(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu hệ thống thông tin quang truyền song hướng trên một sợi quang ghép kênh theo bước sóng sử dụng khuếch đại quang sợi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Minh Thắng

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2006


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Minh Thắng

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
TRUYỀN SONG HƯỚNG TRÊN MỘT SỢI QUANG
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
Ngành:
Chuyên ngành:
Mã số:

Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Kỹ thuật vô tuyến điện tử và
thông tin liên lạc
2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. PHẠM VĂN HỘI

Hà Nội - 2006


MỤC LỤC
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU
Chương I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG GHÉP KÊNH
THEO BƯỚC SĨNG - HỆ THỐNG SONG CƠNG
1.1. Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng
1.1.1. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng
1.1.2. Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép
bước sóng quang WDM
1.1.3. Khả năng ứng dụng của WDM
1.2. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM
1.2.1. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM
1.2.2. Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM
1.3. Các tham số đáng chú ý
1.3.1. Tham số phần phát
1.3.2. Tham số phần thu
1.3.3. Tham số sợi quang

Chương II
KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TẠP ERBIUM
2.1. Cơ sở của khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm
2.1.1. Hệ phương trình tốc độ
21.2. Hệ phương trình truyền dẫn
2.1.3. Khuếch đại bức xạ tự phát
2.2. Một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
2.2.1. Cơng suất và bước sóng bơm trong EDFA
2.2.2. Hệ số khuếch đại
2.2.3. Phổ khuếch đại của EDFA
2.2.4. Nhiễu trong bộ khuếch đại
2.3. Các ứng dụng của EDFA trong thông tin quang
2.3.1. Cấu trúc thiết bị EDFA trong ứng dụng thông tin quang
2.3.2. Các ứng dụng của EDFA trong hệ thống thông tin quang
2.4. Khảo sát một số tham số của bộ khuếch đại quang sợi
2.4.1. Kết quả khảo sát độ khuếch đại bức xạ tự phát ASE
2.4.2. Khảo sát các tham số đặc trưng của bộ khuếch đại
Chương III
HỆ THỐNG SONG CÔNG
3.1. Các linh kiện cơ bản của hệ thống
3.1.1. Bộ phát quang

Trang 1

6

8

19

26

33

46

53


3.1.2. Bộ thu quang
3.1.3. Sợi quang
3.1.4. Các bộ ghép và tách sóng quang
3.1.5. Bộ lọc quang
3.1.6. Bộ định tuyến bước sóng
3.1.7. Bộ chia định hướng (Circulator)
3.1.8. Bộ cách ly và ghép kênh
3.1.9. Bộ cách ly
3.2. Hệ thống song công
3.2.1. Truyền song cơng trên một sợi quang
3.2.2. Các cấu hình truyền dẫn song công sử dụng EDFA
3.3. Thiết kế hệ thống song công
3.3.1. Nguyên tắc thiết kế
3.3.2. Các bước thiết kế chung
3.3.3. Xây dựng cơng thức tính tốn.
3.3.4. Phầm mềm tính tốn
3.3.5. Bài tốn tính tốn cụ thể
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

59

62


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1.

APD

Avalanche PhotoDiode

2.

BA

3.

BER

Bit Erro Rate

4.

DBR

Distributed Bragg Reflectior

5.

DFB

Distributed FeedBack

6.

DCF

Dispersion Compensating Fiber

7.

DEMUX

8.

DFF

Dispersion Flated Fiber

9.

DSF

Dispersion shifted Fiber

10.

DWDM

11.

EDFA

12.

FP

Fabry – Perot

13.

FPF

Fabry – Perot Filter

14.

FSCs

Free Space Couplers

15.

FWM

Four Wave Mixing

16.

LA

Line Amplifier

17.

LD

Laser Diode

18.

MUX

Multiplexer

19.

NF

Noise Figure

20.

NZ-DSF

21.

OOK

On – Off Keying

22.

OSNR

Optical Signal to Noise Ratio

23.

PA

Pre – Amplifier

24.

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

25.

SMF

Single Mode Optical Fiber

26.

SRS

Stimulated Raman Scattering

27.

WDM

Wavelength Division Multiplexing

28.

WGR

Waveguide Grating Routes

Booster Amplifier

Demultiplexer

Dense Wavelength Division Multiplexing
Erbium Doped Fiber Amplifier

Non – Zero Dispersion Shifted Fiber


MỞ ĐẦU

Với những ưu điểm về độ rộng băng tần, cự ly thơng tin, khơng bị ảnh hưởng
của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao..., hệ thống truyền dẫn
quang là sự hấp dẫn mạnh các nhà khai thác viễn thông, các nhà nghiên cứu khoa
học. Các hệ thống thông tin quang không những đặc biệt phù hợp với các tuyến
thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà cịn có tiềm năng to lớn trong

việc thực hiện các chức năng của mạnh nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng mọi
loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.
Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử viễn thông, công nghệ quang sợi và
thơng tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là sự phát triển của công
nghệ chế tạo các thiết bị truyền dẫn, phát, thu, lọc...quang đã tạo ra những sản phẩm
mới, đáp ứng việc thiết lập hệ thống thông tin quang song công hai tần số sử dụng
khuếch đại quang sợ EDFA.
Bộ khuếch đại dùng sợi quang pha tạp Erbium (EDFA) có khả năng tạo ra
hiệu ứng khếch đại ở vùng bước sóng 1550mm đã được đưa vào sử dụng trong
mạng thông tin và các tuyến truyền dẫn. Các sợi quang thông dụng hiện nay chế tạo
bằng thuỷ tinh SiO2 có độ suy hao thấp ở bước sóng 1550mm. Do phổ phát xạ của
Er3+ trong dải sóng có bước sóng từ 1525 - 1650 khơng đồng đều, chúng có 2 đỉnh
tại các bước sóng 1530 và 1560mm đã đưa đến ý tưởng chỉ sử dụng 2 tần số nằm ở
2 vùng tần số có hệ số khuếch đại cao để thiết lập nên hệ thống thông tin quang
song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA.
Công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) là giải pháp
tiên tiến trong thơng tin sợi quang, đáp ứng nhu cầu về băng thông cũng như đảm
bảo được những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn. Kỹ thuật này cho phép ghép các
tín hiệu quang có bước sóng khác nhau để truyền đi trên một sợi quang duy nhất và
do vậy, tăng dung lượng truyền dẫn trên hệ thống mà không cần phải tăng tốc của
từng kêng trên mỗi bước sóng. Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theo
một hướng là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và


thực hiện tác chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Phương pháp
truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang 2 hướng: một đầu phát thơng tin tại
nhóm bước sóng 1, thu thơng tin tại nhóm bước sóng 2. Đồng thời ở đầu kia phát
thơng tin khác tại nhóm bước sóng 2, thu thơng tin tại nhóm bước sóng 1.
Luận văn này tổng hợp các kiến thức cơ bản về kỹ thuật ghép kênh theo
bước sóng, bộ khuếch đại EDFA và giới thiệu những vấn đề cơ bản của hệ thống

thông tin quang song công hai tần số sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, giải
pháp để có thể tận dụng các tuyến thơng tin cáp quang có sẵn đã truyền một chiều,
để truyền theo chiều ngược lại trong cùng một sợi quang, lời giải cho bài toán kinh
tế, kỹ thuật cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông chọn lựa khi đầu tư.
Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng
- Hệ thống song cơng.
Chương II: Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium
Chương III: Hệ thống song công.
Kết luận.
Kỹ thuật và cơng nghệ thơng tin quang có một tiềm năng vô cùng to lớn và
phong phú. Việc truyền dẫn 2 chiều (song công) trong một sợi quang là ứng dụng
cịn rất mới ở nước ta, cơng việc nghiên cứu đang tiến tới phía trước với một tiền đồ
rộng lớn. Do khả năng và trình độ hiểu biết cịn hạn chế, và thời gian nghiên cứu
cũng có hạn, nên luận văn chỉ đề cập đến một phần nhỏ của lĩnh vực có một triển
vọng to lớn trong ứng dụng này. Đồng thời, phần trình bày luận văn chắc hẳn cũng
cịn nhiều thiếu sót, rất mong các thầy, cơ, các bạn đồng nghiệp chỉ bảo để bổ sung
hoàn thiện hơn./.


1

Chương I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO
BƯỚC SĨNG - HỆ THỐNG SONG CƠNG
1.1. Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM).
1.1.1.

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Theo các báo cáo khoa học, dung lượng của hệ thống thơng tin quang có thể
vượt 10 Tbps, nhưng trên thực tế chỉ có thể đạt khoảng 10 - 40 Gbps do giới hạn
của hiệu ứng tán sắc, phi tuyến và tốc độ của các thành phần điện. Vì vậy, ghép
kênh để truyền nhiều kênh quang trên cùng một sợi là phương thức đơn giản để mở
rộng dung lượng của hệ thống lên hàng Tbps.
Ghép kênh có thể thực hiện theo thời gian (ghép kênh theo thời gian TDM)
hoặc theo tần số (ghép kênh theo tần số FDM). Nhìn chung, có hai kỹ thuật ghép
kênh quang cơ bản là ghép kênh quang theo thời gian (OTDM) và ghép kênh quang
theo bước sóng (WDM).
Trong thơng tin quang điểm - điểm thơng thường, mỗi sợi quang sẽ có một
nguồn phát quang ở phía phát và bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn phát
quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào
sợi dẫn quang, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Như vậy,
muốn tăng dung lượng hệ thống thơng tin quang thì cần phải sử dụng thêm sợi
quang. Kỹ thuật WDM cho phép truyền đồng thời các luồng ánh sáng có các bước
sóng khác nhau trên cùng một sợi, bởi vậy cho phép tăng dung lượng hệ thống
thông tin quang mà không cần phải tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không
phải sử dụng thêm sợi dẫn quang.
Người ta có thể thực hiện được WDM là nhờ có băng thơng rộng của sợi
quang, cịn mỗi nguồn phát lại có độ rộng phổ khá hẹp. Vì vậy, lý tưởng ra con
người có thể truyền tải được một lượng khổng lồ các kênh từ nhiều nguồn phát khác
nhau hoạt động ở các bước sóng phù hợp trên cùng một sợi quang. Ở đầu thu có thể


2

thực hiện việc thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ q trình lọc các tín hiệu dựa
vào bước sóng của chúng. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM được thể hiện ở
hình 1.1.

Sợi dẫn quang

I1 (1)

O1 (1)

MUX
In (n)

DEMUX
O(1...... n)

I(1...... n)

On(n)

Hình 1.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh bước sóng
Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ 1, λ2, λ3,...,

λn. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau sẽ cùng ghép vào sợi quang

ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), tín hiệu ghép này sẽ được truyền qua sợi
quang để sang đầu thu. Tại đầu thu, bộ tách kênh (DEMUX) sẽ cho ra các luồng tín
hiệu riêng rẽ căn cứ theo bước sóng.
Các nghiên cứu cho thấy các tín hiệu quang khơng phát một lượng cơng suất
đáng kể nào ở ngồi dải rộng phổ đã xác định trước của chúng, cho nên vấn đề
xuyên kênh không đáng lưu ý ở đầu phát. Vấn đề ta cần quan tâm chính 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 tách kênh, vì bộ tách sóng thường rất nhạy cảm trên một vùng
rộng các bước sóng nên có thể thu được tồn bộ các bước sóng phát đi. Như vậy, để

ngăn chặn một cách hiệu quả các tín hiệu khơng mong muốn cần phải có biện pháp
cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này cần thiết kế các bộ tách kênh thật
chuẩn xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định với bước sóng cắt chính xác.
1.1.2.

Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước
sóng quang WDM

Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang
WDM như hình vẽ 1.2. Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một


3

hướng như ở hình 1.2.a. là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại
một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia.
Phương án truyền dẫn WDM hai hướng như ở hình 1.2.b. thì khơng quy định phát ở
một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thơng tin theo một
hướng tại bước sóng 1 và đồng thời cũng phát thơng tin khác theo hướng ngược lại
tại bước sóng 2. Đồng thời tại hai đầu thu, sử dụng các thiết bị chia định hướng để
tách 2 đường thu: Thu theo 1 tại đầu phát 2 và thu theo 2 tại đầu phát 1.
Tx1

1

n

1

Thiết

bị
WDM

Txn

1,.. n

Thiết
bị
WDM
n

Rx1

Rxn

(a)

Tx1

1

2

Rx2

Thiết
bị
WDM

1

1

2

Thiết
bị
WDM
2

Rx1

Tx2

(b)

Hình 1.2. Hệ thống ghép bước sóng theo 1 hướng (a) và theo 2 hướng (b)
Như vậy để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát, cần phải có các bộ
ghép kênh. Tại đầu thu cần phải có bộ giải ghép kênh để tách các bước sóng quang
tương ứng. Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng
làm bộ giải ghép bước sóng. Như vậy, hiểu đơn giản, từ “Bộ ghép – Multiplexer”
trong trường hoẹp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ
ghép và bộ giải ghép; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc
hai chức năng. Vì vậy, khi các luồng tín hiệu quang được giải ghéo ở phía đầu thu thì
bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại.
Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành 3 loại: Các bộ ghép
(MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và giải ghép hỗn hợp (MUX – DEMUX). Các

4

bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng,
còn loại thứ 3 (MUX – DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền theo hai
hướng. Hình 1.3 là sơ đồ miêu tả thiết bị ghép và giải ghép. Việc mơ tả phân tích
chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi đối với các phần tử của ma
trận Aij(x). Các phần tử này là hệ số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị các tín
hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa thứ j. Thiết bị này được sử dụng khi cần tăng
thêm cho chiều đi và chiều về mỗi chiều lớn hơn một tần số.
Các tín hiệu được ghép

Sợi dẫn quang

Ik(k)
O (k)

I (i)

Oi(i)

Các tín hiệu được giải ghép

Hình 1.3. Mô tả thiết bị giải ghép hỗ hợp
1.1.3.

Khả năng ứng dụng của WDM

Các hệ thống WDM có khả năng ứng dụng với nhiều loại mạng và trên tất cả
các lớp mạng như thể hiện ở hình 1.3. Ứng dụng cơ bản nhất của các hệ thống
WDM là sử dụng trong mạng đường trục để bao trùm một vùng rộng lớn hoặc liên

kết giữa các châu lục. Mặt khác, các hệ thống WDM cũng được ứng dụng rộng rãi
trong các vùng trung tâm hoặc phát triển các mạng có kích cỡ nhỏ hơn gồm một số
nút với các loại lưu lượng khác nhau (TDM, SONET/SDH, ATM, IP) để truyền tải
tới mạng mức cao hơn, trong đó có một nút là trạm tập trung để liên kết với các
mạng khác.


5

STM

IP/LAN

ATM

STM

IP/LAN

Truy nhập tới tận nhà
(Tốc độ từ DS0 tới OC-3)

Bộ ghép kênh
OC-3 tới OC-192

Nút OADM

Mạng khu vực trung tâm
(Tốc độ DS0 - OC-3)
OC-12 tới OC-192

Nút quang
tốc độ cao

Mạng đường trục
(Tốc độ trên OC-12)

OC-192/OC-768
Đường truyền điện
Đường truyền quang
Hình 1.3. Khả năng ứng dụng của WDM
Mặc dù cơng nghệ WDM vẫn cịn đang trong giai đoạn phát triển và chuẩn
hóa nhưng các hệ thống đã hoạt động với vài chục bước sóng trên một sợi quang, và
trong tương lai gần sẽ là hàng trăm bước sóng. Trong thực nghiệm, cơng nghệ
WDM đã hoạt động với trên 200 bước sóng trên một sợi quang, hoạt động ở tốc độ
40 Gbps trên một bước sóng, và như vậy dải rộng băng của mỗi sợi quang có thể đạt
tới 8 Tbps.


6

1.2. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM.
1.2.1. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM
Cấu trúc mạng thực tế gồm nhiều hệ thống WDM cùng liên kết hoạt động để
tạo ra mạng truyền dẫn cung cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối - đến - đầu cuối (gọi
tắt là mạng WDM hay mạng quang). Để đảm bảo khả năng kết nối, phối hợp, người
ta phải đưa ra các khái niệm, nguyên tắc và chỉ tiêu cụ thể cho từng hoạt động của
các phần tử mạng, và tập hợp các vấn đề này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống. Tiêu
chuẩn hóa của các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm “liên kết
mạng”, mà mục đích của nó nhằm đảm bảo khả năng chuyển giao thông tin người
sử dụng vào trao đổi thông tin quản lý giữa các phần tử mạng.

Ý nghĩa của liên kết mạng là các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau
nhất định phải có khả năng trộn lẫn trongmột phân đoạn mạng hay nói cách khác là
phải đảm bảo “tính tương hợp ngang” trong mạng.
ITU-T G.692 là tiêu chuẩn cho các hệ thống WDM điểm - điểm cự ly lớn;
tốc độ của từng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 và/hoặc STM-64; số kênh bước
sóng là 4, 8, 16 hoặc 32 kênh; loại sợi G.652, G653 hoặc G655; khoảng cách cực
đại của tuyến khi không sử dụng khuếch đại quang là 160 km, có sử dụng khuếch
đại quang là 640 km.

Txn

R1
SD1

f1 RM1
S2 RM2
f2

Sn
fn

RMn

MPI-S

R’

OA

S’

MPI-R

OM/OD

Tx2

S1

OM/OA

Tx1

SD2 R2

Rx1
Rx2

SDn
Rn

Rxn

Hình 1.4. Cấu hình chuẩn định nghĩa giao diện quang của hệ thống đa kênh


7

Cấu hình chuẩn của hệ thống WDM được xây dựng trên cấu hình hệ thống
SDH đa kênh điểm - điểm. Sự thăng giáng của tín hiệu xuất hiện ở lớp SDH do bộ

ghép xen rẽ kênh quang (OADM) hoặc OXC trong lớp chủ (lớp WDM) gây nên gần
giống như các bộ khuếch đại quang đường truyền. Các thiết bị này có thể xem như
một bộ khuếch đại quang đường truyền hai tầng, tại đầu vào là một bộ tiền khuếch
đại nhiễu thấp và đầu ra sử dụng bộ khuếch đại cơng suất. Q trình xử lý tín hiệu
trung gian sẽ tạo nên một lượng xuyên kênh tuyến tính do đặc tính khơng lý tưởng
của các bộ lọc. Các tín hiệu xen vào và tách ra chịu tác động của hiệu ứng trộn 4
sóng do sự khác biệt rất nhỏ về tần số tín hiệu xen và tách.
Trường hợp Tx là nguồn phát chỉ thỏa mãn khuyến nghị G.957 người ta phải
dùng bộ chuyển đổi để đảm bảo giao diện tại Tx thỏa mãn khuyến nghị G.962 trước
khi thực hiện ghép bước sóng.
1.2.2. Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM.
a. ITU-T G.872 “Kiến trúc của mạng truyền tải quang”
Khuyến nghị này quy định các chức năng của mạng quang truyền tải tín hiệu
số, bao gồm:
-

Kiến trúc chức năng truyền tải của mạng quang,

-

Quản lý mạng quang,

-

Các kỹ thuật phục hồi mạng quang.

b. ITU-T G.709 “Giao diện cho mạng truyền tải quang (OTN)”
Khuyến nghị này đề cập đến các nội dung:
-

Phân cấp truyền tải quang (OTH),

-

Chức năng của mào đầu trong việc hỗ trợ mạng thơng tin đa bước sóng,

-

Cấu trúc khung,

-

Tốc độ bit,

-

Phương pháp sắp xếp các tín hiệu client.


8

c. ITU-T G.959 “Giao diện lớp vật lý của mạng truyền tải quang”
Khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu đối với giao diện kết nối mạng cho các
mạng quang sử dụng công nghệ WDM.
d. ITU-T G.692 “Giao diện quang cho hệ thống đa kênh quang sử dụng khuếch đại
quang”
Khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu giao diện quang cho các ứng dụng trên
các bảng:
-

Mã ứng dụng cho hệ thống đa kênh không sử dụng LA,

-

Mã ứng dụng cho hệ thống đa kênh có sử dụng LA.

e. ITU G.957 “Giao diện quang cho thiết bị và hệ thống SDH”
f. ITU-T G.691 “Giao diện quang cho hệ thống đơn kênh quang tốc độ STM-64,
STM-256 và các hệ thống SDH khác sử dụng khuếch đại quang”
1.3. Các tham số đáng chú ý
1.3.1. Tham số phần phát.
1.3.1.1. Công suất phát (Pt).
Công suất phát là một trong các tham số cơ bản nhất của phần phát. Cơng suất
phát đảm bảo sao cho tín hiệu sau khi lan truyền trong sợi quang đến đầu thu với
mức công suất nằm trong dải động của bộ thu.
Công suất phát phụ thuộc vào loại nguồn phát. Laser DFB có cơng suất phát
khoảng 1 mW (0 dBm) đến 10 mW (1 dBm). Người ta cũng có thể sử dụng một bộ
khuếch đại công suất kết hợp với nguồn phát để có được cơng suất ra khoảng 50
mW (17 dBm) hoặc thậm chí lớn hơn mức 20 dBm. Giới hạn trên của giá trị công
suất này thường là do tính phi tuyến của sợi quang, dải động của bộ thu và các điều
kiện an toàn quy định.


9

1.3.1.2. Độ rộng phổ của nguồn phát.
Độ rộng phổ của nguồn phát đối với các hệ thống WDM phải đảm bảo càng
nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng phổ của các kênh bị chồng lên nhau gây lên xuyên
âm giữa các kênh. Độ rộng phổ điển hình của các nguồn phát sử dụng trong các hệ
thống WDM là khoảng vài MHz. Ngồi ra độ rộng phổ cịn tương tác với tán sắc

gây nên hiện tượng dãn xung tín hiệu.
1.3.1.3. Tỷ số phân biệt
Tỷ số phân biệt được định nghĩa là tử số giữa cơng suất phát P1 khi bít “1”
được phát và cơng suất phát P0 khi bít “0” được phát đi. Việc giảm tỷ số phân biệt
sẽ làm cho độ khác biệt giữa mức 0 và 1 tại bộ thu giảm và do đó sẽ tạo ra Penalty.
Độ thiệt thịi về cơng suất do tỷ số phân biệt khơng lý tưởng gây ra trong hệ thống
bị giới hạn bởi loại nhiễu khơng phụ thuộc vào tín hiệu.
1.3.1.4. Kiểu điều chế.
Nguồn laser tại phía phát có thể là nguồn điều chế trực tiếp hoặc nguồn điều
chế ngoài. Loại nguồn điều chế trực tiếp rẻ hơn nhưng phổ bị dãn rộng hơn do hiện
tượng chirp (hình 1.5). Điều này sẽ gây nên độ thiệt thịi về cơng suất do tán sắc.
Phổ cũng gây nên độ thiệt thịi về cơng suất khi tín hiệu đi qua các bộ lọc quang, ví
dụ như các phần tử MUX/DEMUX.
1.3.1.5. Độ ổn định bước sóng.
Một trong các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến thơng tin quang
WDM là độ ổn định của bước sóng của các phần tử trên tuyến. Tuy nhiên độ dịch
bước sóng do sự thay đổi nhiệt độ của các phần tử trên tuyến WDM là tương đối
nhỏ. Ví dụ như một bộ MUX/DEMUX làm từ Silicon có hệ số nhiệt độ khoảng
0,001 nm/0C. Một số phần tử khác thậm chí có hệ số nhiệt độ cịn thấp hơn.


10

Tần số chirp (GHz)
13
12
11
10
9
8

7
6
5
4
0

0,5

1

1,5

2

Thời gian (ns)
Hình 1.5. Hiện tượng chirp trong các nguồn phát điều chế trực tiếp
Thông thường, hầu hết các hệ thống WDM đều sử dụng nguồn laser DFB, và
đây là phần tử chính cần ổn định nhiệt độ. Trong thực tế, các laser thường được kèm
theo phần tử ổn nhiệt (thermistor và thermo-electric cooler) đảm bảo cho nhiệt độ
của laser không thay đổi quá ± 0,1 0C. Tuy nhiên, bước sóng của laser cũng có thể
thay đổi do ảnh hưởng của các hiệu ứng hóa già trong suốt một thời gian dài. Các
nhà sản xuất laser thường đưa ra giá trị của tham số này, điển hình là khoảng ± 0,1
nm và trong trường hợp cần thiết có thể sử dụng một vịng lặp bên ngồi để ổn định
bước sóng của laser.
Ngồi ra, một yếu tố khác cũng cần xem xét là sự phụ thuộc của bước sóng
laser vào dịng điều khiển, điển hình là từ 100 MHz/mA đến 1 GHz/mA. Một laser


11

thường làm việc ở 1 trong 2 chế độ sau: cơng suất đầu ra khơng đổi hoặc dịng điều
khiển khơng đổi. Ở chế độ dịng khơng đổi sẽ tránh được hiện tượng này. Tuy
nhiên, khi laser bị hóa già mà muốn giữ cơng suất phát laser khơng đổi thì cần phải
tăng thêm dòng điều khiển và sẽ gây nên một sự dịch chuyển nhỏ đối với bước sóng
phát ra của laser. Với khoảng cách kênh là khoảng 100 GHz thì đây không là vấn
đề, nhưng đối với khoảng cách kênh hẹp hơn thì cần phải để laser làm việc ở chế độ
dịng điều khiển khơng đổi và phải chịu thiệt thịi về cơng suất so sự suy giảm cơng
suất phát của laser.
1.3.2. Tham số phần thu.
Trong các hệ thống thông tin quang WDM có 2 loại bộ thu hay được sử dụng
là PIN và APD. Bộ thu APD có độ nhạy thu cao hơn, nhưng mức nhiễu cao hơn.
Thông thường thì người ta hay sử dụng các bộ thu PIN FET kết hợp với tiền khuếch
đại quang để tăng độ nhạy của bộ thu. Các tham số chính liên quan đến bộ thu bao
gồm độ nhạy thu và công suất thu quá tải, thời gian lên/xuống và nhiễu.
1.3.2.1 Độ nhạy thu và công suất thu quá tải.
Độ nhạy thu là một trong các tham số ảnh hưởng đến quỹ công suất của tuyến
thông tin quang WDM. Độ nhạy thu là cơng suất quang trung bình tối thiểu u cầu
tại bộ thu để đạt được một giá trị BER nhất định tại một tốc độ bit nhất định. Đối
với các hệ thống WDM thì giá trị này thường được đo với BER=10 -12 sử dụng chuỗi
bit giả ngẫu nhiên. Vì vậy, trong một nhóm các bộ thu, bộ thu được nói là có độ
nhạy tốt hơn nếu như nó có thể đạt được cùng một chất lượng như các bộ thu khác
nhưng với cơng suất quang đến ít hơn.
Chỉ tiêu chất lượng của bộ thu quy định bởi tỷ lệ lỗi bit (BER), được định
nghĩa như là xác suất nhận dạng bit bị sai trong mạch quyết định của bộ thu. Giá trị
BER phụ thuộc vào giá trị của dòng ngưỡng trong mạch quyết định. Các bộ thu
thực tế thường có dòng ngưỡng được chọn tối ưu sao cho BER nhỏ nhất.


12

Tham số thu quá tải là công suất tại đầu vào bộ thu cực đại mà bộ thu có thể
chấp nhận để đạt giá trị BER theo yêu cầu (thường là 10-12 với các hệ thống WDM).
1.3.2.2. Nhiễu trong bộ thu.
Nhiễu là vấn đề quan trọng cần được xem xét đối với bộ thu. Nhiễu trong bộ
thu là hiện tượng dao động của dòng điện trong bộ thu. Trong bộ thu có 2 loại nhiễu
chính là nhiễu shot (nhiễu bắn hoặc nhiễu lượng tử) và nhiễu nhiệt.
- Nhiễu shot: nhiễu hình thành do tốc độ chuyển động ngẫu nhiên của các điện
tử có tính ngẫu nhiên, hiện tượng này dẫn đến sự dao động về cường độ trong
các mạch điện tử. Nhiễu shot có thể biểu diễn bằng hàm Gauss.
- Nhiễu nhiệt: quá trình tự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử do ảnh
hưởng của nhiệt độ được gọi là nhiễu nhiệt. Nhiễu này tồn tại ngay cả khi
không có điện áp đặt vào bộ thu. Cũng giống như nhiễu shot, nhiễu nhiệt có
thể được biểu diễn xấp xỉ bằng q trình Gauss.
Với photodiode có độ nhạy thu là R, thì dịng điện tạo ra I(t) được tính theo
cơng thức:
I(t) = RPinput + IS(t) + Ithermal(t)

(1-1)

Trong đó, RPinput = Ipd là giá trị trung bình của dịng điện tại photodiode, IS(t)
là dòng nhiễu shot, Ithermal(t) là dòng nhiễu nhiệt.
1.3.3. Tham số sợi quang.
Tham số sợi quang ảnh hưởng đến q trình lan truyền tín hiệu trong sợi
quang bao gồm suy hao, tán sắc, tán sắc mode phân cực, và tính phi tuyến của sợi
quang.
1.3.3.1. Suy hao.
Suy hao trong sợi quang là một trong những nguyên nhân cơ bản làm giới hạn
khoảng cách truyền dẫn. Các nguyên nhân chính gây suy hao trong sợi quang gồm:

13

- Do hấp thụ: Hấp thụ do các khiếm khuyết về nguyên tử thành phần của sợi
thủy tinh; Hấp thụ do các nguyên tử tạp chất trong vật liệu thủy tinh, mà chủ
yếu là do các ion kim loại chuyển tiếp như sắt, Crom, Coban, đồng, ion OH-;
hấp thụ do các nguyên tử cơ bản cấu tạo nên vật liệu làm sợi.
- Do tán xạ (chủ yếu là tán xạ Rayleigh)

LR  0,75  4,54

(1.2)

- Do uốn cong và vi uốn.
Trong thông tin quang, suy hao được biểu diễn bằng dB/km và được tính theo
cơng thức:
 dB 

P
10
log in
L
Pout

(1.3)

Khi trên tuyến chưa sử dụng khuếch đại quang thì ta có mối liên hệ giữa công
suất phát, độ nhạy thu, suy hao của sợi quang, và cự ly truyền dẫn như sau:
L

PTx  PRx  M  PC  PP



(1.4)

Trong đó: PTx là công suất phát tại điểm S (dBm) (ITU-T G.957),
PRx là độ nhạy thu tại điểm R (dBm) (ITU-T G.957),
M là suy hao dự phòng (dB),
PC là suy hao do hàn nối và connector giữa điểm S và R (dB),
PP là độ thiệt thòi luồng quang giữa điểm S và R (dB),
α là hệ số suy hao của sợi quang (dB/km).
1.3.3.2. Tán sắc.
Tán sắc (chromatic dispersion) trong sợi quang đơn mode D bao gồm tán sắc
vật liệu DM (material dispersion) và tán sắc ống dẫn sóng DW (waveguide
dispersion). D được tính theo cơng thức sau:


14

D

2c

2

 2  DM  DW

(1.5)

Trong đó: β2 là tham số tán sắc vận tốc nhóm (GVD) được xác định qua hằng

số truyền lan β của sợi theo công thức  2 

d 2
d 2

Ngồi ra cịn có tham số tán sắc bậc cao (hiệu ứng tán sắc bậc 3), gọi là độ dốc
tán sắc, của tham số truyền dẫn dọc theo hướng z được tính theo cơng thức:
3 

d 2 d 3 

d d 3

(1.6)

Đối với các tín hiệu có độ rộng phổ Δω ≥ 1012 Hz hoặc nếu hoạt động ở gần
bước sóng có tán sắc bằng 0 thì GVD bậc 2, β 3 cần phải xét tới đặc biệt là trong các
hệ thống WDM băng rộng.
Tán sắc gây nên hiện tượng dãn xung tín hiệu, do đó giới hạn cự ly truyền dẫn
của các tuyến thông tin quang. Để hạn chế ảnh hưởng của tán sắc thì hoặc phải làm
việc ở vùng bước sóng có tán sắc gần bằng 0 và sử dụng các nguồn phát có độ rộng
phổ hẹp, hoặc phải sử dụng các biện pháp để bù tán sắc. Vì sợi quang có tán sắc lớn
tại vùng bước sóng 1550 nm (khoảng 16 ps/nm.km) nên các hệ thống WDM làm
việc trong vùng bước sóng này sẽ chịu ảnh hưởng rất lớn của tán sắc. Với các hệ
thống sử dụng nguồn laser DFB điều chế trực tiếp, có thể sử dụng cơng thưc sau để
xác định giới hạn cự ly truyền dẫn do tán sắc:

L  4 B D  

1

(1.7)

Trong đó Δλ là độ rộng phổ RMS do hiện tượng chirping.
Như vậy, nếu sử dụng nguồn điều chế trực tiếp có Δλ ≈ 0,15 nm thì với tốc độ
2,5 Gbit/s, cự ly truyền dẫn sẽ bị giới hạn ở L ≈ 42 km. Tuy nhiên cũng có thể sử
dụng nguồn điều chế ngồi để giảm ảnh hưởng của tán sắc vì điều chế ngồi có thể


15

giảm được sự dãn phổ do chirping. Khi đó giới hạn cự ly truyền dẫn do tán sắc được
xác định theo công thức sau:



L  16 B 2  2



1

(1.8)

với β2 là hệ số GVD có quan hệ với D theo công thức (1.5).
1.3.3.3. Tán sắc mode phân cực
Sợi dẫn quang được gọi là đơn mode nhưng trên thực tế vẫn tồn tại 2 mode
độc lập phân cực trực giao với nhau. Do sợi khơng hồn tồn đồng nhất về cấu trúc
(do quá trình sản xuất) cũng như ứng suất trên sợi phân bố khơng đều (do q trình
lắp đặt và sử dụng) nên 2 thành phần này sẽ lan truyền với vận tốc khác nhau, gây

nên tán sắc mode phân cực (PMD). PMD liên quan tới ghép cặp mode phân cực
trực giao của sợi quang do lệch khỏi tính đối xúng trục hoàn hảo của sợi. Mức độ
dãn xung do PMD có thể được đánh giá từ độ trễ thời gian Δt giữa hai thành phần
phân cực trong quá trình lan truyền xung. Đối với một sợi quang có độ dài L, Δt
được xác định như sau:
t 

L
L

 L 1x  1 y  L.1
vgx vgy

(1.9)

x, y là chỉ số mode phân cực trực giao,
Δβ1 là độ ghép cặp phân cực (độ lệch hằng số truyền hai mode phân cực),
Do sự ghép cặp mode một cách ngẫu nhiên giữa hai mode nên đại lượng Δt/L
ở trên không thể đánh giá trực tiếp PMD của sợi quang. Quá trình ghép cặp có xu
hướng cân bằng thời gian truyền đối với hai thành phần phân cực, nên thực tế PMD
được đặc trưng bởi giá trị căn trung bình bình phương của Δt:
 2L
 2 L 
 1  exp  

 h 
 h

 t2  t 2  12 h 2 
1

2

h là độ dài khử tương quan (decorrelation length), h ~ 1-10 m.

(1.10)


16

Khi h << L (có sự ghép cặp mạng giữa hai mode phân cực trực giao) thì:

 t  1 hL  Dp L

(1.11)

Dp là hệ số tán sắc mode phân cực.
Sự dãn xung do PMD là tương đối nhỏ so với ảnh hưởng của GVD do sự phụ
thuộc vào

L . Tuy nhiên nó rất quan trọng đối với các hệ thống khoảng cách lớn,

tốc độ truyền dẫn cao, hoạt động gần λ0 (bước sóng có tán sắc 0).
Mức độ dãn xung do PMD có thể được đánh giá từ độ trễ thời gian Δt giữa hai
thành phần phân cực trong q trình lan truyền xung. Δt có phân bố Maxwell và đối
với một sợi quang có độ dài L, Δt được xác định theo công thức sau:

t  PMD fiber L

(1.12)

MPDfiber là hệ số tán sắc mode phân cực, ps/ km .
Ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực có thể xử lý bằng các bộ bù tán sắc.
1.3.3.4. Các hiệu ứng phi tuyến
Đáp ứng của bất kỳ vật liệu điện môi nào đối với ánh sáng đều trở nên phi
tuyến khi cường độ của trường điện từ lớn, sợi quang cũng không ngoại lệ. Vector
phân cực P được tạo ra từ các ngẫu cực điện tử khơng cịn là tuyến tính trong điện
trường, mà tuân theo hệ tổng quát sau:





P   0  (1) .E   ( 2) : EE   (3)  EEE  

(1.13)

Trong đó 0 là hằng số điện mơi chân khơng; (j) là độ thụ cảm bậc j
(j=1,2,3...).
Trong biểu thức trên, (1) đóng góp phần chủ yếu vào P. Các ảnh hưởng của
nó tạo ra thơng qua hệ số chiết suất n và hệ số suy hao α. (2) gây ra các hiệu ứng
phi tuyến như tạo hài bậc 2, tạo tần số tổng. Tuy nhiên, ở sợi quang thì (2) = 0 nên
thơng thường trong sợi quang khơng có các hiệu ứng phi tuyến bậc 2.


17

Các hiệu ứng quang phi tuyến trong sợi quang có thể chia làm 2 loại như sau:
-

Các hiệu ứng tán xạ kích thích (Raman và Brillouin).

-

Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr, bao gồm các hiệu ứng SPM (self
phase modulation), SPM (cross phase modulation) và FWM (four wave
mixing). Đây là các hiệu ứng liên quan đến sự phụ thuộc của chiết suất sợi
quang vào cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi quang do ảnh hưởng của
(3) (còn gọi là hiệu ứng Kerr), tức là hệ số chiết suất của sợi được tính theo
biểu thức sau:

n  n0  n NL  n0  n2 E

2

(1-14)

Với n0 là chiết suất tuyến tính (n0 ≈ 1,5); n2 là hệ số chiết suất phi tuyến; E là
trường quang.
Hai loại hiệu ứng này có các điểm khác biệt chính như sau:
-

Trong các hiệu ứng liên quan đến Kerr, khơng có sự trao đổi năng lượng giữa
trường điện từ và môi trường điện mơi. Cịn trong các hiệu ứng tán xạ kích
thích, trường quang chuyển một phần năng lượng của mình cho mơi trường
phi tuyến.

-

Các hiệu ứng tán xạ kích thích gây nên suy hao hoặc khuếch đại tín hiệu phụ
thuộc vào cường độ ánh sáng lan truyền trong sợi. Còn các hiệu ứng liên

quan đến hiệu ứng Kerr thì gây nên sự dịch pha phụ thuộc vào cường độ của
tín hiệu.

-

Với hiệu ứng tán xạ kích thích sẽ có cơng suất ngưỡng mà tại đó các hiệu
ứng phi tuyến sẽ xảy ra, tức là ngưỡng tại đó có sự chuyển đổi lớn của năng
lượng sóng bơm thành năng lượng Stokes. Cịn đối với hiệu ứng Kerr thì
khơng có ngưỡng đó.
Các hiệu ứng Kerr gồm: Hiệu ứng tự điều chế pha - SPM (Self Phase

Modulation); Hiệu ứng điều chế chéo pha - XPM (Cross Phase Modulation); Hiệu
ứng trộn 4 sóng - FWM (Four Wave Modulation).


18

Hiệu ứng tán xạ kích thích có hai hiệu ứng quan trọng là hiệu ứng tán xạ kích
thích Brillouin - SBS (Stimulated Brillouin Scattering) và hiệu ứng tán xạ kích thích
Raman - SRS (Stimulated Raman Scattering). Điểm khác biệt chính giữa hai hiệu
ứng này là các phonon quang tham gia vào hiệu ứng SRS, còn các phonon âm tham
gia vào hiệu ứng SBS.