu mà không phụ thuộc
vào dạng mã tín hiệu. Trong hình 1.4 các bớc sóng i và j đợc tách ra từ hai nút
khác nhau trong mạng và cũng những bớc sóng này đợc ghép vào tại các nút
quang đó.
1
MUX
n
DEMUX
1
i i
n
j j
Các thiết bị: + Tách ghép kênh quang (MUX - DEMUX)
+ Khuếch đại quang (OA)
+ Chuyển mạch quang
Hình 1.4 Ghép xen rẽ kênh quang
(a) Bộ ghép xen rẽ quang sử dụng BPF và FBG
Cấu hình cơ bản của bộ ghép xen rẽ kênh quang OADM có thể đợc xây
dựng từ các bộ lọc đa hốc cộng hởng BPF (multi - cavity band pass filter) và cách
tử sợi Bragg FBG (Fiber Bragg Filter ) và bộ xoay vòng quang.
BPF
Cổng vào
1..3..8
Cổng ghép
3
Cổng tách
3
Cổng xuyên qua
1..3..8
Hình 1.5. OADM sử dụng BPF
21
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
Bộ xen rẽ quang có thể đợc thiết kế từ các cách tử sợi và bộ xoay vòng
quang. ánh sáng vào với các bớc sóng đã đợc ghép đợc đa tới cổng vào (input
port). Trong quá trình tác, chỉ có ánh sáng với bớc sóng Bragg k của cách tử sợi
đợc phản xạ bởi cách tử sợi và đợc hớng tới cổng tách (drop port) bởi bộ xoay
vòng quang, ánh sáng với các bớc sóng còn lại đi qua tới cổng ra (output port).
Trong quá trình ghép, ánh sáng với bớc sóng k đợc chèn vào cổng ghép (add
port) và phản xạ tới cổng ra và đợc trộn với các bớc sóng còn lại.
Bộ xoay vòng quang
Cổng vào
Cổng ra
Cách tử sợi
Cổng tách
Cổng ghép
Tín hiệu chính ( 1, 2,..., n)
Tín hiệu đợc ghép và tách (k)
Hình 1.6 Bộ OADM sử dụng cách tử sợi và bộ xoay vòng quang
(b) Bộ ghép xen rẽ quang sử dụng AWG
Bộ OADM còn có thể đợc thực hiện bằng cách sử dụng các bộ ghép kênh
AWG. Bộ AWG này bao gồm 2 cặp AWG và các chuyển mạch quang nhiệt TO
(thermo - optic). Cấu hình của bộ OADM 16 kênh đợc mô tả ở hình 1.11. Nó bao
gồm 4 bộ AWG và 16 chuyển mạch quang nhiệt TO. Bốn bộ AWG đợc định rõ vị
trí sao cho các vùng quạt của chúng đợc đan xen vào nhau. Các bộ AWG có các
thông số cách tử giống hệt nhau: khoảng cách giữa các kênh là 100GHz và có
khoảng phổ tự do là 3300GHz (26.4nm) ở vùng bớc sóng 1550nm. Các tín hiệu
WDM, 1, 2, ...16, đợc đa vào cổng ghép (Add port) đợc giải ghép kênh bởi bộ
22
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
AWG1 (AWG2) và sau đó 16 tín hiệu này đợc đa vào các bộ chuyển mạch quang
nhiệt TO. Góc chéo của các ống dẫn sóng giao nhau đợc thiết kế lớn hơn 300 để
làm cho xuyên kênh và suy hao xen trở nên không đáng kể.
Hình 1.7 Cấu hình bộ OADM dùng AWG 16 kênh
Khi tất cả các chuyển mạch quang nhiệt ở trạng thái đóng, tín hiệu từ cổng
vào chính đợc tách ra tại AWG1 (AWG2) đợc ghép lại tại AWG3 (AWG4) đi qua
các chuyển mạch quang nhiệt TO và đi ra cổng ra chính.
Khi các chuyển mạch quang nhiệt ở trạng thái mở, tín hiệu đợc tách ra tại
AWG1 (AWG2) và đợc ghép lại tại AWG4 (AWG3). Do đó, bất kỳ tín hiệu bớc
sóng quang xác định nào cũng có thể đợc tách từ cổng vào chính (main output
port) và dẫn ra cổng tách (drop port) bằng cách thay đổi trạng thái của chuyển mạch
tơng ứng. Tín hiệu với cùng bớc sóng trên của thiết bị tách có thể ghép thêm vào
khi nó đợc ghép thành cổng ghép (add port).
1.3.4 Bộ đấu chéo quang OXC
Bộ đấu chéo quang có thể thực hiện chuyển mạch tất cả các kênh bớc sóng
từ một sợi lối vào đến một sợi lối ra hoặc có thể chuyển mạch một nhóm kênh bớc
23
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng
sóng từ một sợi lối vào đến một sợi lối ra hoặc cũng có thể có khả năng chuyển đổi
bớc sóng của kênh từ tần số này sang tần số khác.
Trên hình 1.8 là sơ đồ mạch của bộ OXC. Nó bao gồm mạch N cổng vào,
mỗi cổng thu một tín hiệu WDM chứa M bớc sóng.
Tách kênh
1
2
N
Chuyển mạch
không gian
Ghép
kênh
1,
1,
1
1,
1,
2
1,
1,
3
Ghép xen
1
2
N
Rẽ xuống
Hình 1.8 Sơ đồ mạch của bộ OXC
Bộ tách bớc sóng sẽ chia tín hiệu thành các bớc sóng riêng biệt và phân
chúng tới M bộ chuyển mạch, mỗi 1 chuyển mạch thu đợc N tín hiệu đầu vào cùng
một bớc sóng. Cổng đầu vào và cổng đầu ra phụ đợc thêm vào chuyển mạch cho
phép ta tách ra hoặc xen vào một kênh xác định. Các chuyển mạch đa đầu ra của
chúng tới N bộ ghép kênh, các bộ này sẽ phối hợp M đầu vào của chúng để tạo
thành tín hiệu WDM. Các bộ chuyển mạch này dựa trên chuyển mạch không gian
bởi vì chúng hoạt động dựa trên cơ sở vị trí không gian của các đầu vào.
Có hai loại OXC chính là loại OXC định tuyến theo bớc sóng (Wavelength
routing OXCR) và OXC có khả năng chuyển đổi bớc sóng (Wavelength translating
OXCT).
Sở dĩ ta phải sử dụng loại OXCT là để có thể tận dụng đợc tối đa quỹ bớc
sóng quang (ví dụ 16 bớc sóng). Nh vậy nếu thực hiện việc phân phối một cách
hợp lý thì mỗi bớc sóng không chỉ sử dụng cho một tuyến truyền dẫn mà có thể sử
24
