Thiết Kế Mạng DWDM Và Các Giải Pháp Công Nghệ - 123doc

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển chưa từng có về nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn, chính điều này đã sản sinh ra một lượng thông tin rất lớn truyền tải trên mạng tạo ra nhiều áp lực mới cho mạng hiện tại. Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hơn bao giờ hết. Để đáp ứng yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi trường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn. Đối với hệ thống dung lượng thấp, công nghệ TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn của một kênh cáp đơn lên 10Gbps, thậm chí là 40Gbps. Tuy nhiên, việc tăng tốc cao hơn nữa là không dễ dàng vì các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn chế mà các mạch điện hiện tại chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM ra đời. DWDM có thể ghép một số lượng lớn bước sóng trong vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệ thống lên hàng trăm Gbps. Vì thế, DWDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đô cao DWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống. DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụ băng rộng trên mạng và là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tương lai.

Để đáp ứng yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môitrường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn Đối với hệ thống dunglượng thấp, công nghệ TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyềndẫn của một kênh cáp đơn lên 10Gbps, thậm chí là 40Gbps Tuy nhiên, việctăng tốc cao hơn nữa là không dễ dàng vì các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi côngnghệ điện tử phức tạp và đắt tiền Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, bản thâncác mạch điện tử sẽ không thể đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêmvào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quáphức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao

Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn chế mà cácmạch điện hiện tại chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phânchia theo bước sóng mật độ cao DWDM ra đời DWDM có thể ghép một sốlượng lớn bước sóng trong vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệthống lên hàng trăm Gbps Vì thế, DWDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi

ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đôcao DWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mởrộng dung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệthống DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụbăng rộng trên mạng và là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quangtrong tương lai

Khi thiết kế một hệ thống DWDM, người thiết kế phải đối mặt với một

số vấn đề như: bao nhiêu bước sóng được ghép trên một sợi và ở những tốc

độ nào? Các bước sóng sẽ được giám sát và quản lý như thế nào? Có baonhiêu loại lưu lượng khác nhau mà khách hàng yêu cầu? Các thuật toán vàgiao thức hiệu quả nhất là gì? Độ dài của một chặng mà không cần trạm lặp làbao xa? Bộ khuếch đại nào được sử dụng để thỏa mãn yêu cầu về hệ sốkhuếch đại và tạp âm? Và để có thể trả lời được những câu hỏi trên đòi hỏingười thiết kế phải nắm vững được nguyên lý, cấu trúc cũng như thườngxuyên cập nhật những kỹ thuật mới để có thể đưa ra được những giải pháp tốtnhất cho hệ thống đang xây dựng Chính vì lý do đó nên em đã tiến hành tìm

hiểu đề tài: “Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ”

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM VÀ CƠ SỞ

KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

Để thấy được vai trò quan trọng của công nghệ này đối với viêc phát triển hệ

thống mạng, trong chương này chúng ta sẽ xem xét những nét chung nhất vềcông nghệ DWDM so với các công nghệ truyền dẫn khác

Để giải quyết vấn đề băng thông và phát triển hệ thống đa dịch vụ trên cùngmột mạng, công nghệ DWDM đã thực hiện ghép nhiều bước sóng trên cùngmột sợi quang Với việc tăng số bước sóng ghép trên một sợi quang một cáchđáng kể so với công nghệ WDM trước đây, điểm nổi bật của DWDM chính làkhả năng cho phép truyền trên sợi quang một lưu lượng khổng lồ lên tới hàngTerabits/s Tuy nhiên, để đạt được điều này một cách có hiệu quả thì hệ thốngDWDM có những yêu cầu rất đặc biệt đối với các chức năng quang như: độlinh hoạt cao, kết cấu đấu chéo nhanh, các bộ lọc và nguồn laser phải có khảnăng điều hưởng, các bộ thu phải có tạp âm thấp và độ nhạy cao

Các hệ thống DWDM hiện nay làm việc trên các kênh bước sóng theokhuyến nghị của ITU-T dành cho DWDM Nhiều bước sóng ghép trên mộtsợi quang đã mang lại sự linh hoạt và mềm dẻo cho cả các dịch vụ và băngthông Mỗi kênh bước sóng có thể truyền tải một loại lưu lượng khác nhaunhư SONET/SDH trên một kênh, ATM trên một kênh khác, tín hiệu thoại TDM hay Internet trên một kênh khác nữa

1.1 KỸ THUẬT GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG

Trong hệ thống đơn kênh, khi tốc độ đường truyền đạt đến mức độ nào đó,

người ta thấy các hạn chế của các mạch điện tử trong việc nâng cao tốc độcũng như kéo dài cự ly truyền dẫn Thêm vào đó, chi phí cho các giải pháptrên tuyến truyền dẫn rất tốn kém vì cấu trúc hệ thống khá phức tạp Do đó,

kỹ thuật ghép kênh quang ra đời nhằm khắc phục được những hạn chế trên

Các phần tử quang trong hệ thống thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việcthay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật

xử lý tín hiệu nhanh

Về lý thuyết, ta có thể làm tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn của hệ thốngbằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu cácnguồn phát có phổ cách nhau một cách hợp lý và đầu thu có thể thu được cáctín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có bộ tách bước sóng, Đây chính là cơ

sở kỹ thuật ghép bước sóng

1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh họa như hình 1.1.

Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng λ1,λ2,…,λn Các tínhiệu quang làm việc ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùngmột sợi dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phíaphát nhờ bộ ghép kênh, bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ vàtín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để đến phía thu Các bộ táchsóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các

bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng là tận dụng hữuhiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi

quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống, đồngthời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để truyền đinhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu lúc này là việc truyềnđồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bướcsóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM pháttriển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rấtnhỏ của 1nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bướcsóng mật độ cao DWDM Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng

xử lý từ 4 - 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2.5Gbpscho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhà cungcấp WDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm cho việc truyền nhiều hơn cáckênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưavào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbps và tiến tớiđạt tốc độ Tbps truyền trên một sợi đơn

Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóngquang WDM

 Truyền dẫn một chiều trên hai sợi

WDM một chiều là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quangtruyền dẫn theo cùng một chiều, ở đầu phát mang các tín hiệu có bướcsóng khác nhau và đã điều chế λ1,λ2,…,λn thông qua bộ ghép kênh tổhợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang Vì các tínhiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ khônglẫn lộn Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách những tín hiệu có bướcsóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang, ở hướng ngượclại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

 1 ,  2  n

Hình 1.2: Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang

 Truyền dẫn hai chiều trên một sợi

WDM hai chiều là kênh quang trên mỗi sợi cùng truyền dẫn theo haichiều khác nhau, dùng các bước sóng tách rời nhau để thông tin hai chiều(song công)

Hệ thống WDM song hướng yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn,

có cơ cấu phức tạp hơn đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Có rấtnhiều vấn đề cần lưu ý như phản xạ quang, xuyên âm giữa các kênh, mức điệncủa công suất truyền dẫn Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy haonhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ táchsóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiệntách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằngcách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, dải làm việc ổn định Do sửdụng bộ khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm được sốlượng bộ khuếch đại và tiết kiệm được sợi quang

1 1

Bộ tách kênh

Bộ khuếch đại sợi quang

Bộ khuếch đại sợi quang

Bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang

O

1 1

Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể đượcdùng làm bộ giải ghép bước sóng Như vậy, điều đơn giản là “Multiplexer”trong trường hợp này thường sử dụng ở dạng chung để tương thích cho bộghép và bộ giải ghép, trừ trường hợp cần thiết để phân biệt hai thiết bị này

Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: Các bộghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗnhợp (MUX - DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương

án truyền dẫn song hướng

Phân loại các bộ ghép bước sóng trong kỹ thuật ghép bước sóng:

Hình 1.4: Phân loại các bộ ghép bước sóng quang

Các bộ ghép bước sóng

Tích cực Thụ động

Bộ khuếch đại sợi quang

 1 ,  2  n

Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang

Máy phát quang

Bộ ghép/tách kênh

Các bộ ghép bước sóng thụ động được sử dụng hiện nay thường là các

bộ vi quang học (micro-optic) và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wavefibre coupler) Mỗi loại đều có ưu nhược điểm

Các bộ vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối các thấu kính để ghép vào sợi quang Các khó khăn trong việc định vị và ghép nối làm hạn chế các đặc tính kỹ thuật, đặc biệt là đối với các sợi đơn mode Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính của bộ lọc rộng rãi hơn

Các bộ ghép sợi ít chịu ảnh hưởng của các khó khăn nêu trên nhưng lại

bị hạn chế trong việc lựa chọn các đặc tính cần có của bộ lọc, chẳng hạn như mức độ bằng phẳng của băng thông

Có 3 tiêu chuẩn cơ bản để xác định đặc tính của bộ ghép bước sóng:

 Suy hao xen

 Xuyên âm

 Độ rộng phổ của kênh

 Suy hao xen

Suy hao xen ở đây được xác định như lượng tổn hao công suất trêntuyến truyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng Khác vớicác coupler thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bướcsóng:

Lk = -10log O(λk)/Ik(λk) MUX

Li = -10log Oi(λi)/I(λi) DEMUX Trong đó:

I(λi), O(λk) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung Ik(λk)

là công suất tín hiệu bước sóng λk đi vào cửa thứ k của bộ ghép, tínhiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k

Oi(λi) là công suất tín hiệu bước sóng λk đi khỏi cổng thứ i của bộ tách.Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của bộ ghépbước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc do phản xạ Mức độ

ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên hệ thống còn tùy thuộc vàoloại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng

 Xuyên âm

Xuyên âm là sự dò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia Nó làm tăng nềnnhiễu, do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Hiện tượng nàyđược sinh ra do các yếu tố sau:

 Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện

 Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm các tia sáng bị tảnmát

 Do phổ của các nguồn phát chồng lấn lên nhau

 Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa công suất cao vàosợi quang

Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tínhiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang kênh khác có bước sóng khác với λi.Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên âm nào đó và làm giảm chấtlượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễngiải bằng suy hao xen và được tính bằng dB như sau:

Di(λi) = -10log Ui(λk)/I(λk) Trong đó: Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk do

có sự dò tín hiệu ở cửa thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng

λi

Trong thiết bị ghép - giải hỗn hợp, việc xác định suy hao xen kênh cũngđược áp dụng như bộ giải ghép Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loạixuyên kênh Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đườngtruyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk) Xuyên kênh đầu gần là do cáckênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(λi) Khicho các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối vớitừng thiết bị

 Độ rộng phổ của kênh:

Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh Độ rộngnày phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh Độ rộng phổ giữa các kênhtùy thuộc vào từng nguồn phát Ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau sẽ

có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác khác nhau

DWDM thực hiện ghép một số lượng lớn các bước sóng quang đã được điềuchế trên một sợi quang Những kênh quang trong hệ thống DWDM thườngnằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứng dụng

hệ thống này thường là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và có dunglượng truyền dẫn lớn Giống như bất cứ một công nghệ nào, DWDM cũng tồntại những giới hạn và những vấn đề kỹ thuật Trong chương này, chúng ta sẽxem xét một số tham số như: suy hao, nhiễu xuyên kênh, số kênh bước sóng,

bề rộng phổ nguồn phát, quỹ công suất, tán sắc và ảnh hưởng của các hiệuứng phi tuyến

1.3.1 Suy hao của sợi quang

Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết

kế hệ thống Suy hao sợi được tính bằng tỷ số giữa công suất cuối sợi quang

P2 của sợi dẫn quang dài L(km) với công suất đưa vào sợi quang P1 Nếu gọi

là hệ số suy hao của sợi thì:

kể đến suy hao do ghép nguồn quang vào sợi quang, suy hao do mối hàn, suyhao do uốn cong sợi và suy hao do tán xạ do tính không đồng nhất quang họccủa lõi sợi gây ra Có 3 loại suy hao do tán xạ cơ bản của lõi sợi quang là tán

xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin và tán xạ Raman

1.3.2 Số kênh bước sóng

Một trong những vấn đề quan trọng là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênh bước

sóng và số kênh cực đại hệ thống có thể sử dụng được Số kênh bước sóng sửdụng phụ thuộc vào:

• Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang như:

 Khả năng băng tần của sợi quang

 Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng

• Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:

 Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

 Quỹ công suất quang

 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến

đến 1603 nm) nên trong thực tế, các hệ thống DWDM không thể tận dụng hếtbăng tần của sợi quang

Gọi  là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta có: f c./2 (1.3)

Như vậy, tại bước sóng λ = 1550 nm, với  = 35 nm thì f = 4,37.1012 Hz.Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5Gbps thì theo địnhnghĩa Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì số kênh bướcsóng cực đại có thể đạt được N = f /5 = 874 kênh trong dải băng tần khuếchđại quang Đây là số kênh tính theo lý thuyết, tuy nhiên, với mật độ kênh cànglớn thì đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao

Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần có bộ phát ổn định và một bộ lọcquang có khả năng chọn lọc bước sóng cao Bất kỳ sự dịch tần nào của nguồnphát cũng có thể làm dãn phổ sang kênh lân cận

Dựa vào khả năng công nghệ hiện nay, ITU - T đưa ra quy định về khoảngcách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4 nm) vớichuẩn tần số là 193,1 THz

Với công nghệ hiện nay, DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C (1530

- 1560)nm và băng L (1560 - 1600)nm

1.3.3 Độ rộng phổ của nguồn phát

Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh bước

sóng hoạt động một cách độc lập nhau, nói khác đi là tránh hiện tượng chồngphổ ở phía thu giữa các kênh lân cận Khoảng cách giữa những kênh này phụthuộc vào đặc tính của các thiết bị như MUX/DEMUX, bộ lọc, độ dung saicũng như mức độ ổn định của các thiết bị này

Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang làdựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số Các kênh khác nhau làm việc ởcác kênh tần số khác nhau trong cùng băng thông của sợi quang Theo lýthuyết, băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh bước sóng ghépđược rất lớn (ở cả 2 cửa sổ truyền dẫn) Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống

WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi và làm việc chỉ ở cửa

sổ bước sóng 1550 nm Vì vậy, băng tần của sợi quang bị giới hạn bởi băngtần của bộ khuếch đại Như vậy, một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cáchgiữa các bước sóng phải thỏa mãn được yêu cầu tránh cộng phổ của các kênhlân cận ở phía thu Khoảng cách này phụ thuộc vào đặc tính phổ của nguồnphát và các ảnh hưởng khác nhau trên đường truyền như tán sắc sợi, hiệu ứngphi tuyến…

Một cách lý tưởng, có thể xem hệ thống DWDM như là sự xếp chồng của các

hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng đủlớn và công suất phát hợp lý Mối quan hệ giữa phổ công suất phía thu vớiphổ công suất nguồn phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ,

kí hiệu , băng tần tín hiệu B và bù tán sắc D Nếu gọi ε là hệ số đặc trưngcho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có biểu thức:

ε = B.D.RMS (1.4)

Trong đó: B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn

D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn

RMSlà độ giãn rộng phổ

1.3.4 Quỹ công suất

Trong môi trường truyền dẫn cáp sợi quang, quỹ công suất là một yếu tố rất

quan trọng nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường Mục đích củaquỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt độngtin cậy trong suốt thời gian sống của hệ thống

Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang, trêncác bộ nối quang và tại các mối hàn Tổng suy hao trên toàn tuyến nhận được

từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến Suy hao củatừng phần tử được tính:

A(dB)= 10log P1 (1.5)

P2

Trong đó: P1, P2 là các công suất quang đầu vào và đầu ra của phần tử Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ở trên,

ta còn phải có một lượng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của cácthành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần Dựphòng cho tuyến thường thường từ 6 - 8 dB Chính vì vậy mà quỹ công suấtcủa tuyến có thể xem như là công suất tổng PT nằm giữa nguồn phát quang và

bộ tách sóng quang Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi, suy hao bộ nốiquang, suy hao mối hàn và dự phòng cho hệ thống

Nếu gọi PS là công suất quang của nguồn phát được đưa vào đầu ghép sợi và

PR là độ nhạy của bộ thu quang thì:

PT = PS - PR= 2lC +  f.L + dự phòng hệ thống (1.6) Trong

đó: lC là suy hao bộ nối quang

αf là suy hao sợi

Sở dĩ có hiện tượng méo này là do tán sắc ở bên trong mode và hiệu ứng giữacác mode gây ra

 Tán sắc bên trong mode bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng Tán sắc vật liệu do chỉ số chiết suất của vật liệu lõi phụ thuộc vào bướcsóng tạo nên Nó gây ra sự phụ thuộc của bước sóng vào vận tốc nhómcủa bất kỳ mode nào

Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi vì hằng số lan truyền mode

 Nó thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần quan tâmtrong sợi đơn mode Gọi là tán sắc dẫn sóng vì hiện tượng này thườngxảy ra trong các ống dẫn sóng kể cả ở sóng cao tần và siêu cao tần

 Tán sắc giữa các mode

Tán sắc này chỉ ảnh hưởng đến các sợi đa mode, nó sinh ra do có nhiềuđường khác nhau (các mode khác nhau) mà một tia sáng có thể truyềnlan trong sợi đa mode dẫn đến tia sáng truyền qua những quang lộ khácnhau, làm cho xung truyền dẫn bị giãn rộng ra, tán sắc này phụ thuộcvào kích thước của sợi quang, đặc biệt phụ thuộc vào đường kính củalõi sợi

Các phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến hệthống DWDM tốc độ cao có dùng khuếch đại EDFA gồm: làm hẹp bềrộng phổ của nguồn phát hoặc sử dụng các phương pháp bù tán sắcnhư:

 Khái niệm tán sắc mode phân cực PMD

Tán sắc mode phân cực PMD là một thuộc tính cơ bản của sợi quangđơn mode và các thành phần hợp thành trong đó năng lượng tín hiệu ởbất kỳ bước sóng nào cũng được phân tích thành 2 mode phân cực trực

giao có vận tốc truyền khác nhau Do vận tốc của hai mode chênh lệchnhau đôi chút nên thời gian truyền qua cùng khoảng cách là khác nhau

và được gọi là sự trễ nhóm (DGD) Vì vậy, PMD sẽ làm giãn rộng xungtín hiệu gây nên suy giảm dung lượng truyền dẫn Về phương diện này,ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực cũng giống như ảnh hưởng củatán sắc Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn đó là: tán sắc là một hiệntượng tương đối ổn định, trong khi đó, PMD của sợi đơn mode ở bất kỳbước sóng nào cũng là không ổn định Ngoài những ảnh hưởng trên cònphải kể đến suy hao phụ thuộc phân cực (PLD) của các thành phần hợpthành PLD phân biệt sự thay đổi phân cực trong thành phần cường độđược tách ra từ tín hiệu mong muốn thông qua sự suy hao trạng tháiphân cực có chọn lọc

Tán sắc mode phân cực được tính theo công thức:

PMDtotal = K.L1/2 (1.7)

Trong đó: PMDtotal là tán sắc phân cực của sợi quang (ps)

K là hệ số tán sắc phân cực (ps/km1/2)

L là chiều dài của sợi (km)

 Nguyên nhân của tán sắc phân cực

Do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang cũng như các thành phầnquang hợp thành nên có sự khác biệt về chiết suất đối với cặp trạng tháiphân cực trực giao, được gọi là sự lưỡng chiết Sự khác biệt chiết suất

sẽ sinh ra độ chênh lệch thời gian truyền sóng trong các mode phân cựcnày Trong các sợi đơn mode, hiện tượng này bắt nguồn từ sự khôngtròn hoặc ovan của lõi sợi theo 2 cách: ống dẫn sóng ovan (vốn có tínhlưỡng chiết) và trường lực căng cơ học tạo nên bởi lõi ovan gồm có cảlưỡng chiết phụ Nhìn chung, ảnh hưởng của ống dẫn sóng ovan có vaitrò lớn trong sợi PMD thấp

Sự lưỡng chiết của các vật liệu trong suốt giống nhau như thạch anhđược tạo ra từ cấu trúc tinh thể cân xứng Và như vậy, PMD trong cácthành phần quang có thể sinh ra từ sự lưỡng chiết của các thành phầncon trong các thành phần quang hợp thành Tín hiệu truyền trên cácđường song song nhau có độ dài quang khác nhau cũng sinh ra hiệntượng trễ nhóm

Sự phân cực trong sợi đặc trưng cho lưỡng chiết do lực cơ học Nhiềuphần tử không phải là thủy tinh được cho vào trong lớp vỏ của sợi nên

ở lõi xuất hiện trường lực không đối xứng nhau dọc theo chiều dài sợi.Khi ánh sáng phân cực bị ghép trong một đoạn sợi này thì trường điệnđầu ra của ánh sáng đầu vào được phân tích thành 2 modul phân cựctrực giao với tốc độ truyền khác nhau Các modul phân cực được duytrì dọc theo sợi và năng lượng của chúng sẽ không bị ghép

Ngoài những nguyên nhân trên, lưỡng chiết còn sinh bởi sự uốn congcủa sợi Sự uốn cong này làm thay đổi mật độ phân tử của cấu trúc sợi,làm cho hệ số khúc xạ mất đối xứng Tuy nhiên, lưỡng chiết do uốncong không phải là nguyên nhân chủ yếu sinh ra PMD

1.3.6 Vấn đề ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Đối với hệ thống thông tin sợi quang, công suất quang không lớn, sợi quang

có tính năng truyền dẫn tuyến tính Sau khi dùng EDFA, công suất quang tănglên, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phituyến, hạn chế rất lớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và cự ly truyền dẫndài không có chuyển tiếp

Nhìn chung, có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại:

 Hiệu ứng tán xạ: bao gồm tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán

xạ do kích thích Brillouin (SBS)

 Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang:bao gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo(XPM)

và trộn bốn bước sóng (FWM)

Nếu gọi PS(L) là công suất của bước sóng stoke trong sợi quang thì:

PS(L)=P0 exp g KS r P

eff0L 

(1.8)

Trong đó: P0 là công suất đưa vào sợi tại bước sóng tín hiệu

gr là hệ số khuếch đại Raman

L là khoảng cách ánh sáng lan truyền tong sợi quang

Seff là diện tích vùng lõi hiệu dụng

K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước

sóng stoke và phân cực của sợi Đối với sợi thông thường thì

Pth

0  32Lg S eff r  

(1.9)

Từ đây, người ta tính toán được rằng, đối với hệ thống đơn kênh, để hiệu ứngSRS có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất phải lớnhơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đườngtruyền) Tuy nhiên, trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơnnhiều vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đócông suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyểnmột phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ số SNR, ảnhhưởng đến chất lượng hệ thống Để đảm bảo suy giảm SNR không nhỏ hơn0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thỏa mãn:

P < 10,28.1012 (1.10)

NN 1L eff f

Trong đó: N là số kênh bước sóng

f là khoảng cách giữa các kênh bước sóng

Như vậy, trong hệ thống WDM, hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bướcsóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dàicủa hệ thống Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tínhiệu thì hiệu ứng này cũng gây xuyên nhiễu giữa các kênh

1.3.6.2 Hiệu ứng tán xạ Brillouin SBS

Tán xạ Brillouin được hiểu như là sự điều chế ánh sáng của năng lượngnhiệt trong vật liệu Photon ánh sáng vào sợi quang chịu sự tương tác khôngtuyến tính và tạo ra năng lượng rung động trong thủy tinh cũng như tạo ra ánhsáng tán xạ Độ dịch tần số và cường độ tán xạ biến đổi theo hàm của góc tán

xạ, với giá trị lớn nhất là ngược với hướng truyền và nhỏ nhất bằng khôngtheo hướng truyền Do đó, tán xạ Brillouin chủ yếu về hướng ngược hướng vềnguồn và xa bộ thu, vì vậy làm giảm công suất ánh sáng tại bộ thu Mức công

suất mà tại đó tán xạ Brillouin trở nên đáng kể trong sợi quang đơn mode tuântheo công thức:

PB=17,6 x 10-3x a2 x λ2 x α x  (1.11)

Trong đó: PB là mức công suất (W) cần thiết để tán xạ Brillouin trở nênđáng kể

a là bán kính sợi quang (µm)

λ là bước sóng của nguồn phát (µm) α là

suy hao của sợi quang (dB/km)

 là độ rộng phổ của nguồn (GHz)

Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có sự tạo thànhcủa bước sóng stoke với bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng tới Điểmkhác nhau chính của hai hiệu ứng này là: hiệu ứng SBS liên quan đến cácphoton âm học, còn hiệu ứng SRS liên quan đến các photon quang Chính do

sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hưởng khác nhau đến hệthống WDM Trong hiệu ứng này, một ánh sáng bị tán xạ do các photon âmhọc và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn (tươngđương với độ dịch tần là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm) Tuy nhiên,chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược trở lại (tức là ngược chiềuvới chiều của tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang Vì vậy, trong

hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hướng thì hiệuứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh

Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứngSBS là thấp nhất, chỉ vài mV Tuy nhiên, do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với

VB/VLaser (VB là băng tần khuếch đại Brillouin,VLaser là độ rộng phổ củalaser) và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 – 100 MHz)nên hiệu ứng này cũng khó xảy ra Chỉ các hệ thống với nguồn phát có độrộng phổ rất hẹp mới có thể bị ảnh hưởng của hiệu ứng SBS Người ta tínhtoán được mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau:

kA eff V B V P

Pth = 21 . (1.12)

Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin

Aeff là vùng lõi hiệu dụng k: đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng stoke và phân cực của sợi Đối với hệ thống thông thường thì k2

VB là băng tần khuếch đại Brillouin

VP là độ rộng phổ của tín hiệu

Như vậy, hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh

và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM Hiệu ứng này không phụthuộc vào số kênh của hệ thống

1.3.6.3 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suấtcủa môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền trong đó:

n = n0 +nNL= n0 + n2 E 2 (1.13)

Trong đó: n0 là chiết suất tuyến tính

n2 là hệ số chiết suất phi tuyến (n2 = 1,22.10-22(V/m)2 đối vớisợi Silic)

E là trường quang

Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến ΦNL của trường quang khi lantruyền trong sợi quang Giả sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L,pha của trường quang sẽ là:

Φ = 2nL  2Ln0  n2 E 2 (1.14)

Đối với trường quang có cường độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làmquay pha của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống

Tuy nhiên, đối với các trường quang có cường độ thay đổi thì pha phi tuyến

ΦNL sẽ thay đổi theo thời gian Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa làtrong xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0một giá trị là δvNL, với:

1 NL 

δvNL = 2 t  (1.15) Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn saucủa xung dịch đến tần số v<v0 và sườn trước của xung dịch đến tần số v>v0.Điều này có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị giãn trong quá trình truyền Trong

hệ thống WDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượnggiãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh Hơn nữa,nếu xét đến ảnh hưởng của tán sắc thì thấy dạng xung bị biến đổi dọc theo sợi.Nếu gọi D là hệ số tán sắc của sợi thì:

- Với D < 0: thành phần tần số cao sẽ lan truyền nhanh hơn thành phầntần số thấp Do đó, xung bị giãn ra

- Với D > 0: thành phần tần số cao sẽ lan truyền chậm hơn thành phầntần số thấp làm cho xung bị co lại (nguyên lý truyền dẫn Soliton) Tuynhiên, việc tạo ra Soliton phải được kiểm soát, nếu không sẽ có hiện tượnglúc đầu xung co lại, sau đó lại giãn ra rất nhanh

1.3.6.4 Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM

Đối với hệ thông WDM, hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉphụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ củabước sóng khác lan truyền trong sợi Trong trường hợp này, chiết suất phituyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là:

nNL n2 E i E j (1.16)

Trong đó: N là tổng số kênh quang

Ei, Ej là cường độ trường quang của bước sóng thứ i, j

XPM có quan hệ đến phương thức điều chế, khi điều chế PSK thì ảnh hưởngđến tính năng của hệ thống là lớn nhất Có thể thông qua việc giảm công suấtcủa các kênh tín hiệu để giảm XPM Ngoài ra, XPM không chỉ phụ thuộc vàocông suất của kênh tín hiệu mà còn phụ thuộc vào số kênh tín hiệu

Số kênh tín hiệu càng nhiều thì ảnh hưởng của XPM càng lớn

1.3.6.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM

Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơnmode, đó là hiệu ứng FWM Trong hiệu ứng này, 2 hoặc 3 sóng quang với cáctần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới.Tương tác này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệthống WDM, hoặc giữa bước sóng tín hiệu với tạp âm ASE của các bộ khuếchđại quang, cũng như giữa mode chính hoặc mode bên của một kênh tín hiệu.Giả sử có 3 bước sóng với tần số i, j,k thì tổ hợp tần số mới tạo

ra sẽ là những tần số ijk thỏa mãn:

ijk = i + j - k

Theo quan điểm cơ lượng tử, hiệu ứng FWM là hiệu ứng mà trong đó có sựphá hủy photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ở các bước sóngmới sao cho vẫn bảo toàn về năng lượng và động lượng Nếu gọi Pijk(L) làcông suất của bước sóng ijk trong sợi quang thì:

Pijk(L) =10242 6

2 6 3 2 L

22 P i P j P k exp L (1.17)

n0 ijk cS eff

Trong đó:  là hiệu suất của quá trình FWM

c là vận tốc ánh sáng trong chân không

Seff là diện tích vùng lõi hiệu dụng

Pi, Pj, Pk là công suất tương ứng của bước sóng λi, λj, λk,

(3) là độ cảm phi tuyến bậc 3

Hiệu suất  của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thỏa mãn (tức làđộng lượng photon được bảo toàn) Về mặt toán học thì điều này có thể biểuthị như sau:

(ijk ) = (i) + (j) - (k)

Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy

ra Tuy nhiên, với môi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảngcách truyền dẫn tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thểcoi là xấp xỉ đạt được

Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứngFWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM Hơnnữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới đượctạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suygiảm chất lượng của hệ thống

Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu bị thuhẹp lại nên sẽ làm giảm chất lượng BER của hệ thống Vì các hệ thống WDMchủ yếu làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quangđơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm km,còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là 0 (< 3 ps.nm), do đó hệthống WDM làm việc trên sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) sẽ ít bịảnh hưởng bởi hiêụ ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắcdịch chuyển (DSF)

Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênhtrong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khi khoảng cách truyền dẫn và mứccông suất của mỗi kênh lớn Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và

cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM

1.3.7 Dải bước sóng làm việc của DWDM

Sợi quang thạch anh có 3 cửa sổ suy hao thấp 860 nm, 1310 nm và 1550 nm,trong đó tại cửa sổ 1550 nm đặc tính suy hao của sợi quang là nhỏ nhất, cửa

sổ này được áp dụng để truyền dẫn tín hiệu SDH với khoảng cách ngắn vàdài Hơn thế nữa, các bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng hiện nay có đặctính độ lợi khá bằng phẳng trong cửa sổ này, bởi vậy đây là cửa sổ hoạt độngrất tốt của hệ thống DWDM Các bước sóng làm việc trong cửa sổ 1550nmđược chia thành 3 dải: băng S, băng C và băng L

Hình 1.5 : Sự phân chia dải bước sóng làm việc tại cửa sổ 1550 nm

Trong đó:

• Băng S (1460 nm – 1530 nm): hiện tại, dải bước sóng làm việc của

bộ khuếch đại quang EDFA thuộc băng C và L Do đó, băng Skhông sử dụng trong hệ thống DWDM

• Băng C (1530 – 1565 nm): đây là dải bước sóng làm việc của các hệthống DWDM sử dụng 40 bước sóng (khoảng cách giữa các bướcsóng là 100 GHz), hệ thống DWDM sử dụng 80 bước sóng (khoảngcách giữa các bước sóng là 50 GHz) và hệ thống SDH

• Băng L (1565 – 1625 nm): đây là dải bước sóng làm việc của các hệthống DWDM sử dụng 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bướcsóng là 50 GHz)

Short band

Conventional band

Long band

Dựa trên số lượng kênh được ghép và khoảng cách giữa các kênh trong

hệ thống DWDM, các bước sóng làm việc trong hệ thống DWDM có thểlà: 40 bước sóng, 80 bước sóng và 160 bước sóng  Hệ thống DWDMghép 40 bước sóng

 Dải bước sóng làm việc: băng C (1530 – 1565 nm)

 Dải tần số: 192.1 THz – 196.0 THz

 Khoảng cách giữa các kênh: 100 GHz

 Central frequency offset: 20 GHz (tại tốc độ thấp hơn 2.5Gbps) và 12.5GHz (tại tốc độ 10Gbps)

1.4 CÁC ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG DWDM

 Tận dụng được phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra được dunglượng truyền dẫn lớn Công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tàinguyên băng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25THz) để nâng cao

dung lượng truyền dẫn của hệ thống

 Khoảng cách truyền dẫn xa bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đại

quang sợi EDFA

 Cho phép truy nhập nhiều loại hình dịch vụ: các bước sóng trong hệthống DWDM độc lập nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại hình

dịch vụ trên cùng một cáp sợi quang như: SDH, GE hay ATM…

 Hạn chế được số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiềubước sóng trên một sợi quang nên tiết kiệm được rất nhiều cáp quang,

từ đó có thể giảm được cho phí xây dựng đường dây

 Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng

 Độ linh hoạt cao, mạng kinh tế và ổn định

Chương 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM

2.1 CẤU TRÚC TRUYỀN DẪN CƠ BẢN CỦA MẠNG DWDM

Hệ thống DWDM thực hiện ghép bước sóng danh định khác nhau (tương ứngvới các tín hiệu kênh quang riêng lẻ) thành một chùm sáng và được truyềndẫn trên một sợi, trong đó mỗi kênh quang mang dịch vụ khác nhau

Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM gồm các thành phần chính sau:

 Bộ sửa dạng tín hiệu

 Các bộ tách ghép kênh quang OMUX, ODMUX

 Các bộ khuếch đại quang sợi EDFA

 Các bộ xen/rẽ quang OADM

 Các modul bù tán sắc DCM

 Bộ kết nối chéo quang OXC

2.2 KHỐI PHÁT ĐÁP QUANG OTU

OTU (Optical Transponder Unit) là thiết bị được sử dụng để thực hiện sửadạng tín hiệu Nó chuyển đổi những tín hiệu của các kênh quang đầu vào ởphía Client side thành các tín hiệu quang chuẩn theo khuyến nghị G.692 củaITU-T để có thể truyền trên hệ thống DWDM

Nguyên lý hoạt động:

OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện với các tín hiệu quang đưa vàoghép kênh theo khuyến nghị G.957 và thực hiện tái tạo tín hiệu, khôi phụcđịnh thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang đã được chuyển đổithành điện Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang để đưa ra tín hiệu kênhquang DWDM mà có bước sóng, độ tán sắc và công suất phát quang theochuẩn G.692

Hình 2.1: Nguyên lý của bộ thu phát quang OTU

Sau khi chuyển đổi O/E nếu chỉ thực hiện tái tạo dạng tín hiệu, khôiphục định thời (thực hiện chức năng 2R: Reshape, Retiming) thì OTU thựchiện chức năng sửa dạng tín hiệu cho truyền dẫn ở khoảng cách ngắn

Nếu sau khi chuyển đổi O/E, OTU xử lý tái tạo dạng tín hiệu, khôiphục định thời và khôi phục dữ liệu (chức năng 3R: Reshape, Retiming,Regenerator) được thực hiện thì OTU đó có chức năng của một bộ repeater

Phân loại và ứng dụng:

Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thểđược chia làm 3 loại: OTUT (OUT Transmitter), OTUR (OUT Receiver) vàOTUG (OUT Generrator) Ứng dụng của chúng trong hệ thống như hình vẽ:

Hình 2.2: Vị trí của bộ chuyển đổi bước sóng OTU trong hệ thống

OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng vàOMUX Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tínhiệu quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đưa vào OMUX Loại OTU nàykhông chỉ thực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việctái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìmbyte B1 (byte giám sát lỗi bit từng đoạn lặp)

Tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời

ra

G.692 G.957

O M U

X

O D M U

X

O M U

X

O D M U

OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của kháchhàng Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OUTR phải tuân theo chuẩnG.692 Loại OUT này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện sửa dạngtín hiệu, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1

OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX Tín hiệu đầuvào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692 OTU loại này khôngchỉ có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạngtín hiệu, khôi phục định thời và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R)

Vì vậy, OTUG tương đương như một bộ lặp thông thường và cũng có chứcnăng tìm byte B1

2.3 BỘ GIẢI/GHÉP KÊNH QUANG

Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau 1, 2, ,

n Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùngmột sợi quang ở phía phát Bộ ghép kênh theo bước sóng phải đảm bảo có độsuy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tớiphía thu Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ được tách

ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các bộ thu thích hợp

Có 3 loại WDM chính thức được sử dụng đó là:

 Sử dụng bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin filmfilters - DTF) dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dảibước sóng cụ thể cũng như dễ dàng thích ứng trong việctruyền dẫn một chiều hoặc hai chiều Bộ lọc DTF được sửdụng để ghép bước sóng tại hai cửa sổ

 Sử dụng cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệutrong cùng một cửa sổ

 Ghép định hướng theo phương pháp hàn sợi

2.3.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng

Bộ lọc điện môi sử dụng trong ghép kênh quang hoạt động dựa trên nguyêntắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ này và cho phần phổ còn lại đi qua Phần

tử cơ bản để thực hiện ghép kênh theo bước sóng là bộ lọc điện môi giao thoa,

nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp đặtxen kẽ nhau Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồngcộng hưởng Fabry - Perot, gồm 2 gương phản xạ thành phần đặt song songcách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt

Nguyên lý hoạt động của nó như sau: Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị,các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộnghưởng Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánh sángthì giao thoa xếp chồng xảy ra và công suất quang của bước sóng đạt giá trịcực đại Các tia ánh sáng của các bước sóng khác với bước sóng cộng hưởngphản xạ trọn vẹn, chỉ có một bước sóng đi qua bộ lọc Gương phản xạ là cáclớp thủy tinh nằm trên lớp đệm trong suốt

Hình 2.3: Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc

Theo đặc tính phổ thì thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành:

 Bộ lọc thông thấp hoặc thông cao có bước sóng cắt c

 Bộ lọc thông dải có bước sóng trung tâm 0 và độ rộng dải  Các bộ lọc thông thấp hoặc thông cao thường sử dụng để ghép hoặctách 2 bước sóng khác nhau, chẳng hạn 850 nm và 1310 nm hoặc 1310 nm và

1550 nm Loại bộ lọc như vậy thích hợp cho nguồn quang có dải phổ rộng

Bộ lọc

 1 ,  2 , ,  n

 2 , ,  n

 1

(LED) Bộ lọc thông dải được sử dụng trong WDM khi nguồn quang có phổhẹp (LD) Đối với bộ lọc thông dải có một vài yêu cầu, đó là độ dốc sườnđường cong hàm truyền đạt phải đủ lớn để tránh xuyên âm giữa các kênh kềnhau, mặt khác độ rộng giải  có dung sai cho phép để đề phòng dịch bướcsóng trung tâm của nguồn quang do nhiệt dộ thay đổi

Hình 2.6: Bộ tách 2 kênh dùng bộ lọc và lăng kính Grin

Cấu trúc cơ bản của bộ giải ghép 2 kênh như ở hình 2.5, trong khi đó việcthực hiện trên thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 2.6 Các phần tửchuẩn trực và hội tụ là các lăng kính Grin - rod 1/4 bước Bộ lọc được thiết kế

để phát đi λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa 2 lăng kính Các thiết bị giải ghépnày có sẵn trên thị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi ở các hệthống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và

1300 nm hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ chức bước sóngnhư 800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm;…, với suy hao nhỏ hơn 3 dB(cho mỗi cặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25 dB

 Bộ tách lớn hơn hai bước sóng:

Thiết bị này sử dụng các bộ lọc nối tiếp nhau và mỗi bộ lọc cho đi quamột bước sóng và phản xạ các bước sóng còn lại

4

Hình 2.7: Cấu tạo cơ bản của bộ lọc nhiều bước sóng

Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấukính, các sợi quang,…Hình vẽ là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính Grin vàkhối thủy tinh trong suốt

 4

Hình 2.8: Bộ tách kênh vi quang nhiều kênh trên thực tế

Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến cácphần tử trực chuẩn, thiết bị không có thấu kính mà các bộ giao thoa ở đâyđược đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn

Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách kênh sử dụng bộ lọc gắn trực tiếp vào sợi

Khối thủy tinh trong suốt

5

Bộ lọc

2.3.3 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ

Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nênthấu kính ngày nay hầu như không được sử dụng nữa, thay vào đó người ta sửdụng cách tử nhiễu xạ là chủ yếu Các bộ tách/ghép bước sóng sử dụng bộ lọckhông thể thực hiện được khi số lượng kênh lớn và số lượng bước sóng sátgần nhau Thuận lợi chính của cách tử là có thể nhiễu xạ đồng thời tất cả cácbước sóng và có thể thực hiện được với các bộ tách ghép nhiều kênh Nguyên

lý cơ bản của ghép bước sóng sử dụng cách tử dựa trên hiện tượng góc nhiễu

xạ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

Cách tử nhiễu xạ là một thiết bị quang thụ động, nhiễu xạ chùm sáng tới theocác hướng khác nhau tùy theo góc tới của chùm sáng trên bề mặt cách tử,bước sóng của ánh sáng tới, các đặc tính thiết kế của cách tử, khoảng cáchgiữa các rãnh (chu kỳ cách tử), góc của rãnh cách tử Φ Trên 1mm của cách tử

có hàng chục hay hàng ngàn rãnh nhỏ, số rãnh trên một đơn vị chiều dài củacách tử được gọi là hằng số cách tử

Người ta chế tạo cách tử bằng cách dùng một mũi kim cương nhọn rạchnhững đường song song cách đều trên một tấm thủy tinh phẳng Chỗ bị rạch

có tác dụng như những chắn sáng, chỗ còn lại có tác dụng như những khesáng Cách tử thu được bằng cách đó gọi là cách tử truyền xạ Cách tử truyền

xạ ngày nay dùng rất ít vì mũi kim cương mau mòn khi rạch lên thủy tinhhoặc thạch anh, khiến cho các khe cuối không còn rộng như khe đầu Thayvào đó người ta sử dụng cách tử phản xạ bằng cách rạch lên bề mặt kim loạiphủ trên thủy tinh, tạo ra các chắn sáng, phần còn lại phản xạ ánh sáng có tácdụng như các khe Các lớp kim loại phủ thường là bạc hoặc nhôm, khá mềmnên mũi kim cương rất lâu mòn

Tùy theo các bước sóng khác nhau mà cách tử nhiễu xạ ánh sáng theo cáchướng khác nhau Do vậy, chùm tia tới với nhiều bước sóng khác nhau sẽđược tách ra theo chiều hướng tùy thuộc vào bước sóng Ngược lại các ánh

sáng đơn sắc từ các hướng khác nhau cũng có thể được ghép lại thành mộtchùm sáng truyền theo cùng một hướng

2.3.4 Các bộ tách ghép bước sóng sử dụng cách tử

Nói chung, các bộ ghép kênh hoặc tách kênh sử dụng cách tử gồm 3 phần chính: các phần tử vào và ra (là mảng sợi hoặc một sợi truyền dẫn vớicác thành phần thu - phát), phần tử hội tụ quang, phần tử tán sắc góc

b)

Hình 2.10: Bộ tách Littrow: a) Bộ tách bước sóng dùng thấu kính hội tụ, b)

Bộ tách bước sóng dùng thấu kính Grin

Hình 2.10 a,b là bộ tách Littrow với cấu trúc cơ bản và cấu trúc thực tế sửdụng thấu kính Grin của bộ tách 2 kênh Trong cấu hình này, cả tín hiệu ánhsáng đi vào và ánh sáng đi ra khỏi bộ ghép chỉ sử dụng một thấu kính, dùngthấu kính chuẩn trực hoặc thấu kính Grin

2.3.5 Phương pháp ghép sợi

Phần trên ta xem xét các thành phần thiết bị vi quang đã được sử dụng rộngrãi cho các loại sợi đa mode, nhưng lại khó sử dụng cho sợi đơn mode bởi vìquá trình xử lý chùm sáng phải qua các giai đoạn như phản xạ, chuẩn trực, hộitụ,…, từ đó dẫn tới quang sai và các vấn đề trễ khác tạo ra suy hao tín hiệuquá lớn ở thiết bị Thiết bị DWDM ghép sợi phù hợp hơn đối với các sợi đơn

mode vì có thể tránh được quang sai, giảm trễ, giảm suy hao do các quá trình

xử lý chùm sáng qua các đoạn phản xạ, chuẩn trực, hội tụ gây ra

Nguyên lý hoạt động: khi lõi các sợi quang đặt gần nhau thì công suất quang

từ một sợi sẽ chuyển vào các sợi khác

Các thiết bị DWDM ghép sợi có thể có 2 dạng đó là: nung nóng chảy các sợi

kề nhau và mài ghép chỗ tiếp xúc giữa các sợi

2.3.5.1 Phương pháp ghép xoắn sợi và mài ghép

 Phương pháp ghép xoắn sợi

Các sợi được bện với nhau và được đặt dưới một nguồn nhiệt có điều khiển,sau khi các sợi đã đạt tới trạng thái mềm dẻo thì dùng lực kéo và xoắn các sợilại với nhau làm cho các lõi sợi ghép lại gần nhau Bằng cách điều khiển cácyếu tố như: nhiệt độ, vùng được đốt nóng, các lực kéo và xoắn ta có thể thayđổi được kích cỡ, hình dạng và độ dài của vùng ghép Do đó làm thay đổiđược đặc tính của sợi

Đối với các bộ ghép kiểu xoắn nóng chảy, người ta nhận thấy rằng khităng chiều dài ghép lên thì có khả năng tách được các bước sóng gần nhauhơn

Trong cấu trúc nóng chảy, đoạn ghép được kéo dài cho đến khi giá trịghép theo yêu cầu đạt được ở những bước sóng cố định Ví dụ: ghép nóngchảy 1300/1550 nm có độ dài ghép 20 nm, suy hao xen nhỏ khoảng 0,04 dB

 Phương pháp mài ghép sợi

Ở phương pháp này, hai sợi quang được đặt trong hai rãnh cong nằm tronghai khối thạch anh Tiếp đó, người ta mài cho đến khi các lõi sợi này gần lộ ra

và được đặt tiếp xúc với nhau qua một lớp đầu hay epoxy Do đó, sự ghép nối

có thể thực hiện được Ở đây, hệ số ghép nối có thể đạt đến giá trị tùy ý bằngcách thay đổi khoảng cách giữa hai sợi hay sử dụng các vật liệu có chiết suấtkhác nhau giữa hai khối

Ưu điểm chính của ghép đơn mode theo phương pháp mài ghép so vớiphương pháp nóng chảy là có thể điều hưởng được bằng cách dịch chuyển vịtrí tương đối của hai sợi với nhau Ghép theo phương pháp nóng chảy thì giáthành hạ, vì vậy có thể kết hợp cả hai phương pháp để đạt được hiệu quả tối

Hình 2.11: a) Phương pháp ghép xoắn sợi; b) Phương pháp mài ghép sợi

2.3.5.2 Nhược điểm của phương pháp ghép sợi

Thực tế cho thấy, băng thông của các bộ ghép bước sóng dùng phương phápghép sợi có đặc tính gần như hình sin Vì vậy khó khăn trong việc lựa chọnbước sóng của nguồn quang Do đó, việc sử dụng LED đối với các phươngpháp này là không thể được vì phổ của chúng quá lớn Như vậy, chỉ có cácLaser có độ rộng phổ hẹp được sử dụng để tránh suy hao cũng như xuyên âmgiữa các kênh

2.4 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ EDFA

2.4.1 Tổng quan về công nghệ EDFA

Bộ khuếch đại EDFA ra đời làm cho công nghệ truyền dẫn sợi quang pháttriển nhanh chóng Cho đến nay, EDFA đã được đưa vào khai thác và sử dụng

ở hầu hết các hệ thống thông tin quang, chúng được dùng để thay thế các trạmlặp thông thường

EDFA làm việc ở bước sóng 1550 nm với hệ số khuếch đại cao, côngsuất ra lớn và nhiễu thấp Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống thôngtin quang thì cần có một nguồn bơm Các Laser diode bán dẫn công suất cao

là các nguồn bơm thực tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA

Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hưởng do ảnh hưởng phân cực của ánh sáng, bởi vì bão hòa xảy ra trong EDFA tồn tại trong một thời gian khá dài, do đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu tốc độ cao

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là

EDFA (Erbium - Doped Fiber Amplifier) Nguyên lý khuếch đại được thựchiện nhờ cơ chế bức xạ trong ba mức hoặc bốn mức như sau

EDFA có cấu trúc là một đọan sợi quang mà lõi của chúng được cấy Er3+ vớinồng độ ít hơn 0,1% Khi một nguồn bơm photon bước sóng 980 nm hoặc

1480 nm được bơm vào lõi sợi đặc biệt này, các ion Er3+ này sẽ hấp thụ cácphoton đó một điện từ của nó chuyển mức năng lượng từ mức cơ bản E1 lênmức kích thích E2, do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E3 ở giữa (xemgiản đồ năng lượng), nên các điện tử này chuyển xuống mức năng lượng E3theo cơ chế phân rã không bức xạ (thả không bức xạ xuống E3), sau mộtkhoảng thời gian điện tử được kích thích này rơi trở lại mức E1 phát xạ raphoton Hiện tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát (là cơ chếbình thường khi điện tử nhảy mức năng lượng), hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnhtheo cơ chế bức xạ kích thích, tức là do sự có mặt của cá photon mang năng

lượng bằng với năng lượng dịch chuyển mức của các điện tử (trong EDFA, thì

đó là photon của tín hiệu cần được khuếch đại) sẽ kích thích sự phát ra và tạo

ra thêm nhiều photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng Rất may là bức xạnày lại ở vùng bước sóng 1550 nm Nhờ vậy tín hiệu được khuếch đại khi điqua sợi pha tạp Erbium

Mức cơ bản E1

Hình 2.12: Giản đồ năng lượng của Erbium

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi EDFA:

Tín hiệu tới đựoc khuếch đại

Mức kích thích E 2

photon tới

Phân rã

nguồn bơm

2.4.3 Phân loại EDFA

Phụ thuộc và vị trí trong mạng quang, EDFA được chia thành: khuếch đạicông suất OBA, khuếch đại đường quang OLA và tiền khuếch đại OPA OBA

là thiết bị EDFA có công suất bão hòa lớn được sử dụng ngay sau Tx để tăngmức công suất tín hiệu Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp âm ASE

có thể bỏ qua nên đối với BA không đòi hỏi phải có yêu cầu nghiêm ngặttrong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm Tuy nhiên, với mức công suất ra cao,việc sử dụng BA có thể gây ra một số hiện tượng phi tuyến Các chức năngOAM đối với BA có thể tách riêng hoặc chung với Tx BA có thể tích hợp với

Tx (gọi là OAT) hoặc tách riêng với Tx

OPA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước bộthu (Rx) để tăng độ nhạy thu Sử dụng PA, độ nhạy thu được tăng thêm đáng

kể Các chức năng OAM đối với PA có thể tách riêng hoặc chung với Rx Đểđạt được mức tạp âm ASE thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quangbăng hẹp (nên sử dụng các loại bộ lọc có khả năng điều chỉnh bước sóngtrung tâm) PA có thể tích hợp với Rx (gọi là OAR) hoặc tách riêng với Rx.OLA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền(giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp Tùy theo chiều dàituyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trêntuyến Đối với các hệ thống có sử dụng LA, đòi hỏi phải có một kênh thôngtin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA Kênhgiám sát này (OSC – Optical Supervise Channel) không được quá gần vớibước sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng giữa các kênh này.Tại mỗi LA, kênh giám sát này được chèn thêm các kênh thông tin mới (vềtrạng thái LA, các thông tin về cảnh báo), sau đó được phát lại vào đườngtruyền Về mặt lý thuyết, khoảng cách truyền dẫn lớn (cõ vài nghìn km) có thểđạt được bằng cách chèn thêm LA vào đường truyền Tuy nhiên, trong trườnghợp trên tuyến có nhiều LA liên tiếp nhau, chất lượng hệ thống có thể suygiảm nghiêm trọng do có các hiện tượng như: tích lũy tạp âm, sự phụ thuộc