Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao (DWDM ) : Luận văn ThS. Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc: 2 07 00

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ

NH ÂM VÃN HẢI

HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG THEO
BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO (DWDM)

Chuyên ngành: Ki thuật Vô tuyến điện tử và T hông tin liên lạc
M ã sô: 20700

LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC

NGƯỜI H Ư Ớ N G D Ẫ N K H O A HỌC:

PGS.TS. Vũ Như Cương
o c o \Â iiA -K/'
ỊĨP.UNÍ!ĨAM THÒNG
TfJOHFTIN
TIN .Tií‘
Tii'J
J V ÍN

]/- k > /
HÀ NỘI - 2002

Sò


CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASE

Amplified Stimulated Emission

ATM

Asynchronous Transfer Module

AWG

Array Waveguide Grating

BA

Boost Amplifier

BER

Bit Error Rate
J

BU

Braching Unit

CWDM

Coarse (Sparse) Wavelength Division Multiplexing

CH

Channel

CPM

Cross Phase Modulation

DEMUX

Demultiplexer

DSF

Dispersion Shift Fiber

DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexing

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

FBG

Fiber Bragg Grating

FEC

Forward Error Correction

FR

Frame Relay

FWM

Four Wave Mixing

IT

Informatic Technology

ITU

International Telecommunication Union

LA

Line Amplifier

MUX

Multiplexer

NF

Noise Figure

NRZ

Non-Return Zero

NZ-DSF

Non Return to Zero Dispersion Shift Fiber

OA

Optical Fiber


OSNR

Optical Signal to Noise Ratio

OWAD

Optical Wavelength Add/Drop

oxc

Optical Cross Connect

PA

Pre-Amplifier

PDH

Plesiochronours Digital Hierarchy

PMD

Polarization Mode Dispersion

ROPA

Remote Optical Pump Amplifier

RX

Receiver

RZ

Return Zero

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

SPM

Self Phase Modulation

SRS

Stimulated Raman Scattering

STM

Synchronous Transport Module

TDM

Time Division Multiplexing

TEL

Telephone

TV

Television

TX

Transmitter

WDM

Wavelength Division Multiplexing


MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẨU

1

Chương 1: T ổ N G QUAN CÔNG NGHỆ DWDM

4

1.1. Nguyên lí cơ bản

4

1.1.1. Ghép thưa

4

1.1.2. Ghép m ật độ cao DW DM

4

1.2. Các hiệu ứng phi tuyên trên sọi quang

9

1.2.1 Tán xạ khích thích Briìloin(SBS)

12

7.2.2. Tán xạ kích thích Raman (SRS)

14

ỉ .2.3. H iệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM)

17

1.2.4. Hiệu ứng tự điều c h ế pha (SPM)

21

1.2.5. Hiệu ứng điều c h ế pha chéo (XPM)

22

1.3. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống DWDM so vói hệ thông TDM

23

1.4. K ết luận

24

Chương 2: THIẾT KÊ HỆ THỐNG DWDM

25

2.1. Giới thiệu chung

25

2.2. Các bước thiết kê chung

26

2.3. Nguyên tác thiết kê

27

2.4. Quỹ thời gian của hệ thống

28

2.5. Quỹ công suất và OSNR của hệ thống

35

2.5.1. Cấc bước phân tích, tối ưu theo cách tiếp cận quỹ công suất và OSNR 35
2.5.2. Tính toán các thông s ố

37

2.5.3. Q uỹ công suất và độ dự trữ của hệ ỉ hấn (Ị

42

2.5.4. Các ỉlĩônẹ s ố thiết k ế

45

2.6. Kiểm soát các hiệu ứng phi tuyến

45

2.7. Két luân

46


Chương 3: THIẾT KÊ HỆ THÔNG CÁP QUANG BIỂN

trục

BẮC-NAM

SỬ DỤNG CÔNG NGHÊ DWDM

47

3.1. Giới thiệu chung

47

3.2. Hiện trạng

49

3.3. Dự báo nhu cầu lưu lượng

51

3.3.1. D ự báo nhu cẩu các loại hình dịch vụ chính

51

3.3.2 D ự báo Ill'll lượng liên tỉnh trên các hệ thống tuyến truyền dẫn

52

3.4. Cấu hình hệ thống

V

53

3.5. Dung lượng truyền dẫn trên kênh, sỏ lượng kênh

59

3.6. Lựa chọn bước sóng còng tác, khoảng cách kênh

59

3.6. Tính toán, phàn tích các thông sô của hệ thống theo quỹ công suất và theo
quỹ thòi gian

67

3.6.1. Quỹ thời gian

68

3.6.2. Q uỹ công suất và OSNR

69

3.6.3. Kết luận từ hai đánh giá trên vê hệ thống

79

3.7. Xem xét hệ thống trén quan điểm sử dụng bộ tiền khuếch đại bơm từ
xa(ROPA), khuếch đại Raman và mã sửa lỗi trước FEC-Cấu hình Festoon 80
3.7.1. H ệ thống sử dụng bộ tiền khuếch đại bơm từxa(R O PA )
3.7.2. H ệ thống sử dụng m ã sửa lỗi trước FEC, tiền khuếch đại RAM A N
3.7.3. K hà năng triển khai trên hệ thống cáp biển trục Bắc-Nam

80
85
89

3.8. Xem xét cấu hình hệ thông hoa cung và rẽ nhánh

91

3.9. Tổ chức kết nối hệ thống SDH và chế độ bảo vệ

93

3.9.1. Kết nối lưu lượng, phán b ổ bước sóng

93

3.9.2. T ổ chức kết nối SDH

95

3.9.3. C h ế độ bảo vệ

98

3.10. Kết luận

98


Chương 4: KẾT LUẬN

99

4.1. Đánh giá kết quả

99

4.2. Đề xuất hướng nghiên cứu

100

TÀI LIỆU THAM KHẢO

101

PHỤ LỤC

103


MỞ ĐẦU

Thõng tin sợi quana đã có những bước phát triển nhảy vọt trong vài thập kỷ gần đây,
và đã có những tác động mạnh mẽ trong nhiều mặt của kỹ thuật viễn thông. Đặc biệt
trong truyền dẫn, thống tin sợi quang đã đóng một vai trò chủ đạo, đáp ứng được
nhu cầu về băng thồne cũng như đảm bảo được nhữns yêu cầu về chất lượng truyền
dẫn.

Hệ thốns thông tin quang bước đầu được khai thác với dung lượng hệ thống nhỏ, vài
chục Mbiựs(PDH). v ề sau, dung lượng này đã tăng lên một cách đáng kể cỡ vài
trăm Mbit/s hay lớn hơn 2,5Gbit/s. Trone những năm đầu thập kỷ 90, con số này
cũng là một điều đáng kinh ngạc.

Tuy nhiên trong những năm gần đây, trước sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ
thoại, phi thoại mà đặc biệt là Internet và các dịch vụ yêu cầu băng rộng khác, nhu
cầu về băng thôns đối với từng thêu bao tăng lên, tạo ra một sự bùns nổ về dung
lượng. Điểu này đặt lên vai các nhà cung cấp dịch vụ đường trục những thách thức
mới. Việc sử dụng kỹ thuật TDM để nâng dune lượng của tuyến đường trục cũng có
khả năng đáp ứng được phẩn nào song cũng gặp phải những hạn chế do bản thân kỹ
thuật này gây ra. Việc tăng tốc độ truvền trên kênh từ 2,5Gb/s(STM-16) lên
10Gb/s(STM-64) hiện nay đã có. Tuy nhiên với tốc độ cao hơn nữa việc này trở nên
rất khó khăn, khó trở thành hiện thực khi chỉ sử dụng công Iishệ TDM để nâng cấp
dung lượng đường trục trong tương lai.

Mot sự lựa chọn khác cho các nhà cung cấp. đó là việc sử dụng công nghệ truyền
dẫn quang ghép kênh theo bước sóng mật độ cao(DWDM) để tăng dung lượng của
hệ thôn2. Kỹ thuật này ghép các tín hiệu quane có bước sóng khác nhau lại và
truyền đi trên một sợi quang duv nhất, do vậy tăng dung lượng truyền dẫn trên hệ
thống. Công nahệ này tăng được dung lượng truyền dẫn trên một sợi quang mà
không cần phải tănạ tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng quang.

Ngoài vấn đề này ra, DWDM còn tạo ra được khả năng linh hoạt về dung lượng.
Như đã biết, DWDM kết hợp các bước sóng quang lại với nhau và truyền trên một
sợi quang duy nhất, nên mỗi bước sóng này lại có thể hoạt động ở các tốc độ khác
nhau với các định dạng khác nhau(SDH, ATM, số liệu...).

Bên cạnh lợi ích to lớn về dung lượng, DWDM còn là bước đầu tiên trên con đường
tiến tới hiện thực hoá lớp mạng toàn quang. Khái niệm toàn quang ở đây nhằm để
chỉ nhà cuns cấp dịch vụ có thể truy xuất lưu lượng ở mức quang tại các nút khác
nhau. Các bước sóng quang có thể được tách/ghép vào đường truyền mà khôna cần
phải thông qua các thiết bị đầu cuối SDH. Việc kết hợp giữa các bộ xen/tách
quang(OADM), bộ ghép/tách DWDM và các bộ nối chéo quang(OXC) tạo cho các
nhà cung cấp dịch vụ có được mạng quang hiệu quả, dung lượng lớn và linh hoạt.

Về mặt kỹ thuật, việc thiết kế một hệ thống truyền dẫn DWDM với những yêu cầu
khoảng cách kết nối xa, dung lượng lớn, mật độ ghép cao cũng đã nảy sinh ra nhiều
vần đề cần quan tâm. Các hệ thống đường trục cáp quang Việt Nam hiện nay chỉ
khai thác đơn kênh. Viêc triển khai hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước
sóng mật độ cao (DWDM) trên các tuyến trục của nước ta là hướng đi đầy hứa hẹn,
đáp ứng các như cầu về truyền dẫn hiện tại cũng như trong tương lai. Đề tài này cố
gắng mang lại những hiểu biết chuns về truyền dẫn quang ghép kênh mật độ cao
(DWDM) và ứng dụng thiết kế hệ thống cáp quang biển trục Bắc - Nam.

Câu trúc của luận vun gổm 4 chương. Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ
truyền dẫn quans ghép kênh theo bước sóng, các hiệu ứng phi tuyến trons sợi
quang. Các hiệu ứng này có ảnh hưởng rất lớn đến chất Iươn<1 truyền dẫn của hệ
ihống. Tuy nhiên trone khuôn khổ hạn chế của đề tài, các hiệu ứng phi tuyến trong
chương này được giới thiệu những nét chính, để xác định những mặt lợi cũng như
cách hạn chế những ảnh hưởng xấu của chúng đến hệ thống truvền dẫn quans.
Chương 2 xây dựng phươns án thiết kế hệ thống DWDM, trên các cở sở xem xét hệ
thống các mặt: Quỹ thời gian của hệ thốnơ, quỹ công suất-OSNR của hệ thống và
tránh các ảnh hưởng xấu của các hiệu ứng phi tuyến đến chất lượng đường truyền.
Chương 3: Kết quả thu được tư chương 2 là tiền để quan trọn? trons việc thiết kế hệ
thốns cáp quang biển trục Bắc-Nam sử dụng cônơ Iishệ DWDM. Xem xét các kỹ
thuật khả thi để sử dụng cho cấu hình hoa cung, và lựa chọn ra cấu hình phù họp
nhất cho hệ thống cáp biển trục Bắc-Nam trên cơ sở sử dụng các kỹ thuật ROPA,
khuếch đai RAMAN, FEC. Phương án phân bổ bước sóng, iưu lượno, kết nối SDH,
kết nồi với hệ thống đườns trục trên đất liền cũng được trình bàv trong chương này.
Chương 4 là phần kết luận, và cuối cùng là phần phụ lục.


CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ DW DM

1.1. Nguyên lí co bản
Môi trường truyền dẫn sợi quang có bãng tần rất rộnơ. Tuy nhiên những hệ thống
đơn kênh mới chỉ khai thác một phần nhỏ băng tần này. Bên cạnh đó việc tăng dung
lượng(tốc độ) trên một kênh sử dụng kỹ thuật TDM sẽ rất khó khăn do những hạn
chế về mặt tốc độ hoạt động cùa các linh kiện điện tử. Một hướng đi khác để tăng
duns lượng của hệ thống là sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng. K ỹ thuật

ghép kênh theo bước sóng thực hiện ghép các bước sóng quang khác nhau lại với
nhau và truyền đi trên một sợi quang duy nhấtịxem hình 1.1) [2][11] [23].
GHÉP

TÁCH

1.1.1. G hép thưa
Trong hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng ghép thưa(CWDM), các
bước sóng ahép lại với nhau tại đầu thu và tách ra tại đầu phát. Trong hệ thống này
các bước sóng cách nhau rất xa, thường là thuộc các cửa sổ truyền dẫn quang khác
nhau. Cách ghép này thường dùng cho các ứng dụng tốc độ thấp [11].


-5-

1.1.2. G hép m ật độ cao D W D M
Đối với hệ thốne ghép kênh quang mật độ cao(DWDM) vấn đề trở nên phức tạp hơn
nhiều. Chữ "mật độ cao" ở đây

V

muôn nhấn mạnh đến khoảng cách giữa các kênh

rất gần nhau. Tuv nhiên như thế nào thì được gọi là một độ cao thì có nhiều cách
hiểu khác nhau, một số cho rằng với khoảng cách kênh khoảng 3,6nm, một số khác
cho rằng khoảng cách này là lnm hay nhỏ hơn[l 1][23J.
Hình 1.2 mô tả hệ thống ghép kênh quang mật độ cao DWDM điểm-điểm. Mỗi
kênh được gắn với một bước sóng. Thường các kênh quang này cách nhau 1 khoảng
lnm (gọi là độ rộns kênh), và tín hiệu truyền đi phải nằm trong kênh quang này. Nói
chuna độ rộng kênh này phải lớn hơn độ rộna; của tín hiệu và phụ thuộc vào nhiều

vấn đề như độ rộng phổ của nsuồn quans được điều chế, độ ổn định của nó, và dung
sai của các phần tử trone hệ thống[8].
Đầu phát
*
x2
ụ

Đầu thu
— X,
BA

LA

LA

PA
>
->
-►

X
Ghép kênh

Tárh kênh

BA: Khuẽch đại côns suất
LA: Khuếch đại đường truyền
PA: Tiền khuếch đại
H ìn h 1.2 H ệ thống D W D M điểm - đ iểm [8 ]
Đầu phát:

Thường là các nguồn laser bán dẫn có độ rộng phổ rất hẹp hoạt động trong cửa sổ
sóng 1550nm. Việc có được những nguồn phát có độ rộng phổ hẹp là rất quan trọng
khi ghép các kênh lại với nhau và hơn nữa là giảm thiểu các ảnh hưởng khác như
tán sắc. Tần sò phát của các laser cần phái tuân thủ theo quy định trong khuyến nshị


-6-

0 .692. mhàm đám bảo được khả nãng tươne thích giữa nhà sản xuất khác nhau. Có
thể sứ dụng các bộ chuyên đổi hước sóng tron2 các trường hợp cần thiết như khi
không có sự tương thích về bước sóng[8]Ị19].
Các bộ g h ép kênh và tách kênh(M U X ID E M U X ):
Tại đầu phát, bộ ghép kênh thực hiện ghép các tín hiệu phát tại các bước sóng khác
nhau vào một sợi quane duy nhất. Các bộ tách kênh thực hiện tách tín hiệu đã 2hép
lại này thành các bước sónơ khác nhau ở đầu thu. Các bộ ghép kênh, tách kênh này
thường được xây dựng dựa trên các bộ lọc quang, các bộ coupler, FBG,
AW G...Trong đó bộ lọc quang là thành phần cơ bản của các bộ ghép kênh và tách
kênh[8][19].
Các hộ kh u ế ch đại quang:
Khuếch đại quang đã đem lại nhiều lợi ích cho các mạng quang có cự li truyền dẫn
xa cũng như mạng quang nội vùng. Khuếch đại toàn quang khác so với khuếch đại
quang điện ở chỗ: nó chỉ thực hiện khuếch đại công suất của tín hiệu, không phục
hổi lại dạng hoặc định thời lại tín hiệu. Kiểu khuếch đại này gọi là khuếch đại 1R,
có tính trons suốt về mặt số liệu(quá trình khuếch đại độc lập với dạng điều chế của
tín hiệu). Khuếch đại 1R đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn
quang DW DM ngày nay, và sẽ là sự lựa chọn của mạng toàn quang trong tương
lai [19].
Khuếch đại quang sử dụng nguvên tắc phát xạ kích thích, tương tự như cách tiếp cận
trong laser. Hai dạng cơ bản của khuếch đại quang là các bộ khuếch đại quang bán
dẫn SOA và các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA. Trong đó bộ

khuếch đại quang bán dẫn SOA thường dùng trong các ứns dụns chuyển mạch, bộ
chuyển đổi bước sóng. Nó có khả năng khuếch đại đồng thời tín hiệu trong băng
l,3fim và l,5|.im. Tuy nhiên, nó ít được dùng trong hệ thống DWDM do xuyên âm
của nó rất mạnh. Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống truyền dẫn DWDM. EDFA hoạt động ở cửa sổ sóng l,5ịim. Kha năng khuếch


đại đổng thời nhiều bước sóng của EDFA đã đóne vai trò then chốt cho sự phát triển
mang tính chất bùns nổ của DWDM. Chúng có thể chia thành 3 dạng theo phân loại
sử dụng như sau[20][19]:
+ Bộ khuếch đại công suất(BA): Bộ này thườne được đặt ngay sau nguồn phát
quang, có chức năng khuếch đại công suất quang lên một mức cao. Trong hệ thống
DWDM, BA thường được dùng để khuếch đại tín hiệu sau bộ ehép kênh trước khi
truyền trên sợi. BA có thể tích họp với bộ ghép kênh hoặc có thể tách riêng.
+ Bộ tiền khuếch đại(PA): Bộ này thườns được đặt trước máy thu. Nó được thiết kế
để có chức năng khuếch đại với hệ số khuếch đại cao và mức nhiễu thấp. PA có thể
được tích hợp với bộ tách kênh hoặc có thể tách riêns.
+ Bộ khuếch đại đường truyền(LA): Bộ này thường sử dụng trên tuyến có chức năng
khuếch đại các tín hiệu đã bị suy giảm trên đường truyền. Nó thường được thiết kế
trên cở sở các bộ BA và PA.
Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium(EDFA) hoạt động dựa
trên nguyên lí: Bức xạ cưỡng bức và sự đảo lộn mật độ. Bộ khuếch đại EDFA có độ
rộng băng khoảng 30nm hoạt động ở cửa sổ sóng thứ 3(1530 -ỉ- 1565nm). Độ rộng
băng của khuếch đại xác định phạm vi tần số(bước sóng) hoạt động có hiệu quả của
bộ khuếch đại. Độ rộng băng khuếch đại sẽ hạn chế số lượng bước sóng trone hệ
thống khi biết khoảng cách ghép giữa các bước sóng. Công suất ra cực đại của bộ
EDFA nằm trong khoảng từ 17dBm đến 27đBm(thường khoảng 20dBm), và có chỉ
số nhiễu (NF) khoảng từ 4 -ỉ- 6 dB.
Nguồn bơm cấp năng lượng cho bộ khuếch đại EDFA thường có bước sóng 1480nm
và 980nm. Bơm ở bước sóng 1480 có hiệu suất thấp hơn so với bơm ở bước sóng

980nm. Mức độ đảo lộn mật độ khi sử dụng nguồn bơm 1480nm cũng thấp hơn điều
này cũng có nghĩa là mức độ nhiễu tự phát(ASE) cũng cao hơn so với nguồn bơm
980nm. Tuy nhiên các Laser bơm tại bước sóng 1480nm có công suất phát lớn hơn
so với các laser 980nm, và hoạt động ở vùng cửa sổ

NÓ ne

có mức suy hao ihâp hơn.


Do vậy trong một số trường hợp laser bơm 1480nm có thể đặt ở xa bộ khuếch đại
nhằm tránh phải đặt thêm các phần tử tích cực trên đường truvền.
Trong các bộ khuếch đại quang, nguồn nhiễu chủ yếu là phát xạ tư phát được
khuếch đại(ASE), do các photon phát xạ tự phát trons miền hoạt tính của bộ khuếch
đại. Nhiễu của bộ khuếch đại trở thành vấn đề khi có nhiều bộ khuếch đại được ghép
nối tiếp với nhau trên đường truyền, nhiễu của bộ khuếch đại trước sẽ được bộ
khuếch đại phía sau khuếch đại, nên nhiễu ngày cans được tích luỹ dần lên[8][19].
Sợi quang:
J

Sợi quang được sử dụns nhiều nhất hiện nay là sợi quang đơn mode tiêu
chuẩn(G.652). Sợi dịch tán sắc(DSF) có tán sắc bằng không ở bước sóng 1550m,
nhưng không phù hợp với hệ thống DWDM do hiệu ứng trộn bốn sóng(FWM) xảy
ra rất nghiêm trọng. Sợi quang mới NZ-DSF có mức tán sắc thấp ở cửa sổ sóng thứ
3. Loại sợi này rất phù hợp cho các hệ thông DWDM có cự li dài. Trong một số
trường họp khi phải đối mặt với vần đề về quỹ công suất người ta có thể sử dụng loại
sợi quang tinh khiết PSCF, có mức suy hao rất thấp(0.19 dB/km)[5][8][19].
Đ ầu thu:
Thiết bị tách sóng cơ bản sử dụng tron? hệ thống DWDM đối

VỚ I

mạng quang tách

sóng trực tiếp là các photodiode PIN và APD. Trong dạng đơn giản nhất, photodiode
cơ bản dựa trên lớp p-n phân cực ngược. Thông qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng
tới lớp tiếp giáp sẽ tạo ra các đôi điện tử và lỗ trống trong cả hai miền p và n của
photodiode. Các điện tử được giải phóng trong miền p sẽ chạy sang miền n, và các
lỗ trống ở miền n chạy sang miền p, kết quả là ta có dòng điện. Một trons những
thông số quan trọng của photodiode là độ nhạy thu, nó thể hiện khả năng tách được
mức nãng lượng ánh sáng nhỏ nhất, tham số này quyết định độ dài đường truyền của
hệ thống theo giới hạn về quỹ công suất[8][ 19].


1.2. Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang[7][8][ 14][20]
Khi công suất trong sợi quang nhỏ. thi sợi quang có thể xem là mõi trường tuyến
tính, có nghĩa là, suy hao và chiết suất của sợi khỏna phụ thuộc vào công suất của
tín hiệu. Tuy nhiên khi cóng suất tín hiệu quang đạt đến mức iươna đối cao, chúng
ta cần phải xem xét đến các ảnh hưởns của hiệu ứng phi tuvến. Thực tế cả suy hao
và chiết suất đều phụ thuộc vào côns suất quang trong sợi quang. Các hiệu ứng phi
tuyến có thể gây ra những giới hạn đáng kể cho các hệ thống hoạt động ở tốc độ cao
như các hệ thống DWDM.
Các hiệu ứno phi tuyến có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất xuất hiện do các
hiệu ứng tán xạ trong môi trường sợi quang do tác độnạ của sóng ánh sáng với các
phonon(2Íao động của phân tử) trons môi trườns silica. Hai hiệu ứng chính trong
loại này là: Tán xạ kích thích Briilouin(SBS) và tán xạ kích thích Raman(SRS). Loại
thứ hai xuất hiện là do sự phụ thuộc của chiết xuất vào công suất quang. Loại này
gồm có các hiệu ứng: Trộn bốn sóns(FW M), tự điều chế pha(SPM), và điều chế pha
chéo(CPM).
Trừ hiệu ứng SPM và CPM, các hiệu ứng còn lại đều chuyển một phần năng lượng

lừ kênh này sang kênh kia. SPM và CPM chỉ ảnh hưởng đến pha của tín hiệu và gây
ra dãn xung làm tăng độ thiệt thòi tán sắc.
Tươns tác phi tuyến phụ thuộc vào độ dài truyền dẫn và diện tích mặt cắt ngang của
sợi. Độ dài truyền dẫn càng dài, tương tác càng nhiều và ảnh hưởng của hiệu ứng phi
tuyến càng tăng lên. Mặt khác khi mà tín hiệu truyền đi. công suất của nó giảm dần
do suy hao của sợi, các hiệu ứns phi tuvến cũng giảm dần. Đê biểu diễn hiệu ứng
này người ta đưa ra khái niệm độ dài hiệu dụng Le. Giả sử p là công suất phát ghép
vào sợi và P(z) = p e “z là công suất tại điểm z, a là hệ số suy hao. L là độ dài truyền
dẫn thực tế, độ dài hiệu dụna được định nghĩa như sau(xem hình 1.3):


-10-

PL, = l n : ) d - -

Thu được
1-

e ~ aL

Le = — ^ —
a

(1.1)

Thường với a = 0,22dB/km tại bước sóng l,55fim và đối với nhữnơ đường truyền
L » l / a , chúng ta có Le»20km.

H ìn h 1.3 Độ dài hiệu dụng L e
Trong hệ thống sử dụng khuếch đại quang, tín hiệu được khuếch đại tại mỗi tầng và

không loại bỏ được các ảnh hưởng của các hiệu ứng ở các khoảng lặp trước. Do đó
độ dài hiệu dụng trong hệ thống là tổng của các độ dài hiệu dung. Với khoảng
truyền dẫn L và khoảng cách giữa các trạm lặp , độ dài hiệu dụng xấp xỉ tính như
sau:
1 -e ~ a' 1
Le = ỉ - L L L
a
/

(1.2)

Hiệu ứns phi tuyến tăng tỷ lệ với mật độ nãng lượng trong sợi quang. Với một công
suất cho trước nó tỷ lệ nghịch với diện tích của lõi sợi. Do công suất phân bổ khốn2
đều tron2; mặt cắt của sợi, để thuận tiện người ta sử dụng diện tích mặt cắt hiệu dụng


Ac (xem hình 1.3), Ac liên quan đến diện tích mật cắt thực tế và phán bổ cường độ
Irong mật cắt l(r.0) như sau:

(1.3)
í [ r dr ci a2(r,0)
JỚ

Jr

Trong đó, r và 0 là toạ độ cực. Tronơ các trườna hợp ở đây, A e là diện tích hiệu
dụng của lõi sợi đơn mode, xấp xỉ 50ụm 2, giả thiết đường kính lõi sợi là 8|im. Trong
các hiệu ứng tán xạ, năng lựợng truyền từ bước sóng này sang bước sóng đài
hơn(năng lượng thấp hơn). Năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi dao động của phân tử
hay phonon của môi trường (dạng phonon trong SRS và SBS là khác nhau). Bước

sóng thứ hai này

2Ọ1

là bước sóng Stoke. Tín hiệu có thể coi là bước sóng bơm và tạo

ra khuếch đại tại bước sóng Stoke(bước sóng được truyền năng lượng). Khi tín hiệu
bơm truyền trong sợi quang, năng lượng của nó bị mất dần và truyền năng lượng
sang bước sóng Stoke. Trong trường hợp của chúng ta, sóng bơm là sóng tín hiệu,
còn bước sóng Stoke là sóng không mong muốn xuất hiện do quá trình tán xạ. Nói
chuno các hiệu ứng tán xạ đặc trưng bởi hệ số khuếch đại g, đo bằng

m/w và

độ

rộng phổ Af mà có khuếch đại.
Cônc suãV'
Pin

Đường phân bố
công suất

(Ae/pi)1/2

Bán kính

H ìn h 1.4 D iện tích m ặt cắt hiệu d ụng A e
Hiệu ứng tán xạ phi tuyến phu thuộc vào tích PLC, nên nó tăng khi công suất đầu vào
và độ dài truyền dẫn tăna. Đường Iruyền càng dài thì phần năng lượng càng lớn

- 12 -

truyền từ tín hiệu sang bước sóng Stoke. Đối với một đường truyền cho trước, giới
hạn mức công suất tương đối mà tại đó hiệu ứng phi tuyến trở nên đáng kể thì gọi là
mức công suất ngưỡng. Đối với một độ dài sợi cho trước, công suất ngưỡng tán xạ
phi tuyến được định nghĩa theo cỏns suất quang tới trên mỗi kênh ghép vào sợi và
đầu ra công suất quang trên bước sóng bơm và bước sóna Stoke bằng nhau. Trong
các hệ thống khuếch đại, công suất ngưỡng giảm do tăng độ dài hiệu dụng. Điều này
làm cho các hệ thốno sử dung khuếch đại nhạy cảm hơn đối với các hiệu ứng phi
tuyến.
1.2.1 Tán xạ kích thích Brilloitĩ(SBS)
Trong trường hợp SBS, các phonon liên quan là các phonon âm học, và tương tác
xảy ra tronơ một độ rộng băng rất hẹp AfB=20MHz tại bước sóng l,55ụm . Hơn nữa
bước sóng bơm và bước sóng Stoke truyền ngược chiều nhau. Do đó SBS không gây
ra các tươne tác giữa các bước sóng khác nhau, miễn là khoảng cách giữa các bước
sóng lớn hơn nhiều 20MHz. Tuy nhiên SBS có thể gây ra méo đáng kể trong kênh
tín hiệu. SBS tạo ra hệ số khuếch đại ngược với hướng truyền của tín hiệu, hay về
phía nguồn phát. Do đó nó làm cho tín hiệu phát bị suy giảm và tạo ra một tín hiệu
mạnh truyền ngược lại phía đầu phát, và phía phát cần phải được bảo vệ bởi bộ cách
li. Hệ số khuếch đại SBS là gBxấp xỉ 4xicr' 'mẠV,không phụ thuộc vào bước sóng.
Cường độ của sóng bơm Ip và bước sóng Stoke Is quan hệ với nhau theo hai phương
trình sau:

'z r = -g B Ỉ Pis + o j s
dz

(1.4)

và

(1.5)

Cường độ quan hệ với công suất như sau: Ps=At.Is và Pp=AcIp. Đối với trường hợp
cỏn2 suất của bước sóne Stoke nhò hơn nhiều so với công suất bơm, chúng ta có thê


- 13 -

giá thiết rằng bước sóns bơm khôns bị cạn kiệt. Có thể bỏ qua đại lượng -gBIpIs phần
phía bén phải phương trình (1.4). Với giả thiết này. (1.4) và (1.5) có thê giải được
với độ dài truyền dẫn L:

(1.6)

và
Pp(L) = Pp(0)e~aL

(1.7)

Chú V rằng đầu ra của bước sóng bơm tại Z=L, nhưng đầu ra của bước sóng Stoke tại
Z-0 do hai sónơ này truyền ngược chiều nhau.
Việc tính toán công suất ngưỡng Pth khá phức tạp, chúng ta có công thức xấp xỉ như

21H

( 1 .8 )

Sak

1< b < 2, phu thuộc vào độ phân cực tương đối của các bước sóng bơm và Stoke.
Giả thiết rằng giá trị xấu nhất của b = l, chúng ta có P,h=I,3mW . Đây là một giá trị
thấp, do vậy khi thiết k ế hệ thống truyền dẫn quang cần phải chú ý để giảm thiệt
thòi do SBS.
Biểu thức trước giả thiết rằng tín hiệu bơm có độ rộng rất hẹp và nằm trong độ rộng
băna khuếch đại SBS. Cône suất nsưỡns tăng đáng kể nếu tín hiệu có độ rộng băng
lớn. do đó cônơ suất bơm nằm ngoài độ rộng băng khuếch đại SBS 20MHz. Biểu
thức xấp xỉ kết hợp chặt chẽ hiệu ứng này như sau:

(1.9)

trong đó AĨM,urLC là độ rộng băng của nguồn. Với Afsolirce=200MHz, và giả thiết b = l,
mức ngưỡng tăng lên 14.4mW.


- 14 -

Độ thiệt thòi SBS có thể giảm theo các cách sau:
]. Giữ công suất trên các kênh dưới mức ngưỡng SBS. Tuy nhiên, trong hệ
thống có cự li truyền lớn. điểu này có nghĩa chúng ta phải giảm khoảng lặp
giữa các trạm khuếch đại.
2. Do độ rộng của băng khuếch đại của SBS rất nhỏ, hiệu ứng của nó có thể
giảm khi tăng độ rộng dải của nguồn. Điều này có thể thực hiện được nhờ
vào việc điều chế laser trực tiếp(gây ra dãn rộng phổ nguồn do chirp). Điều
này gây nên nhữns thiệt thòi đáng kể về tán sắc. Tuy nhiên độ thiệt thòi tán
sắc có thể giảm nhờ vào việc quản lí tán sắc phù hợp. Một cách tiếp cận khác
đó là rung tần số của laser một chút 200MHz, nó không gây ra độ thiệt thòi
về tán sắc lớn nhưnơ nó tăng mức cỏnơ suất ngưỡng của SBS. Cách tiếp cận
này thường được sử dụns tronẹ các hệ thốn® truyền dẫn tốc độ cao với công
suất phát cao.

3. Sử dụng điều chế pha thay cho điều chế biên độ. Điều này sẽ giảm công suất
tronẹ sóng mang quane, do đó giảm thiệt thòi SBS. Trong trường hợp này độ
rộng nguồn có thể tỷ lệ với tốc độ bit. Tuy nhiên đây không phải là sự lựa
chọn trong đa số các hệ thống.
1.2.2. Tán xạ kích thích R am an (SR S)
Khi hai hay nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau ghép vào sợi quang, hiệu
ứng SRS gây nên hiện tượng chuyển năng lượng từ bước sóng ngắn hơn sang bước
sóng dài hơn(xem hình ] .4). Không giống như SBS, SRS là hiệu ứng băng rộng.
Hình 1.5 biểu diễn hệ số khuếch đại theo hàm của khoảng cách bước sóng. Hệ số
khuếch đai đỉnh 2r xấp xỉ 6xlO 'l4mẠV tại bước sóng l,55fim, nhỏ hơn hệ số khuếch
đại của SBS. Tuy nhiên, các kênh nằm trong khoảng cách 15THz(125nm) bị ghép
với nhau do hiệu ứng SRS. Hiện tượng ghép xảy ra đối với cả hướng truyền và
hướng ngược lai. Hiện tượng ghép xảy ra giữa hai kênh chỉ khi cả hai kênh truyền
bít l(có nghĩa là năng lượng xuất hiện cả trong hai kênh). Do đó độ thiệt thòi SRS


giảm đi khi có tán sắc xuất hiện gây ra tín hiệu trons các kênh truyền với các vận
tốc khác nhau, giảm xác suất chồng lên nhau giữa các xung tại các bước sóng khác
nhau tại bất kỳ điểm nào trong sợi quang.

Â1 X2 / 3 Â4

/U n

Ầ3 )A

H ình 1.4 N ă n g lượng chuyển từ bước sóng ngắn sang bước sóng dài hơ n-SR S

Khoảng cách kênh (nm)

H ìn h 1.5 Đ ường cong biểu diễn hệ sỏ kh u ếch đại S R S theo khoảng cách kênh.
Đê tính toán hiệu ứng SRS trong hệ thống đa kênh, chúng ta biểu diễn xấp xỉ đường
khuếch đại Raman theo hình tam giác, tron2 đó hệ số khuếch đại Raman là hàm của
khoảna cách bước sóng AẤ như sau:
AẴ
g (Ả Ẩ ) =

, 0 < A Ẵ < AẴr

AẨ.
,0 > AẨ hay AẤ > AẦC

( 1. 10 )


-16-

ở đây chúng ta chọn AÀ ;=125nm. Xét hệ thống

w

kênh cách đều nhau ÂÀS : 0,1,...,

W-1. Giả thiết ràng tất cả các kênh đều nằm trong độ rộng băng khuếch đại Raman.
Điều này có nghĩa là độ rộng băng của hệ thống A=(W-1 )ÀẰS<ÀẦC. Đâv là trường
hợp được quan tâm trong thực tế. Độ rộng băng khuếch đại Raman là 125nm và các
kênh tronc hệ thống DWDM thườnc phải đặt trong phạm vi độ rộng băng 30nm phù
hợp với độ rộng băng của các bộ khuếch đại quang.
Kênh bị ảnh hưởng xấu nhất là kênh tươns ứng với bước sóng ngắn nhất, kênh 0, khi
có bit 1 ở tất cả các kênh. Giả thiết rằng công suất phát ở tất cả các kênh là như

nhau, không có tác động ảnh hưởng giữa các kênh. Công suất của các kênh khác
nhau giữ nguyên như nhau(giả thiết này tạo ra một lỏi nhỏ). Giả thiết các phân cực
được trộn đều. Đây là trường họp trons các hệ thống thực tế. Trong các hệ thống sử
dụng sợi duv trì phân cực, tương tác Raman tăng, và trong phương trình dưới đây
không có hệ số 2 ở mẫu số. Một phần nàng lượng được ghép từ kênh bị ảnh hưởng
xấu nhất, kênh 0, truyền sang kênh i như sau:

AẦC 2Ae
Biểu thức này có thể rút ra từ các phương Irình sóne ghép đối với SRS tương tự như
phương trình (1.4) và (1.5). Do vậy phần năng lượng ghép từ kênh 0 sang các kênh
khác là:
\w-1
g KAẢ,PL'
n = 2 > « (0 =
2AẰeA'
/=]

W ( W - l)
2

Độ thiệt thòi côna suất đối với kênh này là:
-lOlog(l-Po)
Đê giũ' độ thiệt thòi dưới 0,5dB. chúng ta phải có P()<0.1; hay từ (1.12)
W P (W -1)AẰsLe<40.000 mW nm km

(U 2)


- 17-

Xem xét tổng độ rộng băng của hệ thống A=(W-1)AA.S và tons cỏn2 suất phát đi
P,„,=WP. Do vậv kết quả có thể biểu diễn lại như sau:
PlolALe<40.000 mW nm km
Côna thức trước rút ra với giả thiết không có tán sắc trong hệ thóng. Với sự xuất
hiện của tán sắc thì vế phải có thể tãng lên 80.000 mW nm km.
Mặc dù SRS khônơ phải là vấn đề đáng kể tronc các hệ thống với số lượng kênh nhỏ
do công suất ngưỡng tươnơ đối cao, nhưne nó có thể vấn đề nghiêm trọng irons các
hê thống với số lượng bước sóng lớn. Để giảm bót ảnh hưởng của SRS chúng ta có
thể:
+ Giũ' cho khoảng cách giữa các kênh càng gần nhau càng tốt, và/hoặc
+ Giữ cho các mức cônơ suất dưới mức ngưỡng, điều nàv sẽ làm giảm khoảng cách
giữa các trạm lặp.
1.2.3. H iệu ứng trộn bốn sóng (F W M )
Phân cực phi tuyến làm cho ba tín hiệu tại các tần số fj, fj, fk tác động lẫn nhau và
tạo ra các tín hiệu tại các tần số fj ± fj ± fk. Tronơ các tín hiệu này, thành phần tác hại
nhất là tín hiệu tương ứns với
(1.13)
Tuv thuộc vào từng tần số , tín hiệu tạo ra này có thể nằm vào hoặc rất gần một
trong các kênh, kết quả là tạo ra xuvên âm đáng kể cho kênh này. Trons hệ thống đa
kênh (W kênh) hiệu ứng này tạo ra W (W -1)2 tín hiệu xuyên nhiễn tương ứng với i, j
, k (thay đổi từ 1 cho đến W) theo (1.13). Trong hệ thống với 3 kênh thì sẽ tạo ra 12
thành phân xuyên nhiễu như trong hình 1.6.

Đ M ISO'


18

-

-

Kenlt 2

Kênh /
i

Kénh .?

i k

Ả

í

hìĩ

‘213
f‘ 123
< m t

f M2

L

Ẫ

Á

r

‘223

'

f1 132

'

t

1

‘‘

r
'223

1

ẵ

fai
T
fj3i
t
-----------------------------1--------------------------- 1

-------------

Tắn sớ quang

a) C ác thành ph ẩn tần s ố tạo ra do hiệu ứng F W M với 3
kênh có kh oáng cách kênh đêu nhau
iL

ik

i

^321, r231

f|32j Í 312

13

I

hu

t

t

*213

t

^123

f223

f?2|

t
í t

^332
t í

ỉ

Tẩn s ố quang
b) Các thành ph ần tần sô tạo ra do hiệu ứng F W M với 3 kênh
có kh oảng cách kênh kh ôn g đều nhau

H ình 1.6 H iệu ứng trộn bôn sóng gây ra bởi 3 kên h có tần sô

và /',ị 151

Hiệu ứng trộn bốn sóng phụ thuộc vào pha của các tín hiệu tương tác. Nếu tất cả
các tín hiệu xuyên nhiễu truyền với cùng tốc độ nhóm, như trong trường hợp không
có tán sắc, hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh hơn.
Nói cách khác, với sự xuất hiện của tán sắc, các tín hiệu khác nhau truyền với vận
tốc nhóm khác nhau. Do đó các sóng khác nhau luân phiên chồng lên nhau phù hợp
về pha và không phù hợp về pha, do vậy giảm hiệu suất trộn. Sự khác biệt về vận tốc
lớn hơn khi các kênh đặt xa nhau (trong hệ thống có tán sắc).
Chúng ta bắt đầu với công thức:

P;ijk

■fiìkn d ìjk

3cA„

'

P ,P jP ^

(1.14)

Phương trình này giả thiết đường truyền độ dài L không có suy hao và tán sắc.

Pj, Pj,

và Pk là công suất của các bước sóng trộn và Pj|k là công suất của bước sóng mới
được tạo ra,

ĩĩ

là chiết suất phi tuyến (3,0x10"s firrr/W), và di|k là hệ số suy giảm.


-19-

Trong hệ thống thực tế, có cả tán sắc và suy hao. Đẻ xem xét đến suy hao, chúng ta
thay L bằng độ dài hiệu dụng Le. Sự xuất hiện của tán sắc làm giảm hiệu suất trộn,
và chúng ta có thể biểu diễn bằng tham số r|jjk, để biểu diễn hiệu suất trộn của của 3
sóng tại các tần số fj, fj, fk. Xem xét cả hai yếu tố này, phương trình trên có thể thay
đổi như sau:

Đối với tín hiệu OOK, (công suất Pjjk có ảnh hưởng xấu nhất tại tần số fjjk khi các bit

1 được truyền đi đồng thời trên các tần số fị, fj và fk
Hiệu suất r |ijk giảm khi không có sự phù hợp về pha Ap giữa các tín hiệu xuyên
nhiễu tãng. Hiệu suất biểu diễn như sau:

(1.16)

Trong đó , AỊ3 là độ chênh lệnh hằng số truyền giữa các sónẹ khác nhau. Chú ý rằng
hiệu suất có thành phần biến đổi theo chu kỳ theo độ dài là các bước sóng xuyên
nhiễu hơp và không hợp về pha. Sự phù hợp về pha có thể tính toán như sau:
Ap - Pi +PfPk-Pijk,

(1.17)

trong đó pr là hằng số truyền dẫn tại bước sóng Ằ.r(r = i,j,k).
Hiệu ứng trộn bốn sóng gây nên xuyên âm giữa các kênh. Công suất xuyên âm tổng
đối với một kênh fc cho trước là V

f Piịk . Tronơ các hệ thống DWDM, bên cạnh

việc xem xét các biện pháp để giảm hiệu ứng FWM, cần phải tính toán thêm độ thiệt
thòi do xuyên âm gây ra.
Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM là vấn để nghiêm trọng trong các hệ thống DVVDM
sử dụng sợi dịch tán sắc(DSF) nhưng thường không phải là vấn đề quan trọng trong